TRIBOLOGÍA: Fuerza de Fricción

Siempre que un cuerpo se deslice o ruede sobre la superficie de otro, existe una fuerza que se opone al movimiento, llamada fuerza de fricción. Estas es paralela y opuesta al sentido del movimiento.


Las superficies pueden estar secas o lubricadas. En el primer caso, cuando las superficies no cuentan con la presencia de fluídos o películas contaminantes, se dice que la resistencia se llama fricción en seco. La fricción de las zapatas de freno sobre la llanta de la rueda de un ferrocarril es un ejemplo de este tipo de fricción.

Cuando las superficies en frotamiento están separadas entre si por una película muy delgada de lubricante, la lubricación depende de la fuerte adhesión del lubricante al material de las superficies que se frotan; las capasa de lubricante resbalan una sobre la otra, en lugar de que lo hagan las superficies secas.
Un moñón al arrancar, invertir su sentido de giro a girar a velocidad muy baja bajo una carga pesada es un ejemplo de la condición que dará lugar a lubricación límite. Otros ejemplos son los dientes de engranes (en especial de los engranes hipoidales), las herramientas de corte, las matrices para estirar alambre, los tornillos de potencia,los muñones de asiento y el proceso de asentamiento de la mayor parte de las superficies lubricadas.



Engranaje Hipoidal



Herramientas de Corte
http://indugome7.blogspot.com/2007/10/la-empresa.html


Matriz para estirar alambre
http://www.maneklalexports.com/Espanol/SmallScale/WireDrawing.htm



Tornillo de Potencia
http://www.emc.uji.es/d/mecapedia/tornillo_de_potencia.htm



Muñón de Asiento
http://www.mundovag.com/foro/index.php?showtopic=13371





Cuando la lubricación se dispone de modo que las superficies que se frotan queden separadas por una película de fluído, y la carga en las superficies quede por completo soportada por la presión hidrostática o hidrodinámica de la película, la fricción es de lubricación completa (o viscosa). En este caso, las pérdida por fricción se deben únicamente a la fricción interna del fluído de la pélicula. Son ejemplos de lubricación completa los cojinetes con anillos de lubricación, los cojinetes con alimentación forzada del lubricante, los cojinetes de empuje del tipo zapata pivotada y las chumaceras, los cojinetes que funcionan en un baño de aceite, los cojinetes hidrostáticos de aceite, las sustentaciones de aceite y las quicioneras.


Cojinete con Anillo de Lubricación
http://es.made-in-china.com/co_zhbearing/product_Spherical-Plain-Radial-Bearings-GE10E-GE10ES-GEG10E_hiurougog.html




Chumacera
http://wwww.lodelarefacciones.com.mx/mediac



Se tiene lubricación icompleta o mixta si la carga sobre las superficies que se frotan es soportada parcialemente por una películas viscosa de fluido y, por otra parte, por zonas de lubricación límite. La fricción es intermedia entre la de lubricación fluida y la límite. Casos de lubricación incompleta existen en los cojinetes con lubricación de alimentación por goteo, con empaquetadura de estopa o de alimentación por mecha, o en los cojinetes de superficie paralelas.


Cojinetes de Superficies Paralelas
http://html.rincondelvago.com/rodamientos_1.html





La fuerza de fricción se define como: F = fN donde:

F = Fuerza necesaria para iniciar y/o mantener el movimiento, Kgf (Lbf)

N = Fuerza normal, que mantiene las dos superficies juntas, Kgf (Lbf)

f = Coeficiente de fricción (metal-metal, sólida o fluida), adimensional.


Si sobre un bloque estacionario se aplica una fuerza F, que no es suficiente para moverlo, se preseta una fuerza de oposición, llamada fuerza estática de rozamiento, Fc.

Si se sigue aumentando la fuerza F, llegará un momento en que ésta alcance un valor límite y el movimiento se hace inminente. Si ésta fuerza excede al Fe, el cuerpo ya no permanece en reposo y empieza a moverse, presentándose la fuerza cinética de rozamiento, Fc.

El rango de la fuerza real de rozamiento está comprendido entre cero y un valor máximo, proporcional al peso.
Por lo tanto, siempre se van a presentar dos fuerzas de fricción: estática y cinética, y esto puede conducir a tres situaciones.


Fc < Fe: No hay movimiento.
Fc = Fe: El movimiento es inminente.
Fc > Fe: El cuerpo se mueve.

La fuerza aplicada para iniciar el movimiento siempre es mayor que la necesaria para mantenerlo.

TRIBOLOGÍA: Fricción

La fricción es la pérdida de energía mecánica durante el inicio, final y desarrollo del movimiento relativo entre dos zonas materiales en contacto. Se introducen el término zonas materiales que incluye los fenómenos que se pueden producir por:

Fricción Externa: Entre diferentes cuerpos.
Fricción Interna: Entre partículas del mismo cuerpo.

Tipos de fricción externa:

- Fricción de deslizamiento: Se presentan durante el movimiento relativo tangencial de los elementos sólidos de un sistema tribológico.

- Fricción de rodamiento: Se presentan durante el movimiento relativo de rodadura entre los elementos sólidos de un sistema tribológico.

- Fricción de rotación: Se presentan durante el movimiento relativo de rotación entre los elementos sólidos de un sistema tribológico.






El tipo de fricción mas difundido en los sistemas tribotécnicos es el de fricción por deslizamiento. Sin embargo, en la práctica se pueden presentar dos movimientos relativos, actuando al unísono, lo que origina dos formas mixtas de los tipos de fricción.

Dependiendo de las condiciones de contacto la fricción externa se puede clasificar en:

-Fricción estática: Pérdida de energía mecánica al inicio y al final del movimiento relativo tangencial entre dos zonas materiales en contacto.

-Fricción móvil: Pérdida de energía mecánica durante el movimiento relativo de zonas materiales en contacto.

-Fricción de choque: Pérdida de energía mecánica al inicio y al final del movimiento relativo normal (perpendicular) entre zonas materiales en contacto.
En dependencia del estado físico que se presenta en los sistemas tribológicos con movimiento relativo, existen direntes estados de fricción.


Estados de Fricción

Fricción metal-metal: La fricción metal-metal es un estado de fricción que se presenta en diferentes fenómenos tribotécnicos. Tiene lugar en un elemento lubricado como consecuencia del rompimiento de la película límite o por agotamiento de los aditivos antidesgaste el lubricante.

Leyes de la fricción metal-metal por deslizamiento

La fricción metal-metal presenta las siguientes características_

-Es directamente proporcional al peso del elemento que desliza o rueda.
F = fW

-Es independiente del área aparente de las superficies de contacto. Es función del área efectiva, la cual se la suma de las zonas de contacto dadas por las irregularidades de ambas superficies. Por esta razón, el área de contacto no coincide en general con el área geométrica de las superficies que se rozan.



-No depende de la velocidad de deslizamiento.

-Varía según la naturaleza de los materiales y del acabado superficial.


Leyes de la fricción metal-metal por rodadura

-Varía con la carga.

-Es inversamente proporcional al diámetro del elemento rodante.

-Es menor para superficies pulidas que para superficies rugosas.


La fricción metal-metal son siempre se debe evitar. Hay casos en donde impresindible que ocurra, como por ejemplo en las líneas de ferrocarril, en donde es necesario que las superficies estén completamente exentas de algún tipo de lubricante para poder rodar y frenar rápidamente.

Fricción Pura: Es un estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por dos elementos que corresponden a los materiales base.
La fricción pura raras veces se encuentra en la práctica industrial y por lo general, se obtiene a nivel de laboratorio, bajo un control muy riguroso de los experimentos. Durante la fricción pura las superficies están libres de cualquier película contaminante. La magnitud del coeficiente de fricción varía entre 0.80 a 10 y mas.

Fricción sólida: Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos que presentan características de cuerpo sólidos. Durante la fricción sólida el tercer elemento está presente en forma de capas de un compuesto adheridas al metal base. En la práctica industrial este estado de fricción se halla ampliamente difundido. Se entienden como compuestos la película límite de aditivo antidesgaste, las capas de óxido, humedad, los vapores, etc. La magnitud del coeficiente de fricción varía en el rango de 0,2 a 0,8.

Fricción fluida: Es un estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por lo menos por tres elementos, presentando uno de ellos propiedades líquidas.
La obtención de la fricción fluida está condicionada a la existencia de un lubricante líquido que separa las superficies de los elementos sólidos, que constituye el sistema tribológico.

Fricción hidrodinámica: Estado de fricción en el cual las condiciones hidrodinámicas se logran a través del movimiento relativo del par friccionante, cuando se encuentra sometido a determinadas condiciones de velocidad y carga. En este estado de fricción juega un papel muy importante la viscosidad del lubricante empleado. Los valores del coeficiente de fricción varían en el rango de 0,001 a 0,002 en dependencia de la viscosidad del lubricante.

Fricción hidrostática: Es un estado de fricción que se presenta en aquellos mecanismos que giran a bajas velocidades y que soportan altas cargas y donde, para formar la película hidrodinámica, es necesario inyectar aceite a presión antes y durante el movimiento del mecanismo.

Fricción gaseosa: Es un estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por lo menos tres elementos y uno de ellos presenta propiedades gaseosas.
Dentro la fricción gaseosa, una de las formas difundidas es la que utiliza el aire como elemento gaseoso y éste separa las superficies de los elementos sólidos, que constiyen el sistema tribológico. La fricción aerodinámica se logra a través del movimiento relativo de los elementos sólidos, mientras que la aerostática se alcanza por medio de una presión exterior.

Fricción mixta: Es un estado de fricción integrado por lo menos por dos estados de fricción, que se presentan simultáneamente en un sistema tribológico. La fricción mixta, formada por los estados de fricción sólida y fluida se encuentra ampliamente difundida en la práctica industrial, sobre todo en aquellas uniones tribotécnicas que se caracterizan por bajas velocidades y grandes cargas (lubricación elastohidrodinámica o EHL).
Durante la fricción mixta, las propiedades de los materiales (elasticidad), que constituyen la unión, juegan un papel de primer orden. La magnitud del coeficiente de fricción mixta varía entre 0,05 y 0,02.

TRIBOLOGÍA: Introducción

La humanidad necesita controlar la fricción y el desgaste, así pertenezca a una civilización PRIMITIVA o a otra altamente tecnificada, como la ERA ESPACIAL.

De este modo, el caminar, recoger un objeto, abrir un libro, son acciones del diario vivir que necesitan la existencia de una fricción controlada y en las cuales la carencia absoluta de ella impediría llevarlas a cabo. De igual modo, bajo otras circunstancias el exceso de fricción causaría problemas, como en el caso del movimiento relativo de los mecanismos que conforman una máquina. El desarrollo tecnológico, a lo largo de su proceso histórico, ha tenido como objetivo fundamental reducir al máximo la fricción, logrando una mayor durabilidad de los mecanismos en operación.


Una mayor productividad de los equipos se logra si se reduce al máximo la fricción de sus diferentes mecanismos. Es así como hoy en dia, la lubricación no se considera una CIENCIA aislada, sino que está íntimamente relacionada con la fricción, con el desgaste, con los materiales empleados en la fabricación de los equipos, con su diseño, con su operación y con la calidad de su mantenimiento.

Todo esto se resume en lo que se conoce como TRIBOLOGÍA, ciencia en principio sólo con la fricción (Tribos=Fricción; Logos=Tratado) y en la actualidad extendida a todos los fenómenos qu limitan la vida de los equipos.

La vida de un equipo sólo se puede lograr si éste se involucra dentro de un sistema tribológico, donde los protagonistas principales son los fabricantes del equipo y el usuario.
El fabricante debe haber construido el equipo de acuerdo con un diseño óptimo y co materiales que garanticen un desgaste mínimo. El usuario debe optimizar al máximo la caldad del mantenimiento, garantizar una operación normal el equipo y utilizar repuestos originales, para lo cual necesita implementar un control de calidad a todos los repuestos y partes qe se adquieren y debe convertir la lubricación en el programa bandera de las instalaciones.



Si todos estos factores se interralacionan y permanentemente se tienen en cuenta, es posible que el equipo alcance su vida útil, lográndose la mayor productividad posible del mismo. Las fábricas que no incluyen en su tecnología de producción un sistema tribologíco, difícilmente podrán competir en el mercado moderno porque los costos de producción serán siempre mayores o iguales a las utilidades.
Se puede decir ue se tiene implementado un sistema tribológico en una fábrica cuando al menos el 90% de los equipos alcanzan su vida de diseño.
La tribología ha tenido gran despliegue y desarrollo en la industria mundial porque ha logrado una incidencia importante en los aspectos técnico-económicos relacionados con el incremento de la durabilidad de las partes de una máquina. La tribología se puede dividir en las siguientes ramas científico-técnicas.

TRIBOLOGÍA:

-Tribofísica:La tribofísica es la ciencia que estudia la interacción de los cuerpos en movimiento relativo, dando una interpretación a los fenómenos de fricción y desgaste por medio de leyes y modelos matemáticos que explican adecuadamente los comportamientos originados por el contacto entre superficies, con el propósito de mejorar la eficiencia y vida útil de los materiales. Esta disciplina posee un gran universo de aplicaciones, como por ejemplo en embragues, frenos, engranes, levas, motores eléctricos y de combustión (componentes y funcionamiento), turbinas, compresores, procesos de corte (herramientas y fluidos), elementos de almacenamiento magnético, prótesis articulares (cuerpo humano), diversidad de cepillos y otras más.

-Tribomecánica:
-Triboquímica
-Triboelectrónica

TRIBOLOGÍA:

-Tribotecnología: Ramas que se ocupan de la aplicación de los fenómenos de tratamientos en los procesos fundamentales de trabajo con metales, como pulimento, corte, soldadura,en frío y a presión, etc.

-Tribotécnica: Rama que se ocupa de los medios y procedimientos para el dominio técnico-económico de la fricción, lubricación y desgaste, en las ramas del diseño,frabricación, diagnóstico, y mantenimiento de los sistemas tribotécnicos.

Sistema tribológico: Es un sistema natural o artificial de elementos materiales, por lo menos dos, donde se presenta la fricción y en casos extremos, el desgaste.

Un sistema tribológico consta de las superficies de dos componentes que están en contacto móvil entre sí y su entorno. El tipo, progreso y extensión del desgaste se determina por los materiales y acabados de los componentes, cualquier material intermedio, las influencias del entorno y las condiciones de funcionamiento.




Sistema tribológico

1 Objeto base
2 Cuerpo opuesto
3 Influencias del entorno: Temperatura, humedad relativa, presión
4 Material intermedio: Aceite, grasa, agua, partículas, contaminantes
5 Carga
6 Movimiento


Sistema tribotécnico: Sistema particular o grupo funcional, donde existen varios puntos de fricción, los cuales tienen la función de transmitir energía o movimiento. Un reductor, por ejemplo, corresponde a un caso sencillo de un sistema tribotécnico. A partir del análisis de un sistema se determinan los puntos críticos en la fricción y el desgaste para mejorarlos.


Ejemplo de un sistema tribotécnico



Un proceso tribológico mal utilizado puede causar serias dificultades al engranaje productivo de una empresa. la tribología se considera una ciencia interdisciplinaria y sin ella no es posible el avance industrial, eficiente y rentable. Los lubricantes, repuestos y el mantenimiento de los equipos deben ser de una calidad tal que permitan la continua y eficaz de los mismos durante largos periódos de tiempo.
No basta con emplear buenos lubricantes; es necesario utilizar también repuestos fabricados con materiales que se encuentren acordes con el diseño del equipo. Para profundizar más en los procesos tribológicos, es necesario inicialmente hacer referencia a lo que se conoce comúnmente como rozamiento (fricción).