ÍN C IA LUZ D F I M E U N IV ER S ID A D V E R A C R U Z A N A FA C U LTA D DE IN G E N IE R ÍA M E C Á N IC A E L É C T R IC A XA LAPA PR O G R AM A A C R E D ITA D O PO R E L C ACEI C O N S E J O D E A C R E D IT A C IÓ N DE L A E N S E Ñ A N Z A D E LA IN G E N IE R ÍA , A . C. A G O S T O DE 2007 ALBERTO ALEJANDRO RIVERA PONCE “ DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN TRIBOMETRO ROTATORIO ” Circuito Gonzalo Aguirre Beltrán S/N C.P. 91000 Zona Universitaria Xalapa, Ver. fime@ uv.mx Tel-Fax (228) 1 41 10 31 Directo (228) 8 42 17 57 ÍNDICE. IN T R O D U C C IÓ N .............................................................................................................3 C A PÍT U L O I.- IN T R O D U C C IÓ N Y A N Á L ISIS B IB L IO G R Á F IC O 4 1.1.- HISTORIA Y ANTECEDENTES.................................................................... 5 1.2.- LUBRICACIÓN.....................................................................................................7 1.3 - OBJETIVOS Y CAMPOS DE APLICACIÓN............................................. 7 1.4 - SUPERFICIES CONCORDANTES................................................................ 8 1.5 - SUPERFICIES N O CONCORDANTES........................................................ 9 1.6 - TIPOS DE LUBRICACIÓN, LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA. 10 1.7 LUBRICACIÓN M ARG INAL...........................................................................12 1.8 LUBRICACIÓN M IXTA.....................................................................................14 1.9 - TIPOS DE DESGASTE EN MATERIALES. [21]...................................15 1.10 - ALG UNAS RECOMENDACIONES PARA PROPORCIONAR RESISTENCIA AL DESGASTE POR ADH ERENCIA Y POR A B R A SIÓ N .....................................................................................................................18 1 . 1 1- IM PORTANCIA DEL D ESG A STE........................................................... 21 C A PÍT U L O II.- JU S T IF IC A C IÓ N D E L T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO . ................................................................................................................................................24 2.12.2 DEFINICIÓN DE TRIBÓMETRO............................................................. 25 - IMPORTANCIA DE LOS TRIBÓM ETROS...........................................26 2.3.- JUSTIFICACIONES...........................................................................................27 2.4.- RAZÓN DE D ESG A STE..................................................................................31 2.5 - LEY DEL DESGASTE POR ADHERENCIA........................................... 34 2.6 - ÁNGULO DE ASPEREZA.............................................................................. 36 2.7 - MECANISM O DE FATIGA............................................................................39 D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | 1 C A PÍT U L O III.- D ISE Ñ O Y C O N ST R U C C IÓ N DE UN T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO .................................................................................42 3.1.- JUSTIFICACIÓN................................................................................................ 43 3.2. -ANTECEDENTES............................................................................................... 44 3.3 - TRIBÓMETROS COMERCIALES...............................................................44 3.4.- DISEÑO MECÁNICO....................................................................................... 45 3.6 - CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE.................................................................. 78 3.7.- PRESUPUESTO.................................................................................................. 80 C A PÍT U L O IV : P R O C E D IM IE N T O S Y V A L ID A C IÓ N DE LA A P L IC A IC Ó N E X PE R IM E N T A L D E L T R IB Ó M E T R O P A R A L A D E T E R M IN A C IÓ N DE L A R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E M E D IA N T E E N SA Y O S D E D E S L IZ A M IE N T O ............................................. 82 4.1- PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE M EDIANTE ENSAYO DE DESLIZAM IENTO.......................................................................................................83 4.2 - VALIDACIÓN DE LA APLICACIÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE M EDIANTE ENSAYO S DE DESLIZAM IENTO 98 4.3 - DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS....................................................... 104 4.3.2 - PASOS INICIALES PARA LA PLANIFICACIÓN DE EXPERIMENTOS................................................................................................... 109 4.4 - DISEÑO EXPERIMENTAL PARA M Á Q U IN A ROTATORIA 122 4.5 - PROCESAMIENTO DE LOS RESULTAD O S....................................... 124 4.6.- RESULTADO S..................................................................................................133 4.7 - ANÁLISIS DE LOS R ESUSLTADO S.......................................................146 C O N C L U C IO N E S ........................................................................................................150 A N E X O S ...........................................................................................................................151 B IB L IO G R A F ÍA ........................................................................................................... 197 D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | 2 IN T R O D U C C IÓ N . Si bien uno de los requisitos para definir el progreso lo es el uso que el homo sapiens ha hecho de la tecnología, no hay que olvidar que fueron los grupos bárbaros del periodo neolítico los que tendieron los cimientos de la sociedad moderna en un lapso no mayor de 2 000 a 3 000 años (alrededor del 3 500 a 1 500 a. de C.). para que exista un avance tecnológico es necesario que el hombre dé forma a materiales m etálicos o no metálicos siguiendo el diseño preconcebido de algún componente, ya sea una lanza para caza o un vehículo de transporte con ruedas. Entre los utensilios tribológicos, los más comunes fueron los taladros hechos de concha, hueso y piedra. Todo indica que todavía en la edad media (400 a 1 400 d. de C.) la piedra era uno de los materiales preferidos en Europa cuando se requería resistencia al desgaste y que se le usaba en la fabricación de arados y aros para ruedas. Los tecnólogos siempre han estado consientes del desgaste, por lo que han buscado la manera de combatir este proceso o de aprovecharlo. Para que haya desgaste, es indispensable que los componentes estén en contacto directo y para contrarrestarlo, los ingenieros interponen un lubricante que separa las superficies. En el mundo entero existe un gran interés por estudiar el desgaste de metales y materiales. Es por ello que con el presente proyecto, pretendo mencionar algunos de los principios que rigen el desgaste de metales, y para su demostración e diseñado y construido este tribómetro rotatorio. Se sabe que para que haya desgaste debe existir una interacción de superficies, es por ello que explicaré de manera algo breve la topografía de superficies, también analizaré la fricción y el desgaste que esta provoca, consideraré las teorías del desgaste por adherencia D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | 3 C A PÍT U L O I.- IN T R O D U C C IÓ N Y A N Á L IS IS B IB L IO G R Á FIC O . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 4 F undam entos de la T ribología 1.1.- H IST O R IA Y A N T E C E D E N T E S. A lo largo de la historia de la humanidad, los problemas relacionados con la fricción, siempre han estado presentes y de alguna manera se les ha tratado de dar una posible solución, sin embargo hasta hoy en día no se tiene una solución absoluta de dichos problemas. La Tribología podría parecer algo nuevo, pero es solo la percepción, solamente el término com o tal lo es, ya que el interés en temas relacionados con la disciplina existe desde antes de que la historia se escribiera. Como un ejemplo, se sabe que las “brocas” realizadas durante el periodo Paleolítico para perforar agujeros o para producir fuego, eran “fijados” con rodamientos hechos de cornamentas o huesos. Los documentos históricos muestran el uso de la rueda desde el 3500 A.C., lo cual ilustra el interés de nuestros antepasados por reducir la fricción en m ovimientos de traslación. Los egipcios tenían el conocimiento de la fricción y los lubricantes, esto se ve en el transporte de grandes bloques de piedra para la construcción de monumentos y pirámides. Para realizar esta tarea utilizaban agua o grasa animal com o lubricante. El artista científico renacentista Leonardo D a V inci fue el primero que postuló un acercamiento a la fricción. Da V inci dedujo la leyes que gobernaban el m ovimiento 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. Fue en 1699 que el físico francés Guillaume Amontons redescubrió las leyes de la fricción al estudiar el deslizamiento entre dos superficies planas.[1] Muchos otros descubrimientos ocurrieron a lo largo de la historia referente al tema, científicos com o Charles Augustin Coulomb, Robert Hooke, Isaac Newton, entre otros, aportaron conocimientos importantes para el desarrollo de esta ciencia. Al surgir la Revolución Industrial el desarrollo tecnológico de la maquinaria para producción avanzó rápidamente. El uso de la potencia del vapor permitió nuevas técnicas de manufactura. En los inicios del siglo veinte, D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 5 desde el enorme crecimiento industrial hasta la demanda de una mejor tribología, el conocimiento de todas las áreas de la tribología se expandió rápidamente. La tribología es la ciencia y tecnología que estudia la lubricación, la fricción y el d esgaste de partes m óviles o estacionarias. La lubricación, la fricción y el desgaste tienen una función fundamental en la vida de los elementos de maquinas. El termino tribología viene del término griego tribos, que significa frotamiento o rozamiento y logía que viene a ser ciencia, por tanto la traducción literal será “la ciencia del frotam ien to”. [20] La mayoría de las consecuencias de la fricción y el desgaste se consideran negativas, tales com o el consumo de energía y la causa de las fallas mecánicas, sin embargo existen beneficios fundamentales de la fricción y el desgaste. La interacción neumático y el piso por ejemplo o el zapato y el suelo, sin los cuales trasladarse sería imposible. La fricción sirve com o el mecanismo de conexión inherente en los nudos, los clavos y el conjunto tuerca tornillo. El esfuerzo de diseño no solo debe ser menor que el esfuerzo permisible y la deformación no debe exceder ningún valor máximo, sino que la lubricación, la fricción y el desgaste (consideraciones tribológicas) también deben ser apropiadamente comprendidas para que los elementos de maquinas se diseñen con éxito. Es reconocida com o fuente de gran potencial para economizar recursos financieros además de la preservación de activos físicos, materias primas y recursos energéticos. También com o una ineludible forma de hacer Mantenimiento Proactivo en equipos y maquinarias. Como en la resistencia de materiales, la tribología es la base para cada diseño de ingeniería de elementos de maquinas. Casi ningún elemento de maquina no depende de consideraciones tribológicas. Dentro de los tres grupos inherentes que comprende trataremos inicialmente de la lubricación que es el que justamente nos interesa más, en otras palabras com o tratar los efectos que produce la fricción, el desgaste y en D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 6 consecuencia el remedio es una visión proactiva hacia una lubricación racional y efectiva. 1.2.- L U B R IC A C IÓ N . El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo entre sí de tal manera que no se produzca daño en ellas: se intenta con ello que el proceso de deslizamiento sea con el rozamiento más pequeño posible. Para conseguir esto se intenta, siempre que sea posible, que haya una película de lubricante (gaseoso, líquido o sólido) de espesor suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el desgaste. El lubricante en la mayoría de los casos es aceite mineral. En algunos casos se utiliza agua, aire o lubricantes sintéticos cuando hay condiciones especiales de temperatura, velocidad, etc. Históricamente es interesante señalar que únicamente con la mejora de los procesos de fabricación de elementos metálicos (a partir de la revolución industrial) y el aumento de las velocidades de giro de ejes y elementos rodantes se ha podido obtener los valores de disponibilidad que actualmente tenemos con ellos.[20] 1.3.- O B JE T IV O S Y C A M PO S DE A P L IC A C IÓ N . El objetivo de la lubricación es reducir el rozamiento, el desgaste y el calentamiento de las superficies en contacto de piezas con movimiento relativo. La aplicación típica en ingeniería mecánica es el cojinete, constituido por muñón o eje, manguito o cojinete. Campos de aplicación: • Cojinetes del cigüeñal y bielas de un motor (vida de miles de Km.). • Cojinetes de turbinas de centrales (fiabilidad del 100%). Los factores a considerar en diseño son técnicos y económicos: D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 7 • Cargas aplicadas y condiciones de servicio. • Condiciones de instalación y posibilidad de mantenimiento. • Tolerancias de fabricación y funcionamiento; vida exigida y vida útil. • Costos de instalación y mantenimiento. L a lub ricación p o r p elícu la flu id a ocurre cuando dos opuestas se separan completamente por una película lubricante aspereza está en contacto. La presión generada dentro el fluido carga aplicada, y la resistencia por fricción al m ovimiento completamente del cortante del fluido viscoso. superficies y ninguna soporta la se origina El espesor de la película lubricante depende en gran parte de la viscosidad del lubricante tanto en el extremo alto com o bajo de la temperatura. 1.4.- SU PE R FIC IE S C O N C O R D A N T E S. Las superficies concordantes se ajustan bastante bien una con otra con un alto grado de conformidad geométrica, de manera que la carga se transfiere a un área relativamente grande. Por ejemplo el área de lubricación para una chumacera será de 2n por el radio por la longitud. El área de la superficie que soporta una generalmente constante mientras la carga se incrementa. carga permanente Journal Fig. 1.1.- C hum acera y m anguito D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. La chumacera con lubricación de película fluida representada en la figura 1 y los cojinetes deslizantes tienen superficies concordantes. En las chumaceras la holgura radial entre el cojinete y el manguito es por lo general la m ilésim a parte del diámetro del cojinete; en los cojinetes deslizantes la inclinación de la superficie de estos respecto al rodillo de rodadura suele ser muy rara. Un ejemplo de superficie concordante es la junta de la cadera del ser humano. 1.5.- SU PE R FIC IE S N O C O N C O R D A N T E S. Muchos elementos de maquinas lubricados por una película fluida tienen superficies que no concuerdan entre si. Entonces un área pequeña de lubricación debe soportar todo el peso de la carga. Por lo general el área de lubricación de una conjunción no concordante es 3 veces menor que la magnitud que la de una superficie concordante. El área de lubricación entre superficies no concordantes se agranda bastante con el incremento de carga; pero aun así es más pequeña que el área de la lubricación entre las superficies concordantes. Ejemplos de superficies no concordantes son el acoplamiento de los dientes de un engranaje, el contacto entre levas y seguidores, y también los cojinetes de elementos rodantes. Rolling e le m e n t Fig. 1.2.- R epresen tación de superficies no concordantes D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 1.6.- TIPO S DE L U B R IC A C IÓ N , L U B R IC A C IÓ N H ID R O D IN Á M IC A . Tenemos cuatro tipos básicos de lubricación y estos se desarrollan a continuación. La lubricación hidrodinámica 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 fo r m a id ea l 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 m ovimiento 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. Generalmente la magnitud de la presión que se desarrolla es menor que 5 Mpa y no es lo suficientemente grande para causar una deformación elástica significativa en las superficies. En un cojinete lubricado hidrodinámicamente el espesor mínimo de la película es función de la carga normal que se aplica W, de la velocidad ub, de la viscosidad absoluta del lubricante n0 y de la geometría (Rx y Ry). En la figura 3 se representa características de la lubricación hidrodinámica. El espesor mínimo de película hmin como una función ub y W para el m ovimiento deslizante se obtiene mediante la ecuación 1: Donde el espesor mínimo de la película normalmente excede 1 ^m. (hmi„M ub / W ) A %. Ec. 1.1. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. Fig. 1.3.hidrodinám ica L ubricación Conformal suifaces pmil, - i MPa h min = f <W - U b- Rx- R y>> 1 M '" N o elastic effect 1.6.1.- L U B R IC A C IÓ N E L A ST O H ID R O D IN Á M IC A .(E H L ) Este es un tipo de lubricación que desde su descubrimiento por los profesores británicos D ow son Duncan y H igginson Gordon en la década de los años 5 0 ’s marcó el verdadero com ienzo 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. S e podría denominar esta película com o lím ite pero de 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 EHL 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. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 11 La definición de la lubricación Elastohidrodinámica se puede explicar así: E lasto: 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; H idrodinám ica, 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 ^m en adelante, mientras que en la EHL de 1 ^m ó menos. Normalmente esta lubricación esta asociada con superficies no concordantes y con la lubricación por película fluida. 1.7 L U B R IC A C IÓ N M A R G IN A L . 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 varía entre 1 y 10 nm, dependiendo del tamaño molecular. La Fig. 4 ilustra las condiciones de película fluida en la lubricación marginal. Las pendientes de la superficie y los espesores de la película se encuentran magnificados por fines didácticos. En la Fig. 5 se muestra el comportamiento del coeficiente de fricción en los diferentes regímenes de lubricación. El coeficiente de fricción medio se incrementa hasta un total de tres veces más al pasar del régimen hidrodinámico, al elastohidrodinámico, al marginal y al sin lubricación. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 12 i ~ 1 B o u n d a ry f ilm | | B u lk lu b r i c a n t (a) ib) te) Fig. 1.4.- C ondiciones de p elícu la que se requieren para la lubricación a) lubricación p or pelícu la flu id a: superficies separadas por la m asa principal de la pelícu la lub ricante; b ) lubricación m ixta; tanto la m asa principal del lubricante com o la pelícu la m argin al tien en una fu n ción ; c) lubricación m argin al: el desem peño depende esencialm ente de la pelícu la m arginal. Unlu-bricated - tod-ynamic hEyladsro BDuadary -Hydrodynamic : Fig. 1.5.- D iagram a de barras que m u estra los coeficientes de fricción para varias condiciones de lubricación. La Fig. 6 muestra la tasa de desgaste en los varios regímenes de lubricación determinada por la carga de operación. En los regímenes hidrodinámicos y elastohidrodinámicos existe poco o ningún desgaste pues no hay contacto de asperezas. En el régimen de lubricación marginal, el grado de interacción de asperezas y la tasa de desgaste se incrementan a medida que la D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. carga aumenta. La transición de lubricación marginal a una condición no lubricada se distingue por un cambio drástico en la tasa de desgaste. A medida que se incrementa la carga relativa en el régimen no lubricado la tasa de desgaste se incrementa hasta que se presentan estrías o cuando ocurre el agarrotamiento y el elemento de maquina ya no opera adecuadamente. La mayoría de las maquinas no operan por mucho tiempo sin alguna lubricación con la consecuencia inmediata de una falla de los elementos involucrados. La lubricación marginal se utiliza en los elementos de maquinas con cargas pesadas y bajas velocidades de operación, donde es difícil obtener una lubricación por película fluida. Como ejemplo clásico tenemos el funcionamiento de las bisagras de las puertas que utilizan esta lubricación. Seizure Relative load Fig. lubricación 1.6.- R ap idez del desgaste para varios regím enes de 1.8 L U B R IC A C IÓ N M IX T A . La grafica generada por un rugosímetro tal com o lo muestra la Fig. 7 una línea media de referencia. Este sistem a se basa en la selección de la línea media com o centroide del perfil. D e esta forma las áreas por encima y debajo D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 14 de esta línea son iguales, de manera que el promedio zi es cero. Es una condición intermedia entre las películas límite e hidrodinámica, en la cual un buen porcentaje de las crestas de las dos superficies interactúan presentándose la película límite y otras ya están separadas en las cuales la película lím ite no desempeña ninguna labor. En lubricación m ixta el desgaste y el consumo de energía dependen tanto de las características de la película límite com o de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y de su estabilidad (IV). 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 volum en 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. 1.9.- TIPO S DE D E SG A ST E E N M A T E R IA L E S. [21]. El proceso de desgaste, puede definirse com o una pérdida de material de la interface de dos cuerpos, cuando se les ajusta a un movimiento relativo bajo la acción de una fuerza. En general, los sistemas de ingeniería implican el m ovimiento relativo entre componentes fabricados a partir de metales y no metales, y se han identificado seis tipos principales de desgaste, com o sigue: 1. 2. Desgaste por adherencia. Desgaste por abrasión. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 15 3. 4. 5. 6. Desgaste por ludimiento. Desgaste por fatiga. Desgaste por erosión. Desgaste por cavitación. Aquí se estudian brevemente los principios que se aplican para disminuirlo. Sin embargo, es necesario definir el mecanismo de estas seis formas de desgaste. 1.9.1.- D E SG A ST E P O R A D H E R E N C IA . En este caso, el m ovimiento relativo puede ser deslizamiento unidireccional o de vaivén, o bien la interacción ocurre bajo carga en un contacto oscilatorio de pequeña amplitud. Se sabe que los picos superficiales que coinciden fluyen plásticamente y forman fuertes uniones endurecidas por el trabajado. A medida que estas se rompen bajo la tracción tangencial impuesta, los sólidos van perdiendo material. 1.9.2.- D E SG A ST E P O R A B R A SIÓ N . Las partículas abrasivas producidas por los residuos del desgaste o por partículas extrañas de arena y polvo circundante permanecen atrapadas en la superficie deslizante y eliminan material principalmente por formación de surcos. 1.9.3.- D E SG A ST E P O R L U D IM IE N T O El desgaste por ludimiento aparece com o resultado del movimiento oscilatorio de dos superficies en contacto, com o sucede en máquinas donde existe vibración entre las partes. 1.9.4.- D E SG A ST E PO R FA T IG A . Es probable que el modo predominante de la mayoría de los tipos de desgaste sea por desprendimiento de material de la superficie por fatiga, ya sea que la naturaleza del m ovimiento sea unidireccional o de vaivén. Clasificar un tipo particular de falla com o desgaste por fatiga puede ser confuso. Sin embargo, a fin de hacer un clasificación, el término desgaste por fatiga se reserva para identificar la falla de contactos lubricados en casos como los rodamientos de bolas o rodillo, engranes, levas y mecanism os impulsores D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 16 de fricción. La pérdida de material es por desprendimiento de capas superficiales y por picaduras, com o en los engranes. Se piensa que las grietas por fatiga aparecen debajo de la superficie en un punto en que el esfuerzo cortante es máximo. Obviamente, puede lograrse un mejoría en la vida de estos elementos, si trabaja a un carga de contacto baja y el método más preferido en la industria es producir componentes con la profundidad óptima de capa endurecida junto con un buen acabado superficial. El propósito de esta capa externa dura tal como se obtiene por carburación, nitruración o sulfurización es proporcionar una superficie con un alto límite de resistencia en una región vulnerable a la iniciación de grietas. 1.9.5.- D E SG A ST E P O R E R O SIÓ N . El desgaste por erosión se define com o el proceso de eliminación de metal provocado por la incidencia de partículas sólidas sobre una superficie. El desgaste por erosión es deliberado com o en el caso de la lim pieza de piezas de colada o cascos de barco por medio de chorros de arena, pero en ocasiones se produce una pérdida destructiva y costosa de material com o en el caso de las hélices de turbinas de gas o los refractarios en hornos de arco eléctrico. El grado de desgaste tiene relación con el ángulo de incidencia de la partícula respecto de la superficie. Los materiales dúctiles parecen deformarse y posiblemente se endurezcan cuando se les golpea en forma perpendicular, pero a un ángulo crítico de aproximadamente 20°, el metal se elim ina por una acción de corte. Los materiales frágiles fallan por agrietamiento de las superficies cuando la fuerza de impacto es normal. Se deduce que un componente dúctil finalmente se endurecerá por trabajado y fallará com o si fuera frágil. Se han hecho intentos de manipular el ángulo de incidencia por modificación del diseño del componente en sí o por protección de las superficies con un material como el hule. El control del ángulo de incidencia, es una situación industrial que no es fácil y es pertinente especular si las superficies deben recubrirse con medios que se puedan restaurar si las superficies deben recubrirse con medios que se puedan restaurar fácilmente como un procedimiento programado de mantenimiento. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 17 1.9.6.- E R O SIÓ N P O R C A V IT A C IÓ N . La erosión por cavitación se presenta cuando un sólido se m ueve a alta velocidad en un medio líquido, siendo un caso típico el de las hélices de los barcos. Mientras que el desgaste por erosión implica una acción meramente mecánica, se cree que la erosión por cavitación está relacionada con la formación de burbujas dentro del medio líquido, a través del cual pasa el componente sólido. La erosión por cavitación se produce también en los rodamientos lubricados. Se ha demostrado que la fuerza del impacto causado excede el punto de fluencia de la mayoría de los metales. Quizá los metales más efectivos sean los duros que tienen una elevada resistencia de fluencia, o que se endurecen por trabajo en el servicio. Los materiales más adecuados son la estelita y el acero inoxidable 18/8. El bronce al manganeso colado es un material preferido para hélices marinas. Tiene una resistencia inferior a la erosión por cavitación que la estelita o que el acero inoxidable, pero es resistente a la corrosión marina y se ha demostrado que la corrosión agrava la erosión por cavitación. Además, de recubrir un sustrato metálico con revestimientos de cromo duro, con frecuencia se utiliza una capa elástica que absorbe las elevadas fuerzas de impacto. Como ejemplo de estos últimos materiales están el poliuretano y el neopreno, entre otros. 1.10.- A L G U N A S R E C O M E N D A C IO N E S PA R A P R O P O R C IO N A R R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E PO R A D H E R E N C IA Y P O R A B R A SIÓ N . Tanto el desgaste por adherencia com o el desgaste por abrasión se puede considerar en la ingeniería com o la forma más común de desgaste. Siempre que dos superficies entran en contacto existe la probabilidad de adherencia en puntos favorables de la interface seguida, probablemente, por el desgaste. Es poco probable que la interface esté libre de areniscas y residuos de desgaste, de manera que en tales casos el mecanismo de desgaste, com o en los rodamientos lisos y las camisas de cilindros, es seguramente una combinación de adherencia y abrasión. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 18 A l diseñar partes a prueba de desgaste, no es recomendable seleccionar un par de metales que presenten solubilidad mutua. D e este modo, acero que se deslice sobre acero no es una proposición lógica aunque se ha tenido éxito de deslizar hierro colocado sobre sí mismo, quizá por la presencia de grafito. Tanto las leyes del desgaste por adherencia, como las del desgaste por abrasión, muestran que entre más duro sea un componente, más resistente será el desgaste y esto se confirma en la práctica. Una de las dificultades con los materiales excesivam ente duros es que son susceptibles de sufrir fallas por fractura y, para evitar las fallas mecánicas, el componente debe ser tenaz lo que es característico de los materiales blandos y dúctiles; por lo tanto, para mantener la tenacidad parece necesario sacrificar dureza. Sin embargo, mediante tratamientos superficiales y térmicos de los componentes es posible alcanzar un núcleo tenaz con una superficie dura. En general, si no existe m ovimiento oscilatorio, corrosión ni temperatura elevada, se pueden aplicar los siguientes principios para seleccionar aceros: a. Fuerza de impacto baja: se utilizan carburos duros en la microestructura o se nitrura o carburiza el acero. También pueden emplearse hierros y aceros martensíticos. b. Fuerza de impacto alto: el criterio recomendable es utilizar aceros austeníticos, inoxidables o el acero Hadfield al manganeso. Se han hecho tres clasificaciones amplias de los métodos tribológicos para disminuir el desgaste, a saber, el uso de una capa protectora y los principios de conversión y diversitificación. 1.10.1.- C A PA PR O T E C T O R A . Sobre todas las superficies se forma inevitablemente una capa de óxidos o gases sorbidos, pero sin ésta, muchos casos de deslizamiento en seco, como el caso de las vías de ferrocarril, no resistirían el servicio por un periodo aceptable. Invariablemente, en la mayoría de las situaciones se utilizan lubricantes líquidos o sólidos. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 19 En la actualidad hay un renovado interés por evaluar los diversos tipos de tratamientos superficiales antes de poner en servicio los componentes, con el propósito de lograr resistencia al desgaste. Hablando en forma general el tratamiento puede clasificarse en dos tipos: a. D epósito de un metal o un no metal sobre el componente. b. Tratamiento de difusión como el carburizado o nitruración. Com o ejemplos de depósito están los fosfatos sobre hierro colado y acero de estaño sobre aluminio. Estos tienen vidas limitadas y protegen las superficies del daño severo durante el arranque inicial. Otras formas de tratamiento por difusión son, la sulfurización, cromación y los recubrimientos electrolíticos. La metalización y aspersión del metal o las técnicas de recubrimiento con superficies duras, com o el uso de revestimientos soldados, también proporcionan películas resistentes al desgaste. 1.10.2.- PR IN C IPIO D E C O N V E R SIÓ N El principio de conversión permite el desgaste de una parte del sistema para ofrecer protección a otros componentes más importantes. Un ejemplo es el uso de anillos para pistones de hierro colado que, al desgastarse rápidamente, evitan el rayado de la camisa del cilindro. 1.10.3.- PR IN C IPIO D E D IV E R SIF IC A C IÓ N . El componente menos costoso, por ejemplo un cojinete liso, está diseñado para desgastarse a fin de proteger a tramo de flecha, más caro, del daño superficial y el desgaste. En las chumaceras, los metales blancos, que contienen estaño, plomo, cobre y antimonio, proporcionan una superficie blanda de deslizamiento. Sin embargo, si se incrementa la fuerza y la velocidad, será necesario utilizar superficies más duras en los cojinetes, com o las que proporcionan los bronces. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 20 1.11.- IM P O R T A N C IA D E L D E SG A ST E . El desgaste de las partes implica reposición y esto en sí es costoso. Mas, aun, las superficies desgastadas hacen que se pierda la precisión y merma la eficiencia. Por lo tanto, deben hacerse todo lo posible para diseñar con una cantidad de desgaste mínima. Se tiene suficientes datos para demostrar que con una fuerza característica, aunque dependiendo de las propiedades de metal, se produce una rápida transición que da lugar a un desgaste severo a partir del régimen precedente de desgaste moderado. Es indispensable que las partes m óviles de la maquinaria sean diseñadas de tal manera que a la fuerza de contacto no exceda las condiciones que determina el régimen de desgaste moderado. A la larga no es más costoso utilizar materiales con alto esfuerzo de fluencia para permitir cargas pesadas en el servicio. Si bien se hace todo por disminuir el desgaste en el estado estacionario, durante el arranque inicial de las máquinas nuevas se deben eliminar las capas superficiales. El proceso de arranque inicial probablemente implica la creación de una capa subcutánea deformada que será lo bastante dura para resistir el estado estable del desgaste, pero los picos superficiales, deben desgastarse y deformarse para mejorar el ajuste de las partes en interacción. El hecho que en esta etapa se realice un trabajo mecánico adicional que interviene en la deformación y el desgaste, se aprecia en la Figura 2 que muestra el alto consumo de combustible durante el arranque inicial de un automóvil nuevo. Sin embargo, es difícil pronosticar la razón de desgaste porque depende no sólo de la carga y la velocidad de la superficie, sino también de otros factores que no siempre es posible evitar. Siempre hay presencia de abrasivos extraños o de residuos, que se forman por interacción y como se sabe, los abrasivos incrementan la razón de desgaste. La elevada velocidad superficial es benéfica, porque eleva la temperatura interfacial, lo que facilita la formación de películas de óxido. En el caso de motores de gasolina, se produce aproximadamente un galón de agua por cada galón de combustible quemado. Los productos de combustión contienen óxidos de carbono, azufre y pequeñas cantidades de D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 21 compuestos de bromo y cloro. Si la temperatura de la pared del motor es baja, el agua y los productos de combustión ácidos corrosivos para la pared del cilindro y para los anillos de los pistones. El desgaste se acentúa com o se muestra en la Figura 3. N o es de sorprender que no se haya propuesto una sola ley del desgaste, que se pueda aplicar con confianza para predecir la razón de desgaste de los componentes de interacción. Una razón importante es que, en común con muchos sistemas tecnológicos, la mayoría de las situaciones tribológicas actúan bajo la acción combinada de diversas variables. Por ejemplo, la abrasión puede estar superpuesta a una situación que se diseñó en primer término para el desgaste por adherencia y el problema se agrava si el sistema funciona en un entorno hostil. Por lo tanto, es indispensable que al diseñar partes a prueba de desgaste, se identifiquen las condiciones de servicio de los componentes. Sin embargo, para predecir las razones de desgaste, debe existir una continua inversión en investigación encaminada a obtener información sobre los mecanismos de los diversos tipos de desgaste en superficies que interactúan al estar sujetas a m ovimiento relativo. 1.12.- P R O C E D IM IE N T O M A T E R IA L E S. PARA LA SE L E C C IÓ N DE La importancia de la selección de materiales para la resistencia al desgaste requiere un estudio de los detalles del desgaste al fin de determinar cuál de las propiedades convencionales del material puede resistirlo mejor. Los mejores instrumentos que se pueden emplear son los microscopios, y la fotografía si es posible. El m icroscopio más útil es el tipo con estereoscopia y con lente "zoom" con un poder de amplificación de 1x a 7x, con oculares de 5x o 10x y una luz externa movible de 100 watts. La observación estereoscópica de la perspectiva de las formas de los detalles de la superficie, como ranuras, pliegues, escamas, etc. El otro instrumento de suma utilidad es el microscopio electrónico explorador (con "escaner") reflejante (SEM). Un analista debe emplear el SEM junto con microscopios ópticos, pues cada uno produce fotografías muy diferentes de las superficies. A menudo, las observaciones más útiles con el SEM son las de baja amplificación, entre 20x y 200x. La ventaja del SEM es que se pueden ver superficies muy ásperas sin que las regiones altas y las bajas queden fuera de foco, com o ocurre con los m icroscopios ópticos. El problema principal es que el SEM sólo recibe muestras pequeñas; por ejemplo, de */2 in (12.5 mm) de espesor y 2 in (50 mm) D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 22 de diámetro y las superficies deben estar limpias porque en el SEM se requiere un vacío de alrededor de 10-5 torr. Para efectuar un análisis más detallado de la com posición química de la superficie, se puede utilizar un SEM con aditamento de dispersión de rayos X. También se pueden emplear los m icroscopios ópticos metalúrgicos, pero no con el modo de campo brillante con luz reflejada. En ocasiones es útil obtener un perfil de la configuración de superficies gastadas, lo cual se puede hacer con el estilete empleado en la medición convencional de acabado de superficie, pero debe estar conectado con un registrador de gráficas movible. Lo que es más útil es la forma en vez del valor numérico del acabado de la superficie. Los trazos se deben hacer en diversos lugares y sentidos durante el avance del desgaste, si es posible. Una precaución importante para el examen de los datos de la tira de gráfica es que la representación de la altura de las configuraciones de la superficie, a veces, está amplificada entre 10 y 1000 veces más que la dimensión horizontal. Con ello, se hacen bocetos de superficies con crestas o picos muy pronunciados. Una vez examinado un sistem a de desgaste, el diseñador puede consultar tablas guías para determinar las propiedades de los materiales que resisten al desgaste y hacer una selección adecuada. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO. 23 C A PÍT U L O II.- JU S T IF IC A C IÓ N D E L T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 2.1.- D E F IN IC IÓ N DE T R IB Ó M E T R O . “Tribómetro es el nombra general que se le asigna a una máquina o prototipo utilizado para llevar a cabo pruebas y simulaciones de desgaste, fricción y lubricación los cuales son objetivos que persigue la tribología” Un tribómetro puede medir la fricción sobre una superficie en base a una gran cantidad de métodos, uno de los cuales se realiza con una bola deslizante sobre la superficie de referencia para obtener un valor relativo de fricción (llamado bola sobre disco). El método original para medir la fricción es un aparato que incluye una masa constante que cuelga por medio de un cable que pasa por una polea y está conectada a una masa en reposo. Sabemos por los principios de la física que existen coeficientes que están relacionados con la fricción que puede sufrir un cuerpo, uno de ellos es el coeficiente de fricción estático (p,s), el cual es una constante necesaria para determinar la fuerza de fricción y resolver por análisis de fuerzas el sistema, puede medirse a través de este aparato. La ecuación general para la fuerza de fricción es Ff = p«N , donde N es la fuerza normal, la cual es igual a el peso o la masa por la constante gravitatoria. El coeficiente de fricción puede ser determinado por dos cosas en este aparato: la tensión de el cable con el que están conectadas las dos masas a través de la polea, m H es la masa colgante y m T la masa colgada en la superficie de referencia. La fuerza de fricción estática es la que determina la fuerza necesaria para mover el objeto, no hay aceleración en la masa mT y significa que la tensión de la cuerda o de la masa m T es igual a la fuerza de fricción y la fuerza de fricción es igual al peso del objeto colgante. A sí, Ff debe ser igual al peso W. Como Ft= ^sN y com o N =m g se tiene que ^s m Tg=F f y com o la fuerza de fricción es igual al peso del objeto colgante se obtiene que ^s =m Hg/m Tg. Abreviando, este tipo de aparato únicamente permite medir el coeficiente de fricción estático al encontrar la masa colgante que inicia el D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. I 2 5 CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. movimiento de la masa sobre la superficie, la fuerza de fricción se iguala al peso colgante. Este tribómetro sirve para realizar mediciones experimentales y solo se menciona porque ejemplifica el método más antiguo de medir fricción, pero en estos días la exigencia tecnológica descalifica por completo el uso de estos aparatos, pues simular las condiciones de cualquier máquina se com plica y la veracidad de los resultados queda en entredicho. 2.2.- IM PO R T A N C IA DE LO S T R IB Ó M E T R O S. El encontrar nuevos métodos que permitan reducir la fricción ha llevado a la creación de equipos los cuales simulen condiciones semejantes a las que se presentan en las máquinas. La gran y extensa necesidad de poder medir la fricción y el desgaste en piezas que son sometidas a condiciones de operación donde se exige alto desempeño llevó a la construcción de los tribómetros. El principal problema que ha limitado el uso de estos equipos, sin duda, es el elevado costo. Otro problema que se presenta es que el investigador se restringe a las pruebas que puede realizar con él y al tipo de muestras para las que se diseñó, por tanto es complicado conseguir un equipo que se amolde a sus exigencias. El inconveniente de presentar elementos manufacturados en otros países no permite garantizar que en caso de falla, existan refacciones o personal capacitado que pueda solucionarlo en un tiempo razonable. La falta de in equipo que permita medir fricción y desgaste en cualquier tipo de metal, con la capacidad de aplicar cargas y velocidad de rotación variable, de costo accesible y con un tamaño reducido condujo a la idea de diseñar y construir un equipo propio, además, al percatarse que un equipo de estos es indispensable para la investigación de nuevas aleaciones tribológicas o en la optimización de otras. El estudio de nuevas aleaciones tribológicas u optimizadas es posible con un equipo que imite el contacto en una máquina y permita medir el coeficiente de fricción y desgaste, este equipo facilitará la evaluación de las propiedades de estas aleaciones y la selección de la aplicación. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 2ó El uso que puede darse a estos equipos no solo se limita al estudio de aleaciones tribológicas, porque también puede aplicarse en el diseño de sistemas tribológicos para maquinaria. La maquinaria actual se basa en diseños tribológicos que conducen a la reducción de las fuerzas de fricción, dentro de estos diseños se tiene una gran variedad de componentes como: los rodamientos, cojinetes, anillos de pistón, levas, engranes, etc. Si al experimentar con nuevos materiales, estos presentan un mejor desempeño con respecto a la fricción y al desgaste, dichos materiales sustituirán a los aplicados actualmente, el tribómetro es la herramienta para evaluar e indicar si existe tal material. La ventaja de simular con los tribómetros las condiciones de operación de los metales en contacto permite que estos equipos puedan emplearse para probar lubricantes y aditivos. Un estudio más detallado de estos equipos se presenta en el contenido de este capítulo. 2.3.- JU ST IF IC A C IO N E S. D e forma general se conoce, que tanto en el período de explotación de las máquinas com o durante el periodo fuera de servicio, ocurren procesos que predeterminan no sólo la disminución de la capacidad de trabajo de las máquinas, sino también la pérdida total de esta cualidad. Las causas más frecuentes de los fallos de las máquinas como resultado de la pérdida de la capacidad de trabajo de éstas son las siguientes: • Rotura de las piezas debido a disminución de la resistencia. la fatiga superficial y • La variación de las dimensiones, forma geométrica y la posición relativa de las piezas com o resultado del desgaste de las capas superficiales producto de la acción de nuevas cargas. • Rotura y deterioro de las piezas debido a la acción de la corrosión y al envejecimiento de los materiales. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. I 2 7 CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. • Dism inución de la capacidad de trabajo de las piezas y uniones tribológicas como resultado de la unión recíproca de las cargas externas. • Fenómenos de desgaste. • A cción de los medios químicos activos. D e todas estas causas la que m ás influencia tiene en la intensidad de fallos de las m áquinas, es el desgaste de los elem entos de fricción (uniones tribológicas). Se reconoce que entre el 80% a 90 % de las piezas que se sustituyen es debido al desgaste y que las pérdidas anuales causadas por el desgaste en los Países desarrollados esta en el rango de 0.5 - 1 % del producto neto nacional. En Estados Unidos de Norteamérica En Canadá En Cuba 15000 millones/año 4000 millones/año 400 millones/año La aplicación consecuente de los conocimientos que brinda la Tribología, puede representar ahorro considerable en los gastos producto del desgaste. L as investigaciones tribológicas de las últim as décadas indican que m ás del 50% de los ensayos de desgaste se realizan a nivel de laboratorio y solo un 17% en los pares de fricción reales. Esto es explicable por la complejidad y alto costo de las propias unidades de ensayos (piezas reales), lo dificultoso de la observación sobre los índices objetivos del proceso de fricción y desgaste y también la complejidad del análisis de los resultados obtenidos com o consecuencia de que por sí solos los procesos de fricción y desgaste son un sistema de muchos factores que definen la capacidad de resistencia al desgaste de los elementos de máquinas, siendo este un esquema muy complejo. La incidencia de cada tipo de desgaste en la industria según estudios realizados por Eyre es la siguiente: D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 28 D esgaste abrasivo. 50 % D esgaste adhesivo. 15 % D esgaste mecánico - corrosivo. 5% D esgaste erosivo. 8% D esgaste por oxidación dinámica. 8% D esgaste por fatiga y otros tipos. 14 % 2.3.1.- D E SG A ST E A D H E S IV O . La dinámica de este tipo de desgaste se define por una serie de factores físicos y estructurales. En calidad de uno de estos factores está la capacidad de los materiales de fricción de formar soluciones duras. Está claro que los materiales base Titanio y el Níquel tienen características negativas durante su interacción con las aleaciones base cobre y cromo, lo cual esta relacionado con su solubilidad mutua. D esde el punto de vista ideal es necesario tratar de seleccionar para pares de fricción materiales bases con diferentes estructuras, propiedades químicas y solubilidad. Durante la fricción p o r deslizam iento el desgaste adhesivo puede tener un comportamiento acorde a cualquiera de las tres curvas representadas en la figura 1. Recorrido de fricción ( S f ) Fig. 2.1. - D in ám ica de la velocid ad del desgaste adhesivo. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. Durante el desgaste de tipo 1 (ver figura 1) se tiene durante todo el periodo de explotación un alto nivel de desgaste (desgaste severo). Para esta forma de desgaste no aparecen en las superficies de los elementos de la unión, ni de las partículas de desgaste capas de óxidos. Durante el desgaste de tipo 3 se observa un bajo nivel de desgaste durante todo el periodo de tiempo de trabajo del par. En este caso las superficies de los cuerpos sometidos a fricción y las partículas de desgaste no son más que óxidos y estas últimas tienen un tamaño muy inferior al de las que se obtienen durante el desgaste de tipo 1. Durante la primera etapa el desgaste del tipo 2 es severo y las superficies de fricción no se oxidan. En las etapas posteriores la fricción genera capas superficiales triboquímicas y la velocidad de desgaste disminuye considerablemente. La naturaleza del desgaste hace que el desgaste adhesivo este siempre presente en mayor o menor grado en las uniones de rozamiento. En la práctica de ingeniería se conoce también con los nombres de: desgaste por frotamiento; rayado adhesivo; gripado; agarrotamiento; agripamiento; tales denominaciones se deben a la intensidad del desgaste, estados de las superficies desgastadas y tipos de elementos de máquina. El desgaste adhesivo está presente en los siguientes elem entos de m áquinas: cojinetes de deslizam iento; transm isiones p or engranes y tornillo sin-fin; guías de deslizam iento; levas; grupos pistón-aro-cilindro; etc. Los factores que definen el desgaste adhesivo son: 1. Condiciones de lubricación (seco o lubricado); abastecimiento de lubricante; calidad del lubricante. 2. Compatibilidad metalúrgica (solubilidad mutua) de los materiales de la unión tribológica. 3. M icrogeométria superficial. 4. velocidad y temperatura. 5. Condiciones de trabajo: carga, Tipos de desgaste adhesivo. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 30 Un aspecto importante a considerar durante el análisis del desgaste adhesivo es el relacionado con los materiales de la unión tribológica. En este sentido se debe evitar en la medida que sea posible la alta compatibilidad metalúrgica de los materiales. Por ejemplo: Par hierro fundido perlítico hierro fundido perlítico se consideran materiales de alta compatibilidad, contaminado, y pobremente lubricado ya que el grafito contenido en el hierro fundido actúa com o un lubricante sólido. Los pares bronce - acero duro, babbit - acero se consideran materiales con una cierta tendencia a la adhesión. El par aleaciones de aluminio - hierro fundido se consideran materiales semicompatibles y con lubricación deficiente, aún cuando trabajen en condiciones de fricción seca. El par bronce al plom o - acero al carbono se considera como materiales con baja tendencia a la adhesión. EL par acero blando - acero blando se considera de alta tendencia a la adhesión. El par acero templado - acero templado en la práctica se comportan com o materiales semicompatibles. D e acuerdo a lo anterior, nos dimos a la tarea de diseñar y construir una máquina experimental que nos permitiera simular el desgaste adhesivo del arreglo cilindro-cilindro en contacto frontal lubricado y seco con el propósito de realizar investigaciones sobre el comportamiento de diversos materiales y así poder contribuir en la búsqueda de las mejores soluciones a las problemáticas sobre desgaste que actualmente enfrenta nuestra industria mexicana. 2.4.- R A Z Ó N DE D E SG A ST E . El tribólogo Tomlinson G. A .1 enunció un m odelo en el cual se extraía y eliminaban los átomos superficiales debidos a la acción combinada de las fuerzas de cohesión y repulsión que existen en los cristales metálicos. Se dedujo que este desgaste es inversamente proporcional a la presión de flujo Dy del metal. H olm 1, apoyándose en la misma premisa básica, propuso que a medida que com ienza el deslizamiento, el contacto entre átomos elimina los átomos superficiales en los encuentros favorables, de manera que la pérdida de volumen V para una distancia de deslizamiento S es: V = Z A tS E c. 2.1. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. I CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. Donde At es el área real de contacto y Z es el número de átomos que se elim ina por encuentro. Se supone que un área real de contacto es la misma que se considera en las leyes de fricción y: At = E c. 2.2. do y Donde W es la carga aplicada y oy es la presión de flujo del metal más blando, sustituyendo el valor de At tenemos: V W - = Z— E c. 2.3. (E cuación de H olm ) El término V/S es la razón de desgaste del volumen por unidad de distancia deslizada y se ve que es inversamente proporcional al esfuerzo del flujo, siendo similar a la ley de Tomlinson derivada del principio fundamental. Esta última ecuación establece que el volum en total de material eliminado por deslizamiento es proporcional a) a la carga normal aplicada; b) a la distancia de deslizamiento y c) es inversamente proporcional a la presión de flujo del material. Tanto la ley de Tomlinson com o la de H olm indican que el volum en de metal eliminado durante la interacción de las superficies es independiente del área de contacto aparente. 2.4.1.- IN T E R A C C IÓ N D E L A S U N IO N E S. La supuesta remoción de metal por extracción de átomos a sido rebatida por muchos investigadores en base a que los residuos del desgaste invariablemente son agregados de partículas metálicas más pequeñas. Esto sugiere que, en un encuentro, se elimina una fracción de la interface que es muchas veces más grande que el tamaño de un átomo. Burwell y Strang probaron la ecuación de H olm haciendo correr espigas cónicas de latón y acero sobre discos de acero. Al graficar el volumen de metal eliminado contra la distancia de desplazamiento, se observa un periodo inicial de acoplamiento seguido por un estado estacionario de desgaste. Si se tom a la pendiente de este último com o la razón de desgaste, se observa que esta es proporcional a la presión normal aparente de contacto, pero solo hasta un valor inicial al de la tensión de fluencia del material de la D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 32 espiga en tensión. Al sobrepasar este valor, ya no se cumple con la ecuación de H olm y la razón de desgaste aumenta considerablemente. En este régimen de desgaste severo se forma un residuo debido al desgaste en el borde anterior que raya la espiga en su recorrido posterior y desprende material de ésta. A medida que continúa el desplazamiento, se forman fragmentos nuevos que provocan mayor atrición y producen más residuos, lo que da lugar a la formación de una avalancha de partícula de desgaste. Burwell y Strang formularon una ley m odificada sustituyendo Z por p1 en la ecuación de Holm. p1 es la probabilidad de producir un fragmento por desgaste en un encuentro, así que: S V = Si W — 5y E c. 2.4. Dividiendo ambos miembros entre el área aparente de contacto, H = E c. 2.5. 5y Donde h es la pérdida de altura debida aldesgaste y o a es la presión de contacto aparente ejercida por la espiga sobre eldisco. Los autores grafican h/ o aS contra o a y obtienen un considerable aumento en el valor h/ oaS a una presión de contacto equivalente a la tercera parte de la dureza de la espiga. Esto es, el desgaste se hace catastrófico cuando la carga normal es tal que se alcanza la presión de flujo de la espiga de latón. Esto se presenta más claramente con un tribómetro espiga-buje. h /a aS (cm 2/g )x 1 ff14 vs. P resión d e contacto, o a (g/cm 2) x 1 0 D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 33 Fig. 2.2.- razón de desgaste en fun ción de la presión de contacto aparente (B urw ell y S trang), h = altu ra que pierde la esp iga debido al desgaste; S= d istancia de deslizam iento. E spigas cónicas de acero sobre disco de acero; la dureza de la esp iga se exp resa en kg/m m 2, en la figura tiene un v a lo r de 223. 2.5.- L E Y D E L D E SG A ST E P O R A D H E R E N C IA . En el m odelo propuesto por el tribólogo Archard, dos superficies nominalmente planas hacen contacto en las asperezas elevadas que fluyen plásticamente a causa de los esfuerzos localizados que se concentran allí. Cuando la carga es muy ligera, el contacto solo ocurre en tres puntos y, a medida que aumenta el esfuerzo externo, el área original de contacto incrementa. Cuando esto sucede, el ajuste entre el par mejora, esto es, el espacio entre las dos superficies disminuye, lo que da com o resultado que más protuberancias hagan contacto en otras partes. Se descarta la idea de que se eliminen átomos aislados de las superficies o sea, se supone que el desgaste se produce por eliminación de fragmentos de metal de la superficie. Suponiendo que un fragmento producido por desgaste sea hem isférico con un diámetro promedio 2r, el área real de contacto At es: At = n*pí*r2 E c. 2.6. Donde n es el número de uniones. Puesto que: At = W E c. 2.7. At W n = ------ = ---------------------------------------pi*r2 oy*p¿*r2 „ „ „ En las uniones circulares de diámetro 2r, la distancia recorrida para romper una unión por tracción tangencial se considera com o 2r. en una situación como ésta, un cuerpo se mueve una distancia 2r en relación con la otra superficie, puesto que el número total de asperezas es n, el número de asperezas por unidad de deslizamiento es: D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 34 Ec. 2.8. n nu u = — 2r Ec. 2.9. W n u = ------------r 2*<jy *pí*r 3 E c. 2.10. N o todas las uniones que se rompen forman fragmentos de desgaste. Este es un argumento importante ya que se sabe que una fricción elevada no necesariamente corresponde a un desgaste proporcionalmente alto. A sí pues, mientras que la ruptura de cada unión da com o resultado una componente de resistencia al deslizamiento, no siempre se produce un desprendimiento de la superficie metálica que dé lugar a la formación de residuos. Puede significar simplemente que a medida que se rompe la unión, permanece unida a la superficie metálica en forma de áreas rugosas microscópicas o bien, si es plástica, puede extenderse sobre la superficie metálica. Por lo tanto, suponga que hay una probabilidad P de que para nu uniones por unidad de distancia deslizada se formen cierto número de fragmentos de desgaste. Entonces, para una distancia mayor S que produzca un volum en total de desgaste V , la razón de desgaste por unidad de distancia deslizada se puede representar como: j = pnux E c. 2.11. (volumen de un fragm en to de desgaste hemisférico.) = Pnu (2/3)*pi*r 3 E c. 2.12. Y sustituyendo nu en la ecuación anterior: v _ pw S = 3a y E c. 2.13. V = ( |W ) * 5 E c. 2.14. La ecuación es similar a las propuestas por Tomlinson y por H olm en particular, y demuestra que el volum en del residuo de desgaste es D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. independiente del área de contacto aparente. El tamaño de las uniones no se considera en las ecuaciones, pero si se considera un factor de forma, por ejemplo 3 para una aspereza hemisférica. El factor de forma es distinto para un cubo o un cilindro. 2.6.- Á N G U L O D E A SPE R E Z A . Las superficies reales no se encuentran en una distribución regular de protuberancias hemisféricas, sino que tienen formas, probablemente como cono y hemisferio. La razón de desgaste de los metales, suponiendo modelos superficiales cónicos, se dedujo[18] de la siguiente forma. Supóngase una interface como la que se muestra en la figura, en donde la superficie superior es perfectamente plana pero la superficie inferior está ondulada con asperezas metálicas de naturaleza cónica distantes 0, h, 4h, 2h, 3h, etc.,de la superficie plana. asperezas cónicas (según Y oshim oto y T sukizoe [18]). Supóngase también que las asperezas tienen una distribución aleatoria en el espacio y que cada una tiene un ángulo base 0. En el instante en que no hay carga la línea de referencia es z=0, pero si las puntas de las asperezas son aplastadas debido al esfuerzo de contacto, la superficie superior se m ueve en relación con z= 0 en la dirección z según como se muestra en la figura. Sea: n= número total de asperezas, y D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 36 oy=presión de flujo del material inferior en la figura mostrada. El m odelo sim plificado muestra que sólo la cúspide de una aspereza toca la superficie superior de manera que todas las cúspides de las n asperezas se encuentran a distancias [r=0, 1, 2, 3, 4, ..., (n-1)] h respectivamente. Una aspereza será aplastada a un diámetro basal 2r dependiendo de la carga y se supone que la superficie superior elimina esta porción deformada del com o a medida que se desliza a través de una distancia 2r. Esto se muestra de manera esquemática en la siguiente figura. Se supone que las superficies que se deslizan primero hacen un contacto de diámetro 2r y después se desplazan para hacer contacto en otra parte, con el mismo diámetro, ya que la carga es constante; así el proceso continúa hasta que hayan tenido contacto todas las n asperezas. Ahora bien, si h0 es la altura de la porción de la aspereza cónica que se ha eliminado, el volumen AV de metal perdido por aspereza es: A V = (l/3 ) *pi *r2 *h0 E c. 2.15. Pero h0= r tan 0. 2.4.- E squ em a que represen ta una aspereza cónica que se deform a y desgasta por acción de u n a superficie plana. a) aproxim ación de la superficie plana; b) deform ación de la asp ereza cónica, produciendo residuos de desgaste. y A l sustituir h 0: AV=(1/3) *pi *r2 *r *tan 6=(1/3) *pi *r3* tan 6 E c. 2.16. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 37 Por lo tanto, el volumen eliminado por unidad de distancia de desplazameinto AV0 es: AV0= [(1/3)*pi*r3* tan Q]/2r. E c. 2.17. AV0=(1/6)*pi*r2* tan Q. E c. 2.18. Si se sustenta la premisa de que la superficie superior se mueva a través de una distancia igual al diámetro 2r del área de contacto en relación a la superficie inferior, el volumen desgastado por unidad de distancia deslizada debido a n asperezas. V=Sr=on-1l/6^ r2tan0 = tan0/6 Sr=on-1^r2 E c. 2.19. Ahora S r=0n-l^r2=A t, el área real del contacto, y At =W /oy Por lo tanto, V=(1/6)(tan0/ oy)W E c. 2.20. La ecuación anterior es similar a la ecuación donde: V = (pW /3oy)*S; en la que el volumen de desgaste es directamente proporcional a la carga W e inversamente proporcional a la presión de flujo del metal que sufre el desgaste. El m odelo es aplicable al desgaste por adherencia, o a lo que los autores denominaron desgaste mecánico. 2.6.1.- A S P E R E Z A H E M ISF É R IC A . Si se utiliza el mism o modelo, suponiendo que hay contacto con una aspereza hemisférica y considerando también qué parte de esta es eliminada, entonces el volum en eliminado por aspereza sería 2/3rcr2, donde r es el diámetro del área de contacto. Entonces, si el m ovimiento relativo de las superficies es 2r, el volumen de desgaste/unidad de distancia es 1/3 ot2 El volum en total eliminado por n asperezas es V = (1/3)X r=on-1 ™ 2 = (1/3)A t = (1/3)(W/O y ) E c. 2.21. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 38 Por lo tanto, si la distancia total deslizada es S, V =(W /30 y )*S E c. 2.22. Esto es muy similar a la ley de Archar, aunque los autores suponen que se producen residuos de desgaste en cada encuentro, lo que no sucede en la práctica. 2.7.- M E C A N ISM O D E FA T IG A . Un aspecto importante de las superficies tribológicas es que pronto se endurecen por trabajo hasta cierta profundidad y es probrable que la interacción sea entonces principalmente elástica. Puesto que el esfuerzo cortante hertziano máximo se haya por debajo de la superficie, es probable que un agrietamiento por fatiga em piece a nuclearse allí y se propague a la superficie para producir residuos de desgaste. Este mecanismo de fatiga podría ser el principal factor que induce el desgaste durante el estado estacionario y Halling a propuesto un m odelo matemático que incorpora el concepto de fatiga en metales. El autor considera una superficie rugosa y rígida que hace presión sobre otra constituida por una distribución de asperezas esféricas de un material definido por la ecuación: o=B (e) p . Se supone que las asperezas son esféricas cada una con radio R. El área real de contacto y la carga normal se expresan en la m ism a forma A ¡ y W ¡ respectivamente. Lubricante Par d e o b je to s * en ^ Pérdida d e c o n ta c to m a te ria l Superficie M e d io A m b ie n te C ontacto norm al de las superficies rugosas (H alling). 2.7.1.- C O N T A C T O DE SU PE R FIC IE S D E SL IZ A N T E S. Existe la situación en que dos asperezas han hecho contacto inicial y se aprecia que la aspereza inferior se ha deformado en un grado máximo. Se D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 39 supone que la deformación y la tensión dependen principalmente de la carga normal, es decir se desprecia el efecto de la fuerza tangencial. El autor Halling en su libro DESGASTE de 1972 en las páginas 34 y 239 utiliza un criterio de falla que requiere el conocim iento de la deformación plástica máxima inducida en el material durante cada ciclo de contacto de las asperezas. A partir de la ecuación: £=[K/^BC] 1 p (a/R), puesto que a=A,1/2 R 1 2 o 1 2 , la deformación £ es máxima cuando la deformación 5 es máxima. D e la figura de la izquierda: 5max =2R-b E c. 2.23. Por lo tanto £max=[K /^BC ] 1 p A,1/2 [2-b/R] 1 2 Ec. 2.24. Para una aspereza de altura inicial z: B =d+2R-z E c. 2.25. Por lo tanto, w ^ K / t c B C ] 1p [^ R ] 1/2 [z-d] 1/2 E c. 2.26. Si £1 es la deformación plástica máxima al tiempo de la falla después de un ciclo de carga y N + es el número total de contactos para producir la falla, [£1/£max] m = N + E c. 2.27. El índice m generalmente se toma com o 2 para los metales. 2.7.2.- L A L E Y D E L D E SG A ST E . Considérese ahora que las superficies se deslizan a una distancia de separación constante d (como se muestra en la siguiente figura). Ahora, considérese el comportamiento en una pequeña sección de ancho w com o se muestra y sea S la distancia recorrida. Sea un el total de asperezas en una hilera sobre la superficie superior y ns el número de asperezas sobre la superficie inferior a lo largo de la dirección del m ovimiento en la distancia S. Si ^(z) es el valor de probabilidad para asperezas de altura z sobre la superficie inferior, el número de contactos en una aspereza a través de una distancia S es D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO. 40 n u n s ^ (z ) Supóngase que después de N + contactos se forma una partícula de desgaste de volum en V. Supóngase también que el tamaño de la partícula que se desprende se relaciona con la deformación máxima cmax , durante el contacto de la aspereza, V=Y £max-t Ec. 2.28. Donde y es una constante. Si nw es el número de hileras de asperezas a lo ancho de la superficie superior, el volumen total del producto de desgaste es: V =N w nun syJdinf [emax-t ^(z)dz]/N + E c. 2.29. Ahora n u =ns u E c. 2.30. un=nS E c. 2.31. Donde n es el número de asperezas por unidad de longitud para ambas superficies; s u y S son las longitudes de interés para las superficies superior e inferior respectivamente. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | 41 C A P ÍT U L O III.- D ISE Ñ O Y C O N ST R U C C IÓ N D E UN T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j 42 3.1.- JU ST IFIC A C IÓ N . Com o se comentó desde el capítulo anterior el desgaste y la fatiga son los más frecuentes y principales procesos por los que pasa una máquina en servicio, y además son también los causantes de aproximadamente el 80% de las fallas de las máquinas que quedan fuera de operación. La m odelación a nivel de laboratorio de los procesos tribológicos es de gran importancia, entre otras, 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. La mayoría de los autores que de una forma u otra han trabajado en el desarrollo y evaluación de materiales destinados a la fabricación o recuperación de piezas que forman uniones tribológicas, emplean com o método de evaluación de la resistencia al desgaste el ensayo bajo pruebas de fricción. Es bastante generalizado en este sentido la evaluación y estudio de la resistencia al desgaste de los materiales rigiéndose por los métodos y procedimientos establecidos en diferentes normas de ASTM e ISO y normas específicas regidas en cada país. Com o se puede notar en la bibliografía consultada, existen una gran cantidad de investigadores del tema, los cuales han realizado o se encuentran desarrollando estudios y diversas pruebas de desgaste, lamentablemente en la mayoría de los casos estos tipos de ensayos solo se refieren al desgaste del tipo abrasivo. A partir de estos métodos, varios han sido los autores que han empleado en sus experimentos para determinar la resistencia al desgaste de materiales, el método más popular y comúnmente utilizado es el de PIN­ DISCO ABRASIVO. Sin embargo este trabajo está más relacionado con otro tipo de desgaste, el DESGASTE ADHESIVO. Es por ello que se hace necesario la creación o adecuación de los métodos y condiciones existentes en los trabajos anteriores al análisis de este tipo de desgaste. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 43 3.2.-A N T E C E D E N T E S. Como el objetivo básico es el crear una instalación experimental para llevar a cabo pruebas de evaluación de desgaste de materiales, existe en la necesidad de investigar qué o cuáles son los instrumentos existentes en éste momento para dicha acción. Se han encontrado en el mercado diversos tipos de máquinas para realizar estos ensayos, las cuales de algún modo directo o indirecto pueden desarrollar pruebas de desgaste del tipo adhesivo, es muy importante aprender su funcionamiento y sus características fundamentales ya que pueden llegar a servir de mucha ayuda o en tal caso se puede llegar a basar en su diseño para desarrollar la máquina de fricción frontal que se construirá. A continuación se muestran dichas instalaciones y sus principales características. 3.3.- T R IB Ó M E T R O S C O M E R C IA L E S. [MT1 VITE, BAUTISTA & PARAMO ] SinncO 2008 D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 44 PRECIO: $ 250, 000; MAS GASTOS DE ENVIO. Universidad Técnica de Praga, República Checa. 3.4.- D ISE Ñ O M E C Á N IC O . El diseño de la máquina está basado en las siguientes normas: A S T M D 2266 Wear preventive characteristics o f lubricating greases. A S T M D 4172 Wear preventive characteristics o f lubricating fluid. A S T M D 2596 Extreme pressure properties o f lubricating greases. A S T M D 2783 Extreme pressure properties o f lubricating fluid. IP 239 Extreme pressure properties: friction and wear test for lubricants. D IN 51350/1-5 Testing lubricants: testing in the shell four-ball tester. ISO /C D 11008 Petroleum products and lubricants - determination o f extreme pressure properties o f lubricating greases - four ball method. A S T M G 99 Wear testing with a pin-on-disc apparatus. D IN 50324 Measuring friction and wear: model experiments on sliding friction in solids (ball on disc system). D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 45 ISO /D IS 7148-2 Testing o f the tribological behavior o f bearing materials and with TE 92/6/4 A S T M D 3702 Standard test method for wear rate o f materials in self­ lubricated rubbing contact using a thrust washer testing machine. Es por ello la forma de su diseño y la característica principal de la máquina de hacer friccionar dos probetas en su cara frontal. 3.4.1.- D E F IN IC IÓ N D E P O R C E SO D E D ISE Ñ O . Existen diferentes formas o procesos de diseño, hay m odelos con muchos pasos, otros con menos que involucran en un paso diferentes actividades, de acuerdo con Robert Norton [6] el proceso de diseño involucra diez etapas, que son las siguientes: 1.- Identificación de la necesidad. 2.- Investigación preliminar. 3.- Planteamiento del objetivo. 4.- Especificaciones de desempeño. 5.- Generación de ideas e invención. 6.- Análisis. 7.- Selección. 8.- D iseño de detalle. 9.- Creación de prototipos y pruebas. 10.- Producción. Este no es un proceso lineal, más bien es un proceso iterativo, en el cual se puede presentar que ya estando casi en el último paso, sea necesario regresar al inicio y replantear todo. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 46 En este apartado se desarrollan a grandes rasgos, los primeros siete pasos, dejando para apartados posteriores los pasos número ocho y nueve. El paso número diez llamado producción, no se tratará en este trabajo, pues no se ha planteado la producción de tribómetros a pequeña o gran escala. Solamente se llega al punto de crear un prototipo, para realizarle pruebas y ver que mejoras se pueden realizar, o de ser necesario de sugerir otros sistemas y configuraciones, que puedan mejorar el desempeño del equipo. Para realizar la etapa de producción, es necesario tener un prototipo final probado, de buena calidad, que cumpla con las especificaciones y que sea factible de llevar a cabo. Una vez que se tiene este prototipo se deben analizar los sistemas de manufactura, para saber qué equipo se requiere en la construcción del producto. Además de elaborar los dibujos de taller, y las rutas de trabajo necesarias. Sin olvidar la labor administrativa, com o es la búsqueda de proveedores. Éste último paso en si es todo un proceso, que requiere nuevamente del análisis y selección de diferentes opciones, así mismo se requiere iterar, teniendo una mejora continua. 3.4.2.- P R O C E SO D E L D ISE Ñ O . 3.4.2.1.- ID E N T IF IC A C IÓ N DE L A N E C E SID A D . La investigación continua de materiales que tengan mejores propiedades tribológicas, hace que surja la necesidad de un equipo que se adecue a las necesidades y especificaciones del investigador. 3.4.2.2.- IN V E ST IG A C IÓ N PR E L IM IN A R . Es conveniente realizar una búsqueda de información de todo lo relacionado con el tema. Los resultados de esta búsqueda se reportan en los primeros dos capítulos del presente trabajo. 3.4.2.3.-P L A N T E A M IE N T O DE O B JE T IV O S. Ahora que se sabe más del tema, se puede plantear el problema de una forma más clara. Como se comentó en el capítulo anterior, existen tribómetros comerciales que básicamente sirven para obtener el coeficiente de fricción y el D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 47 de desgaste, por medio de diversas configuraciones. También ahora se sabe que es factible construir un tribómetro para un caso de estudio en específico. Por otro lado se tiene a los prototipos experimentales, que sirven para realizar pruebas bajo condiciones, antes no consideradas, tales como atmósfera controlada y variación de temperatura. Como se pudo ver, existen desde dispositivos simples, hasta aquellos que son muy complejos y permiten controlar un gran número de variables. Para iniciar el diseño del dispositivo es necesario plantear que es lo que debe de hacer, lo cual da una idea de a qué punto se tiene que llegar. El objetivo del presente trabajo es diseñar un tribómetro prototipo, que únicamente sea capaz de obtener el coeficiente de fricción y que a través de equipos auxiliares se pueda medir el desgaste entre un par tribológico. 3.4.2.4.- E SPE C IFIC A C IO N E S DE D E SE M PE Ñ O . Es necesario plantear cuales son la funciones que debe cumplir el dispositivo, es decir que debe de hacer. En este paso no se especificará como debe de ser el dispositivo, solamente se definirá lo que se espera de él. a) La configuración del dispositivo debe ser de acuerdo al esquema que se muestra en la figura 3.2. Básicamente lo que se puede observar es que se tienen dos probetas, una de ellas es fija dentro de una copa que contendrá o no algún tipo de lubricante, esta será la probeta inferior, la probeta superior es la que induce un par de torsión la cual al entrar en contacto con la probeta inferior, de este modo se tendrá un coeficiente de fricción (^A), así la fuerza tangencial (F) se aplicará en la cara de los cilindros la cual hace que la copa tenga un par de torsión el cual se censará por medio de una celda de carga, más adelante se realizará el análisis matemático que permite demostrar que midiendo la fuerza (N) y el par generado por la fuerza (F) es posible calcular la componente adhesiva del coeficiente de fricción, tomando en cuenta las propiedades mecánicas del par tribológica en estudio, y dimensiones de las probetas para su óptimo desempeño en las pruebas que se realizarán. b) El dispositivo debe de obtener datos estadísticos de diferentes muestras bajo diferentes condiciones. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 4S c) El dispositivo debe de contar con un sistema que permita aplicar una carga variable en un rango de 0 a 4000 [Newtons]. d) El dispositivo debe de contar con un sistema para que el eje transmisor gire axialmente, a una velocidad variable. e) Es necesario un sistema de medición que magnitud de la fuerza N. permita conocer la f) Es necesario un sistema de medición que magnitud del par generado por la fuerza F. permita conocer la g) Se requiere que el dispositivo cuente con un sistema para visualizar gráficamente las mediciones realizadas por los sistemas mencionados en los dos incisos anteriores. Además que sea capaz de calcular el coeficiente de fricción y que obtenga la gráfica que se muestra en la siguiente figura. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 49 Eq uivalen t S tre ss T y p e : E q u iv a le n t S tress U n it: M P a 25/00/2009 06:54 p.m . 1 i F igu ra 3.2.- en esta figu ra tenem os la aplicación de carga N sobre las probetas fija( 2 ) y la prob eta que v a a estar en m ovim ien to( 1 ), provocando con esto la generación de la fu erza de fricción F. En la gráfica mostrada se puede observar la variación del coeficiente de fricción a través del tiempo. h) D ebe ser un dispositivo limpio. i) Se debe considerar que será un equipo utilizado en laboratorio. j) D e preferencia debe ser un diseño compacto. k) Es conveniente que sea de bajo peso. l) D ebe poder ser operado por una sola persona. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 50 3.4.2.5.- G E N E R A C IÓ N DE ID E A S E IN V E ST IG A C IÓ N . Esta etapa es complicada ya que requiere de mucha creatividad, para proponer ideas que permitan cumplir cada una de las especificaciones planteadas en la etapa anterior. A continuación se reportan las soluciones encontradas para cada una de las especificaciones de desempeño. En la siguiente etapa se realizará un estudio más detallado de estas ideas, para encontrar las ventajas y desventajas de cada una. P ropuestas para la p rim era especificación. En la primera especificación se tiene la configuración del equipo, lo que se podría nombrar com o un diseño conceptual, en realidad no se requirió que se diseñará cualquier tipo de tribómetro desde un inicio se especificó que se tenía que cumplir con ésta configuración. P ropuestas para la segu n da especificación. El dispositivo debe obtener datos estadísticos de diferentes muestras bajo diferentes condiciones, para ello se consideran dos planteamientos: • Lo que se evalúa en tribología es un par tribológico, lo que im plica que tanto la probeta inferior com o la superior, se puedan cambiar fácilmente, y así poder estudiarlas de manera detallada. Para esto se planteará de manera detallada como debe ser la instalación y desinstalación de dichas probetas. • Para caracterizar una propiedad de un material, com o es en el caso del coeficiente de fricción, es necesario obtener numerosas mediciones, para que posteriormente se obtengan datos que estadísticamente sean confiables. Esto origina que se tengan diversas configuraciones, que se plantean a continuación. Y a que las probetas que se probarán tienen que sustituirse, no se puede poner un sistema en el que alguna de las probetas sea fija, pues nos interesa saber el comportamiento del material examinado. Debem os también tomar en cuenta que las probetas deben ser de fácil manufactura pues no es ni factible ni sencillo trabajar con piezas de construcción algo complicadas que solo serán ocupadas una sola vez. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 51 Aún falta por definir la geometría de las probetas, éstas las proponemos de forma cilíndrica pues si fuera de otra manera, suponiendo que al estar en movimiento rotatorio, si nuestra probeta tuviera puntas por alguna forma geométrica regular que se pudiera proponer tendríamos problemas con la seguridad personal del operario. Por un lado tenemos la necesidad de ver la posición adecuada para que las probetas tengan un contacto adecuado en sus caras para la correcta aplicación de las cargas y la obtención optima del coeficiente de fricción. D e aquí podemos pensar en que la mejor posición será vertical, donde de alguna manera podremos obtener un recipiente en el que se pueda contener tanto la probeta com o el lubricante, podemos pensar en la siguiente opción: F igu ra 3.3.C opa donde se colocará la probeta flja( 2 ) y donde se podrá trabajar con pruebas con o sin lub ricante ( 1 ). 2 En este diseño proponemos que la probeta sea fija pues es más sencillo trabajar con la pieza donde se colocará algún lubricante sin que este se derrame, y con ello no cumpliríamos con uno de los requerimientos antes mencionados que es la limpieza. P ropuestas para la tercera especificación. En la tercera especificación de desempeño se requiere un sistema para aplicar la fuerza N com o se muestra en la F igu ra 3.3.4.1. que debe ser variable en un rango de 0 a 24.5 N ó 0.1 MPa. Se tienen los siguientes casos: D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 52 • Proponer ó buscar sistemas de carga, que permitan aplicar una fuerza a cada probeta. Para éste caso se tiene la posibilidad de que las fuerzas sean iguales, o no. • Buscar la forma de aplicar una sola fuerza, en una de las probetas, y esta sea transmitida a través del eje. D e esta forma se aplica la misma fuerza en las dos probetas. Existen varias formas de aplicar fuerzas, y el requisito de desempeño planteado en la etapa anterior, no restringe ninguna posibilidad que la imaginación pueda dar. Algunos sistemas son los siguientes: • Mecánicos: mecanismos de diversas configuraciones. • Hidráulicos: actuadores que aprovechen la potencia de algún fluido. • Neumáticos: actuadores que aprovechen la potencia de algún gas, comúnmente se usa aire. Por otro lado no se indica si la carga debe de variar cada N ew ton, ó cada 10 N ewtons o cada cuanto. Tampoco se sabe si la configuración del equipo, permitirá que la carga se aplique de forma vertical, horizontal ó inclinado. N o se ha especificado si se debe aplicar manualmente, ó a través de algún sistema automático. N i se ha mencionado si se debe incluir algún sistema de control, que permita tener una carga constante o variable. Es por tanto que aplicaremos la carga sobre el eje de transmisión, permitiendo con ello el ahorro de espacio que es otro de los requisitos dentro de las especificaciones de desempeño, este diseño será una pesa que nos dé la fuerza requerida, esta será cilíndrica barrenada a medida del eje para que este se acople sin tener rango de holgura para no ocasionar vibraciones y con esto malas lecturas en los datos recopilados durante la prueba, por lo tanto el diseño sería como se muestra en la figura: D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 53 F igu ra 3.4.- en esta figu ra se m u estra lo que sería la pesa con su respectivo barreno (1) donde se busca acop lar el eje de transm isión de potencia. Nuevamente se requiere que se aplique la fuera a lo largo del eje y que se aplique a ambas probetas. Para que el sistema funcione correctamente se tendrá que calcular el diámetro correcto del barreno y de la pesa completa tomando en cuenta su densidad para aplicar la carga correcta sobre las probetas, así se podrá definir el par máximo que se requiere para aplicar la carga máxima. Este tipo de configuración se puede sofisticar al grado de aplicar cargas variables de manera controlada, por medio de otras adaptaciones al sistema como lo son el uso de servomotores. En caso de que se quiera aplicar la carga manualmente se tiene la posibilidad de modificar la pesa de manera que se pueda acoplarle otras pesas más dependiendo de la carga que se quiera aplicar. Hasta ahora solo se han mostrado bocetos de ideas, en los cuales se propone tener un sistema de carga que aplique la fuerza en una sola probeta, y que la fuerza se pueda transmitir a lo largo del eje presionando a la otra probeta. P ropuestas para la cu arta especificación. La cuarta especificación de desempeño dice que el dispositivo debe contar con un sistema que permita que el eje pueda transmitir la potencia necesaria para una optimización del diseño, este debe ser a medida con una holgura del grado de 1 0 -4 de pulgada para evitar vibraciones en el sistema de transmisión y con ello la obtención de lectura erróneas en el sistema. Resumiendo para cumplir con la cuarta especificación de desempeño, es necesario diseñar cuatro subsistemas, que son los siguientes: D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. • Soporte de probetas. • Suministro de energía. • • Sistema para variar la velocidad angular. Transmisión de potencia. Hay que recordar que aunque se planteen estos cuatro puntos por separado en realidad los cuatro deben de cumplir la especificación, por lo que son dependientes unos de otros y finalmente se deberá seleccionar aquel conjunto de ellos que sea más factible llevar a cabo. El soporte consiste en una base sobre la cual se colocará la copa que contendrá la probeta y el lubricante en caso de ser una pruebaen seco. Este debe de permitir la semirotación de la copa pues de esta manera se podrá medir la fuerza que se aplica sobre las probetas para que entre ellas exista el par necesario para encontrar el coeficiente de rozamiento. Este de preferencia debe de girar con las mínimas pérdidas por fricción. Cuando se requiere que un eje gire, comúnmente se tienen dos opciones, por un lado se tienen a los rodamientos y en el otro a los cojinetes. Cada una de las dos opciones tiene sus ventajas y desventajas. Hay que señalar que ambas opciones se tiene un sin fin de posibilidades. En ambos casos los hay de diferentes materiales, dimensiones y tipos de lubricación. Generalmente los cojinetes se deben de diseñar y maquinar pues no se encuentra una gran variedad comercialmente, y es el diseño el que crea un gran número de posibilidades. En cambio los rodamientos son piezas estándar y fáciles de conseguir, solo se tienen que seleccionar correctamente. En el diámetro interior del cojinete o rodamiento, esto depende de la selección de la pieza de acuerdo a las necesidades del trabajo, se insertará el eje que será el que transmita la energía rotatoria a las probetas. Y el diámetro exterior se tiene que fijar a una base o soporte. D e acuerdo a las ideas que se han planteado anteriormente, el eje va montando en una base que puede ser fija ó móvil. Es necesario definir que tipo de base se va a ocupar para ver si es necesario diseñar un soporte para montar D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 55 los rodamientos o cojinetes, sobre este. Una opción es maquinar una cavidad en donde se van a montar estos elementos sobre la misma base. Como se puede ver se tiene una amplia gama de posibilidades para diseñar el soporte sobre el cual la sopa con su respectiva probeta girará. Es necesaria una fuente de energía, que brinde movimiento rotatorio. Hasta el momento se desconoce la potencia requerida. A continuación se enlistan algunas propuestas que podrían cumplir con ese requisito: • Motores de combustión interna. • Motores eléctricos. o Motores de corriente alterna. ■ M onofásicos. ■ Trifásicos. o Motores de corriente directa. A) B) Fig. 3.5.- A ) M otor de corriente continua. B) M otor de corriente alterna. Todas las opciones mencionadas arriba proporcionan energía mecánica rotacional, y pueden acoplarse de forma sencilla a cualquier máquina. Sin embargo cada uno tiene sus ventajas y desventajas. Los motores de combustión interna son ruidosos y emiten contaminantes por lo que no es D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 56 recomendable que estén completamente encerrados y es necesario que el múltiple de escape tenga salida al exterior. Por otro lado son una fuente de energía independiente. Los motores eléctricos requieren de un suministro de energía eléctrica, que puede ser de corriente alterna o directa. El suministro de energía eléctrica comercial es de corriente alterna, por lo que para ocupar motores de corriente directa se necesita un rectificador que proporcione este tipo de corriente. Para bajas potencias, generalmente hasta cinco HP, es fácil conseguir un motor de corriente alterna monofásica. Para potencias mayores solo se ocupan los trifásicos. Existe una amplia gama de motores eléctricos comercialmente, tanto de directa com o de alterna. Prácticamente los fabricantes de motores han diseñado un motor para cada aplicación. Además de que existen diferentes principios de funcionamiento que permiten tener aún más posibilidades. Dentro de las especificaciones de desempeño no se mencionan las velocidades máxima o mínima de operación. El siguiente punto a tratar es diseñar un sistema que permita variar la velocidad angular del eje transmisor. Como se mencionó anteriormente los cuatro puntos planteados son dependientes. En el caso de un motor de combustión interna se puede variar su velocidad dentro de ciertos rangos. Por otro lado para los motores eléctricos, comercialmente existen variadores de velocidad, que modifican ya sea la frecuencia de la corriente alterna, o el voltaje directo. Sin embargo, aunque los motores pueden suministrar una velocidad variable, no es la única forma de cumplir con este requisito. Se puede ocultar una caja de velocidades por medio de engranes, o una transmisión de potencia por medio de bandas ocupando poleas escalonadas, en las cuales dependiendo la combinación de poleas usada es la velocidad obtenida. Para tratar el cuarto punto, se tienen las siguientes opciones para transmitir potencia: • Poleas y bandas. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 57 • Ruedas dentadas. • Engranes. A) B) C) Fig. 3.6.- A ) Sistem a de poleas con bandas. B) Sistem a de engranes de dientes rectos. C) Sistem a de engranes dentados y cadenas. Las tres propuestas plateadas son ampliamente usadas, lo que indica que son confiables y hace que sean fáciles de encontrar comercialmente. Aunque en caso se ocupar poleas dependiendo el diseño que se les den es posible que se tengan que maquinar. Hay varios tipos de bandas y poleas, por ejemplo las trapezoidales, planas, dentadas y síncronas entre otras. Generalmente lo único que se necesita en seleccionar las dimensiones de las banda y las poleas, dependiendo de la potencia a transmitir y la velocidad de operación. En el caso de las ruedas dentadas y cadenas, se pueden ocupar cadenas de rodillos o cadenas de dientes invertidos, comúnmente denominadas cadenas silenciosas. Es posible ocupar cadenas para cualquier velocidad de operación, sin embargo para altas velocidades se requiere lubricación continua. Hay engranes de diferentes tipos también, los hay rectos, helicoidales, cónicos y de tornillo sinfín por mencionar algunos. Cualquier tipo de engrane se tiene que diseñar para una aplicación en específico, y se recomienda una buena lubricación para su buen funcionamiento. Su costo depende del tipo de D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 58 engrane, y puede ser muy elevado dependiendo de la calidad de la manufactura. Como se puede observar para cumplir con la cuarta especificación de desempeño, se tienen varias posibilidades, que se deben analizar y evaluar para decidir cuál es el conjunto que se ocupará en este prototipo. P rop u esta para la q uinta especificación. La quinta especificación de desempeño establece que es necesario un sistema de medición para conocer la magnitud de la fuerza N. hay que recordar que algunos sistemas de carga propuestos son por medio de pesos muertos, en estos casos quizás sea posible conocer la magnitud de la fuerza dependiendo de la cantidad de pesos ocupados. Por otro lado aquellos que no ocupan pesos muertos, requieren de algún sistema para medir la fuerza aplicada. Básicamente se han considerado dos posibilidades de sensores: • Mecánicos. • Eléctricos. Fig. 3.7.- A ) G algas extensom étricas. B) V entan a de program a de trabajo en la m edición de carga. Los sistemas mecánicos básicamente son dinamómetros, y su principio de funcionamiento es por m edio se la deformación de materiales elásticos. En este caso com o lo que se hace es comprimir el eje y con esto aplicar la fuerza N a las probetas. Para conocer la magnitud de la fuerza aplicada solo es necesario saber el peso de la carga aplicada y saber el área en la que se aplica. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 59 La otra propuesta que se tiene para medir cargas es ocupar una celda de carga, estos dispositivos calibrados dan un valor de voltaje para una fuerza determinada. Ocupan galgas extensométricas, pero con la ventaja de que ya tienen el puente de Wheatstone incluido. Se alimenta con un voltaje y proporcionan un voltaje de salida. Es decir que no se tiene com o dato de salida un pequeño cambio de resistencia eléctrica, sino un valor de voltaje. Para ejemplificar se puede decir que para una carga de cero [Newtons] se tendrá una salida de cero [Volts], y para una carga de 1000[Newtons] una salida de veinte [milivolts]. Variando el voltaje de salida proporcionalmente con la fuerza aplicada. Existen comercialmente varios tipos de celdas de carga, y se encuentran para diversas capacidades. Son productos que solo deben seleccionarse correctamente en función del tipo de carga a aplicar y la magnitud de esta. P rop u esta para la sexta especificación. Esta especificación de desempeño requiere de un sistema de m edición para conocer la magnitud del par generado por la fuerza F. Para conocer la magnitud real de dicho par, sería necesario realizar la m edición directamente ya sea en el eje o en las probetas. Pues si se hace la m edición en otra parte del equipo los datos obtenidos inevitablemente incluirán pérdidas por rozamiento entre componentes. Para cumplir con esta especificación se proponen únicamente sensores eléctricos, y se tienen las mismas opciones que en la especificación anterior, por un lado se pueden ocupar galgas extensométricas y por el otro alguna celda de carga comercial que permita medir el par o torque. Existen diversos arreglos de galgas, que permiten medir deformaciones en varias direcciones, para medir el par se pueden tratar de medir las deformaciones en las direcciones principales generadas por la torsión del cilindro. Para que el cilindro se deforme es necesario fijarlo en un extremo al portamuestras y en el otro a una base rígida. Por otro lado existen dos tipos de instrumentos para medir el torque: • Torquímetro de reacción. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 60 • A) Torquímetro rotatorio. B) Fig. 3.8.- T orquím etros: A ) de reacción, B) rotatorio. Los torquímetros de reacción son celdas de carga que miden un par de forma estática. Generalmente son de forma cilíndrica y al aplicarles un par se deforman debido a la torsión. Esta deformación se mide con galgas extensométricas y el dispositivo ya incluye el puente de Wheatstone necesario. Miden un par de forma estática pues el cilindro permanece fijo, un extremo debe de estar empotrado y en el otro extremo contrario se aplica el par. Cabe mencionar que los torquímetros rotatorios ni los de reacción están diseñados para soportar cargas axiales o de algún otro tipo. Al aplicar una fuerza axial se deforma el cilindro, y com o estos están calibrados únicamente para medir deformaciones por torsión, los datos son erróneos. Para una correcta instalación de un torquímetro rotatorio es necesario colocar acoplamientos flexibles en ambos extremos del eje. P ropuestas p ara la séptim a especificación. En la séptima especificación de desempeño se establece la necesidad de un sistema que permita obtener y visualizar los datos que entreguen los sensores de carga y de par. Lo que se requiere para cumplir con este requisito es diseñar o seleccionar algún sistema de adquisición de datos. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. Fig. 3.9.- D iagram a de sistem a an alógico-digital para la conversión de señales para obtención de datos en com putadora. La adquisición de datos generalmente consiste en tomar una variable física, convertirla en una permita obtener y visualizar a los datos que entreguen los sensores de carga y par. Lo que se requiere para cumplir con este requisito es diseñar o seleccionar algún sistema de adquisición de datos. Una vez que las señales eléctricas se transformaron en digitales dentro de la memoria de la computadora, se pueden procesar con un programa que sea adecuado al uso ya sea para archivarlas en disco duro, graficarlas en pantalla, imprimirlas, etc. En la adquisición de datos se tiene una señal proveniente de cualquier sensor, esta puede ser analógica ó digital, puede tener mucho o poco ruido, y puede ser de ser de pequeña ó gran magnitud. Esta señal tiene que pasar a una etapa de acondicionamiento que puede consistir en un filtrado, eliminando el ruido y en una amplificación de la señal. La tarjeta de adquisición de datos es la interfaz que permite conectar el sensor a la computadora, entre sus funciones están las de convertir a digital la señal. Finalmente es necesario mediante software manipular los datos obtenidos. Aunque es posible diseñar cada una de los elementos que componen al sistema de adquisición de datos, también es posible encontrar equipos comerciales que se adecuen a las necesidades. La recopilación de datos en una computadora no es algo nuevo, comercialmente existen sistemas que permiten realizar esta tarea de forma práctica y sencilla. LabVIEW™ es un software que está siendo ocupado ampliamente hoy en día, y que además de controlar la adquisición de datos D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 62 permite analizarlos, para posteriormente poder presentarlos en un reporte. Las funciones de este software son tan amplias que permiten realizar fácilmente el registro de varias mediciones sin una programación complicada. La misma compañía que desarrolló LabVIEWTM cuenta con tarjetas de adquisición de datos muy sencillas o módulos complejos que realizan mediciones de deformación, temperatura ó voltaje entre otras. Para cumplir con la especificación de desempeño la propuesta que se tiene es ocupar software y hardware comercial, que se adapte a las necesidades del equipo. Fig. 3.10.- E jem plo de softw are (M IC R O T E ST ) que se podría u tilizar para la obtención de datos. P ropuestas de las especificaciones restantes. Hasta ahora se han dado ideas para cumplir con las primeras siete de las doce especificaciones de desempeño. Las restantes especificaciones se pueden considerar com o recomendaciones, que se tendrán que tomar en cuenta a lo largo del diseño. En el caso del peso del equipo no se especifica este dato cuantitativamente por lo que basta diseñar todos los componentes con el D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 63 menor peso posible para cumplir con esta especificación. Así de la misma forma se pueden cumplir las demás especificaciones. 3.4.2.6.- A N Á L ISIS. En esta etapa del proceso de diseño se analizan cada una de las propuestas realizadas en la etapa anterior, con la finalidad de mostrar las ventajas y desventajas de cada una. Este análisis debe de proporcionar suficiente información para que en la etapa siguiente se tengan los suficientes criterios para seleccionar las ideas que se desarrollarán a detalle para la construcción del prototipo. También se debe analizar detenidamente el desempeño de cada propuesta. Hasta ahora solo se han realizado bocetos que prácticamente son mano alzada, en ellos aún no se han considerado los esfuerzos que deben de soportar cada componente. Y aunque la mayoría de las propuestas se observan sim ples y por tanto factibles de llevar a cabo, es posible que realizando un análisis sim ple se tenga com o resultado que no todas se puedan realizar, o el desempeño de unas sea mejor. A nálisis de las propuestas para la prim era esp ecificación de desem peño. La primera especificación indica cual es el principio de funcionamiento de todo el equipo, es decir que todo el equipo se resume en ese sim ple diagrama. En este caso no se hicieron propuestas pues desde un inicio se requirió que el equipo cumpliera con estas características. A nálisis de las propuestas para la segu n da esp ecificación de desem peño. Las propuestas realizadas plantean que se analicen las tres cuestiones siguientes: • probeta? • ¿Se realizaran varias pruebas en una sola probeta o solo una por ¿Qué forma debe tener la probeta? D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 64 • ¿Qué forma debe tener el porta-probetas? Para la primera cuestión tenemos la siguiente tabla. PROPUESTAS. Varias pruebas probeta. VENTAJAS. en una No sería una Solo se requiere una probeta para obtener una muestra representativa de un lote. serie de datos. No es manufacturar probetas. Una sola probeta. prueba por DESVENTAJAS. necesario varias Se Se obtiene una manufacturar muestra representativa de un lote. probetas. requieren varias La forma de la probeta debe estar en función de equipo con el que se cuente en el lugar en donde se realicen las pruebas. La forma de las probetas que deseamos pueden ser maquinadas de un cilindro de acero AISI 1045. A nálisis desem peño. de las propuestas para la tercera especificación de Se tienen muchas propuestas para aplicar la carga, primero se analizará si es más conveniente ocupar un solo sistem a de carga ó dos, uno para cada probeta. Las conclusiones se muestran en la siguiente tabla. PROPUESTAS. Ocupar Carga. un sistema VENTAJAS. de DESVENTAJAS. Permite tener un El eje porta­ diseño simple, de bajo probetas debe de peso y compacto. desplazarse para transmitir la fuerza a las dos Menor costo probetas. comparativo. A las dos probetas se les aplica la misma D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 65 carga. Ocupar dos sistemas de El eje porta­ Mayor carga. probetas permanece fija. comparativo. costo Diseño elaborado. más Peso y dimensiones mayores. El siguiente punto a analizar es que tipo de sistema es más conveniente. Algunas observaciones se reportan en la siguiente tabla: PROPUESTAS. Sistemas muertos. por VENTAJAS. pesos DESVENTAJAS. Mantienen carga casi constante. una Es manipular pesados. Se puede conocer la magnitud de la carga aplicada. necesario bloques La carga puede Sistemas por tornillo de La carga se aplica variar a lo largo de la potencia. fácilmente. prueba debido al desgaste Se puede variar la en las probetas. magnitud de la carga continuamente. Sistemas neumáticos. La carga se aplica Se requiere de un fácilmente. compresor. Las neumáticas robustas. Sistemas hidráulicos. son piezas algo La carga se aplica Se requiere de una fácilmente. bomba manual o D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 66 automática. Finalmente se tiene que analizar en caso de ocupar un solo sistem a de carga com o se diseñaría el soporte m óvil necesario para que el eje transmita la fuerza aplicada. Las observaciones se muestran en la tabla. PROPUESTAS. VENTAJAS. DESVENTAJAS. Corredera lineal. Desplazamiento suave. Costo elevado. comparativo Costo elevado. comparativo Rodamientos lineales. - Comercial. - Fácil montaje. Desplazamiento suave si se ocupan correctamente. - Piezas comerciales. Es necesario diseñar un soporte para estos. Es necesario diseñar guías para estos. Bujes. - Bajo costo. - Fácil manufactura. Es necesario diseñar un soporte para estos. Deslizam iento tan suave. no En la siguiente etapa de diseño se tendrá que decidir primero si se ocupan uno o dos sistemas de carga, y posteriormente qué tipo de sistemas. A nálisis desem peño. de las propuestas para la cu arta especificación de En el primer punto se analiza en que soporte girará el eje porta-probetas. PROPUESTAS. VENTAJAS. DESVENTAJAS. Rodamientos. - Baja fricción. - Pueden Mayor ruido. lubricarse D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. nivel 67 de de por vida. Piezas comerciales. Cojinetes. estándar y - Bajo nivel de ruido. - Bajo costo. Costo elevado. Es necesario diseñar un soporte para estos. Se requiere un sistem a de lubricación constante. Es necesario diseñar un soporte para estos. Baja fricción. Mayor nivel Chumaceras (soportes con rodamientos Y). ruido. Pueden lubricarse de por vida. Costo elevado. Piezas comerciales. - de estándar Fáciles de montar. El siguiente punto ayudará a definir que tipo de motor se ocupará para el prototipo. PROPUESTAS. VENTAJAS. DESVENTAJAS. Motores interna. - - de combustión Son independientes. Se puede variar su velocidad. - Tienen em isión de contaminantes. Son comerciales. Motores de corriente Ocupan el suministro alterna monofásicos. de electricidad doméstico. - Ruidosos. Son comerciales. Fáciles de instalar y operar. No cuentan con control de velocidad electrónico comercial. La máxima potencia que desarrollan es de 5HP. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 68 Motores de corriente alterna trifásicos. - Son comerciales. Fáciles de instalar y operar. Requieren instalación industrial. de una eléctrica Cuentan con control de velocidad electrónico comercial. Motores directa. de corriente - Son comerciales. Dos [HP] es la máxima potencia para que Fácilmente de instalar se pueda ocupar el y operar. servicio doméstico de electricidad. Cuentan con control de velocidad electrónico comercial. El siguiente análisis ayuda a definir que tipo de transmisión se ocupará. PROPUESTAS. VENTAJAS. DESVATAJAS. Poleas y bandas. - En algunos tipos existe deslizamiento. Bajo ruido. Comerciales, fáciles de instalas operar. Ruedas cadenas. dentadas y Engranes. A nálisis desem peño. de las y No deslizamiento. existe Para altas velocidades se requiere un sistema de lubricación. No deslizamiento. existe Se requiere un sistema de lubricación. propuestas para la q uin ta especificación El siguiente análisis ayudará a decidir com o medir la fuerza aplicada. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 69 de PROPUESTAS. VENTAJAS. DESVENTAJAS. Transductores mecánicos. - Se requiere que la salida se transforme a Principio de una señal eléctrica. funcionamiento simple. Galgas extensométricas. Se pueden realizar mediciones de fuerza en cualquier sentido dependiendo de la posición de las galgas. Operación simple. Se calibrar. requieren Operación complicada. Dependiendo del tipo de celda puede Principio de requerir mucho espacio. funcionamiento simple. Celda de carga. - Operación simple. Son instrumentos calibrados. A nálisis de las propuestas para la sexta esp ecificación de desem peño. PROPUESTAS. VENTAJAS. DESVENTAJAS. Galgas extensométricas. - Se calibrar. Bajo costo. El dispositivo se puede construir con las dimensiones deseadas. Torquímetro reacción. de Bajo comparativo. costo requieren Operación complicada. N o soporta cargas axiales. Son instrumentos calibrados. Torquímetro rotatorio. Operación simple. Son instrumentos calibrados. - Alto costo. - N o soporta cargas D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 70 Operación simple. axiales. A nálisis de las propuestas para las restantes especificaciones de desem peño. Para la séptima especificación se propone ocupar hardware y software comercial, lo que se plantea hacer es buscar las mejores opciones o ver con que se cuenta para ocuparlo en el prototipo. Las demás especificaciones de desempeño no requieren mayor análisis, pues no se especifica si el equipo va a estar en un ambiente determinado que pueda requerir atención particular. Tampoco se pone una limitante que obligue a considerar la realización de otro sistema o que haga dudar del desempeño de las propuestas realizadas. 3.4.2.7.- SE L E C C IÓ N . En esta etapa se selecciona el conjunto de propuestas en base a las cuales se realizará el prototipo. Aquí es donde resalta la importancia de haber realizado las etapas anteriores correctamente considerando y analizando el mayor número de propuestas posibles. Las decisiones que se tomen deben estar fuertemente fundamentadas por las etapas anteriores, y afectarán directamente la construcción y desempeño del prototipo. A partir de las decisiones tomadas se comenzará el diseño de detalle y posteriormente la construcción de cada componente. Debido a esto es necesario que además de que se tom e en cuenta el desempeño de cada sistema, también se considere el equipo y presupuesto con el que se cuenta para la construcción. Aunque se tomen las decisiones correctamente, no es posible anticipar que el desempeño real del equipo sea correcto. Como se ha mencionado el diseño es un proceso iterativo, por lo que es posible que una vez construido el prototipo sea necesario modificar algún sistema o en el peor de los casos rediseñar el prototipo por completo. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 71 Selección desem peño. de los sistem as para la segu n da especificación de D e acuerdo a los análisis realizados en la etapa anterior, se han tomado las siguientes decisiones: a) Se realizará una sola prueba por probeta. Pues se obtendrán datos representativos de un lote, además de no requerir un sistem a para desplazar la probeta o el perno en un plano. b) Las probetas serán cilindros de acero maquinado, pues sencilla su manufactura. c) Se ocuparán porta-probetas donde una será la misma copa donde contendrá al lubricante y la otra se acoplará en el eje de transmisión, debido a su bajo costo en su elaboración. Selección desem peño. de los sistem as para la tercera esp ecificación de La primera decisión que se toma es ocupar un solo sistem a de carga para no complicar el diseño. Esto ayudará a mantener un bajo peso en el prototipo. Se ha decidido utilizar una pesa para aplicación de carga por su sencillez y fácil acoplamiento. Selección desem peño. de los sistem as para la cu arta especificación de Los sistemas que se ocuparán para cumplir con la cuarta especificación son los siguientes: a) El eje será montado sobre un soporte que tendrá libre movimiento en el eje vertical para la fácil aplicación de carga sobre el eje. b) Se utilizará un motor de corriente alterna, pues es sencillo controlar su velocidad por medio de variadores de frecuencia y por la facilidad de encontrarlo comercialmente. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 72 c) La transmisión de potencia será mediante bandas, pues ofrecen una operación suave y simple, además de no requerir sistema de lubricación alguno. Selección desem peño. de los sistem as para la q uinta esp ecificación de En este punto se ha decidido que para medir la magnitud de la fuerza aplicada a las probetas, se ocupe una celda de carga debido a la practicidad que ofrecen en comparación con las propuestas. Selección de los sistem as para la sexta esp ecificación de desem peño. Esta sección será retomada en un trabajo recepcional posterior donde se especificarán todos los aditamentos que formarán los sistemas electrónicos que censarán y nos darán resultados por medio de una interface. 3.5.- D ISE Ñ O D E D E T A L L E . En esta sección se describe la penúltima etapa del proceso de diseño, que se trata en este trabajo. La etapa de diseño de detalle involucra múltiples cálculos, con la finalidad de dimensionar correctamente cada pieza. Esta etapa es un tanto complicada pues aunque hasta ahora se han seleccionado los sistemas a usar en el equipo es necesario realizar nuevamente todo el proceso para cada caso en específico, además de que poder definir la geometría de cada pieza es necesario plantear si se puede manufacturar con los recursos existentes. El diseño de detalle es una etapa complicada, si bien ya se han definido a grandes rasgos las características del equipo, hasta ahora solamente se tienen ideas. En esta etapa las ideas generales se desarrollan al máximo, dando como resultado un conjunto de especificaciones de cada pieza. Dentro de las especificaciones es necesario que se incluya la geometría, el material, el acabado y las tolerancias. Entre más detallada sea esta etapa se garantizará con mayor seguridad la construcción del equipo y se facilitará demasiado esta tarea. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 73 3.5.2.- C Á L C U L O DE L A PO T E N C IA D E L M O T O R . Para poder dimensionar cualquier pieza, primero es necesario conocer las fuerzas que se le aplicarán. Uno de los parámetros que caracterizan a cualquier máquina es la potencia del motor. La potencia entregada por el motor se consume por la fricción entre las probetas, y en las perdidas por fricción en la transmisión de potencia. Lo que se espera de todo equipo es que las pérdidas de potencia sean mínimas. A continuación se realizan los cálculos para determinar la potencia requerida debido a la fricción en las probetas. La potencia m ecánica se calcula de la siguiente forma: W=T.ro E c. 3.1. Donde: W =Potencia mecánica [W]. T=Par [Nm]. ro=Velocidad angular [rad/s]. Como se observa en la siguiente figura, la fuerza N aplicada en la probeta fija por parte de la probeta en movim iento genera un esfuerzo de contacto. Este tipo de esfuerzo fueron calculados por H. Hertz en 1881, y los resultados se muestran a continuación. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 74 i Convert Applications Window Web Help |[?J ! j a . a . » SL # - a © s O - c is 3- - p - o - » • a • # • ji Fuerza Sentido de Probeta Dinámic . ■'I f Assembly Vier fPSotn1 L ffl Inserti 1 (-1,500 in) Enel área(314.159mm2' superiore inferiordelas probetas se llevaacaboel contacto — 55 Move Component [V] a j Rotate Comp S i Quarter Seel Probeta Estáti ca. H. F igu ra 3.4.1.- V ariables aplicadas F=fuerza en N ew tons velocidad angular. En primer lugar se debe proceder a establecer un cálculo de las poleas y del tipo de banda a usar en la transmisión de potencia del motor al eje principal de la máquina. Se tienen los siguientes datos: Potencia a transmitir N: 1 HP. Velocidad en el árbol conductor: n x (rpm)=1750. Velocidad en el árbol conducido: n 2 (rpm)=1750. Condiciones de servicio: máquina herramienta (ambiente controlado normal). Velocidad máxima de deslizamiento: 370.8 ft/min. Distancia entre centros: D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 75 D eterm in ación de la relación de transm isión. i= n 2/n I= 1750/1750=1. A dopción de la velocidad y conductora y d e la p o le a conducida. cálculo d el diám etro de la p o le a Se adopta la velocidad V =370.8 fts/min. D 1=V/(rcn1)= 370.8/n (1750)= 0.06744f= 0.809 in. Se adopta el diámetro primitivo de la polea Dp ~ D1. Este valor se redondea a una terminación entera, porque así se hallan normalizadas en la Tabla 1(Anexo A). Entonces con la velocidad más cercano al dato (por exceso es de 370.8 f/m in ), el diámetro por exceso más cercano a 0.809 in. es: D 1=1.5 in. Lo que equivale al uso de una correa REVO número 20. Se debe ahora buscar el diámetro de la polea conducida con: D 2=D 1/1.03i=1.5/1.03(1)= 1.45 in. Este valor se redondea al normalizado más próximo o se manda a construir la rueda. En este caso el diámetro normalizado más próximo es de D2=2.5 in. S elección d el tipo de correa a u sar y cálcu lo del diám etro p rim itivo del p iñ ó n y d el diám etro p rim itivo de la rueda. D e la tabla 1 (Anexo A), con la velocidad en ft/min. Y el diámetro de la polea conductora, se obtiene el número que indica el tipo de correa. Es decir una correa REVO número 20. D e la tabla 2 (Anexo A), con el tipo de correa se obtiene el espesor “e” El cual es e= 0 .0 6 0 in. Se pueden calcular así los diámetros primitivos definitivos: D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 76 D p1 = D 1+e=1.5+0.060=1.56 in, D p2 =D 2 + e=2.5+ 0.060=2.56 relación de transmisión efectiva resulta: in, y la i=0.59163. C álculo de la p o ten cia No. D e la tabla 4 (Anexo A) con cd y (D 2 - D 1) se obtiene el factor de corrección por ángulo de abrace f a (el cuál vale aproximadamente 0.98). D e la tabla 1 (Anexo A) se obtiene la potencia N 180 . (su valor es N 180= 1 . 1 ) N o = N 1 8 0 f a= 1 .1 *0.98=1.07 8 HP/in. C álculo del anch o b b=N D /N o = 1 .05/1.078=0.974in. D eterm in ación de los esfuerzos sobre los árboles. Sobre el árbol de las poleas conductora y conducida aparecen: a) Un momento torsión: M ti [kg.cm] = 70638N D (HP)/n 1(rpm )=70638(1.05)/1800=41.2055 en la polea conductora. Kg.cm M ti [kg.cm ]=70638N D (HP)/n i (rpm )=70638(1.05)/1800=41.2055 en la polea conducida. K g.cm b) Una fuerza radial: Siendo R o la fuerza que se aplica al árbol por unidad de ancho de correa, y se obtiene de la tabla 5 (Anexo A) en función del c%=2% y del tipo de correa (Ro=100lb/in). A sí la reacción vale: R =R ob=100*0.974=97.4 lbs. D eterm in ación de la fle c h a o eje de la m áquina. Analizadas estas facetas ahora se debe efectuar el estudio de la flecha de acero que servirá com o el eje principal de la máquina; en dicha flecha se D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 77 pretende usar un acero AISI 1010 con un esfuerzo cortante permisible de Tperm=14.5ksi. deberemos determinar el diámetro requerido para tal caso. Conocemos el par de torsión de la flecha por m edio de los cálculos anteriores, entonces aplicando la ecuación: J/c_T/^perm Se tiene que: J/c=^c 4/2c=T/x perm c=[2T/rc TPerm] 1/3=[2(3.353ft.lb)(12 in /f)/n (1 4 5 0 0 lb/in 2 )] 1/3=0.121 in. puesto que 2c=0.24 in, se elegirá una flecha que tenga un diámetro de 0 . 8 in. 3.6.- C O N ST R U C C IÓ N Y M O N T A JE . La construcción de la mayoría de las piezas de la máquina fue realizada en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería M ecánica Eléctrica Zona Xalapa, principalmente en el taller mecánico, en donde se tornearon, fresaron, barrenaron y soldaron. Lo primero en realizar fue la copa y el porta-copa ya que son los dispositivos de mayor detalle y con mayor grado de dificultad, también se torneó el eje principal, a continuación se construyó la mesa que sirve com o base para toda la máquina en una extensión de los talleres Carballo junto con el soporte del eje principal, las poleas se llevaron a rectificar al taller Moreno. Una vez terminadas las labores de construcción de las piezas se procedió a ensamblar la máquina, el cual es proceso sencillo. El primer ensamble que se realizó fue el de soporte del eje y eje de transmisión de potencia, en el cual se le añadió un balero el cual ayudó a el correcto funcionamiento del mismo. Posteriormente se realizó el ensamble del dispositivo controlador de altura del eje de giro que también es de fácil armado ya que las piezas se diseñaron de manera de solo unirlas por medio de tornillos. Finalmente se coloca sobre la mesa la mesa la estructura que sirve para deslizar el eje en forma ascendente o descendente y también es el apoyo del dispositivo para centrar el eje. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 78 3.6.1.- T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO . La máquina representada en la imagen () ha sido diseñada para la simulación y reproducción del fenóm eno de desgaste adhesivo en un amplio rango de variación de las condiciones de trabajo. Fig. 3.1. T ribóm etro rotatorio. Esta máquina da la posibilidad de solucionar problemas industriales concretos tales com o la selección de materiales de elevada resistencia a la adhesión y aleaciones para determinadas condiciones de fricción. Esto es necesario tanto durante el diseño y construcción de nuevos tipos de máquinas que trabajen bajo elevadas condiciones de cargas com o para el mejoramiento de las ya existentes. La máquina tiene la posibilidad de trabajar en un amplio rango de temperaturas, tanto para la fricción seca com o lubricada y está diseñada de manera tal que permite simular tanto las condiciones reales de explotación de D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 79 los elementos a escala industrial así com o de concretas condiciones de laboratorio en investigaciones específicas. Los ensayos se realizan con probetas de configuración sencilla, lo que posibilita la preparación de las mismas a partir de cualquier par de material o aleaciones. Debido a que la adhesión depende en gran medida de la magnitud de la carga en la instalación resulta fundamental el mecanismo de cargas, formado por un soporte guía y las diferentes masas. Este mecanismo permite aplicar cargas que van desde cero hasta el límite de fluencia de los materiales. La máquina cuenta con un accionamiento mediante un motor de 1 HP de corriente alterna, el cual está conectado a un variador de frecuencia mediante el cual se logra controlar la velocidad angular del motor, la transmisión de potencia desde el motor hacia el eje se realiza mediante un sistema de poleas y banda. Otra de las partes de la instalación es el dispositivo porta probeta formado por el eje transmisor de movimiento, en cuyo extremo inferior se coloca la probeta m óvil, mediante el uso de un porta-probeta fabricado. Se dispone también de un recipiente en forma de copa en el cual se alberga tanto la probeta fija como el lubricante, este recipiente proporciona a la vez el efecto de la fuerza de fricción que tiene lugar en el punto de contacto. Todo este mecanismo se coloca sobre una base de estructura rígida de acero. Un dispositivo importante de la máquina es el que se encarga de registrar la fuerza de fricción. Debido a que estas fuerzas varían en un amplio rango, comenzando en cero y terminando con la fuerza de ruptura de la unión adhesiva de toda el área de contacto (2.429 cm2), el mecanismo de medición de la fuerza de fricción debe de cumplir dos exigencias fundamentales: poseer una gran sensibilidad y soportar grandes esfuerzos. En calidad de este mecanismo se pensaba utilizar galgas extensométricas, pero debido a su alto costo y disponibilidad se decidió por adaptar un circuito electrónico compuesto. 3.7.- PR E SU PU E ST O . Con cualquier proyecto de investigación o de construcción, es necesario reflejar el costo de la máquina para tener una comparación entre un m odelo D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 80 comercial y uno fabricado en las instalaciones de la Universidad Veracruzana. Puede observarse claramente cómo los costos de la construcción no son tan elevados com o uno pensaría; en cambio es un costo muy reducido en comparación con un m odelo comercial que ronda alrededor de los $850,000.00 según páginas Web consultadas. A continuación se muestra una tabla con el presupuesto cotizado para la construcción de la máquina: TORNILLERIA EXTENCION DOMESTICA TORNILLERIA TRIPLAY DE PINO DE 14miriX1.22X2.44 SILICON PENS PEPESILICON BISAGRA TUBULAR 3/8 MATERIAL ELETRICO ANGULO 1/8" x 3/4" ANGULO 1/8" x 1" LIGERO PTR 1" x 1"NICHOLSON STD. SEGUERANICHOLSON STD SOLDADURA 6013 1/8 MT LAMINA NEGRA LISA 3'C18 MATERIAL DE PINTURA MOTOR TRIFASICO MAQUINADO DE PIEZAS VARIADOR DE FRECUENCIA PAR DE CORREDERAS PARA TECLADO TOTAL 72.49 99.04 47.93 330 85.5 15.00 274.97 241.23 274.31 206.08 50.58 58.26 1282.5 590.00 1500.00 1000.00 5000.00 50.00 11177.89 D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. 81 C A P ÍT U L O IV: PR O C E D IM IE N T O S Y V A L ID A C IÓ N D E L A A P L IC A IC Ó N E X PE R IM E N T A L D E L T R IB Ó M E T R O P A R A L A D E T E R M IN A C IÓ N DE L A R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E M E D IA N T E E N SA Y O S D E D E SL IZ A M IE N T O . DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 4.1.- P R O C E D IM IE N T O P A R A L A D E T E R M IN A C IÓ N D E LA R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E M E D IA N T E E N SA Y O DE D E SL IZ A M IE N T O . 4.1.1.- A L C A N C E D E L PR O C E D IM IE N T O . El procedimiento m etodológico, que en lo posterior se describe, tiene como objetivo fundamental establecer los pasos a seguir para la puesta a punto, calibración y realización de los ensayos en el tribómetro rotatorio. Este método de ensayo cubre un procedimiento de laboratorio para determinar la resistencia al desgaste de un material mediante el movimiento relativo entre dos probetas que se encuentran en contacto frontal elaboradas con el material del que se desea ensayar. Los factores principales y condiciones que requieren la atención al utilizar este tipo de aparato y las correspondientes mediciones. Los valores declarados en las unidades del SI serán considerados como los normalizados. Este procedimiento no pretende dirigir (establecer) toda la seguridad que involucra, para cualquiera que esté asociado con su uso. Es responsabilidad del usuario de este procedimiento el establecer la seguridad y protección práctica requerida y determinar la pertinente prioridad de las limitaciones reguladas para su uso. 4.1.2.- D O C U M E N T O S D E R E FE R E N C IA . A S T M D 2266 Wear preventive characteristics o f lubricating greases. A S T M D 4172 Wear preventive characteristics o f lubricating fluid. A S T M D 2596 Extreme pressure properties o f lubricating greases. A S T M D 2783 Extreme pressure properties o f lubricating fluid. IP 239 Extreme pressure properties: friction and wear test for lubricants. D IN 51350/1-5 Testing lubricants: testing in the shell four-ball tester. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 83 ISO /C D 11008 Petroleum products and lubricants - determination o f extreme pressure properties o f lubricating greases - four ball method. A S T M G 99 Wear testing with a pin-on-disc apparatus. D IN 50324 Measuring friction and wear: model experiments on sliding friction in solids (ball on disc system). ISO /D IS 7148-2 Testing o f the tribological behavior o f bearing materials and with TE 92/6/4 A S T M D 3702 Standard test method for wear rate o f materials in self­ lubricated rubbing contact using a thrust washer testing machine. 4.1.3.- R E S U M E N D E L P R O C E D IM IE N T O D E L E N SA Y O . Para el método de especím enes de las probetas. evaluar o bien pueden ser de perpendicularmente a la otra manera frontal. ensayo del tipo frontal, se requieren dos Pueden ser del mismo material a ensayar o a materiales distintos. Cada probeta se posiciona de manera que queden sus caras dispuestas de La máquina se ha diseñado de manera que una probeta no gira sobre su eje ni se desplaza radialmente, lo cual lo establece la norma A STM G132. El procedimiento para la realización de ensayos de desgaste es muy sencillo, en primer lugar procedemos a encender la máquina en general (computadora, dispositivos y fuente de energía eléctrica para la máquina). Siguiendo las condiciones de prueba, que se establecerán en el diseño del experimento, se programa al variador de frecuencia para que el motor nos genere la velocidad requerida para el ensayo, además de tener listo el peso que será el que nos de la relación de fricción en las caras de las probetas y la carga adecuada. La puesta a punto de la instalación experimental se realiza centrando la probeta m óvil con respecto a la probeta fija mediante una guía cilindrica de acero colocada en el barreno central de ambas probetas; por medio de esta guía se asegura que ambas probetas permanezcan en contacto frontal cilindroDISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j 8 4 CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. cilindro. Posteriormente se procede a la aplicación de la carga correspondiente de acuerdo al diseño del experimento así com o también se añade el lubricante en caso de ser un ensayo lubricado. Una vez contemplado todo lo anterior se opera la máquina mediante el accionamiento del motor, logrando así que la probeta m óvil friccione contra la probeta fija durante el tiempo que dure el ensayo. El periodo de observación del proceso debe ser el suficiente com o para que se pueda registrar el momento en el que com ienza la adhesión y el de la total adhesión de las probetas, cabe aclarar que esto dependerá en gran medida de los tipos de materiales que se estén examinando. La velocidad de deslizamiento depende de la velocidad de rotación del motor, es decir, se puede establecer con anterioridad qué velocidad se requiere y programar el variador de frecuencia para que proporcione una velocidad adecuada. La pérdida de material se determina pesando ambos especím enes antes y después del ensayo. Deben convertirse los valores de pérdida de masa a pérdidas de volumen, por lo que se consideran las densidades de los materiales que se ensayan. La medición del desgaste de manera lineal (m edición de las dimensiones antes y después) no se recomienda para los propósitos de este ensayo. Se informan los resultados del desgaste com o pérdida de volum en y del volum en de desgaste normalizado con respecto a la carga normal aplicada, a la longitud del camino de desgaste. 4.1.4.- IM P O R T A N C IA Y U SO D E L PR O C E D IM IE N T O . La magnitud del desgaste en cualquier sistem a en general, depende de varios factores, tales com o la carga aplicada, características de la máquina, velocidad deslizamiento, recorrido de fricción, el ambiente, y las propiedades materiales. El valor inicial de este procedimiento de ensayo radica en que predice una clasificación jerárquica relativa de materiales. Este procedimiento de ensayo impone condiciones que causan las pérdidas de masa medible y considera que ajusta los materiales para aplicaciones en las que ocurre DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 85 abrasión de moderada a severa. Los materiales a utilizar en el ensayo deben ser bastante resistentes a la adhesión. Este procedimiento de ensayo por fricción adhesiva no intenta reproducir todas las condiciones que pueden experimentarse durante la explotación de una máquina o equipo (por ejemplo, tamaño de la partícula, forma, dureza, velocidad, carga, y presencia de un ambiente corrosivo), no se garantiza con este procedimiento de ensayo que exista repetitividad de la magnitud del desgaste para condiciones que difieran de las de este procedimiento de ensayo. 4.1.5.- M Á Q U IN A D E E N SA Y O . D E SC R IP C IÓ N G E N E R A L . Para el desarrollo de los experimentos se construye una instalación experimentación que permite evaluar la resistencia al desgaste de diferentes materiales y el comportamiento de dichos materiales bañados con algún tipo de lubricante. Las características constructivas y de diseño se muestran en la siguiente figura. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. F IG U R A 4.1.- In stalación exp erim en tal para el estudio de la resistencia al desgaste adhesivo. La máquina de fricción frontal cilindro-cilindro es una máquina muy versátil y de fácil manejo, sus especificaciones principales son las siguientes: • La instalación experimental está compuesta por un mecanismo de accionamiento formado por un motor, un eje giratorio donde se coloca la probeta m óvil, una copa fija a la base en la cual se coloca la probeta fija así com o también el lubricante si es necesario. • Todo el mecanismo se monta sobre una m esa firme. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 87 • Una computadora con el software diseñado para mostrar las mediciones hechas físicamente y transmitidas por el circuito electrónico, así com o también con algún software estadístico para poder evaluar los resultados después de terminado el ensayo. • Rigidez de la máquina: la máquina de ensayo debe ser lo suficientem ente rígida y estable, evitando vibraciones que puedan alterar los resultados de la magnitud del desgaste durante el ensayo. La superficie que fija el abrasivo debe estar rígida y poseer una adecuada excentricidad. • Control de velocidad: se logra controlar la velocidad del motor y por consecuencia la velocidad de la probeta m óvil, por medio de un variador de frecuencia conectado al motor. Como su nombre lo indica, su función es variar la frecuencia eléctrica y con ello poder controlar la velocidad angular del motor. • El dispositivo porta probetas garantiza la fijación de la probeta logrando paralelismo y planicidad entre las caras frontales de las probetas. El porta probeta se mueva libremente, con la fricción en la dirección de su eje longitudinal (es decir, perpendicular a la superficie de la otra probeta). • Sistema de m edición del desgaste: el instrumento de m edición del desgaste por pérdida de masa en las muestras a ensayar debe tener una sensibilidad de 0 . 0 0 0 1 grs. 4.1.6.PROBETAS PA R A LOS E N SA Y O S Y P R E PA R A C IÓ N ; L U B R IC A N T E Y SU S C A R A C T E R ÍST IC A S. SU PROBETAS. Materiales: el procedimiento de los ensayos puede aplicarse para evaluar la resistencia al desgaste de cualquier tipo de material. El único requisito es que se puedan perparar probetas que tengan las dimenciones que exige el procedimiento del ensayo y que estas resistan las tensiones impuestas durante el ensayo sin que tenga lugar la rotura. Este procedimiento de ensayo DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. no se considera para un material que sea inadecuado en una aplicación de elevada resistencia al desgaste. Durante la calibración y puesta a punto de la instalación experimental se emplearon aceros al carbono de dureza 179 HB, debido a que los mismos poseen una adecuada variavilidad de la abración y desgaste, y la misma adecuadamente corregible. S e recomiendan, por consiguiente, específicamente para ese propósito. El procedimiento permite el em pleo de cualquier otro material pero el mismo debe ser caracterizado totalmente y sus resultados deben ser descritos en el correspondiente informe. Tanto la probeta m óvil com o la probeta fija deben ser lo más parecidas posibles, cumpliendo con las siguientes características: forma cilindrica con un diámetro exterior de 2 cm y un diámetro interior de 0.9525 cm por una longitud de 2 cm en el caso de las probetas de bronce y en el cado de las probetas de acero AISI 1045 tendremos un diámetro de 2 cm y una longitud de 2 cm.. Para la preparación de las probetas recomendamos se compre el material en forma de barra cilindrica con un diámetro exterior de 7/8 de pulgada. Posteriormente se procederá (en un torno) a desbastar dicha pieza hasta alcanzar el diámetro exterior de las probetas el cual debe ser de 2 cm. En la misma acción se barranará dicha barra (en su centro) para formar el diámetro interior de la probeta, para lo cual se usará una broca de 3/8 de pulgada. Se medirá una longitud de también dos centímetros y se cortará la barra para formar una probeta de prueba. Una vez realizado dicho corte es recomendable lijar la probeta para quitar alguna rebaba o algún exceso de material. Los bordes de las muestras deben ser redondeados para evitar el agarramiento inmediato de los materiales a ensayar. Acabado superficial de las muestras de ensayo. Las muestras no deben poseer surco o ralladuras debido a que esto interfiere en el contacto de los especímenes. La porosidad, a menos que sea una caracteristica inherente del material que se ensaya, puede afectar los resultados de la prueba adversamente por lo que la m ism a también debe evitarse. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. I 8 9 CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. LUBRICANTE. El aceite que será empleado en los experimetos consistirá en un aseite grado de viscosidad SAE 5 - W 40, que es un aceite multigrado utilizado en motores a gazolina el cual tiene las siguientes características: • • • • • • Fórmula sintética, lo que permite un desempeño superior a cualquier lubricante convencional. Cumple los requisitos de la clasificación API SM y ACEA A3/B 3/B4. Recomendado para motores turbocargados, fual injection y vehículos que trabajen en condiciones de servico severo. Máxima estabilidad térmica para soportar temperaturas extremas de operación. Excelente protección para arranque en frío. Bajo consumo de lubricante. Fig. 4.2.- P robetas de acero A IS I 1G45. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Fig. 4.3.- P robetas de bronce barrenadas. 4.1.7.- PA R Á M E T R O S D E L E N SA Y O . • Carga: la magnitud de la fuerza normal, se expresa en newton, y la misma actúa sobre el área de la probeta sometida a desgaste. La fuerza normal utilizada fue de 24.5 N , basado en el área de contacto nominal del espécim en (2.4290 cm2), así mismo se aplica una presión en el punto de contacto equivalente a 0.1 MPa. Sin embargo, la máquina puede soportar mucho más carga y se pondrá a consideración del diseñador del experimento la cantidad de carga con la que quiera realizar la prueba de desgaste. • Velocidad de rotación: la velocidad de rotación del cilindro m óvil podrá ajustarse desde un valor mínimo de 600 rpm. Hasta un valor máximo de 1800 rpm dependiendo de las condiciones del experimento y de la cantidad de carga puesta sobre el eje de rotación de la probeta móvil. En este caso la velocidad se estableció en 950 rpm. • Velocidad de deslizamiento: la velocidad de deslizamiento en el punto de contacto fue de 0.9948 m/s. • Duración del ensayo: el tiempo de la duración del ensayo variará con respecto a las condiciones del experimento y del tipo de prueba que se desee realizar. En nuestros experimentos el tiempo de prueba fue de 30 min. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. I 91 CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. • Ambiente (condiciones de ensayo): la temperatura nominal del local del laboratorio será de 20° a 25°C. Deben informarse la humanidad relativa y cualquier exposición medioambiental rara. 4.1.8.- M A T E R IA L E S Y E Q U IPO S P A R A L A R E A L IZ A C IÓ N D E L E N SA Y O . C O M PL E M E N T A R IO S M áq u in a de fricción frontal. A ceite m ultigrado SAE 5 - W 40. B alanza an alítica de alta precisión. T acóm etro digital. C ronóm etro. A ceton a, y alcohol 90. P año de algodón. Juego de h erram ientas para el m ontaje y desm on taje de probetas. Juego de probetas de los m ateriales a ensayar. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. I 9 2 CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. T erm óm etro digital infrarrojo. T erm óm etro digital de contacto. 4.1.9.- P R O C E D IM IE N T O E N SA Y O . PA R A LA R E A L IZ A C IÓ N DEL 1. Antes de realizar cualquier ensayo se debe preparar a la probeta fabricada para tal acción; en primer lugar deben limpiarse perfectamente (con acetona, alcohol o thiner) para liberarla de alguna impureza y después secarse perfectamente con algún paño que no deje hilachas. Se debe tener extremo cuidado al quitar toda la suciedad y la materia extraña de las mismas. Limpiar con agentes y solventes no corrosivos. Incluso puede cepillar las probetas. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 2. Encienda la máquina y verifique con el tacómetro digital que la velocidad se conserve en los valores establecidos en el experimento a realizar. Si no es así, apague el motor, realice el ajuste necesario con el variador de frecuencia y vuelva a encender el motor para comprobar nuevamente con el tacómetro. 0 .1 3. Pasar las probetas en la balanza analítica con precisión de mg ( 0 . 0 0 0 1 g). 4. Colocar y centrar las probetas cilindro-cilindro en contacto frontal en el mecanismo porta probeta. 5. Desplazar el dispositivo porta probeta hasta hacer coincidir la cara frontal de los cilindros. 6 . Aplicar la carga de prueba. 7. Colocar (si así lo requiere el experimento) la cantidad de aceite lubricante necesaria para mantener lubricado el punto de contacto. 8. Preparar el duración del ensayo. cronómetro para controlar el tiempo de 9. Separar ligeramente las probetas (aprox. 0.5 cm, subiendo el eje del porta probeta móvil). 10. Encender la instalación experimental. 11. Bajar nuevamente el porta probeta para hacer coincidir las caras frontales de las probetas. 12. Pasado el tiempo de prueba del experimento separar las probetas. 13. Detener la instalación. 14. Desmontaje de las probetas. 15. Limpieza de las probetas con los limpiadores establecidos. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. I 9 4 CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 16. Pesar las pruebas. 4.1.10.- C Á L C U L O S Y R E PO R T E S. El informe debe contener toda la información necesaria para permitir la repetición independiente del procedimiento de ensayo. Esto incluirá la forma y dimensiones de especím enes, el tipo del material, com posición, proceso de fabricación, micro estructura y dureza del material, si resulta apropiado, reflejar cualquier otro detalle característico que se pueda aplicar en casos típicos. También se debe informar las condiciones bajo las cuales se realiza el ensayo, incluyendo la carga aplicada, la velocidad lineal de la muestra, temperatura ambiente y humedad del local. Un ejemplo es la tabla 4.1. El desgaste debe expresarse en pérdidas de volumen (es decir, pérdidas de masa divididas por la densidad) del material de las muestras individuales y se informará en milímetros cúbicos. Además, dimensiones del desgaste dadas como una pérdida de volum en normalizada. Las mediciones de desgaste deberán ser reportadas com o pérdidas de volumen en milímetros cúbicos para ambos cilindros separadamente. Emplear para el cálculo del desgaste la siguiente ecuación: W v=W g/p E c. 4.1. Donde: W g - pérdidas de masa de la muestra ensayada, en gramos. p - densidad de la muestra de ensayo, en (gr/cm 3 ó mg/mm3) Reportar la magnitud del desgaste durante la prueba para cada una de sus réplicas y tabular los mismos. NUM ERO DE MUESTRA. Peso (gr). F Inic ial. Desgaste. inal. Gravimétrie o W g (gr). métrico (mm3). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. V olu Wv 95 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 T A B L A 4.1.- M agnitud del desgaste de las m uestras ensayadas. C A R A C T E R ÍST IC A S G E N E R A L E S D E L M A T E R IA L D E LA M U E ST R A . T ecnología de la probeta. de elaboración Ej. Fundida, torneada, rectificada, frezada, cementada, nitrurada, cromada, etc. Material de la probeta. Ej. Acero AISI 1045. Com posición química, (%) n i r i tros P ropiedades m ecánicas. Límite de la rotura, (MPa). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 96 Límite de Fluencia, (MPa). Alargamiento relativo, (%). Compresión relativa, (%). Dureza, (HB, HRC, HV). C aracterísticas geom étricas. Forma. Dim ensiones (mm) y (mm2) Cilindrica. Diá metro. Are a de la sección. A Are a de la sección. tud. Cuadrada o rectangular. A arga. Longi ncho. lto. C alidad de la superficie. V elocidad de deslizamiento (m/s). Presión nominal de contacto, (MPa). Temperatura del ensayo, (°C). local de Humedad relativa, (%). M aterial em pleado en la lim p ieza de la probeta. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 97 C A R A C T E R IST IC A S D E L M A T E R IA L A B R A SIV O . Tipo de abrasivo. Granulometría. Material base. Fabricante. T A B L A 4.2.- C aracterísticas condiciones del ensayo. de m aterial de la probeta, y Los resultados de la prueba de desgaste expresados en pérdidas de masa pueden ser usados internamente por un laboratorio para evaluar materiales de densidades equivalentes sin considerar la misma. Sin embargo, este procedimiento de ensayo existe informar el desgaste com o la pérdida de volumen para comparar las magnitudes del desgaste de materiales de densidades diferentes. Se debe tomar extremo cuidado al tomar los valores de la densidad de los materiales ensayados, debido a que esta influye significativamente sobre la magnitud de la pérdida de volumen y sobre todo si la pérdida de masa es moderada. Sin embargo, los resultados de pruebas separadas serán comparados. 4.2.- V A L ID A C IÓ N DE L A A P L IC A C IÓ N E X P E R IM E N T A L D E L T R IB Ó M E T R O P A R A L A D E T E R M IN A C IÓ N DE LA R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E M E D IA N T E E N SA Y O S DE D E SL IZ A M IE N T O . 4.2.1.- IN T R O D U C C IÓ N . 4.2.1.1.- P R E C ISIÓ N DE EN SA Y O S D E L A B O R A T O R IO . LOS R E SU L T A D O S DE LO S El criterio de precisión de la prueba está basado en la confiabilidad estadística de los resultados experimentales. Criterio - considerando lo planteado en práctica E 177 de ASTM, el criterio de un laboratorio en particular podría ser la confiabilidad estadística DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j 9 8 CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. de los resultados experimentales obtenidos en ese laboratorio, para una combinación particular del par de materiales de referencia. Repetitividad - repetitividad com o indicador de precisión de dimensiones obtenidos con este procedimiento de ensayo, las condiciones de los parámetros del ensayo, la configuración de la probeta, el tipo de material abrasivo empleado, y el material de referencia. Se debe considerar com o nivel límite de confiabilidad estadística el 95%. 4.2.2.- M É T O D O S. 4.2.2.1.A N Á L ISIS DE LOS R E SU L T A D O S E X P E R IM E N T A L E S D E E N SA Y O S DE L A B O R A T O R IO . Durante los ensayos se obtienen una gran cantidad de datos experimentales a los cuales se les determina una serie de parámetros estadístico - matemáticos tales como: A) M edia aritmética de los resultados (^ ’) o (y ’). H a de señalarse que estos parámetros representan la m edia de una propiedad evaluada durante los experimentos. E c. 4.2. B) Desviación media cuadrática o desviación estándar de la media (S) o ( g) E c. 4.3. ó para número de ensayos (corridas) entre 1 y 10 : E c. 4.4. Donde: n - número de experimentos (corridas experimentales) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. E f= i(y — y ' ) 2 - suma del cuadrado de las desviaciones. R - diferencia entre el valor más alto y el más bajo de las medias en las corridas experimentales (n). d 2 - factor de desviación. C) Desigualdad cuadrática o variabilidad del procedimiento de ensayo. A este parámetro también se le conoce com o coeficiente de variación; se da en %. V = S /y ’. 100. E c. 4.5. Es común señalar que para un número de ensayos (corridas experimentales) igual o superior a 30 (y ’), (S) o (V) se pueden por método de las sumas o las multiplicaciones. Factor de desviación para la desviación estándar estimada en el rango del tamaño básico de la muestra. Tamaño de la muestra (n). Factor de desviación (d2) (1/d2) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. El tamaño de la muestra (n) se puede determinar para un nivel del 95% de confianza como: n = [ l.9 6 j ] 2 Ec. 4.6. Donde: e - error permisible de la muestra o muestreo. 4.2.2.2.- D E T E R M IN A C IÓ N D E L E R R O R P E R M ISIB L E DE LA M U E ST R A (e) A B SO L U T O . La precisión de los ensayos se evalúa a través del error, para lo cual se consideran o analizan dos tipos fundamentales de error, el absoluto y el relativo, para cada uno de los estadígrafos anteriores. A) Error absoluto de la media aritmética (e y ) e, = E c. A .l . Donde: t - desviación normada, determinada durante una distribución normal en dependencia del número de ensayos o tamaño de la muestra. Para un nivel de confianza del 95% y n=20, t=2.1; para n=30, t=2. B) Error absoluto de la desviación estándar (e s) es = s V2 ñ C) ey = Ec. 4.8. Error absoluto del coeficiente de variación (e v ) = V2 n 7 Ec. 4.9. 4.2.2.3.- D E T E R M IN A C IÓ N D E L E R R O R R E L A T IV O (er) A ) Para la media aritmética (e r y ) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. E c. 4.10. -¡y = ^ - .1 0 0 . y e™ ’ = tv :.1 0 0 . V^ - 1 ' E c. 4.11. B) Para la desviación estándar (e^) E c. 4.12. e rs = f . 1 0 0 . 2 E c. 4.13. e rS = — . 1 0 0 . V2 ñ. C) Para el coeficiente de variación (erV) E c. 4.14. e ry = f . 1 0 0 . 2 E c. 4.15. e rS = - ; = 1 0 0 . rs V2 ñ. 4.2.2.4.- G R A D O D E PR E C ISIÓ N D E L E N SA Y O . Durante la realización de trabajos científicos de investigación el error relativo no debe sobrepasar de un 3 a 5%. A partir del valor de error relativo determinado (definido), se determina el tamaño de la muestra (número de réplicas) (n), necesario para garantizar la requerida precisión en los ensayos. A) Para la media aritmética (y ’) 2 n = 4 4V2 ' 2V ' ' V '2 ery = ery2 , = ery ' _ B) n = Para la desviación estándar (s ) 2*100 , 2 C) E c. 4.16. E c. 4.17. Para el coeficiente de variación (V) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. n = 2 *1 0 0 2 E c. 4.18. Por otro lado, se tiene que desde el punto de vista práctico de vista práctico la precisión de los ensayos está caracterizada (definida) por la magnitud del error relativo. D e este modo, para una probabilidad del 95% se tiene: Magnitud del Grado error relativo precisión ensayo. (er) de del er< 2 2< er< 5 5< er < 10 er> 10 La tabla anterior se obtiene considerando la ecuación (4.5) o (4.15) y un 95% de nivel de confianza, lo que indica un 5% de probabilidad de que la diferencia entre la muestra estimada (media aritmética y ’) y el valor obtenido del promedio de todos los valores, para un número elevado de pruebas (réplicas), exceda el error relativo permisible de la muestra. Por ejemplo: si el coeficiente de variación (V) de múltiples pruebas (réplicas) es el 7% el tamaño mínimo de muestras pudiera ser 8 ; todo esto con el objetivo de garantizar un 5% de error permisible. Es importante señalar que si el número de pruebas (réplicas) 8 no genera un coeficiente de varianza menor o igual al 7%, la prueba no se considera válida, por lo que se debe tomar una acción correctiva con los resultados. Coeficiente de variación V i (%). 2 i 1 4 Error relativo permisible de la muestra erp3 4 5 6 7 8 10 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 2 16 4 2 1 3 35 9 4 3 2 1 4 62 16 7 4 3 2 2 5 96 24 11 6 4 3 2 2 1 6 35 16 9 6 4 3 2 2 7 47 21 12 8 6 4 3 2 8 62 28 16 10 7 5 4 3 9 78 35 20 13 9 7 5 4 10 96 43 24 16 11 8 6 4 4.3.- D ISE Ñ O DE L O S E X P E R IM E N T O S. Diseñar un experimento significa planear un experimento de modo que reúna la información pertinente al problema bajo investigación. El diseño de un experimento es la secuencia completa de pasos tomados de antemano para asegurar que los datos apropiados se obtendrán de modo que permitan un análisis objetivo que conduzca a deducciones válidas con respecto al problema establecido. El empleo de un diseño de experimentos ayuda a responder preguntas tales como: -i- ¿Cómo se va a medir el efecto? ó ¿Cuáles son las características a analizar? i ¿Qué factores afectan las características que se van a analizar? -i- ¿Cuáles son los factores que se estudiaran en esta investigación? -i- ¿Cuántas veces deberá ejecutarse el experimento? DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 104 4- ¿Cuál será la forma de análisis? -i- ¿A partir de que valores se considera importante el efecto? Objetivos de un diseño de experimentos * Proporcionar la máxima cantidad de información pertinente al problema bajo investigación. * El diseño, plan o programa debe ser tan simple com o sea posible. * La investigación debe efectuarse lo más eficientemente posible; ahorrar tiempo, dinero, personal y material experimental. "Proporcionar la máxima cantidad de información al mínimo costo" Las fundamental técnicas en la del diseño Estadística. experimental Precisamente, desempeñan utilizando un papel correctamente procedimientos estadísticos relativamente sencillos se arriban a resultados confiables y repetibles. 4.3.1.- T É R M IN O S B Á SIC O S. D E FIN IC IÓ N . D iseño de E xperim ento: Es el procedimiento de seleccionar un número de ensayos y las condiciones para la realización de estos, necesarios y suficientes para resolver el problema para el cual han sido fijados, con la máxima información, de la forma más rápida, económica, simple y precisa posible. D iseño de un experim ento L ím ite (E xtrem o): Es un método de selección del menor número de ensayos y las condiciones para su realización, para encontrar las condiciones óptimas. E xperim ento: Es un conjunto de ensayos mediante los cuales se tiene un mecanismo para conocer la esencia de la cuestión que se estudia. E nsayo: Corrida experimental que se realiza bajo condiciones controladas por el investigador. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 105 O ptim izar: El uso de este término en muchas situaciones se confunde, optimizar significa obtener los mejores resultados para la variable respuesta, en las condiciones propias del experimento, o sea, dentro de la zona o región experimental analizada, lo cual raras veces se logra, al tener que ceder en cuanto a la obtención del máximo de una propiedad para mejorar otra, por lo que se habla de mejores resultados. Problem as de O ptim ización: Formas o métodos para obtener las condiciones óptimas de la respuesta en la zona experimental. Es muy importante definir en qué sentido las condiciones son óptimas y qué herramienta se va a utilizar para dar solución al problema. M étodos de optim ización: Son los métodos usados para la solución de los problemas de optimización. P arám etros de O ptim ización: Estos definen la solución más adecuada para las condiciones experimentales. En la mayoría de los ocasiones pueden ser varios (polioptim ización), por lo que debemos elaborar criterios de compromiso o de ponderación para cada uno de ellos. Los parámetros de optimización deben cumplir algunos requisitos: a. Deben ser perfectamente mensurables en todos los estados o niveles del fenóm eno en estudio. b. Deber ser universales, o sea, adaptarse a todas las situaciones posibles. c. Poseer reproducibilidad estadística. d. Al menos uno de ellos deber estar asociado con indicadores económ icos com o el costo, los gastos etc. En ocasiones es im posible determinar de forma cuantitativa el parámetro de optimización. En estos casos, se acude a un procedimiento llamado A p roxim ación de R ango (Ranking). Así, de acuerdo al rango de DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 106 operación preseleccionado de una escala, son asignados valores al Parámetro de Optimización. La escala puede ser de dos puntos, de cinco puntos, valoraciones cualitativas (bueno, regular y malo), etc. Cuando aparecen dificultades en la estimación del Parámetro de Optimización es útil y necesaria la utilización del Rango de Aproximación. Factores: Son las variables (cuantitativas o cualitativas) asociadas al fenóm eno en estudio, deben cumplir con las siguientes condiciones: a. Ser perfectamente controlables y mensurables de forma b. Los exacta. valores o niveles que toman responden a los requerimientos de la investigación y los fija el investigador. c. Todas las posibles combinaciones entre factores (cuando existan más de uno) deben ser realizables y mesurables. d. Es muy importante definir que todos los factores deben ser INDEPENDIENTES entre sí. Los factores pueden tener una región de determinación conjunta o discreta. N o obstante, en los problemas de diseño experimental, se consideran siempre regiones discretas. Así, para factores de regiones continuas de determinación com o la temperatura, presión, etc., siempre son seleccionados ajustes de los niveles discretos. N iveles de los factores: Son los posibles valores que pueden tomar los factores durante la realización del experimento. C aja N egra: En este concepto se parte del presupuesto de que se conocen los factores independientes, que tomarán parte en el proceso, y los factores dependientes, que se medirán, sin embargo, se desconocen los procesos (físicos, químicos, etc.), que rigen el comportamiento de los procesos durante su desarrollo. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 107 I m m iA H H iM ■■IINk>MMMIMM^ C AJA NEGRA ■ d Fig. 4.3.- E squ em a conceptual del proceso de diseño. E n la fig u r a 4 .4 s e m u e s tr a e l e s q u e m a d e l c o n c e p to d e c a ja n e g r a . L a c a ja n e g r a r e p r e se n ta u n p r o b le m a a in v e s tig a r , c o n c e p to e s t u d ia n d o de ig n o r a n c ia s o lo la s de lo r e la c io n e s q u e p asa e n tr e la s d en tro del v a r ia b le s de e n tr a d a y lo s p a r á m e tr o s d e s a lid a . L o s v a lo r e s d e X lo s d e y 1 1 h a s ta X n , s o n lo s fa c to r e s q u e in f lu y e n ; m ie n tr a s q u e h a s ta yn, s o n lo s p a r á m e tr o s d e o p tim iz a c ió n . L a r e la c ió n m a t e m á tic a e n tr e e llo s t ie n e la fo r m a g e n e r a l: Y = f(X i, X 2; . . . ; E c. 4.20. X k) D o n d e ta l fu n c ió n e s la lla m a d a fu n c ió n r e s p u e s ta . C ada fa c to r pu ed e to m a r uno o v a r io s v a lo r e s en una prueba, g e n e r a lm e n te s e a s u m e q u e c a d a fa c to r p u e d e p o s e e r u n n ú m e r o n iv e le s . U n p o s ib le s c o n ju n to e sta d o s d de la esto s c a ja n iv e le s negra, e ste para u n será fa c to r d e te r m in a u n o s im u ltá n e a m e n te el pero d is c r e to d e de lo s nú m ero de e n s a y o s d e l e x p e r im e n to . P a r a h a lla r la nú m ero de n iv e le s c o m p le jid a d (p ) de lo s d e u n a c a ja n e g r a , e s fa c to r e s a una p o te n c ia s u fic ie n te ig u a l al e le v a r el nú m ero de p a r á m e tr o de f a c t o r e s ( k ) , e s d e c ir : L a c o m p le jid a d d e la c a ja n e g r a = p k D e s c o m p o n ie n d o del o b jeto de una in v e s tig a c ió n , el O p t im iz a c ió n p u e d e s e r m u y d iv e r s o . E s to s p u e d e n e sta r r e la c io n a d o s c o n lo s a s p e c to s e c o n ó m ic o s , t e c n o ló g ic o s , c o n s tr u c tiv o s , e tc . En p a r á m e tr o s m o v im ie n to lo s sean p r o b le m a s r e a le s , c o n s id e r a d o s h a c ia el veces s im u ltá n e a m e n te ; ó p tim o , o p t im iz a c ió n y m a n te n ie n d o m u ch as s e le c c io n a n d o se en r e q u ie r e esto s un ca so s ú n ic o que se v a r io s r e a liz a p a r á m e tr o el de e l r e s to d e lo s p a r á m e tr o s c o m o r e s tr ic c io n e s a l DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 108 problema. En los casos que esto no sea lo idóneo, se pueden aplicar métodos de optimización para sistemas de múltiples respuestas. R egión de determ inación: Está definida por el conjunto de valores que los factores y los parámetros de salida pueden tener. Parám etro categorizado: Este parámetro tiene una región continua limitada de determinación. En el caso más sencillo la región posee dos valores (alto o bajo; bueno o malo). 4.3.2.- PA SO S IN IC IA L E S PA R A L A P L A N IF IC A C IÓ N DE E X P E R IM E N T O S. Lo primero recomendado para la realización de una investigación es: 1. Buscar el problema: Un problema práctico interesante para alguien. 2. Conocer el problema: Plantearse qué se conoce al respecto en informaciones científicas. 3. Trazar un objetivo de trabajo: Optimizar las actividades a realizar, seleccionando el parámetro de optimización. Para ello deben ser considerados todos los factores que influyen en el fenómeno. Si un factor que tiene influencia apreciable sobre el fenóm eno es excluido, esto puede traer consecuencias funestas. Si un factor significativo fluctúa libremente, se incrementará notablemente el error del “experimento”. 4. Estrategia: Es el acto redefinir qué hacer constantemente y de forma conveniente. Se deben observar los siguientes requisitos: a. Minimizar el número de experimentos y ensayos, eligiendo un diseño de experimento adecuado, según la cantidad de factores y la etapa del trabajo. Por ejemplo, una primera etapa pudiera ser m overse hacia una región cercana al óptimo y una segunda etapa es la determinación del mismo. b. Realizar una correcta modelación matemática del problema. c. Trabajar por etapas definidas, que permitan llegar a decisiones al terminar cada una.________________________________________________ DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 109 5. Forma Experimental: Para saber qué el factor afecta hay que experimentar. En esta etapa se debe garantizar: a. Controlabilidad de los fenóm enos que se estudian en el experimento. b. Reproducibilidad de los resultados. c. Que las muestras se tom en al azar. 6 . Comprobación de la adecuación del m odelo matemático: Para ello se realiza el procesamiento estadístico - matemático de los resultados experimentales, utilizando métodos matemáticos reconocidos. 7. Interpretación de los resultados: Vinculación de los resultados con otros publicados en la literatura, justificación de los comportamiento y su alcance. 4.3.3.- M O D E L A C IÓ N D E L E X PE R IM E N T O . Como hemos señalado un m odelo empírico generalmente no proporciona explicación acerca del mecanismo del proceso, pero nos brinda una descripción algebraica aproximada del comportamiento de los datos medidos. Ocurre en muchas ocasiones que las correlaciones entre variables de entrada o factores y las variables de salida no tengan una explicación física determinada o lógica. En muchos casos, estas correlaciones pueden ser inferidas por el investigador, ya sea por su experiencia propia, o por la literatura, pero en muchas situaciones experimentales es difícil ganar en claridad acerca de las posibles relaciones entre las variables, partiendo solo de datos cuya toma no se ha planeado de forma correcta (Diseño Experimental). De aquí la importancia de diseñar y modelar adecuadamente los experimentos para que los datos brinden la información deseada. Esto se realiza bajo el concepto de caja negra (ver figura 4.4). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 110 ¿Cómo debe seleccionarse el modelo? Seleccionar un modelo significa definir la forma de la función matemática que pude describir el proceso en estudio. Este paso lo requiere todo diseño de Experimento, para definir los valores y la cantidad de niveles a estudiar y determinar la forma de estimación de los coeficientes del modelo. Hay muchos m odelos disponibles para la selección. Para optar por uno de ellos es necesario conocer dos cosas fundamentales: a. ¿Qué se quiere del modelo? b. ¿Cuáles son nuestros requerimientos? Si el objetivo trazado en el estudio es encontrar las condiciones óptimas del objeto en estudio, el principal requerimiento del m odelo debe ser la capacidad de predecir la dirección de los ensayos futuros, siempre con la precisión requerida, lo cual significa que en una cierta subregión, que por supuesto incluye las coordenadas de los ensayos realizados, el valor de la respuesta anticipada con la ayuda del m odelo no debe diferir del valor real más allá de una cantidad preestablecida. Un modelo que cumpla con estas condiciones se dice que es adecuado y su adecuacidad se comprueba por métodos estadísticos. Si existieran varios m odelos que se adecuarán a nuestras exigencias debemos seleccionar uno, según criterios; por ejemplo, el criterio de simplicidad. Se prefiere seleccionar entre los modelos posibles el más simple. En la figura 4.5, se muestra una curva que sobre cierta región (Xmín, X máx) satisface dos ecuaciones con la precisión requerida. (2 ) Fig. 4.4.- A nálisis de m odelos posibles a em plear en u n a región. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Aquí el criterio de simplicidad debe establecerse, pues en este ejemplo, si poseem os una tabla logarítmica de base b, la ecuación más simple sería la 1 , pero si no la tenemos la más simple sería la 2. En lo adelante consideraremos como las más simples las series de potencias o porciones de series de potencias. Precisamente, en la mayoría de los casos la selección de los modelos en las primeras fases de la experimentación, cuando muchas veces no se conoce nada acerca del comportamiento que tengan las variables respuesta, resulta una tarea difícil. Para brindar una solución a este problema en la mayoría de los casos se prefiere seleccionar, en un principio, los modelos polinomiales. Estos modelos permiten la aproximación de funciones desconocidas permitiendo funciones de tamizado (screening) durante el proceso investigativo. Para ello se emplean polinomios de diferentes grados y órdenes, que permiten resolver esta tarea; veamos algunos en la tabla 4.3: T abla 4.3.- E xpresiones m atem áticas características de los polinom ios. Tipo de polinom io P olinom io de grado cero P olinom io de prim er grado y 2 variables E xpresión Y=bo Y=bo + b iX i + b 2X 2 P olinom io de prim er Y=bo + b iX i + b 2X 2 + b3X3 + b i 2X iX 2 + bi3XiX3 grado y 3 variables P olinom io de segundo grado P olinom io de + b23X2X3 + bi23XiX2X3 Y=bo + b iX i + b 2X 2 + b i 2X iX 2 + b iiX i 2 + b 22X 22 tercer Y=bo + b iX i + b 2X 2 + b i 2X iX 2 + b iiX i 2 + b 22X 22 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 112 + b 112 X 12X 2 + b 122X 1X 22 + b 222X 23 grado Mediante el cálculo de los coeficientes involucrados en cada polinomio queda claro el nivel de influencia de cada factor en las propiedades de las variables respuestas. Como se puede apreciar, mientras mayor sea el número de coeficientes, mayor será el número de experimentos a realizar y mayor será el número de réplicas, que se deben planificar, tratando de evitar que se sature el m odelo y los resultados no sean reales. La selección de un modelo sencillo puede traer com o resultado, que no se obtengan la cantidad de corridas experimentales necesarias para evaluar correctamente el comportamiento de cierto experimento. Por tanto, se requiere que el modelo seleccionado sea sencillo y que tenga una buena predicción de la dirección más rápida hacia donde converja el óptimo de la región experimental. En la generalidad de los casos estas características las cumplen de manera satisfactoria los m odelos de primer grado, por lo que son recomendados para iniciar los estudios de un fenómeno, com o primera aproximación. Si no se obtiene resultados satisfactorios se incrementa el grado del polinomio y, por tanto, el número de corridas experimentales, con lo que entraríamos en diseños de orden superior, los cuales no son objetivo de este curso. Por tanto, en lo adelante nos centraremos en el trabajo con modelos del tipo polinomiales, de primer grado. 4.3.4.- SE L E C C IÓ N D E L A R E G IÓ N E X PE R IM E N T A L . R E ST R IC C IO N E S. Para el establecimiento de las regiones de definición o la región experimental donde se moverán los distintos factores se necesita cumplir con las siguientes restricciones: a. Inviolabilidad de principios: los valores de los factores no pueden ser violados bajo ninguna circunstancia. Por ejemplo, si tomamos com o factor la temperatura no se concibe que el límite inferior DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 113 de la m ism a esté por debajo del cero absoluto. b. Restricción técnico-económica: por ejemplo, es necesario considerar el costo de la materia prima, la mano de obra el costo del equipamiento del laboratorio, el costo energético, etc. c. Condiciones posibles de lograr: Esta restricción se refiere al aseguramiento técnico material y a las condiciones alcanzables en las instalaciones del laboratorio de ensayo. Por ejemplo, no es posible determinar fases en un compuesto sin al menos poseer técnicas de rayos X para el análisis. La selección de la región experimental se basa en la selección de las condiciones de frontera para cada uno de los factores que intervienen en el estudio. Esta selección incluye dos pasos fundamentales: fijar el nivel base o nivel cero de cada factor y determinar el rango de variación de cada factor. a) Selección del nivel básico: es el punto inicial para la construcción de una región experimental. En este punto los niveles de los factores corresponden a las mejores condiciones para las variables respuesta. La revisión y análisis dan la información primaria, que permite definir correctamente este punto. La selección del nivel básico de los factores debe cumplir con los siguientes requisitos: > En este punto los valores de la variable respuesta deben ser los mejores de todos los valores conocidos o reportados en la literatura. > Las coordenadas del nivel cero deben estar dentro de la región experimental, a cierta distancia de los extremos. Es importante destacar que no podemos construir un diseño más allá de las fronteras de la región experimental, aún cuando los mejores valores estén fuera de ella (nivel central). Ver figura 4.4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 114 ki x2 Regió ► xi Fig. 4.4.- R egión de determ inación de los factores. Si hay contradicción entre los requerimientos se está obligado a olvidar el primero de ellos, puesto que no podemos construir un diseño más allá de los límites de la región de determinación. La fórmula de determinación del mismo es: x J0 = (Xmáx ~ Xmin^ b) Ec. 4.21. Selección del intervalo de variación: para su determinación se toma com o referencia el valor del factor para el nivel básico, tomándose puntos simétricos al mismo, de forma tal, que se definen el nivel superior e inferior del factor. Así por ejemplo, si tomamos com o nivel básico para el factor temperatura los 100 °C y definimos el intervalo de variación en 50 °C, el nivel inferior del factor seria 50 °C y el nivel superior será 150 °C. La fórmula de determinación del mismo es: / . = (Xmáx ~ Xmn V j 2 Ec. 4.22. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Las restricciones naturales están superpuestas por encima y por debajo de la selección de los intervalos de variación. Es decir, que un intervalo de variación no puede ser tan pequeño com o la magnitud que caracteriza la medición del error de los factores en un experimento. Por otro lado, el nivel superior y el inferior deben ser inconfundibles. El intervalo no puede ser tan grande que permita que los niveles máximo y mínimo estén fuera de las fronteras de la región de determinación experimental. 4.3.5.- C O D IF IC A C IÓ N DE LO S V A L O R E S DE V A R IA B L E S. Para facilitar los cálculos en muchas ocasiones se prefiere tipificar o codificar los valores para cada factor, si se define para cada factor el nivel base com o Xjb y el intervalo de variación como AXj, la fórmula para tipificar los valores del factor quedaría: X . - x ih 1 = — 1----- J AX.J E c. 4.23. Donde: Zj: valor codificado para la variable o factor. Para ilustrar este procedimiento analicemos un ejemplo. Se quiere estudiar el comportamiento de las variables tiempo y temperatura sobre el rendimiento de una reacción química. Determinar los niveles y el intervalo para cada uno de los factores, es como sigue: Aplicando la expresión (4.2.4) las variables codificadas quedarían, para la Temperatura X 1, com o se muestra en la tabla 4.2: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. T abla 4.4.- N iveles de los factores en un diseño factorial 22. N ivel N ivel N ivel m ínim o base m áxim o T em peratura 40 60 80 20 Tiem po 20 25 30 5 Factores 40 - 60 20 Zi< 80 - 60 20 Intervalo = -1 =1 Ec. 4.24. Al aplicar la fórmula a los otros factores se obtendrán los mismos valores, o sea el valor mínimo del factor se tipifica com o -1 y el valor máximo como 1. El uso de esta notación sim plifica mucho los cálculos posteriores, especialmente cuando no se cuenta con medios de cómputo para su realización. Una vez terminado el experimento y seleccionados los valores de los factores, para los cuales la respuesta es la óptima deseada, se utiliza esta misma expresión, pero para encontrar los valores reales de las variables. 4.3.6.- R E A L IZ A C IÓ N D E L E X P E R IM E N T O . La materialización de las corridas experimentales debe estar regida por los tres principios estudiados en el punto 4.2.3: la aleatorización, la replicación y el trabajo por bloques experim entales. D e aquí que sea muy importante, en la realización de un experimento, realizar cada corrida en un orden aleatorio, con el fin de que los errores experimentales no estén agrupados en una sección de la matriz. Es preciso recordar también que se define el número de réplicas como la cantidad de veces que se monta y desmonta la instalación experimental para la realización de una sola corrida. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. En este paso se velará porque se cumplan estrictamente las condiciones impuestas al experimento y se tratará de llevar a sus valores mínimos los posibles errores casuales, que afecten el desempeño correcto del trabajo. También resulta importante en esta etapa el correcto manejo en la toma de datos de la variable respuesta que se analiza, lo que asegurará que los datos que se procesen brinden alguna respuesta “luz” sobre el fenóm eno estudiado. 4.3.7.- PR O C E SA M IE N T O E ST A D ÍST IC O D E LOS R E SU L T A D O S. Como hem os dicho uno de los objetivos fundamentales de todo diseño experimental es la obtención de un m odelo (en nuestro caso polinomial), que pueda modelar, con un nivel de confianza determinado, el comportamiento de cierta propiedad o variables respuesta. Teniendo en cuenta el m odelo que se obtenga y el comportamiento del experimento se determina la conducta a seguir. Sin embargo, muchos experimentos contienen un elemento de indeterminación debido a la naturaleza ilimitada del material experimental. Aunque se realicen varias réplicas de un ensayo o corrida experimental, nunca se obtendrán valores similares de la variable respuesta, ya que está presente el error de reproducibilidad. El error de un ensayo es la suma cuantitativa de muchos errores en las mediciones de los factores, del parámetro de optimización, etc. Estos pueden ser divididos en sus constituyentes, sin embargo la cuestión de la clasificación de los errores es muy complicada por lo que es aceptado dividirlos en “errores sistem áticos” y “errores aleatorios”. Los primeros son debido a razones, que actúan regularmente en una dirección definida, más no siempre pueden ser estudiados y determinados cuantitativamente. Estos se ven durante la calibración de los instrumentos de m edición (ejemplo: termopares) y otros. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Los segundos son los que aparecen irregularmente, cuyas causas se desconocen y es im posible tenerlas en consideración de antemano. Para determinar este error se com ienza por la siguiente secuencia: Primeramente se determinan y , S 2 y se realizan los análisis de comportamiento de la varianza (hom ogénea o no). y es el promedio de los resultados; que se determina por la expresión: y =X ; E c. 4.25. donde (ri ) es el número de veces que se repte el experimento. Para que se considere una repetición, éste ha de desmontarse y montarse de nuevo. (S 2 ) es la varianza del error puro, determinada por la expresión general: S2 = X (y- - y)2 r'<- donde: (i) E c. 4.26. 1 y (j), representan las filas y columnas respectivamente. Esta fórmula debe emplearse cuando el número de réplicas de todos los ensayos es igual; en caso contrario se debe multiplicar el numerador por r, o sea: 92 = ( X (y - y )2 )•r 1 r r - 1 1 Ec. 4.27. Para saber sobre el comportamiento de la varianza, se emplean varios criterios estadísticos, entre ellos el test de Ficher, de C ochoran y de Berlett. ■0- T est de Fisher: Según este existe un comportamiento hom ogéneo si se cumple la condición: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. F calc < F f1,f2 S2 Donde: Fcalc = 4 ^ ^2 51 máx Ec. 4.28. Ff1,f2 Es el parámetro F, tabulado, para grados de libertad del numerador (F x) y del denominador (F 2 ), iguales a (r-1). + T est de C ochoran Este se em plea si el número de varianzas que están siendo comparadas es mayor a dos y una de ellas es considerablemente mayor que las otras; siendo igual el número de réplicas para todos los ensayos. Según éste, existe un comportamiento hom ogéneo si se cumple la condición: G calc < Gtab Donde: Gcalc = 52 X S2 + Ec. 4.29. T est de B arlett: Este está basado en la distribución normal, por lo que si existe una desviación de ella se cometerá un error. Berlett demostró que la cantidad: 1 {f •logS(y) 2 - £ fi *logSf ] c E c. 4.30. Obedece a una distribución Chi-cuadrada (x2) con (Z-1) grados de libertad; donde (Z) es el número de varianzas que se están comparando. El diseño factorial completo, por ejemplo, este número es igual a N. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Según é ste, e x is te un c o m p o r ta m ie n to hom ogén eo si se c u m p le la c o n d ic ió n : Y 2 ^>>XY calc 2 X tab X -2 ]alc = donde: 1 [fi • lo g S ( y )2 - £ fi c = 0.433 i + — 1— Í £ y . - 1 3 • (N -1 ) fi / x * lo g ; S 2] y E Si 2 •y S(y)2 = "=l n-----^y i i= 1 L a v a r ia n z a v a r ia b ilid a d . A y el error e stá n d a r Ec. 4.31. 2 E l e r r o r e s t á n d a r e n t o n c e s s e r ia : s = son m e d id a s de la d is p e r s ió n y la m e d id a q u e e llo s a u m e n ta n , m a y o r e s s e r á n la s d is p e r s io n e s d e lo s v a lo r e s r e s p e c to a l v a lo r m e d io . E s m u y im p o r ta n te e x c lu ir la s o b s e r v a c io n e s d e f ic ie n t e s o e x te n d e r s e en la r e p e tic ió n n a tu ra l n u n c a se de lo s en sayos p e r m ite h a c e r para e v ita r g r a n d e s c o r r e la c io n e s erro res, pero a r b itr a r ia s , p o r l o com o que es e x is te n r e g la s e s p e c ia le s p a r a d e s c o n ta r la s o b s e r v a c io n e s e r r ó n e a s , c o m o p o r e je m p lo la “t de S tu dent ” , l a q u e p l a n t e a q u e s i t caic > o b s e r v a c ió n , e n la q u e P a ra la t^ k = ^ d e te r m in a c ió n t tab, e n t o n c e s se d e s p r e c ia la o y ^. d e l m o d e lo debem os d e te r m in a r c u á l e s v a lo r p a r a c a d a u n o d e lo s c o e f ic ie n t e s , d e a c u e r d o a lo s r e s u lta d o s q u e s e o b tie n e n . N o s o l o b a s t a c o n d e te r m in a r e s t o s c o e f ic ie n t e s , a d e m á s d e b e m o s c o m p r o b a r c u á le s de e llo s tie n e n in flu e n c ia e s ta d ís tic a sob re el fen ó m en o y debem os v e r ific a r q u e ta n a c e r ta d o e s e l m o d e lo s e le c c io n a d o . DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 4.4.- D ISE Ñ O E X PE R IM E N T A L P A R A M Á Q U IN A R O T A T O R IA . La prueba experimental consistió en comprobar el desempeño del equipo al evaluar la resistencia al desgaste adhesivo en las probetas en contacto. Esto se realizó en el laboratorio de Tribología de la Facultad de Ingeniería M ecánica Eléctrica de la U.V.; considerando una presión atmosférica de 1.012 [bar] y una temperatura aproximada de 25 [°C]. A l tener listas las probetas para llevar a cabo las pruebas, se colocaron en el porta - probetas, de acuerdo con la matriz de experimentos. En ese mismo momento se encendió el variador de frecuencia y con ello el motor eléctrico. Se le aplicó la carga durante 30 minutos a cada una de las corridas experimentales. Las muestras se retiraron de los porta - probetas una vez trascurrida la prueba y posteriormente se pesaron en una balanza analítica para determinar la pérdida de material. Para obtener la cantidad de volumen perdido para cada probeta se recurrió a la siguiente fórmula: p = m ^ V E c. 4.32. Donde: p = densidad del material (gr/cm3) m = masa perdida del elemento (gr). V = volum en del material (cm3) Por lo tanto, para determinar el volumen de material perdido: V= m p E c. 4.33. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Nota: Sabiendo que la densidad del acero AISI 1045 es de 7870 gr/mm3. Entonces la pérdida de material en mm 3 obtenida por medio del método gravímetro quedaría com o lo muestra la tabla 4.5. T abla 4.5.- D eterm inación de la p érd ida de m aterial de las probetas. Corrida Lubricación. Carga Velocidad (rpm) Pérdida de M aterial (mmA3) (grs) Fija. Movil. 1 F1-M1 LUBRICADO 1000 1100 1.7662E-06 1.39771E-06 2 F2-M2 LUBRICADO 3500 1100 1.27065E-06 6.98856E.07 3 F3-M3 SIN LUB. 1000 600 3.12578E-06 2.99873E-6 4 F4-M4 SIN LUB. 1000 1100 8.64041E-06 1.07751E-05 5 F5-M5 LUBRICADO. 3500 600 1.77891E-07 3.55781E-07 6 F6 -M6 LUBRICADO. 1000 600 1.14358E-07 3.17662E-07 7 F7-M7 SIN LUB. 3500 1100 1.86785E-06 3.63405E-06 8 F8 -M8 SIN LUB. 3500 600 2.52859E-06 4.59975E-06 9 F1-M1 LUBRICADO. 1000 1100 1.75349E-06 1.49936E-06 10 F2-M2 LUBRICADO. 3500 1100 3.93901E-07 1.04193E-06 11 F3-M3 SIN LUB. 1000 600 6.75985E-06 5.27319E-06 12 F4-M4 SIN LUB. 1000 1100 9.64422E-06 8.36086E-06 13 F5-M5 LUBRICADO. 3500 600 1.13088E-06 1.9695E-06 14 F6 -M6 LUBRICADO. 1000 600 9.91105E-07 4.3202E-07 15 F7-M7 SIN LUB. 3500 1100 1.99492E-06 2.41423E-06 16 F8-M8 SIN LUB. 3500 600 1.90597E-06 8.48793E-06 17 F1-M1 LUBRICADO. 1000 1100 1.74079E-06 1.63914E-06 18 F2-M2 LUBRICADO. 3500 1100 1.39771E-07 5.20966E-07 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 123 19 F3-M3 SIN LUB. 1000 600 6.11182E-06 5.78145E-06 20 F4-M4 SIN LUB. 1000 1100 2.66836E-07 2.41423E-07 21 F5-M5 LUBRICADO. 3500 600 2.28717E-07 3.04956E-07 22 F6 -M6 LUBRICADO. 1000 600 2.03304E-07 4.3202E-07 23 F7-M7 SIN LUB. 3500 1100 2.65565E-06 2.60483E-06 24 F8-M8 SIN LUB. 3500 600 4.85388E-06 4.07878E-06 4.5.- P R O C E SA M IE N T O DE L O S R E SU L T A D O S Una vez que se han realizado todas las pruebas y se registraron los valores obtenidos de pérdida de material, se procede a iniciar los cálculos respectivos. Todos los cálculos se realizaron por medio de un software llamado STATGRAPHICS Centurión X V ® versión 15.2.14. el cual es un programa para gestionar y analizar valores estadísticos. Se eligió este programa por principalmente por sus capacidades para la representación gráfica de todo tipo de estadísticas y el desarrollo de experimentos, previsiones y simulaciones en función del comportamiento de los valores. 4.5.1.-D ISE Ñ O FA C T O R IA L Por definición un diseño factorial es un experimento que incluye corridas con todas las combinaciones de los niveles de los factores, tomando cada corrida experimental un nivel de cada factor. Los diseños factoriales con los niveles de sus factores igualmente espaciados (para las variables cuantitativas) son por construcción ortogonales. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. D iseños factoriales a dos niveles En este tipo de diseño las variables o factores se analizan solamente a dos niveles. Este diseño es empleado especialmente en los de Cribado, es decir cuando existen varias variables y se requiere conocer cuáles son significativas para la propiedad estudiada o de interés. El número de corridas experimentales posible en estos casos es 2k, donde k significa el número de factores o variables independientes y el número 2 se refiere a los niveles que asume cada variable. El asumir solo dos niveles es recomendable en los diseños de tipo de tamizado, pues generalmente el número de variable es elevado y así se trabaja con el menor número de experimentos posible. N ótese que si para dos variables el número de experimentos es 4, pues para tres variables es 8 y para cuatro variables es 16. El espaciado entre los niveles asumidos no debe ser tan pequeño com o se observa en la figura 4.5, para a y b, pues la variación de la variable de respuesta Y, puede no apreciarse y quedar en el orden de las variaciones aleatorias, de este modo se puede asumir la conclusión de que la variable no es significativa. Pero tampoco debe ser tan espaciado com o para a y d, pues pudieran estar a los lados de un máximo y no reflejarse este en el diseño. a b c x Fig. 4.5.- E spaciado de las variables en un diseño factorial a dos niveles. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. E l e s p a c ia d o d e s e a d o d e b e s e r e l r e f le ja d o e n tr e a y c , c la r o q u e e n u n e x p e r im e n to s e para e llo e s tu d io , se a d e s c o n o c e c u á l d e b e s e r e l e s p a c ia d o a d a r e n tr e lo s n iv e le s , recurre al c o n o c im ie n to razon es te ó r ic a s e m p le o de que se p r e v io pu ed a que se d is p o n e r te n g a o del s is te m a s im p le m e n te b a jo al fa c to r su erte. El la s in te r a c c io n e s e n tr e la s v a r ia b le s in d e p e n d ie n te s o fa c to r e s r e s u lt a e n m u c h o s c a s o s d e m a y o r in t e r é s q u e e l e f e c t o in d e p e n d ie n t e d e la s v a r ia b le s e n s í s o b r e la p r o p ie d a d e s tu d ia d a (y ). E l m o d e lo d e p r im e r o r d e n q u e g e n e r a lm e n t e s e a s u m e p a r a e x p r e s a r el e fe cto de la s v a r ia b le s in d e p e n d ie n te s sob e la p r o p ie d a d e s tu d ia d a es el s ig u ie n te : Y E c. 4.34. = b 0 + b i X i + b 2x 2 + b 3x 3 + b 3x xx 2 + b 4x xx 5 + b 5x 2x 3 L a T a b la 4 .7 m u e s tr a la s v a r ia b le s in d e p e n d ie n te s a sí c o m o ta m b ié n lo s n iv e le s m ín im o y m á x im o q u e s e u s a r o n e n la s p r u e b a s . V ariable N ivel 1 N ivel 2 200 400 500 2000 Independiente V e lo c i d a d d e G ir o (R P M ) C a r g a (g r ) T abla 4.7.- N iveles asum idos para las variables independientes El p roceso que se lle v ó a cabo para la u tiliz a c ió n del so ftw a r e S ta tg r a p h ic s f u e e l s ig u ie n te : A l e n tr a r e n e l S t a tG r a p h ic s , s e s e le c c io n a e n la o p c ió n d e d is e ñ a r u n n u e v o e x p e r im e n t o e n la p r im e r a v e n t a n a q u e a p a r e c e y s e p u ls a a c e p ta r . DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 126 Luego se escoge en la segunda ventana (D efinición de Estudios) la opción de diseñar un nuevo experimento y se pulsa aceptar. StatWizard - Definición de Estudios Puede diseñar diferentes tipos de estudios estadísticos. Seleccione el tipo de estudio que desea crear: f Determinar un Tamaño de Muestra Adecuado para Caracterizar una Población... C Determinar un Tamaño de M uestra Adecuado para Comparar Dos o Más Poblaciones... (• [Diseñar un Experimento...! Seleccionar un Diseño Experimental de Cribado... C Organizar un Estudio RScR de Calibrador... f Diseñar una Gráfico de Control... C Desarrollar un Plan de Muestreo de Aceptación para Variables. .. C" Desarrollar un Plan de Muestreo de Aceptación para Atributos... En la próxima ventana se selecciona la opción Cribado que se emplea cuando existen múltiples variables y se quiere seleccionar aquellas que son DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. significativas para la propiedad estudiada. En este caso son dos variables independientes o factores y una variable de respuesta o dependiente. c p c io n e s d e C r e a c ió n d e D is e ñ o s Liase de Diseño |De Cribadci C Superficie de Respuesta C Mezcla f " Factorial Multinivel H | Aceptar | Cancelar | Ayuda | (* C Arreglos Interno/Externo f " Un Solo Factor Categórico C Multi-Factor Categóricos i Componentes de Varianza (jerárquicos) No. de Variables de Respuesta: b No. de Factores Experimentales: |3 Comentario: L En la próxima ventana se va nombrando a los factores y se colocan los niveles superior e inferior, así com o la unidad de medida del factor. Después se identifica la variable de respuesta o Y u la unidad de medida DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. En la próxima ventana se escoge que es un tipo de diseño Cribado, factorial 2 2 y además el número de corridas experimentales, en este caso 4. En la ventana siguiente se pueden elegir si el diseño tiene punto central o centroide, el número de réplicas adicionales a los 4 experimentos y el ordenamiento en que aparecen los experimentos. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Al aceptar las condiciones que se escogen en la ventana anterior, aparece un resumen de los datos de los experimentos a llevar a cabo y los factores en cada corrida en la tabla siguiente. Para hacer el análisis del diseño se selecciona la ventana Mejorar, dentro de él la opción Analizar D iseños de Experimentos y dentro de esta la opción Analizar D iseñ o ... DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. A l aparecer la siguiente ventana se introduce en Datos la variable de respuesta a analizar, en este caso hay una sola Pérdida de Material. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 131 Al dar clic en el icono que aparece señalado con una flecha se despliega una ventana donde se escogen las opciones de análisis. En el icono que le sigue al hacer clic sobre él aparecen las opciones de gráfico siguientes. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 132 4.6.- R E SU L T A D O S. A nalizar E xperim ento - P erdid a de m aterial A tributos del D iseño de C ribado Clase de diseño: D e Cribado Nombre del Diseño: Factorial 2A3 Nombre del archivo: <Sin Título> Comentario: diseño de pruebas de tribómetro rotatorio D iseño B ase Número de factores experimentales: 3 Número de bloques: 3 Número de respuestas: 1 Número de corridas: 24 Grados de libertad para el error: 16 Aleatorizar: Sí F actores B ajo Alto Unidades 1 ,0 LUBRICAC 0 IÓN VELOCIDA 600 1 1 0 D 0 CARGA 480 840 0 R espuestas DESGASTE VOL 0=SIN LUB;1=LUB. RPM grs Contin uo No No No 0 U nidad es mmA3 El S tatA dvisor H a creado un diseño Factorial el cual estudiará los efectos de 3 factores en 24 corridas. El diseño deberá ser corrido en 3 bloques. El orden DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 133 de los experimentos ha sido completamente aleatorizado. protección contra el efecto de variables ocultas. Esto aportará NOTA: Si utilizó Aumentar D iseño para agregar una fracción a un diseño factorial fraccionado, deberá verificar el Patrón Alias usando las Opciones Tabulares. Si existe una confusión inusual, el número de grados de libertad para estimar el error experimental puede ser más grande de lo que se muestra en el resumen. A nalizar E xperim ento - D E SG A ST E V O L Nombre del archivo: <Sin Título> Comentario: diseño de pruebas de tribómetro rotatorio E fectos estim ados para D E SG A ST E V O L (m m A3) Efecto promedio A:LUBRICA CIÓN B:VELOCID AD C:CARGA AB AC BC bloque bloque Estim ado 5,56989 -7,72935 E rror Estd. 0,49383 0,98766 V.I.F. 4,15036 0,98766 1 ,0 -3,19102 -1,88098 2,70479 -4,07709 -0,318932 0,216646 0,98766 0,98766 0,98766 0,98766 1,39676 1,39676 1 ,0 1 ,0 1 ,0 1 ,0 1 ,0 1,33333 1,33333 Errores estándar basados en el error total con 15 g.l. El S tatA dvisor Esta tabla muestra las estimaciones para cada uno de los efectos estimados y las interacciones. También se muestra el error estándar de cada DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 134 uno de estos efectos, el cual mide su error de muestreo. N ote también que el factor de inflación de varianza (V.I.F.) más grande, es igual a 1,33333. Para un diseño perfectamente ortogonal, todos los factores serían igual a 1 . Factores de 10 o más normalmente se interpretan com o indicativos de confusión seria entre los efectos. Para graficar los estimados en orden decreciente de importancia, seleccione Diagrama de Pareto de la lista de Opciones Gráficas. Para probar la significancia estadística de los efectos, seleccione Tabla A N O V A de la lista de Opciones Tabulares. Puede retirar efectos significativos pulsando el botón secundario del ratón, seleccionando Opciones de Análisis, y pulsando el botón de Excluir. A nálisis de V arian za de tribóm etro rotatorio Fuente Suma de Cuadrados A:LUBRICAC 358,457 IÓN B:VELOCIDA 103,353 D C:CARGA 61,0957 AB 21,2286 43,8952 AC 99,7358 BC 0,318231 bloques Error total 87,7924 Total (corr.) 775,876 para D E SG A ST E V O L - diseño de pruebas Gl Cuadrado M edio 1 358,457 1 103,353 61,0957 21,2286 1 43,8952 1 99,7358 2 0,159116 15 5,85283 23 1 1 Razón-F Valor-P 61,25 0 ,0 0 0 0 17,66 0,0008 10,44 3,63 7,50 17,04 0,03 0,0056 0,0762 0,0152 0,0009 0,9732 R-cuadrada = 88,6847 porciento R-cuadrada (ajustada por g.l.) = 84,6911 porciento Error estándar del est. = 2,41926 Error absoluto medio = 1,85599 Estadístico Durbin-Watson = 2,81917 (P=0,9232) Autocorrelación residual de Lag 1 = -0,447288 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 135 La tabla A N O V A particiona la variabilidad de DESGASTE VOL en piezas separadas para cada uno de los efectos. entonces prueba la significancia estadística de cada efecto comparando su cuadrado medio contra un estimado del error experimental. En este caso, 5 efectos tienen una valor-P menor que 0,05, indicando que son significativamente diferentes de cero con un nivel de confianza del 95,0%. El estadístico R-Cuadrada indica que el modelo, así ajustado, explica 88,6847% de la variabilidad en DESGASTE VOL. El estadístico R-cuadrada ajustada, que es más adecuado para comparar m odelos con diferente número de variables independientes, es 84,6911%. El error estándar del estimado muestra que la desviación estándar de los residuos es 2,41926. El error medio absoluto (M AE) de 1,85599 es el valor promedio de los residuos. El estadístico de Durbin-Watson (DW ) prueba los residuos para determinar si haya alguna correlación significativa basada en el orden en que se presentan los datos en el archivo. Puesto que el valor-P es mayor que 5,0%, no hay indicación de autocorrelación serial en los residuos con un nivel de significancia del 5,0%. C oef. de regresión para D E SG A ST E V O L - diseño de pruebas de tribóm etro rotatorio Coeficiente Estim ado 5,56989 constante A: LUBRICACION -3,86468 B:VELOCIDAD 2,07518 C:CARGA -1,59551 AB -0,940491 1,35239 AC -2,03854 BC DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 136 Esta ventana despliega la ecuación de regresión que se ha ajustado a los datos. La ecuación del m odelo ajustado es DESGASTE VOL = 5,56989 - 3,86468*LUBRICACIÓ N +2,07518*V ELÜ C ID A D - 1,59551*CARG A 0,940491*LUBRICACIÓ N*VELÜCIDAD + 1,35239*LUBRICACIÓ N*CARGA - 2,03854*VELO CIDA D*CARG A En donde los valores de las variables se encuentran especificados en sus unidades originales , excepto para los factores categóricos que toman valores de -1 para el nivel bajo y +1 para el nivel alto. Para hacer que STATGRAPHICS evalúe esta función, seleccione Predicciones de la lista de Opciones Tabulares. Para graficar la función, seleccione Gráficas de Respuesta de la lista de Opciones Gráficas. R esultados E stim ados para D E SG A ST E V O L O bservad Ajustados Inferior 95,0% Superior 95,0% Fila Valores Valores p ara M edia p ara M edia 1 0,520966 2,41709 -0,740637 5,57482 2 2,47776 0,609381 -2,54835 3,76711 3 6,12452 7,37939 4,22167 10,5371 4 19,4155 17,4878 14,3301 20,6455 5 7,12834 5,56067 2,40295 8,7184 6 3,16391 5,1727 2,01498 8,33043 7 5,5019 7,51493 4,3572 10,6727 8 0,635324 -1,17376 -4,33149 1,98396 9 0,500635 2,20648 -0,951246 5,36421 10 2,42694 0,398772 -2,75895 3,5565 11 3,65947 7,16878 4,01106 10,3265 12 19,5299 17,2772 14,1195 20,4349 13 7,47141 5,35006 2,19234 8,50779 14 3,25286 4,96209 1,80437 8,11982 15 5,80686 7,30432 4,14659 10,462 16 0,635324 -1,38437 -4,5421 1,77336 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 17 18 19 20 21 22 23 24 0,508259 2,33799 6,63278 18,9327 7,49682 3,37992 5,51461 0,622618 2,47427 0,666561 7,43657 17,545 5,61785 5,22988 7,57211 -1,11658 -0,683457 -2,49117 4,27885 14,3873 2,46013 2,07216 4,41438 -4,27431 5,632 3,82429 10,5943 20,7027 8,77558 8,38761 10,7298 2,04114 Esta tabla contiene información acerca de los valores de DESGASTE VOL generados usando el m odelo ajustado. La tabla incluye: (1) los valores observados de DESGASTE VOL (si alguno) (2) el valor predicho de DESGASTE VOL usando el modelo ajustado (3) intervalos de confianza del 95,0% para la respuesta media Cada item corresponde a los valores de los factores experimentales en una fila especifica de su archivo de datos. Para generar pronósticos para las combinaciones adiciones de los factores, agregue filas al final su archivo de datos. En cada nueva fila, introduzca valores para los factores experimentales pero deje vacía la celda para la respuesta. Cuando regrese a esta ventana, se habrán agregado pronósticos a la tabla para las nuevas filas pero el m odelo no se verá afectado. O ptim izar R esp u esta Meta: maximizar DESGASTE VOL Valor óptimo = 17,4367 F actor LUBRICACION VELOCIDAD CARGA B ajo Alto Óptimo - 1,0 1,0 -1 ,0 - 1,0 1,0 1 ,0 - 1,0 1,0 -1 ,0 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Esta tabla muestra la combinación de los niveles de los factores, la cual m aximiza DESGASTE VOL sobre la región indicada. U se el cuadro de diálogo de Opciones de Ventana para indicar la región sobre la cual se llevará a cabo la optimización. Puede establecer el valor de uno o más factores a una constante, estableciendo los límites alto y bajo en ese valor. O ptim ización de M últiples R espuestas Nombre del archivo: <Sin Título> Diagram a de Pareto Estandarizada para D E S G A S T E V O L A :L U B R IC A C IÓ N □ + □ - B :V E L O C ID A D BC C :C A R G A AC AB 0 2 4 6 8 E fe c to estandarizado G ráfica de Efectos Principales para D ESG ASTE VO L LUBRICACIÓN VELOC ID AD CARGA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Comentario: diseño de pruebas de tribómetro rotatorio Datos/Variables: DESGASTE VOL (mmA3) M ínim o M áxim o O bserva O bserva do do DESGASTE 0,50063 19,5299 VOL 5 R espuesta R espuesta DESGASTE VOL D eseabili D eseabili dad dad Baja Alta M eta 19,0 0 ,0 Fila DESGASTE VOL 1 0,520966 2 2,47776 3 6,12452 4 19,4155 5 7,12834 6 3,16391 7 5,5019 8 0,635324 9 0,500635 1 0 2,42694 1 1 3,65947 1 2 19,5299 13 7,47141 P esos Pesos Prim e Segun Im pact ro do o Maximi 1 , 0 3,0 zar D eseabilidad D eseabilidad P revista O bservada 0,127215 0,0320727 0,388389 0,920412 0,292667 0,272247 0,395523 0 ,0 0,116131 0,020988 0,377304 0,909327 0,281582 0,0274192 0,130409 0,322343 1,0 0,375176 0,166522 0,289574 0,0334381 0,0263492 0,127734 0,192603 1,0 0,393232 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 14 15 16 17 18 19 3,25286 5,80686 0,635324 0,508259 2,33799 6,63278 2 0 18,9327 2 1 7,49682 2 2 3,37992 23 5,51461 24 0,622618 0,261163 0,384438 0 ,0 0,130225 0,0350821 0,391399 0,923421 0,295676 0,275257 0,398532 0 ,0 0,171203 0,305624 0,0334381 0,0267505 0,123052 0,349094 0,996456 0,39457 0,177891 0,290243 0,0327693 Este procedimiento ayuda a determinar la combinación de los factores experimentales que simultáneamente optimiza varias respuestas. Los hace maximizando la función de ‘deseabilidad’. Usted puede establecer varias características de la función de ‘deseabilidad’ a través del cuadro de diálogo de Opciones de Análisis. Las metas de cada una de las respuestas actualmente están establecidas como: DESGASTE VOL - maximizar La salida muestra la función de ‘deseabiliad’ evaluada en cada punto del diseño. Entre los puntos de diseño, la ‘deseabilidad’ máxima se alcanza en la corrida 20. Para encontrar la combinación de factores que alcanza la ‘deseabilidad’ global óptima, seleccione Optimización del cuadro de diálogo de Opciones Tabulares. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. S uperficie de Respuesta Estim ada C A R G A = -1 ,0 L U B R IC A C IÓ N G ráfico M ulti-V ari Variable dependiente: DESGASTE VOL (mmA3) Factores: A=LUBRICACIÓN (0=SIN LUB;1=LUB.) B=VELOCIDAD (RPM) C=CARGA (grs) Hay 24 casos com pletos en la gráfica. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Esta gráfica muestra el promedio de DESGASTE VOL en diferentes combinaciones de los 3 factores. Puede usarse para ayudar a visualizar la contribución de cada factor a la variabilidad total. Gráfica M ulti-Vari para DESGASTE VOL VELO CIDAD=1100;600 CARGA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. C o n to rn o s de la S u p e rfic ie de R e s p u e s ta E s tim a d a C A R G A = -1 ,0 DESGASTE — 2,0 — 0,0 — 2,0 Q < Q O O — 4,0 — 6,0 — 8,0 — 1 0,0 — 1 2,0 — 1 4,0 — 1 6,0 — 1 8,0 — 2 0 ,0 G r á f ic a d e R e s id u o s para D E S G A S T E V O L p re d ic h o s DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. G rá fic a de In te ra cció n para D ESG ASTE VO L G rá fic o de P robabilidad N orm al para D E S G A S T E VO L E fe c to s estandarizados DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. 4.7.- A N Á L ISIS DE L O S R E SU SL T A D O S. En las siguientes tablas se muestra el desgaste obtenido durante la prueba realizada a las probetas, así com o sus respectivas par de réplicas. Cave mencionar que el valor del coeficiente de variación tabulado para un 95% de confianza, un 5% de error de norma y un total de 3 muestras por ensayo es de 4%. T A B L A D E P R U E B A S 1. CORRIDA PERDIDA DE MATERIAL (mmA3) 1 3.1639 9 3.2528 17 3.3799 PR O M E D IO . 3.265565 D E SV . STD. 0.1085 CO EF. DE V A R IA C . 3.3245 T A B L A D E P R U E B A S 2. CORRIDA PERDIDA DE MATERIAL (mmA3) 2 2.4777 10 2.4269 18 2.3379 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Com entario [A A R P 1 1 1 ]: PRUEBAS REALIZADASCONLUBRICACIÓNA UNAVELOCIDADDE1100RPMY CONUNACARGADE4800grs. Com entario [A A R P 1 1 2 ]: PRUEBAS REALIZADASCONLUBRICACIÓNA UNAVELOCIDADDE1100RPMY CONUNACARGADE8400grs. PR O M E D IO . 2.4142 D E SV . STD. 0.0707 CO EF. DE V A R IA C . 2.9304 T A B L A D E P R U E B A S 3. CORRIDA PERDIDA DE MATERIAL (mmA3) 3 6.1245 11 6.3659 19 6.6327 PR O M E D IO . 6.3744 D E SV . STD. .2542 CO EF. DE V A R IA C . 3.9883 T A B L A D E P R U E B A S 4. CORRIDA PERDIDA DE MATERIAL (mmA3) 4 19.4155 12 19.5298 20 18.9326 PR O M E D IO . 19.2926 D E SV . STD. 0.3169 CO EF. DE V A R IA C . 3.9883 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Com entario [A A R P 1 1 3 ]: PRUEBAS REALIZADAS SINLUBRICACIÓNA UNAVELOCIDADDE600RPMYCON UNACARGADE4800grs. Com entario [A A R P 1 1 4 ]: PRUEBAS REALIZADAS SINLUBRICACIÓNA UNAVELOCIDADDE1100RPMY CONUNACARGADE4800grs. T A B L A D E P R U E B A S 5. CORRIDA PERDIDA DE MATERIAL (mmA3) 5 0.5209 13 0.5006 21 0.5082 PR O M E D IO . 0.5099 D E SV . STD. 0 .0 1 0 2 CO EF. DE V A R IA C . 2.0140 TABLA DE PRUEBAS 6 . CORRIDA PERDIDA DE MATERIAL (mmA3) 6 0.6353 14 0.6353 22 0.6226 PR O M E D IO . 0.6310 D E SV . STD. 0.0073 CO EF. DE V A R IA C . 1.1624 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. | CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO. Com entario [A A R P 1 1 5 ]: PRUEBAS REALIZADASCONLUBRICACIÓNA UNAVELOCIDADDE1100RPMY CONUNACARGADE8400grs. Com entario [A A R P 1 1 6 ]: PRUEBAS REALIZADASCONLUBRICACIÓNA UNAVELOCIDADDE600RPMYCON UNACARGADE4800grs. T A B L A D E P R U E B A S 7. CORRIDA PERDIDA DE MATERIAL (mmA3) 7 5.5019 15 5.8068 23 5.5146 PR O M E D IO . 5.6077 D E SV . STD. 0.1725 CO EF. DE V A R IA C . 3.0763 TABLA DE PRUEBAS 8 . CORRIDA PERDIDA DE MATERIAL (mmA3) 8 7.1283 16 7.4714 24 7.4968 PR O M E D IO . 7.3655 D E SV . STD. 0.2058 CO EF. DE V A R IA C . 2.7941 D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | 149 Com entario [A A R P 1 1 7 ]: PRUEBAS REALIZADAS SINLUBRICACIÓNA UNAVELOCIDADDE1100RPMY CONUNACARGADE8400grs. Com entario [A A R P 1 1 8 ]: PRUEBAS REALIZADAS SINLUBRICACIÓNA UNAVELOCIDADDE600RPMYCON UNACARGADE8400grs. C O N C L U C IO N E S. E l d e s g a s t e e s im p o r t a n te p a r a e l d is e ñ o d e e le m e n t o s d e m á q u in a s . E l c o n o c im ie n to d e lo s d ife r e n te s tip o s de d e s g a s te , p e r m ite d is e ñ a r a d e c u a d a m e n te la s p a r te s q u e e sta r á n e n c o n t a c t o a f in d e c o n tr o la r e l d e s g a s t e m e d ia n te m o d if ic a c io n e s a l m o v im ie n to , c a r g a s d e im p a c to o a p lic a c ió n d e lo s p r in c ip io s d e c o n v e r s ió n y d iv e r s ific a c ió n . L a s in v e s tig a c io n e s d e sg a ste m od erado y del fu tu r a s d e sg a ste deben c o n c e n tr a r se e n e l m e c a n is m o en arran que para el in ic ia l del p r o p o r c io n a r in f o r m a c ió n a lo s in g e n ie r o s d e d is e ñ o . U na de la s c o n c lu s io n e s p r im o r d ia le s es e l tie m p o de c o n s tr u c c ió n , t o m a n d o e n c u e n ta q u e d e s d e q u e s e r e t o m ó e l p r o y e c t o tr a n s c u r r ió u n a ñ o , s in em bargo ob servan d o e l tie m p o r e a l in v e r tid o en e l tr ib ó m e tr o e s u n tie m p o a c e p ta b le . U n o d e lo s o b j e t iv o s c o n s e g u id o s e s q u e e s t a in v e s t ig a c ió n c o n tr ib u ir á con in f o r m a c ió n que s e r v ir á p a r a p o s te r io r e s in v e s tig a c io n e s en tr ib o lo g ía , c o m o p o r e je m p lo lo s tip o s d e d e s g a s te , la in f o r m a c ió n s o b r e o tr o s p r o y e c t o s que se han r e a liz a d o , lo s tip o s de a n á lis is que se u tiliz a n y lo s tip o s e le c t r ó n ic o s q u e s e h a n im p la n ta d o q u e s o n h a s ta c ie r t o p u n to in n o v a d o r e s . C o m o se p u ed e corroborar e n la r e a liz a c ió n d e e s ta t e s is , s e d is e ñ ó y c o n s t r u y ó u n a m á q u in a q u e fu e r a d e g r a n u t ilid a d , e n la c u a l s e p u d ie r a r e c r e a r s itu a c io n e s o a c o n te c im ie n to s en té r m in o s de d e sg a ste o c u r r id o s en a p lic a c io n e s p r á c tic a s ; e s p o r e llo q u e , e n la s p r u e b a s q u e s e r e a liz a r o n e n e s t e tr a b a jo se to m o com o r e fe r e n c ia el d e sg a ste que se p resen ta en b a le r o s y c h u m a c e r a s d e m o to r e s d ie s e l. E n c o la b o r a c ió n c o n M I C R O N A d e la fa c u lta d d e in g e n ie r ía m e c á n ic a e lé c tr ic a c a m p u s V e r a c r u z , m a n ife s ta r o n s u in te r é s e n e l p r o to tip o p a r a la r e a liz a c ió n d e p r u e b a s a u n n u e v o tip o a n tid e s g a s te (N I T R U R O D E T IT A N IO ) e l cu a l se le d e r e c u b r im ie n to a p lic a r á a p r o b e ta s de a c e r o A I S I 1 0 4 5 y s e p r o b a r á c o n y s in lu b r ic a c ió n . U na r e a liz a r lo s . vez Lo se n ta d a s cual la s ta m b ié n b ases en un para lo s p r in c ip io e x p e r im e n to s nos s ir v ió se para p r o c e d ió c a lib r a r m á q u in a y p o n e r la a p u n to . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | 150 a la A N E X O S. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. P L A N IF IC A C IÓ N Y D ISE Ñ O DE E X P E R IM E N T O S Y P R Á C T IC A S D E L A B O R A T O R IO . L o q u e s e p r e te n d e c o n e s t e p r o y e c t o e s c r e a r u n la b o r a to r io d e in v e s t ig a c ió n en T r ib o lo g ía , adem ás de a p o r ta r a la F a c u lta d de I n g e n ie r ía M e c á n ic a E lé c t r ic a c a m p u s X a la p a u n p r o to t ip o p o r m e d io d e l c u a l lo s a lu m n o s p u e d a n d e s a r r o lla r m e jo r p la n ific a d o una su s s e r ie c o n o c im ie n to s de p r á c tic a s de p u e d e c o n o c e r ta n to la m á q u in a c o m o sob re m a t e r ia s la b o r a to r io con r e la c io n a d a s ; se la s a lu m n o s u fu n c io n a m ie n to y c u a le s el o p e r a c ió n . han C abe a c la r a r q u e la s s i g u i e n t e s s o n s o l o u n a s p r o p u e s t a s y p u e d e n s e r m e j o r a d a s o e n s u d e f e c t o , e lim in a d a s . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 152 U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A ZO NA XALAPA L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA . R E S P O N S A B L E : IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z . N O M B R E :_ M A TE R IA : D ÍA :______ M A T R IC U L A :________ G RUPO : N ° D E EQ UIPO : FECH A: HORA: P R A C T IC A N O . 1 N O M B R E D E L A PR Á C T IC A : SE G U R ID A D A N T E T O D O . O B JE T IV O . Q ue el a lu m n o conozca la s m e d id a s b á s ic a s de s e g u r id a d en un ta lle r o la b o r a t o r io d o n d e e x is t e m a q u in a r ia . IN T R O D U C C IÓ N . L a s m á q u in a s s o n m u y p e lig r o s a s si n o se u san con c u id a d o . U n e s tu d ia n te q u e e s t é a p r e n d ie n d o a u s a r m á q u in a y h e r r a m ie n ta , d e b e a p r e n d e r p r im e r o la s r e g la s d e s e g u r id a d p a r a c a d a h e r r a m ie n ta ó m á q u in a . L a m a y o r p a r te d e lo s a c c id e n te s en la s in d u s tr ia s son cau sad os por d e s c u id o en lo s h á b ito s de tr a b a jo o p o r j u e g o d u r a n te e l m is m o . E s m á s f á c il y m e j o r d e s a r r o lla r h á b it o s d e tr a b a jo s e g u r o s q u e s u fr ir la s c o n s e c u e n c ia s d e u n a c c id e n t e . C A U SA S D E L O S A C C ID E N T E S. Los a c c id e n te s n o su ced en p o r si s o lo s ; son p rovocad os. S ie m p r e pod em os r a str e a r la c a u s a d e u n a c c id e n te h a s ta e n c o n tr a r q u e h u b o a lg ú n d e s c u id o . L a s p r in c ip a le s c a u s a s d e a c c id e n t e s e n u n t a lle r o la b o r a to r io s o n : • P o c o c u id a d o d e l ta lle r . • U s o d e h e r r a m ie n ta s n o a p r o p ia d a s . • M o n t a j e in a d e c u a d o . • M a n e j o d e s c u id a d o d e h e r r a m ie n ta s . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 153 Los a c c id e n te s tr a b a ja r e n m ás p u ed en ser e l ta lle r d e b e im p o r ta n te e v ita d o s y el e s tu d ia n te d e s a r r o lla r h á b it o s aprender a tr a b a ja r de con que está s e g u r id a d . s e g u r id a d a p r e n d ie n d o P o s ib le m e n te que a sea aprender el f u n c io n a m ie n t o d e la s m á q u in a s . P R E C A U C IO N E S DE SEG U R ID A D . P a r a te n e r u n ta lle r lib r e d e a c c id e n t e s d e b e n s e r c u id a d o s a m e n t e e s t u d ia d a s y o b s e r v a d a s la s s ig u ie n t e s p r e c a u c io n e s : B uen cuidado del taller. El bu en c u id a d o del ta lle r es e s e n c ia l para la s c o n d ic io n e s s e g u r a s d e tr a b a jo . E l b u e n c u id a d o n o c o n s is t e s o lo e n lim p ie z a , s in o cada e n lim p ie z a y co sa y orden; en cada co sa c o n s e r v a r s e lim p ia s y en c u ltiv a r e l h á b ito d e l a s e o ; te n e r u n lu g a r p a r a su lu g a r . T odas la s áreas de tr a b a jo deben lib r e s d e e s to r b o a to d a s h o r a s . L a g r a sa , e l a c e ite , la s h e r r a m ie n ta s , lo s o b j e t o s s u e lt o s y o tr o s m a t e r ia le s tir a d o s d o n d e q u ie r a s o n la c a u s a p r in c ip a l d e lo s a c c id e n te s q u e s u c e d e n e n u n ta lle r m e c á n ic o . 1. N u n c a u s e r o p a s s u e lta s c e r c a d e la s m á q u in a s . 2. N o u s e r e lo je s , a n illo s , e tc . Q u e p u e d a n s e r c o g id o s p o r a lg ú n e le m e n t o 3. N o d e la m á q u in a . tr a te de m e c a n is m o , y u sar la m á q u in a asegú rese de s in a n tes e n te n d e r que sab e com o a n tes de m e d ir , p e r fe c ta m e n te su p a r a la m á q u in a a n te s de a r r a n c a r la . 4. P ara s ie m p r e la m á q u in a lim p ia r , a c e ita r o hacer c u a lq u ie r a ju ste . 5. N unca opere a lg u n a m á q u in a a m enos q u e to d o s lo s a d ita m e n to s de s e g u r i d a d e s t é n e n s u lu g a r . 6. N o tr a te d e p a r a l a m á q u in a c o n la s m a n o s . 7. N o u s e tr a p o s c e r c a d e p a r te s m ó v ile s . 8. E v it e la s b r o m a s y j u e g o s . 9. N u n c a t e n g a a m á s d e u n a p e r s o n a a la v e z o p e r a n d o la m is m a m á q u in a . 1 0 .U s e s ie m p r e le n t e s d e s e g u r id a d . 1 1 .B u s q u e lo s p r im e r o s a u x ilio s in m e d ia ta m e n t e p a r a c u a lq u ie r h e r id a s in im p o r ta r q u e ta n p e q u e ñ a s e a . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 154 U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A ZO NA XALAPA L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA . R E SPO N SA B L E : IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z . N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______ M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO : D ÍA :___________ H O R A :_____________ FE C H A :______________ P R A C T IC A N O . 2 N O M B R E D E L A PR Á C T IC A : C A R A C T E R ÍST IC A S DE L A M Á Q U IN A D E F R IC C IÓ N FR O N T A L . O B JE T IV O . Q u e e l a lu m n o c o n o z c a la s p r in c ip a le s c a r a c te r ís tic a s d e la m á q u in a p a r a c o n e llo e n u n fu tu r o p u e d a o p e r a r la y tr a b a ja r c o n e lla . D E SA R R O L L O . P a r a e l d e s a r r o llo que p e r m ite d e lo s e v a lu a r la e x p e r im e n to s r e s is te n c ia s e tie n e u n a in s ta la c ió n al d e sg a ste de c o m p o r ta m ie n to d e d ic h o s m a te r ia le s b a ñ a d o s c o n d ife r e n te s a lg ú n tip o e x p e r im e n ta l m a t e r ia le s y el d e lu b r ic a n te s . L a s c a r a c t e r ís t ic a s c o n s t r u c t iv a s y d e d i s e ñ o s e m u e s t r a n e n l a fig u r a : D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 155 Fig. 1. Instalación experim ental para el estudio de la resistencia al desgaste adhesivo. L a m á q u in a d e f r ic c ió n fr o n ta l e s u n a m á q u in a m u y v e r s á til y d e fá c il m a n e jo , s u s e s p e c if ic a c io n e s p r in c ip a le s s o n la s s ig u ie n te s : • L a in s ta la c ió n e x p e r im e n ta l e stá c o m p u e sta por un m e c a n is m o de a c c io n a m ie n t o fo r m a d o p o r u n m o to r , u n e je g ir a to r io d o n d e s e c o lo c a la p r o b e ta m ó v il, u n a c o p a fija a la b a s e e n la c u a l s e c o lo c a la p r o b e ta f ij a a s í c o m o ta m b ié n e l lu b r ic a n te s i e s n e c e s a r io . • O tr a s d e la s p a r te s d e l a in s t a la c ió n so n : e l d is p o s it iv o p a r a c o n tr o la r la v e lo c id a d del m o to r, el cual es W E G . M o d e lo : M ic r o m a s te r 4 2 0 un . v a r ia d o r de la v e lo c id a d m arca: E l c ir c u ito e le c t r ó n ic o p o r m e d io d e l c u a l s e h a c e n la s m e d ic io n e s d e te m p e r a tu r a , v e lo c id a d e n r e v o lu c io n e s p o r m in u to y D ic h o la fu e r z a d e fr ic c ió n q u e su fr e n c ir c u ito tr a n s fo r m a e s ta s m e d ic io n e s la s p r o b e ta s d e en sayo. e n im p u ls o s d ig ita le s p a r a s e r tr a n s m itid a s a u n a P C . • U n a c o m p u ta d o r a c o n e l s o ftw a r e d is e ñ a d o p a r a m o s tr a r la s m e d ic io n e s ech as fís ic a m e n te y tr a n s m itid a s p o r e l c ir c u ito e le c tr ó n ic o , a s í c o m o D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 156 ta m b ié n c o n a lg ú n s o ftw a r e e s t a d ís t ic o p a r a p o d e r e v a lu a r lo s r e s u lta d o s d e s p u é s d e te r m in a d o e l e n s a y o . • • T o d o e l m e c a n is m o s e m o n t a s o b r e u n a m e s a fir m e . C a rga: E l m e c a n is m o d e a p lic a c ió n d e c a rg a , e stá fo r m a d o p o r u n e je g ir a to r io y u n a s p e s a s d e fin id a s c o n u n p e s o e s p e c íf ic o . E s t e m e c a n is m o t ie n e la f u n c ió n d e a p lic a r s o b r e la s p r o b e ta s la c a r g a n e c e s a r ia p a r a la r e a liz a c ió n d e lo s e n s a y o s . E s to p e r m ite la c o n s ig u ie n te v a r ia c ió n d e la carga. • R ig id e z de la s u fic ie n te m e n te m á q u in a : r íg id a y la m á q u in a e s ta b le , de e v ita n d o en sayo debe v ib r a c io n e s que ser lo p u ed an a lte r a r l o s r e s u lt a d o s d e l a m a g n it u d d e l d e s g a s t e d u r a n te e l e n s a y o . L a s u p e r fic ie q u e fij a e l a b r a s iv o d e b e e sta r r íg id a y p o s e e r u n a a d e c u a d a e x c e n tr ic id a d . • C o n tr o l d e v e lo c id a d : c o n s e c u e n c ia la s e lo g r a v e lo c id a d v a r ia d o r d e v e lo c id a d c o n tr o la r la v e lo c id a d de co n ecta d o la p r o b e ta m ó v il, al m o to r. C o m o d el m o to r y por m e d io su n o m b r e lo por de un in d ic a , s u f u n c ió n e s v a r ia r la f r e c u e n c ia d e la c o r r ie n t e a lte r n a , c o n l o c u a l s e lo g r a c o n tr o la r la v e lo c id a d d e g ir o d e l m o to r . • E l d is p o s it iv o p o r ta p r o b e ta g a r a n tiz a la f ij a c ió n d e la p r o b e ta lo g r a n d o p a r a le lis m o y p la n ic id a d e n tr e la s caras fr o n ta le s de la s p r o b e ta s. El p o r ta p r o b e ta s e m u e v e lib r e m e n t e , c o n la fr ic c ió n e n la d ir e c c ió n d e s u e je lo n g itu d in a l (e s d e c ir , p e r p e n d ic u la r a la s u p e r fic ie de la o tr a p r o b e ta ). • S is te m a de m e d ic ió n del d e sg a ste : el in s tr u m e n to de m e d ic ió n del d e s g a s t e p o r p é r d id a d e m a s a e n la s m u e s tr a s a e n s a y a r d e b e te n e r u n a s e n s ib ilid a d d e 0 .0 0 0 1 g rs. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 157 U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A ZO NA XALAPA L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA . R E SPO N SA B L E : IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z . N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______ M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO : D ÍA :___________ H O R A :_____________ FE C H A :______________ P R A C T IC A N O . 3. N O M B R E D E L A PR Á C T IC A : M A T E R IA L E S Y F A B R IC A C IÓ N DE P R O B E T A S. O B JE T O V O S. Q u e e l a lu m n o p u e d a d e s a r r o lla r s u s p r o p ia s p r o b e ta s d e p r o b e ta s d e p r u e b a a tr a v é s d e lo s m a te r ia le s r e c o m e n d a d o s . D E SA R R O L L O . E l p r o c e d im ie n t o d e lo s e n s a y o s p u e d e a p lic a r s e p a r a e v a lu a r la r e s is t e n c ia a l d e s g a s te d e c u a lq u ie r tip o d e m a te r ia l. E l ú n ic o r e q u is ito , e s q u e s e p u e d a n p r e p a r a r p r o b e ta s q u e te n g a n la s d im e n s io n e s q u e e x ig e e l p r o c e d im ie n t o en sayo y q u e e lla s r e s is ta n la s t e n c io n e s im p u e s t a s d u r a n te e l e n s a y o s in q u e t e n g a lu g a r l a r o tu r a . E s t e p r o c e d im ie n t o m a t e r ia l de que sea in a d e c u a d o en una de en sayo n o a p lic a c ió n de s e c o n s id e r a p a r a u n e le v a d a r e s is te n c ia al e x p e r im e n ta l se d e sg a ste . D u r a n te la e m p le a r o n c a lib r a c ió n aceros al y p u e sta carb ono de a p u n to d u reza de 179 la in s ta la c ió n H B , d e b id o a que lo s D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. m is m o s 158 p oseen una adecuada v a r ia b ilid a d d e la a b r a s ió n y d e sg a ste , y la m is m a es a d e c u a d a m e n te c o r r e g ib le . S e r e c o m ie n d a n , p o r c o n s ig u ie n te , e s p e c ífic a m e n te para ese m a t e r ia l p r o p ó s ito . pero el El p r o c e d im ie n to m is m o debe ser p e r m ite el c a r a c te r iz a d o e m p le o de to ta lm e n te c u a lq u ie r y o tr o su s r e s u lta d o s m ás p a r e c id a s d e b e n s e r d e s c r ito s e n e l c o r r e s p o n d ie n t e in fo r m e . T a n to la p o s ib le s , p r o b e ta m ó v il c u m p lie n d o con com o la s la p r o b e ta s ig u ie n te s fija deben ser c a r a c te r ís tic a s : lo fo r m a c ilín d r ic a con u n d iá m e tr o e x te r io r d e 2 c m . y c o n u n a lo n g itu d d e 2 c m . P a r a la p r e p a r a c ió n d e la s p r o b e ta s r e c o m e n d a m o s s e c o m p r e e l m a t e r ia l e n fo r m a c ilin d r ic a c o n u n d iá m e tr o e x te r io r d e 7 /8 d e p u lg a d a . P o s te r io r m e n te s e p ro ced erá (e n e x te r io r de un la s to r n o ) p r o b e ta s a d e sb a sta r el cual d ic h a debe ser p ie z a de 2 h a sta cm . en a lc a n z a r la el m is m a d iá m e t r o a c c ió n de to r n e a d o s e p u e d e b a r r e n a r d ic h a b a rra ( e n s u c e n tr o ) p a r a h a c e r u n a v a r ia c ió n d e p r u e b a s , p a r a e s t a ta r e a s e u t iliz a r á u n a b r o c a d e 3 /8 d e p u lg a d a . S e m e d ir á u n a lo n g itu d d e ta m b ié n d o s c e n tím e tr o s y s e c o r ta r á la b a rra p a r a fo r m a r u n a p r o b e ta de prueba. U na vez r e a liz a d o d ic h o c o rte es r e c o m e n d a b le lija r la p r o b e t a p a r a q u ita r a lg u n a r e b a b a ó a lg ú n e x c e s o d e m a t e r ia l. L o s b o r d e s d e la s m u e s tr a s d e b e n s e r r e d o n d e a d o s p a r a e v ita r e l a g a r r a m ie n to in m e d ia t o d e lo s m a t e r ia le s a e n s a y a r . A c a b a d o s u p e r fic ia l d e la s m u e s tr a s d e e n s a y o . la s m u e s tr a s n o d e b e n p o s e e r su rco o r a lla d u r a s e s p e c ím e n e s . d e b id o a que L a p o r o s id a d , a m e n o s e sto in te r fie r e que es una en el c o n ta c to c a r a c te r ís tic a de lo s in h e r e n te d e l m a t e r ia l q u e s e e n s a y a , p u e d e a fe c ta r lo s r e s u lt a d o s d e la p r u e b a a d v e r s a m e n t e p o r lo q u e la m is m a ta m b ié n d e b e e v ita r s e . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 159 U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A ZO NA XALAPA L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA . R E SPO N SA B L E : IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z . N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______ M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO : D ÍA :___________ H O R A :_____________ FE C H A :______________ P R A C T IC A N O . 4. N O M B R E D E L A PR Á C T IC A : O PE R A C IÓ N D E L A M Á Q U IN A . O B JE T IV O . Q u e e l a lu m n o a p r e n d a e l m a n e j o y p u e s ta e n o p e r a c ió n d e la m á q u in a p a ra d e s a r r o lla r e x p e r im e n t o s . D E SA R R O L L O . E s d e g r a n im p o r t a n c ia q u e s e le a n c u id a d o s a m e n t e t o d o s lo s p a s o s a s e g u ir p a r a e l c o r r e c to fu n c io n a m ie n t o y d e s a r r o llo d e lo s e x p e r im e n to s . A n te s d e r e a liz a r c u a lq u ie r e n s a y o s e d e b e p r e p a r a r a la p r o b e ta fa b r ic a d a p a ra ta l a c c ió n ; a lc o h o l ó en p r im e r th in e r ) p e r fe c ta m e n te con lu g a r deben para lib e r a r la a lg ú n paño lim p ia r s e de que no a lg u n a p e r fe cta m e n te im p u r e z a d e je h ila c h a s . Se y (c o n a ceto n a , d esp u és seca rse d e b e te n e r e x tr e m o c u id a d o a l q u ita r t o d a l a s u c ie d a d y l a m a t e r ia e x t r a ñ a d e la s m is m a s . L im p ia r c o n a g e n t e s y s o lv e n t e s n o c o r r o s iv o s . I n c lu s o p u e d e c e p illa r la s p r o b e ta s . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 160 P a r a la o p e r a c ió n d e la m á q u in a y d e s a r r o llo d e u n e x p e r im e n to r e a liz a m o s lo s s ig u ie n te s p a so s: 1. E n c ie n d a la v e lo c id a d s e c o n s e r v e e n lo s v a lo r e s e s ta b le c id o s e n m á q u in a y v e r ifiq u e con el ta c ó m e tr o d ig ita l que la e l e x p e r im e n to a r e a liz a r . S i n o e s a s í, c o n e l v a r ia d o r d e f r e c u e n c ia p r o c e d a a a ju sta r la v e lo c id a d d e p r u e b a r e q u e r id a . 2. A p a g u e la m á q u in a . 3. P esar 4. C o lo c a r y c e n tr a r la s p r o b e ta s c ilin d r o - c ilin d r o e n c o n ta c to fr o n ta l e n e l la s p r o b e ta s en la b a la n z a a n a lític a con p r e c is ió n de 0 .1 m g ( 0 . 0 0 0 1 g r .) . m e c a n is m o p o r ta p r o b e ta . 5. D e sp la z a r 6. A p lic a r la c a r g a d e p ru eb a . 7. C o lo c a r 8. P r e p a r a r e l c r o n ó m e tr o p a r a c o n tr o la r e l t ie m p o d e d u r a c ió n d e l e n s a y o . 9. S e p a r a r lig e r a m e n te la s p r o b e ta s (a p r o x . 5 c m , s u b ie n d o e l e je d e l p o r ta fr o n ta l el d is p o s itiv o p o r ta p r o b e ta h a sta hacer c o in c id ir la cara d e lo s c ilin d r o s . (si así lo r e q u ie r e el e x p e r im e n to ) la c a n tid a d de a c e ite lu b r ic a n te n e c e s a r ia p a r a m a n te n e r lu b r ic a d o e l p u n to d e c o n ta c to . p r o b e ta s m ó v il). 1 0 .E n c e n d e r la in s t a la c ió n e x p e r im e n ta l. 1 1 .B a j a r n u e v a m e n te el p o r ta p r o b e ta para hacer c o in c id ir la s caras fr o n ta le s d e la s p r o b e ta s . 1 2 .P a s a d o e l t ie m p o d e p r u e b a d e l e x p e r im e n to s e p a r a r la s p r o b e ta s . 1 3 .D e te n e r la in s ta la c ió n . 1 4 .D e s m o n t a r la s p r o b e ta s . 1 5 .L im p ia r la s p r o b e ta s c o n lo s lim p ia d o r e s e s t a b le c id o s . 1 6 .P e s a r la s p r o b e ta s . 1 7 .L im p ia r l a m á q u in a y lu b r ic a r la . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 161 U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A ZO NA XALAPA L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA . R E SPO N SA B L E : IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z . N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______ M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO : D ÍA :___________ H O R A :_____________ FE C H A :______________ P R A C T IC A N O . 5. N O M B R E D E L A PR Á C T IC A : M A N T E N IM IE N T O P R E V E N T IV O D E L A M Á Q U IN A . O B JE T IV O S. Q u e e l a lu m n o a p r e n d a la s r u tin a s d e m a n t e n im ie n t o p r e v e n t iv o p a r a c o n e s o o b t e n e r u n b u e n f u n c io n a m ie n t o d e l a m á q u in a . D E SA R R O L L O . E l m a n t e n im ie n t o p r e v e n tiv o e n c u a lq u ie r m á q u in a , m e c a n is m o ó e le m e n t o d e m a q u in a r ia es m uy im p o r ta n te ya que con esto se o b tie n e un m e jo r r e n d im ie n to y v id a ú t il d e la m is m a . E n la m á q u in a d e f r ic c ió n fr o n ta l n o s e p r e s e n ta m u c h o p r o b le m a e n c u a n to al m a n t e n im ie n t o , s in e m b a r g o e s m u y im p o r t a n te lle v a r la s a c a b o p o r lo m e n o s d e s p u é s d e tr e s o c u a tr o c o r r id a s e x p e r im e n t a le s , y a q u e s i n o p u e d e r e s u lta r e n u n d e s g a s t e p r e m a tu r o d e la p o le a tr a n s ito r ia d e m o v im ie n t o . A c o n tin u a c ió n se en u m eran lo s p asos m ás im p o r ta n te s a r e a liz a r en m a n t e n im ie n t o p r e v e n t iv o d e la m á q u in a . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 162 un 1. A n te s que nada, y por razon es de s e g u r id a d , debe asegu rarse q u e la m á q u in a s e e n c u e n tr e c o m p le ta m e n te d e s e n e r g iz a d a . 2. D is p o n e r con in g le s a s la s s ig u ie n te s d e ta m a ñ o s h e r r a m ie n ta s : d iv e r s o s o en d e s to r n illa d o r p la n o , lla v e s su d e fe c to u n a lla v e p e r ic o , p in z a s m e c á n ic a s . 3. C o n ta r ta m b ié n c o n lo s ig u ie n te : e s to p a , p a ñ o s u a v e lim p io , b r o c h a d e 2 p u lg a d a s , g r a s a g r a fita d a o g r a s a c o p a s . 4. Q u ita r c o n c u id a d o l a b a n d a t r a n s m is o r a , p a r a l o c u a l s e n e c e s it a r á g ir a r c o n la m a n o la p o le a p o c o a p o c o al m is m o tie m p o q u e s e e m p u ja h a c ia a r r ib a la p o le a . 5. C on e l d e s a t o r n illa d o r q u ita r c u id a d o s a m e n t e l o s t o r n illo s d e s u je c ió n d e la p o le a s u p e r io r d e l e je d e m o v im ie n to . 6. R e tir a r l a p o le a y lim p ia r la p e r f e c t a m e n t e 7. C on el d e s a to r n illa d o r r e t ir a r el c o n la e sto p a . d is p o s itiv o c en tr a e je y lim p ia r lo p e r fe c ta m e n te d e la g r a sa q u em a d a . 8. R e tir a r lo s s e g u r o s p r is io n e r o s d e l m e c a n is m o d e p o s ic ió n d e l e je . 9. Sacar con m u ch o c u id a d o el e je , para e llo debe in c lin a r s e e ir s e s u b ie n d o d e ta l m a n e r a q u e lib r e a la p e q u e ñ a e str u c tu r a . 1 0 .C o n la esto p a lim p ia r la estru ctu ra en la s p a r te s donde se d e s liz a el d is p o s it iv o d e p o s ic ió n d e l e je . 1 1 .E n g r a s a r n u e v a m e n t e d ic h a z o n a y v o l v e r a m o n t a r e l ej e c o m p le t o . 1 2 .M o n ta r o tr a v e z e l d is p o s it iv o c e n tr a e j e y v o lv e r a a to r n illa r lo , u n a v e z m o n ta d o e n g r a s a r m u y b ie n la p a r te e n d o n d e s e d e s liz a la p o le a . 1 3 .E n g r a s a r d e m a n e r a s u p e r fic ia l la p a r te in t e r n a d e la p o le a y v o lv e r a m o n ta r la s o b r e e l d is p o s it iv o c e n tr a e je . 1 4 .V o lv e r a c o lo c a r la s lá m in a s de s u je c ió n de la p o le a y a to r n illa r la fir m e m e n te . 1 5 .C o lo c a r d e n u e v o la b a n d a . 1 6 .R e v is a r y a p r e ta r la s c o n e x io n e s e lé c t r ic a s e n e l v a r ia d o r d e fr e c u e n c ia . 1 7 .D a r lim p ie z a g e n e r a l a l e q u ip o c o n el pañ o su ave y la b r o c h a , s a c u d ir lig e r a m e n te e l c ir c u ito e le c t r ó n ic o y e l m o to r . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 163 C on esta s a c c io n e s queda c o n c lu id o el m a n te n im ie n to p r e v e n tiv o de la m á q u in a . S i lle g a r a a o b s e r v a r s e a lg u n a a n o m a lía e n la m á q u in a e s o b li g a c ió n d e l a lu m n o r e p o r t a r la c o n e l e n c a r g a d o d e l la b o r a to r io . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 164 U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A ZO NA XALAPA L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA . R E SPO N SA B L E : IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z . N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______ M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO : D ÍA :___________ H O R A :_____________ FE C H A :______________ P R A C T IC A N O . 6 . N O M B R E D E L A PR Á C T IC A : IN T E R P R E T A C IÓ N DE LO S R E SU L T A D O S. O B JE T IV O S. Q u e e l a lu m n o p u e d a lle v a r a c a b o la c o r r e c ta in t e r p r e ta c ió n d e lo s r e s u lt a d o s d e la s p r u e b a s d e d e s g a s t e r e a liz a d a s c o n la m á q u in a . D E SA R R O L L O . P a r a p o d e r in te r p r e ta r c o r r e c t a m e n t e lo s r e s u lt a d o s d e lo s e x p e r im e n t o s q u e s e han r e a liz a d o debem os lle n a r rep o rtes en cada una de la s c o r r id a s e x p e r im e n ta le s . El in fo r m e debe c o n te n e r to d a la in f o r m a c ió n r e p e tic ió n in d e p e n d ie n te m e n te d e l p r o c e d im ie n to fo r m a y p roceso d im e n s io n e s de de fa b r ic a c ió n , e s p e c ím e n e s , m ic r o e s tr u c tu r a el tip o y n e c e s a r ia para p e r m itir la d e e n s a y o . E s to in c lu ir á la del d u reza m a te r ia l, del c o m p o s ic ió n , m a te r ia l, si r e s u lt a a p r o p ia d o , r e f le ja r c u a lq u ie r o tr o d e t a lle c a r a c t e r ís t ic o q u e s e p u e d a a p lic a r e n ca so s típ ic o s . T a m b ié n se debe in f o r m a r la s c o n d ic io n e s b a jo la s c u a le s D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 165 se r e a liz a el en sayo, in c lu y e n d o la carga a p lic a d a , la v e lo c id a d m u e s t r a , t e m p e r a t u r a a m b i e n t e y h u m e d a d d e l l o c a l ( v er In te r p r eta re m o s lo s r e s u lta d o s en b ase a lo lin e a l de la tablas 1 y 2 ) . s ig u ie n te : el d e sg a ste debe e x p r e s a r s e e n p é r d id a s d e v o lu m e n ( e s d e c ir , p é r d id a s d e m a s a d iv id id a s p o r la d e n s id a d ) del m ilím e tr o s p é r d id a de r ep o rta d a s m a te r ia l de la s m u e str a s c ú b ic o s . A d em ás, v o lu m e n n o r m a liz a d a . com o p é r d id a s de in d iv id u a le s d im e n s io n e s L as v o lu m e n del se d e sg a ste m e d ic io n e s en y de in f o r m a r á dadas d e sg a ste m ilím e tr o s c ú b ic o s en com o una deberán ser para am bos c ilin d r o s s e p a r a d a m e n te . E m p le a r p a r a e l c á lc u lo d e l d e s g a s t e la s ig u ie n t e e c u a c ió n : Wv = ^ Ec. 1. D onde: W g - p é r d id a d e m a s a d e la m u e s tr a e n s a y a d a , e n g r a m o s . p - d e n s i d a d d e l a m u e s t r a d e e n s a y o , e n ( g r . / c m 3 ó m g . / m m 3) R e p o r ta r la m a g n itu d del d e sg a ste d u ra n te la prueba para cada una de su s r é p lic a s y ta b u la s lo s m is m o s . T abla 1.- C aracterísticas de m aterial de la p robeta, y condiciones del ensayo. C A R A C T E R IST IC A S G E N E R A L E S D E L M A T E R IA L DE LA M U E ST R A . T e c n o lo g ía de e la b o r a c ió n p r o b e ta . de la E j. F u n d id a , to r n e a d a , r e c t if ic a d a , fr e z a d a , c e m e n t a d a , n itr u r a d a , c r o m a d a , e tc . M a te r ia l d e la p r o b e ta . E j. A c e r o A I S I 1 0 4 5 . C o m p o s ic ió n q u ím ic a , (% ) C M n Si P S Cr N i D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. O tr o s 166 P ropiedades m ecánicas. L ím it e d e l a r o tu r a , (M P a ). L ím ite d e F lu e n c ia , (M P a ). A la r g a m ie n t o r e la t iv o , (% ). C o m p r e s ió n r e la t iv a , (% ). D u reza , (H B , H R C , H V ). C aracterísticas geom étricas. F orm a. D i m e n s i o n e s ( m m ) y ( m m 2) C ilin d r ic a . D iá m e tr o . L o n g itu d . Á r e a d e la s e c c ió n . C u a d r a d a o r e c ta n g u la r . L arga. A ncho. A lto . Á r e a d e la s e c c ió n . C alidad de la superficie. V e lo c id a d d e d e s liz a m ie n to (m /s ). P r e s ió n n o m in a l d e c o n ta c to , (M P a ). T em p e ra tu r a del lo c a l de en sayo, (°C ). H u m e d a d r e la tiv a , (% ). M aterial em pleado en la lim p ieza de la probeta. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 167 C A R A C T E R ÍST IC A S D E L M A T E R IA L A B R A SIV O . T ip o d e a b r a s iv o . G r a n u lo m e tr ia . M a te r ia l b a s e . F a b r ic a n te . T abla 2.- m agnitud del desgaste de las m uestras ensayadas. N U M E R O P e s o (g r ). D e sg a ste . D E M U ESTR A . I n ic ia l. F in a l. G r a v im é tr ic o W g V o lu m é tr ic o W v ( m m 3) . (g r ). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Los r e s u lta d o s de la prueba de d e sg a ste exp resad os en p é r d id a s de m asa p u e d e n s e r u s a d o s in t e r n a m e n te p o r u n la b o r a to r io , p a r a e v a lu a r m a t e r ia le s d e D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 168 d e n s id a d e s e q u iv a le n te s p r o c e d im ie n to v o lu m e n de para en sayo com parar s in c o n s id e r a r e x ig e la s in fo r m a r m a g n itu d e s la el m is m a . d e sg a ste del S in com o d e sg a ste em bargo, una de e ste p é r d id a de m a te r ia le s de d e n s id a d e s d ife r e n te s . S e d e b e to m a r e x tr e m o c u id a d o a l to m a r lo s v a lo r e s d e la d e n s id a d de lo s m a t e r ia le s en sa y a d o s, d e b id o a que e sta in flu y e s ig n if ic a t iv a m e n t e s o b r e la m a g n it u d d e la p é r d id a d e v o lu m e n y s o b r e t o d o s i la p é r d id a d e v o lu m e n y so b re to d o s i la p é r d id a d e m a s a e s m o d e r a d a . S in e m b a r g o , s i lo s r e s u lta d o s d e p r u e b a s s e p a r a d a s se r á n c o m p a r a d o s . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 169 U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A F A C U L T A D DE IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A ZO NA XALAPA L A B O R A T O R IO DE T R IB O L O G ÍA . R E SPO N SA B L E : IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z . N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______ M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO : FE C H A :______________ D ÍA :___________ H O R A :_____________ P R A C T IC A N O . 7. N O M B R E D E L A PR Á C T IC A : E L D E SG A ST E A D H E SIV O . O B JE T IV O . Q u e e l a lu m n o c o n o z c a la s c a r a c te r ís tic a s d e l d e s g a s t e a d h e s iv o y lo s lu g a r e s d o n d e c o m ú n m e n te s e p resen ta . D E SA R R O L L O . La a tr a c c ió n m o le c u la r (c o h e s ió n ) produ ce una u n ió n a d h e s iv a (m ic r o s o ld a d u r a ) d e la s a s p e r e z a s e n c o n ta c to ; e l m o v im ie n t o r e la tiv o d e lo s c u e r p o s c iz a lla e sta u n ió n p r o d u c ie n d o la tr a n s f e r e n c ia d e u n m a t e r ia l d e u n cuerp o h a c ia o tr o y /o la g e n e r a c ió n d e p a r tíc u la s d e d e s g a s te . C o m o la a d h e s ió n s e e n tie n d e e l fe n ó m e n o d e fo r m a c ió n d e u n a fu e r te u n ió n d e lo s m e ta le s e n la s á r e a s r e a le s d e c o n ta c to c o m o r e s u lta d o d e la f r ic c ió n , d e lo s p rocesos de r e c r is ta liz a c ió n . d e fo r m a c ió n D u r a n te m u tu a esto s y para p rocesos te m p er a tu ra s se fo rm a n in fe r io r e s fu e r te s a la u n io n e s d ife r e n te s p u n to s d e c o n ta c to . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 170 de en D u r a n te e l c o n ta c to d e la s a s p e r e z a s e s ta s s e “ a r r u g a n ” y s e p r o d u c e e l e f e c t o m e c á n ic o de “ e n g r a n e ” (F ig . 1 .); l o c u a l c o n s titu y e la c a u s a p r im a r ia d e la a d h e s ió n . Fig. 1.- Proceso de deform ación plástica de las asperezas. (A rrugado y engrane). L a g e n e r a c ió n d e c a lo r p r o d u c to d e la f r ic c ió n , d e la s d e fo r m a c io n e s p lá s tic a s produ ce un cau san d o in c r e m e n t o la r á p id o “ d ifu s ió n ” e n la de la te m p e r a tu r a in te r fa c e ; la en cual es la lo s p u n to s cau sa de c o n ta c to s e c u n d a r ia d e la a d h e s ió n ; e l m o v i m i e n t o r e l a t iv o p r o d u c e e l c i z a l l a m i e n t o d e l a u n i ó n ( F ig . 1 ). L a d in á m ic a d e e s t e tip o d e d e s g a s te s e d e fin e p o r u n a s e r ie d e fa c to r e s f ís ic o s y e s t r u c t u r a le s . E n c a lid a d m a te r ia le s de m a te r ia le s b ase in te r a c c ió n con fr ic c ió n tita n io la s d e u n o d e e s t o s fa c to r e s e s t á la c a p a c id a d de y fo r m a r n íq u e l a le a c io n e s s o lu c io n e s tie n e n b ase d u ras. c a r a c te r ís tic a s cobre y c r o m o , lo E stá c la r o n e g a tiv a s d e lo s que d u r a n te lo s su c u a l e s tá r e la c io n a d o c o n c u s o lu b ilid a d m u tu a . D e s d e e l p u n to d e v is t a id e a l e s n e c e s a r io tr a ta r d e s e le c c io n a r p a r a p a r e s d e f r ic c ió n m a t e r ia le s b a s e s c o n d if e r e n te s e s tr u c tu r a s, p r o p ie d a d e s q u ím ic a s y s o lu b ilid a d . D u r a n te la fr ic c ió n c o m p o r ta m ie n to por acord e d e s liz a m ie n to a c u a lq u ie r a el de d e sg a ste la s tr e s a d h e s iv o curvas pu ed e te n e r r ep re sen ta d a s en fig u r a 2. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 171 un la Recorrido de fricción ( S f ) Fig. 2.- D in ám ica de la velocidad del desgaste adhesivo. D u r a n te el d e sg a ste e x p lo ta c ió n un d e l tip o 1 a lto n iv e l d e (F ig . 2) d e sg a ste s e tie n e (d e sg a ste d u ra n te to d o se v e r o ). e l p e r io d o de P a ra e sta fo r m a d e d e s g a s t e n o a p a r e c e n , e n la s s u p e r fic ie s d e lo s e le m e n t o s d e la u n ió n n i d e la s p a r tíc u la s de d e sg a ste , capas de ó x id o . D u r a n te el d e sg a ste de tip o 3 se o b s e r v a u n b a jo n iv e l d e d e s g a s te d u r a n te to d o e l p e r io d o d e tie m p o d e tr a b a jo d e l p a r. E n e s t e c a s o la s s u p e r f ic ie s d e lo s c u e r p o s s o m e t id o s a f r ic c ió n y la s p a r tíc u la s d e d e s g a s t e n o s o n m á s q u e ó x id o s y é s ta s ú lt im a s t ie n e n u n ta m a ñ o m u y in f e r io r a l d e la s q u e s e o b t ie n e n d u r a n te e l d e s g a s t e d e tip o 1. D u r a n te la p r im e r a e ta p a e l d e s g a s t e d e l t ip o 2 e s s e v e r o y la s s u p e r f ic ie s d e f r ic c ió n n o se o x id a n . En la s e ta p a s p o s te r io r e s la fr ic c ió n genera capas s u p e r fic ia le s tr ib o q u ím ic a s y la v e lo c id a d d e d e s g a s te d is m in u y e c o n s id e r a b le m e n te . L a n a tu r a le z a d e l d e s g a s te h a c e q u e e l d e s g a s te a d h e s iv o e s t é s ie m p r e p r e s e n te en m ayor o m enor grado en in g e n ie r ía s e c o n o c e ta m b ié n rayado a d h e s iv o ; d e n o m in a c io n e s la s u n io n e s g r ip a d o ; se deben a de r o z a m ie n to . c o n lo s n o m b r e s de: la a g a r r o t a m ie n to ; in te n s id a d En la p r á c tic a de d e s g a s t e p o r fr o ta m ie n to ; del a g r ip a m ie n to ; d e sg a ste , ta le s e sta d o s de la s s u p e r f ic ie s d e s g a s t a d a s y t ip o s d e e le m e n t o s d e m á q u in a . E l d e s g a s te a d h e s iv o c o jin e te s de e s t á p r e s e n t e e n lo s s ig u ie n t e s e le m e n t o s d e m á q u in a s : d e s liz a m ie n to ; le v a s ; grupos p is tó n - aro - c ilin d r o ; etc . L os fa c to r e s q u e d e fin e n e l d e s g a s te a d h e s iv o so n : • C o n d ic io n e s de lu b r ic a c ió n (se c o ó lu b r ic a d o ); a b a s te c im ie n to de lu b r ic a n te ; c a lid a d d e l lu b r ic a n te . • C o m p a t ib ilid a d m e t a lú r g ic a ( s o lu b ilid a d m u tu a ) d e lo s m a t e r ia le s d e la u n ió n tr ib o ló g ic a . • M ic r o g e o m e tr ía s u p e r fic ia l. • C o n d ic io n e s d e tr a b a jo : c a r g a , v e lo c id a d y te m p e r a tu r a . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 172 A R C H IV O F O T O G R Á FIC O . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. S O P O R T E D E L E JE D E T R A N S M IS IÓ N , D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 174 C O PA P O R T A PR O B E T A . P O L E A D E L E JE DE T R A N SM ISIÓ N . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 175 E JE D E T R A N S M IS IÓ N . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 176 M E SA SE M IT E R M IN A D A . D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 177 ANTECEDENTES DEL P R O T O T IPO . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 178 M O T O R U T IL IZ A D O . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 179 M Á Q U IN A EN C O N ST R U C C IÓ N . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 180 E Q U IPO U T IL IZ A D O PA R A L A S P R U E B A S Y P U E S T A A PU N T O DE L A M Á Q U IN A . Com entario [A A R P 1 1 1 1 ]: ETRODECONTACTO. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 181 TERMÓM Com entario [A A R P 1 1 1 2 ]: AUXILIA DOPORELINGENIERORODOLFOA. LUNAPALAFOXYELINGENIERO GUSTAVOHERNÁNDEZSÁNCHEZ PL A N O S Y D IA G R A M A S. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 182 C O M E N T A R IO : C u a n d o s e d is e ñ a a lg ú n d is p o s it iv o e s im p o r ta n te c o n s ig n a r lo s c r ite r io s d e d is e ñ o , la s r e s tr ic c io n e s y la s e s p e c if ic a c io n e s . S e a n e x a d is e ñ o d e d is p o s itiv o e n I N V E N T O R P R O F E S IO N A L 2 0 0 9 . Í jSelect p i .. » [ySketch -* & ^U p date »• I Q , QJ <§► ri 0 Modeling View ^ fí'i 1,1 ' ^ Place Componen! 0 Place From Vault. T r ib ó m e tr o Q/ Create Componen [N] R o ta to r io Placefrom Conten Center,., ^ Pattern Componen 9)||j Mirror Componen =| 0 9 Copy Components Bolted Connection & Create Pipe Run.,, Create Harness... j® Constraint... [C] Replace CtrkH . 11 Grip Snap gg Move Component [V] Rotate Component [G] •Éfe Quarter Section View * | 0 Work Plane ¡ J3 WorkAxis l+H 0 BoltGB5789-86 M6x45:2 E1- Q1 AS 1427H - MetricM10 x 25:1 Eh 0 AS 1427H - MetricM10 x 25:2 G}- [Jp Poste de Riel: 1 13- Poste de Riel: 2 0“ 0 AS 1 11 1 -Me E 1-Q AS 1111-Me EJ- 0 AS 1 1 1 1 -Me 0“ 0 AS 1 11 1 -Me EH- 0 Aleronil Eh 0 Plain Hex Washer Head Machine Screw E1- 0 Main Hex Washer Head Machine E1- 0 Plain Hex Washer Head Machine E1- 0 Plain Hex Washer Head Machine E1- 0 Cajon 1:1 E1 - 0 Cajon 2:1 E1- 0 Cajon 2:2 E 3 - 0 Cajon 2:3 E1- 0 Cajon 2:4 E1Jaladera: 1 Jaladera: 2 Eh Jaladera:3 E1Jaladera;4 E1- ^ Jaladera: 5 0 - jSJ]V-Belt transmission:1 §¿1 Representations Sh D Origin EH Component Pattern 1 0 - 0 Variador: 1 -J Work Point . i riTìiìiiììii D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 183 P orta probeta m óvil *Se aloja C op a *Se aloja la probeta A n á lis is d e e s f u e r z o s p r o v o c a d o s p a r a lle v a r a c a b o lo s e x p e r im e n to s d e d is e ñ o : C orriente (A ) en Letra Eficiencia nom inal % I 1/2 plena arranque -ódigo 3/4 | p le n a carga Factor de potencia % 1/2 Par 3 /4 J plena Nom, Rotor carga Ib-pie Bloq. Máx. S e n e c e s it a u n m o to r d e 3 .0 I b -ft ( 4 .0 6 7 4 5 4 N .m ) p a r a o b te n e r u n a m á x im a p r e s ió n d e C O M E N T A R IO : N o s e h a c e u n a e v a lu a c ió n d e la fu e r z a r e q u e r id a n i d e la p o t e n c ia p a r a o b t e n e r e l in t e r v a lo d e fu e r z a s q u e s e e s p e r a r ía n . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 184 D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j ANEXOS. 185 A n a ly s is o f P r o b e ta 1 Autodesk' ANSYS A uthor: A nalysis C reated: l u n e s , 2 4 d e a g o s t o d e 2 0 0 9 0 6 : 3 4 : 0 8 p .m . A nalysis L ast l u n e s , 2 4 d e a g o s t o d e 2 0 0 9 0 7 : 5 7 : 5 9 p .m . M odified: R eport C reated: D atabase: m a r t e s , 2 5 d e a g o s t o d e 2 0 0 9 0 6 : 5 4 : 4 7 p .m . C :\U s e r s \U s u a r io \D o c u m e n ts \I n v e n to r \M a q u in a C ilin d r o - C ilin d r o \C I I N D E T \P r o b e t a 1 .ip a A u to d e s k I n v e n to r P r o fe s s io n a l 2 0 0 9 Software: A N S Y S T e c h n o lo g y Introduction Autodesk Inventor Professional Stress Analysis was used to simulate the behavior of a mechanical part under structural loading conditions. ANSYS technology generated the results presented in this report. Do not accept or reject a design based solely on the data presented in this report. Evaluate designs by considering this information in conjunction with experimental test data and the practical experience of design engineers and analysts. A quality approach to engineering design usually mandates physical testing as the final means of validating structural integrity to a measured precision. Additional information on AIP Stress Analysis and ANSYS products for Autodesk Inventor is available at http://www.ansys.com/autodesk. G eom etry and M esh The Relevance setting listed below controlled the fineness of the mesh used in this analysis. For reference, a setting of -100 produces a coarse mesh, fast solutions and results that may include significant uncertainty. A setting of +100 generates a fine mesh, longer solution times and the least uncertainty in results. Zero is the default Relevance setting. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j ANEXOS. 186 T A B L E 1 P r o b e ta 1 S t a tis tic s 2 0 .0 m m B o u n d in g B o x D im e n s io n s 2 0 .0 m m 2 0 .0 m m P art M a ss 4 .9 3 2 e -0 0 2 k g P a rt V o lu m e 6283 m m 3 M e s h R e le v a n c e S e ttin g 0 N odes 9876 E le m e n ts 2148 Bounding box dimensions represent lengths in the global X, Y and Z directions. M a te r ia l D a ta The following material behavior assumptions apply to this analysis: • L in e a r - s t r e s s i s d ir e c t ly p r o p o r t io n a l t o s tr a in . • C o n s ta n t - a ll p r o p e r tie s t e m p e r a tu r e -in d e p e n d e n t . • H o m o g e n e o u s - p r o p e r tie s d o n o t c h a n g e th r o u g h o u t th e v o lu m e o f th e p a r t. • I s o t r o p ic - m a t e r ia l p r o p e r tie s a r e id e n t ic a l in a ll d ir e c tio n s . T A B L E 2 S teel D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 187 Y o u n g 's M o d u lu s 2 .1 e + 0 0 5 M P a P o is s o n 's R a tio 0 .3 M a ss D e n sity 7 .8 5 e - 0 0 6 k g /m m 3 T e n s ile Y ie ld S tre n g th 2 0 7 .0 M P a T e n s ile U ltim a te S tr e n g th 3 4 5 .0 M P a L oads and C onstraints The following loads and constraints act on specific regions of the part. Regions were defined by selecting surfaces, cylinders, edges or vertices. T A B L E 3 L o a d a n d C o n s tr a in t D e f in it io n s N am e Ty p e M agnitude V ector 0 .0 N F orce 1 S u rfa ce F o r c e 2 4 .5 N 0 .0 N -2 4 .5 N 0 .0 m m F i x e d C o n s tr a in t 1 S u r f a c e F i x e d C o n s tr a in t 0 .0 m m 0 .0 m m 0 .0 m m 0 .0 N - m m M om ent 1 S u rfa ce M o m e n t 4 0 6 0 N -m m 0 .0 N - m m -4 0 6 0 D ISENO Y C ONSTRUCCIÖN D E U N TRIBÖM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 188 T A B L E 3 L o a d a n d C o n s tr a in t D e f in it io n s N am e T ype M agnitude V ector N -m m T A B L E 4 C o n s tr a in t R e a c t io n s N am e Force V ector M om ent 1 .0 6 9 e -0 0 7 N F ix e d C o n s tr a in t 1 2 4 .5 N -1 .2 6 9 e - 0 0 7 N M om en t V ector 1 .8 0 2 e -0 0 6 N -m m 4 0 6 0 N -m m 2 4 .5 N -8 .3 5 2 e - 0 0 8 N -m m 4 0 6 0 N -m m Note: vector data corresponds to global X, Y and Z components. R e su lts The table below lists all structural results generated by the analysis. The following section provides figures showing each result contoured over the surface of the part. Safety factor was calculated by using the maximum equivalent stress failure theory for ductile materials. The stress limit was specified by the tensile yield strength of the material. T A B L E 5 S tru ctu ra l R e su lts N am e E q u iv a le n t S tr e ss M inim um 4 .6 3 e - 0 0 3 M P a M axim um 7 .5 7 9 M P a M a x im u m P r in c ip a l S tr e s s - 5 .2 2 6 e - 0 0 3 M P a 4 .4 3 6 M P a D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 189 T A B L E 5 S tru ctu ra l R e su lts N am e M inim um M axim um M in im u m P r in c ip a l S tr e s s -4 .3 1 5 M P a 3 .4 5 6 e -0 0 4 M P a D e fo r m a tio n 0 .0 m m 5 .8 1 e -0 0 5 m m S a fe ty F a c to r 1 5 .0 N /A D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 190 F ig u r e s F IG U R E 1 E q u iv a le n t S tr e ss D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 191 F IG U R E 2 M a x im u m P r in c ip a l S tr e s s Maximum Prncpal Stress Type: Maximum Prncpal Stress Unit: MPa 25/08/2009 06:54 p.m. D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 192 F IG U R E 3 M in im u m P r in c ip a l S tr e s s Mmmum Prncpal Stress Type: Mmmum Prncpal Stress Unit: MPa 25/08/2009 06:51 p.m. D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 193 F IG U R E 4 D e fo r m a tio n D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 194 F IG U R E 5 S a fe ty F a c to r Safety Factor Type: Safety Factor 25/08/2009 06:54 p .m . k D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 195 PR O B E T A S E N C O N T A C T O . [ools Convert Applications Window □ - B» -U ¡3 \r ^ || Select T | y Sketch - faUpdate F u erza Place Component... [P] -jf l* Q* A ^ <£ f i [j S e n tid o d e Place From Vault... _ O Origin if? Create Component... [N] ¿gt PIace from Content Center,,, . P r o b e ta g f Pattern Component... H D Origin - S i Insert; 1 (-L, D in á m ic 0 9 Copy Components E n e l á re a ( 3 1 4 . 1 5 9 mm2' s u p e r i o r e i n f e r i o r d e la s * Create H.rne, p ro b e ta s se lle v a a c a b o e l j 3 Constraint... c o n ta c to ¿ 5 Move Component [V] Rotate Component [G] f t Quarter Section View * ^ g ] Work Plane i J 3 WorkAxis P r o b e ta E s tá tic a , 2 ForJUelftJjressFl w i l l || l l 'l 'h il'lllk D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | ANEXOS. 43 H £ B IB L IO G R A FÍA . [1 ]. S A R K A R A .D . D e s g a s t e d e M e t a le s . E d ito r ia l L im u s a . M é x i c o 1 9 9 5 [2 ]. A lb a r r a c ín , P . T r ib o lo g ía y L u b r ic a c ió n I n d u s tr ia l y A u t o m o t r iz . T o m o I. S e g u n d a [3 ]. E d ic ió n . B u c a r a m a n g a : E d . L ito c h o a , 1 9 9 3 . A sk e la n d , D . C ie n c ia e I n g e n ie r ía d e lo s M a te r ia le s . T e r c e r a E d ic ió n . E d . I n te r n a c io n a l T h o m s o n , 1 9 9 8 . [4 ]. C a llis te r , W . I n tr o d u c c ió n a la C ie n c ia e I n g e n ie r ía d e lo s M a te r ia le s . T o m o II. E d it o r ia l R e v e r t é , B a r c e l o n a , 1 9 9 6 . [5 ]. S m ith , W . F u n d a m e n to s d e la C ie n c ia e I n g e n ie r ía d e lo s M a te r ia le s . E d . M c G r a w H ill B o o k C o m p a n y 1 9 9 3 . [6 ]. S A M P IE R I, L U C IO , P ila r R o b e r to B a p tis ta . H ernández. M e to d o lo g ía C O L LA D O , de la C a r lo s I n v e s tig a c ió n . F ernánd ez. M é x ic o D .F . E d ito r ia l M c G r a w H ill. 2 0 0 0 . [7 ]. L E D E S M A , M a r t ín M o r a . O R T I Z , P a t r ic io S e p ú lv e d a . M e t o d o lo g ía d e l a I n v e s t ig a c ió n . M é x i c o D .F .. L im u s a N o r ie g a E d ito r e s . 2 0 0 0 . [8 ]. H u t c h i n g s , I .M . T r i b o l o g y , F r i c t i o n a n d W e a r o f E n g i n e e r i n g M a t e r i a ls . E d . E d w a r d A r n o ld , a D iv is io n o f H o d d e r H e a d lin e P L C , 1 9 9 2 . [9 ]. V ol A S M , M e ta ls H a n d b o o k . F r ic tio n , L u b r ic a tio n 18. E .U .A .,1 9 9 2 . A S T M D 7 8 5 -9 3 . a n d W e a r T e c h n o lo g y . S ta n d a rd T e s t m e th o d fo r R o c k w e ll H a r d n e s s o f p la s t ic s a n d E le c t r ic a l I n s u la t in g M a te r ia ls . [1 0 ]. A ST M S ta n d a rd D 2 7 1 4 T e s t M e t h o d fo r C a lib r a tio n a n d O p e r a tio n o f th e F a le x B lo c k - o n - R in g F r ic tio n a n d W e a r T e s t in g M a c h in e 1 [1 1 ]. A ST M S ta n d a r d s. E 1 2 2 P r a c tic e fo r C h o ic e o f S a m p le S iz e to E s tim a te th e A v a r a g e Q u a lity o f a L o t o r P r o c e s s . 1 9 9 5 . [1 2 ]. A ST M B ia s in A S T M [1 3 ]. A ST M S ta n d a rd s. E 177 P r a c tic e fo r U s e o f th e T e r m s P r e c is io n and T e st M eth o d s. 1 9 9 5 . S ta n d a rd s. E 178 P r a c tic e fo r d e a lin g w ith o u tly in g o b s e r v a tio n s . 1 9 9 5 . D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | BIBLIOGRAFÍA. 197 [1 4 ]. A ST M S ta n d a rd s. G 40 T e r m in o lo g y r e la tin g to e r o s io n and w ear. In g. O m ar 1995. [1 5 ]. E le c t r ic a l C o n ta c ts . H o l m R ., H . G e r b e r s , S t o c k h o lm , 1 9 4 6 . [1 6 ]. A p p l P h y s i c s . B u r w e l l J. T . & S t r a n g C . D . , 1 9 5 2 . [1 7 ]. A p p l P h y s ic s . A r c h a r d J. F .,1 9 5 3 . [1 8 ]. W ea r. Y o s h im o to G . Y [1 9 ]. W e a r . H a l l i n g J. 1 9 7 5 . [2 0 ]. F u n d a m e n to s de la T s u k iz o e T . 1 9 5 8 . L u b r ic a c ió n , F r ic c ió n y el D e sg a ste . L in a r e s O . W id m a n I n te r n a tio n a l S .R .L . S a n t a C r u z , B o l i v i a [2 1 ]. P a u ta s p a r a e l d is e ñ o d e p a r te s m e tá lic a s r e s is te n te s a l d e g a s te . V o l 6. P p . 7 4 - 7 8 . L u is S a m p é n A . N o ta s c ie n tíf ic a s . D ic ie m b r e 2 0 0 3 . [2 2 ]. H a llin g J y N uri A , P roc IU T A M S im p o s iu m on C o n ta c t M e c h a n ic s , H o lla n d (1 9 7 4 ) . [2 3 ]. B a y e r , R .G . (1 9 8 8 ). P r in c ip a le s o f T r ib o lo g y . 2 ° E d . E d it. M a c M illa n P r e s s , E n g la n d . [2 4 ]. L ip s o n , C . ( 1 9 7 5 ) . W e a r C o n s id e r a t io n s in D e s ig n . 1° E d . E d it. P r e n t ic e - H a ll, U S A . [2 5 ]. L udem a, K. C. (1 9 8 1 ) . S e le c tin g M a te r ia ls fo r W ea r R e s is ta n c e , in th ir d I n te r n a tio n a l C o n f e r e n c e o n W e a r o f M a t e r ia ls , A S M E , S a n F r a n c is c o . [2 6 ]. S a r k a r , A .D . ( 1 9 9 8 ) . D e s g a s t e d e M e t a le s . 1° E d . E d it L im u s a , M é x ic o . [2 7 ]. T a b o r , D . (1 9 9 5 ) . T h e H a r d n e s s o f M e ta ls , O x fo r d U n iv e r s ity P r e ss. [2 8 ]. N o r to n , R obert L .; “ d is e ñ o de m a q u in a r ia ” ; M c G r a w -H ill; M é x ic o ; 2 0 0 5 ; pp. 7. D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | BIBLIOGRAFÍA. 198 [2 9 ]. S h u ster, L. S h ., et a l; “ R e d u c tio n o f fr ic tio n c o e f f ic ie n t o f u ltr a fin e - g r a in e d C P tit a n iu m ” ; M a te r ia ls S c ie n c ie a n d E n g in e e r in g , A 371; 2 0 0 4 ; pp. 314. D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. | b ib l io g r a f ìa . 199