Tribology

Tribología

El estudio de la interacción entre superficies en movimiento

¿QUÉ ES LA TRIBOLOGÍA?

La tribología es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación, comprendiendo la interacción de las superficies en movimiento relativo, en sistemas naturales y artificiales. Esto incluye el diseño de cojinetes y su lubricación.

 

La tribología no es una ciencia aislada, sino una tarea conjunta y multidisciplinaria donde los avances se hacen mediante esfuerzos colaborativos de investigadores de diversos campos como ingeniería mecánica, producción, ciencia e ingeniería de materiales, química e ingeniería química, física, matemáticas, ciencias biomédicas y de ingeniería, informática, y mucho más.

¿Cuáles son los fundamentos de la Tribología?

Uno de los pilares más importantes de la tribología es el sistema de pensamiento analítico. 

Sistemas tribológicos   123

La fricción y el desgaste no son propiedades de los materiales. Son respuestas a un sistema tribológico específico que generalmente incluye una combinación de cojinete, eje y lubricante y como tal están influenciados por una amplia gama de factores. El subsistema tribológico de la figura 1 ofrece una visión general de los factores comunes que determinan los valores de fricción y desgaste:

 

funcion del sistema tribologico
tribologico estructura
tribologico conjunto de esfuerzos

 

Este sistema tribológico está compuesto por las magnitudes de entrada/conjunto de esfuerzos, la estructura del sistema, las magnitudes útiles y de pérdida. El conjunto de esfuerzos incluye los parámetros técnicos y físicos de la carga incluyendo peso, velocidad de deslizamiento y duración, junto con las condiciones de movimiento y temperatura que tensionan la estructura del sistema. La estructura del sistema está determinada por las propiedades de los elementos materiales incluyendo la base, el contracuerpo, el lubricante y el medio circundante. 

 

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010
2 Theo Mang, Kirsten Bobzin, Thorsten Bartels: Industrial Tribology: Tribosystems, Friction, Wear and Surface Engineering, Lubrication, Wiley-VCH, 2011
3 Theo Mang et al.: Encyclopedia of Lubricants and Lubrication, Springer Verlag, 2014

 

¿Cuáles son los principales retos que enfrenta un tribólogo?

El mayor desafío es que los valores de fricción y desgaste no puedan transferirse fácilmente de un sistema a otro, por ejemplo de una plataforma tribológica de ensayos a una aplicación real. Las comparaciones entre los valores medidos sólo son factibles cuando se basan en un sistema tribológico muy similar. El comportamiento tribológico de los materiales sólo se puede estimar para aplicaciones específicas basadas en modelos y pruebas de simulación, siempre que las condiciones de funcionamiento específicas de la aplicación y el entorno de prueba sean las mismas.

Fricción y desgaste (1)(2)(3)

¿Qué es la fricción?

La fricción es la fuerza de resistencia al movimiento entre dos cuerpos en contacto. La fricción puede ser descrita en el nivel macroscópico por las leyes fundamentales de la fricción de los físicos Guillaume Amontons y Charles-Augustin de Coulomb. Estos físicos encontraron una relación lineal entre la fuerza de fricción resultante y la carga normal aplicada. Basado en esto, se puede establecer un parámetro principal adimensional, llamado coeficiente de fricción. Se define por la relación entre la fuerza de fricción resultante y la fuerza normal aplicada.

Sin embargo, el mecanismo real de fricción se presenta a un nivel microscópico, lo que significa que las teorías tribológicas sobre la fricción también abarcan la topografía de las superficies. El tribólogo diferencia entre el área de contacto real y el área de contacto nominal (dimensiones geométricas), lo que explica los huecos o partes sin contacto de un elemento sólido. Los mecanismos responsables del proceso de transformación de energía en el área de superficie cercana incluyen: 

1

tribologico iniciacion energetica

 

¿Qué es el desgaste?

El desgaste se define como la pérdida irreversible de material resultante de la interacción entre superficies. Los procesos físicos y químicos básicos dentro del área de contacto de una superficie deslizante que conduce posteriormente a un cambio en el material y la forma de las superficies en contacto se conocen como mecanismos de desgaste. Estos mecanismos de desgaste incluyen:

 

tribologico mecanismos de desgaste

 

Los mecanismos de fricción y desgaste se ven fuertemente afectados por la estructura del sistema tribológico, así como por el conjunto de esfuerzos inducido:

 

µ = f (estructura del sistema tribológico (t), conjunto de esfuerzos inducido (t))

w = f (estructura del sistema tribológico (t), conjunto de esfuerzos inducido (t))

 

Los mecanismos de fricción y desgaste no se producen de manera aislada, sino más bien a través de una superposición de mecanismos que son difíciles de cuantificar y controlar. Esta superposición ocurre en sistemas tribológicos técnicos en proporciones no detectables y en proporciones que varían a través del tiempo y el lugar, haciendo casi imposible calcular los procesos de fricción y desgaste de un contacto tribológico. Esta es la razón por la cual las pruebas tribológicas son tan cruciales para estimar el comportamiento tribológico. Si queremos interpretar y comprender los datos medidos tribológicamente y la investigación orientada al mecanismo, necesitamos un conocimiento completo de los mecanismos de actuación del contacto tribológico.

 

Los tribólogos clasifican las condiciones de fricción, desgaste y lubricación de acuerdo con los siguientes modelos:

 

  • Estado de fricción 0: Fricción sólida: La fricción se genera entre superficies sólidas en contacto directo sin lubricante.
  • Estado de fricción I: Fricción límite: Fricción sólida, en la cual las superficies de las piezas en contacto están cubiertas por una película lubricante molecular que no tiene capacidad de carga. El lubricante incide en las características de fricción y desgaste.
  • Estado de fricción II: Fricción mixta: Coexisten el régimen de fricción I y III. El valor de fricción es una combinación de fricción sólida e hidrodinámica. Una película fluida creada por el lubricante cuenta con capacidad de carga.
  • Régimen de fricción III: Fricción hidrodinámica: El valor de fricción se determina por el cizallamiento en el fluido. La capacidad de carga de la capa de fluido evita el contacto directo entre las dos superficies sólidas.
  • Régimen de desgaste a: Altas tasas de desgaste debido a la fricción sólida y el contacto directo de las superficies.
  • Régimen de desgaste b: Menores tasas de desgaste debido a una capa de fluido molecular.
  • Régimen de desgaste c: Desgaste leve debido a una separación parcial de las superficies mediante un mayor grosor de la capa de fluido.
  • Régimen de desgaste d: "Desgaste cero", derivado de películas hidrodinámicas o elasto-hidrodinámicas que impiden el contacto directo de las dos superficies.
tribologico estados de friccion tribologico sistema

 

tribologico magnitudes de desgate  tribologico tipos de desgaste

¿Qué resultados se pueden lograr aplicando la Tribología al diseño del cojinete?

¿Cómo puede conseguir la Tribología una mejora cuantificable del producto?

Los ensayos tribológicos nos permiten obtener información sobre el rendimiento tribológico de los materiales para impulsar nuevos y mejores diseños de materiales. Entonces podremos enfocarnos en las composiciones del material para obtener mejores propiedades tribológicas específicas.

Los resultados de los ensayos tribológicos y los análisis de superficies nos ayudan a estimar el rendimiento tribológico de los materiales existentes y nuevos prototipos basados en diversos factores e influencias, incluyendo la fricción y el desgaste, mecanismos de falla, la cinética de películas de transferencia, etc. Esta información nos ayuda a identificar y comprender variables como los efectos de diversos compuestos de materiales, incluyendo los materiales de relleno, la concentración del relleno, los efectos sinérgicos de los rellenos, la estructura del material, así como el impacto de otros elementos de la estructura del sistema.

 

¿Cómo podría mejorar la Tribología la eficiencia y prolongar la vida útil de los materiales de cojinetes?

Optimizando tribológicamente las superficies de contacto 

  • Identificando los factores críticos que influyen en el sistema tribológico
  • Identificando soluciones para mejorar la eficiencia y reducir el desgaste, incluyendo:
    • El uso de materiales de fricción y de desgaste optimizados.
    • La optimización de los materiales de contacto, lo que conduce a bajos niveles de fricción y desgaste.
    • La selección y el uso de los lubricantes adecuados.
    • Al introducir cambios en el diseño que repercuten de manera positiva en el rendimiento general del sistema tribológico.

 

¿Cuáles serían algunos ejemplos de avances en tecnología de cojinetes que la investigación tribológica ha producido?

Para obtener una visión general de los avances históricos en la tecnología de cojinetes impulsada por la investigación tribológica, lea este artículo en la Revista Eureka. El mismo abarca los rodamientos de rodillos rudimentarios utilizados por los antiguos egipcios, los rodamientos de esferas utilizados por los romanos en el siglo 40 antes de Cristo, las funciones del tratamiento térmico de acero templado y las cerámicas basadas en óxido. También incluye el desarrollo del primer cojinete autolubrificado de metal-polímero de GGB.

 

¿En qué tipo de industrias y aplicaciones es útil la tribología?

La tribología juega un papel central en aplicaciones con movimiento relativo de dos superficies en contacto. Algunas industrias imponen mayores exigencias a los sistemas tribológicos debido a los requisitos de funcionamiento continuo o condiciones extremas.

¿Qué debe tener en cuenta un ingeniero para el diseño de productos o experimentos de desgaste/fricción ?

Esto depende en gran medida de la aplicación. Algunas aplicaciones requieren una baja fricción (por ejemplo, materiales de cojinetes), mientras que otras necesitan una alta fricción (por ejemplo, sistemas de freno). Para la mayoría de las aplicaciones, el desgaste mínimo de los materiales es un objetivo primordial. Para muchas aplicaciones, a menudo se trata de alcanzar un punto ideal definido entre un bajo nivel de fricción y una buena resistencia al desgaste. 

Cuando se diseñan experimentos que describen la fricción y el desgaste, los ensayos tribológicos pueden clasificarse en una de las seis categorías principales, desde las pruebas de campo de la categoría I hasta las pruebas de laboratorio más simples de la categoría VI.

Categoría I:         Se realiza una prueba de campo en condiciones reales de funcionamiento, lo que puede incluir condiciones operativas prolongadas. La repetibilidad de los resultados es deficiente pero cercano a los requerimientos del mundo real que el sistema tribológico enfrentará.

Categoría II:       Los experimentos se llevan a cabo con un equipo completo en un entorno real de planta. Estos experimentos pueden alcanzar resultados cercanos a las condiciones normales de funcionamiento y pueden realizarse durante un determinado período de tiempo para replicar las condiciones operativas prolongadas, limitando al mismo tiempo el impacto ambiental.

Categoría III:      Los componentes, subsistemas o conjuntos se someten a prueba en un laboratorio que se aproxima a las condiciones de funcionamiento normales ampliadas, dando una repetibilidad media

Categoría IV:      Las pruebas de laboratorio se llevan a cabo sobre componentes estándar en serie utilizando aparatos de ensayos a escala reducida.

Categoría V:       Los experimentos se llevan a cabo sobre una muestra con equipos de prueba para ofrecer condiciones operativas cercanas a las normales con excelente repetibilidad.

Categoría VI:      Se realiza un banco de pruebas en trabajos de laboratorio con equipamiento de ensayos simple.

 

tribologico categorias de consideracion

 

Es importante recordar que en las categorías I a III, la estructura del sistema tribológico original permanece consistente y sólo se simplifica el conjunto de esfuerzos. Las categorías II y III permiten conjuntos de esfuerzos mucho más reproducibles que la categoría I. Por el contrario, en las categorías IV a VI, la estructura del sistema se simplifica con la desventaja de disminuir la previsibilidad en la transferibilidad de los resultados de los ensayos a sistemas técnicos tribológicos comparables. Las categorías IV a VI ofrecen una mejor metrología del contacto tribológico, un menor coste y un plazo de prueba más breve1. De esta manera, con un orden ascendente de las categorías de prueba, el tiempo de realización de la prueba y el costo de los ensayos aumentan significativamente, pero también aumenta la transferibilidad de los resultados obtenidos.

 

¿Cómo se pueden aplicar las categorías de prueba al sistema tribológico de un cojinete?

Las pruebas tribológicas de los materiales de los cojinetes pueden dividirse en cuatro categorías principales:

  • Descripciones del rendimiento del producto, que incluirían las categorías IV y III para garantizar la transferibilidad de los resultados.
  • Control de producción / fabricación, incluyendo las categorías VI a IV, siendo también posible la categoría III.
  • Las pruebas de cojinetes relacionadas con el usuario pueden incluir las categorías III a V, teniendo en cuenta que la categoría V sólo es relevante si el ensayo puede adaptarse lo mejor posible a la aplicación.
  • Todas las categorías se pueden utilizar para apoyar a los diseñadores de materiales, con categorías inferiores para la preselección en las primeras etapas de desarrollo, las categorías superiores entran en juego cuando los subcomponentes y el producto final ya están disponibles.

 

 

1 Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik, Vieweg+Teubner Verlag, 2010

 

¿Cuál es el enfoque de GGB para desarrollar soluciones de cojinetes con los conocimientos tribológicos?

GGB desarrolla materiales con excelentes propiedades tribológicas basados en los resultados de estudios tribológicos. Combinamos estos conocimientos de la ciencia de los materiales y el rendimiento con una comprensión integral del desempeño tribológico de nuestros productos y cómo se adaptan a los requisitos de aplicación de nuestros clientes.

¿Cuáles son algunos de los logros alcanzados por GGB en el ámbito de la tribología y su aplicación en soluciones de cojinetes?

¿Cómo puede la Tribología reducir o eliminar la necesidad de lubricantes líquidos?

Los lubricantes forman parte de la tribología, pero en algunos casos la lubricación puede ser incorporada en el material de los componentes del sistema tribológico.

Por lo tanto, los diseñadores de materiales crean materiales específicos para condiciones de lubricación en seco, logrando un rendimiento tribológico superior relativo a la fricción y el desgaste con una reducción o eliminación de lubricantes líquidos. 

¿Cómo impactan la condición de un eje y la capa de deslizamiento en el comportamiento tribológico?

El eje es un elemento fundamental en la estructura del sistema tribológico del subsistema de cojinetes. Sus propiedades tienen un impacto directo en la fricción y el desgaste así como en todos los casos de contacto del cojinete o del eje. Las propiedades esenciales del eje incluyen:

  • Materiales y sus propiedades físicas y químicas
  • Propiedades geométricas incluyendo topografía y el porcentaje de superficie portante

¿Qué factores tribológicos deben ser considerados en la selección de los cojinetes? ¿Cómo influyen estos factores en la selección de los rodamientos?

El alcance del sistema tribológico es de enorme importancia en la selección del cojinete. Un panorama general de las consideraciones incluiría lo siguiente:

1. El conjunto de esfuerzos inducido, incluyendo:

  • Naturaleza de la carga
  • Naturaleza del movimiento
  • Temperaturas
  • Factor temporal

2.  Las piezas de acoplamiento:

• Materiales, incluyendo las propiedades físicas y químicas

• Características geométricas incluyendo la relación de contacto y topografía (rugosidad, isotropía y anisotropía)

3. El soporte superficial y su perfil de propiedades

4. El entorno de aplicación y sus propiedades

5. Conductividad térmica de la construcción

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