LA FRICCIÓN
TRIBOLOGÍA
Palabra que viene del latín tribo=fricción y logo=tratado
Ciencia relacionada en principio sólo con la fricción y en la actualidad extendida a todos los fenómenos que limitan la vida de los equipos.
• 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.
• Sistema tribotécnico. Sistema particular o grupo funcional, donde existen varios puntos de fricción, los cuales tienen la función de transmitir energía o movimiento.
LA FRICCIÓN
Se puede definir como la resistencia al movimiento relativo entre dos cuerpos en contacto.
Al frotar un cuerpo contra otro, debe vencerse una resistencia. A esta fuerza que se opone al deslizamiento se le conoce como fricción.
El valor de la fricción de un cuerpo deslizante es igual a la fuerza necesaria para vencerla.
CAUSAS:
Ninguna superficie metálica es completamente lisa; aún superficies con acabados que se aproximan a la perfección presentan asperezas cuando se examinan en un microscopio. Las diminutas protuberancias en una superficie interfieren el movimiento relativo de dos cuerpos cuando rozan entre sí dando origen a la fricción al tratar de entrelazarse y agarrarse.
EFECTOS DE FRICCIÓN
La fricción no solo puede ser considerada desde el punto de vista negativo por efectos que produce en maquinaria; también produce efectos positivos. Sin fricción no sería posible caminar (percibimos la sensación de esta dificultad cuando caminamos sobre el hielo), y muchos de los elementos que
aprovechamos, como el automóvil, el freno (el frenado de un automóvil es posible gracias a la fricción, primero entre la pastilla y el disco y después entre la llanta y el pavimento), la piedra de esmeril, etc., no tendrían razón de ser.
En los órganos de las maquinas consideramos la fricción como indeseable porque casi todos requieren del deslizamiento de una parte contra otra. Para vencer la fricción se requiere trabajo y la energía así gastada supone pérdida de potencia y eficiencia. Además donde hay fricción sólida ocurre desgaste, pérdida de material por la acción cortante de las asperezas opuestas y el rompimiento de las minúsculas superficies soldadas.
Uno de los problemas de los ingenieros es controlar la fricción; incrementar la fricción donde se requiere (frenos) y reducir donde no es conveniente (cojinetes).
La fricción origina calor, produce pérdida de potencia y desgaste de las partes en movimiento, desde el punto que se inicia un rápido deterioro hasta una falla total en la parte en contacto.
La fricción es conceptualizada tradicionalmente en la forma de un bloque sobre una superficie horizontal. Se aplica una fuerza al bloque que tiende a moverlo a lo largo de la superficie, tal como lo muestra la figura. Además de la fuerza horizontal F, también existe una fuerza normal N entre el bloque y la superficie, mostrada aquí como resultante del peso del bloque. Conforme se incrementa gradualmente la fuerza F desde un valor bajo, no hay movimiento del bloque por la fricción entre las dos superficies. Finalmente, F alcanza un cierto valor ( llamado Fs ) que vence la fricción y el bloque comienza a deslizarse.
Una vez que el bloque está en movimiento, la fuerza requerida para mantenerlo en movimiento baja a un valor Fk , que es la fuerza cinética. En la mayoría de la situaciones mecánicas, la fuerza cinética se aproxima al 75% de la fuerza estática, pero esto depende de los materiales involucrados; para alguna combinación de materiales la diferencia entre la fuerza cinética y estática es cero.
Existen varias teorías que explican la fricción, la más aceptada es la teoría de la adhesión, la cual sostiene que dos superficies deslizantes (no lubricadas) están en contacto una con la otra solo en una pequeña fracción del área aparente entre ellas. Esto es verdad aun cuando las superficies sean bastante lisas.
Cuando se observa en una vista muy amplificada, cada superficie se caracteriza por asperezas microscópicas que hacen contacto con su opuesta sólo en ciertos puntos. Estos puntos comprenden el área real de contacto Ar entre las dos superficies. A causa de que el área real soporta la carga normal,
los esfuerzos involucrados en estos puntos de contacto son muy altos y conducen a deformaciones plásticas y adhesión en algunos casos. Debido a la naturaleza aleatoria de las superficies, algunas asperezas experimentan esfuerzos más grandes que otros, de manera que la adhesión ocurre solamente en los puntos donde los esfuerzos son muy altos y hay un contacto físico muy estrecho. También depende del material en contacto y su condición ( que tan limpia y seca está la superficie, por ejemplo). Para romper estos enlaces adhesivos conforme las superficies se mueven, una con respecto a la otra, se requiere una fuerza F, la la cual se aplica contra las uniones como una fuerza
cortante. Estas conexiones suman un área equivalente al área real de contacto.
De la misma manera, la fuerza normal N implica la resistencia a la fluencia del material (la resistencia a la fluencia del material más débil es la apropiada aquí) aplicada sobre el área real de contacto. Entonces podemos definir el coeficiente de fricción de acuerdo a la teoría de adhesión como:
TIPOS DE FRICCIÓN
• Fricción externa. Se da entre cuerpos diferentes.
• Fricción interna. Se genera entre partículas de un mismo cuerpo.
TIPOS DE FRICCIÓN EXTERNA
Dependiendo del movimiento relativo:
- Fricción de deslizamiento. Se presenta durante el movimiento relativo tangencial de los elementos sólidos en un sistema tribológico.
- Fricción de rodamiento. Se presenta durante el movimiento relativo de rodadura entre los elementos sólidos de un sistema tribológico.
- Fricción de rotación. Se presenta durante el movimiento relativo de rotación entre los elementos sólidos de un sistema tribológico.
Dependiendo de las condiciones de contacto:
- 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.
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 lo aditivos antidesgaste del lubricante. La fricción metal-metal no siempre se debe evitar. Hay casos en donde es imprescindible que ocurra, como por ejemplo en las líneas de ferrocarril, en donde es necesario que 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 pura varía entre 0,8 a 10 y más.
- Fricción sólida. Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos que presentan características de cuerpos 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 óxidos, suciedad, etc. La magnitud del coeficiente de fricción varía entre 0,2 a 0,8.
- Fricción fluida. Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido 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 constituyen 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 ciertas condiciones de velocidad y de 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 0,001-0,002 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 grandes cargas y donde, para formar la película hidrodinámica, es
necesario inyectar aceite a presión antes y durante el movimiento del mecanismo.
- Fricción gaseosa. Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos y uno de ellos presenta propiedades gaseosas. Dentro de la fricción gaseosa, una de las formas más difundidas es la que utiliza aire como elemento gaseoso y este separa las superficies de los elementos sólidos, que constituyen 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, que constituyen la unión, juegan un papel de primer orden. La magnitud del coeficiente de fricción mixta varía entre 0,05 y 0,2.
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.
- Es independiente del área aparente de las superficies de contacto. Es función del area efectiva, la cual es la suma de las zonas en 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.
REDUCCION DE LA FRICCIÓN
Las fuerzas de fricción pueden ser disminuidas por los siguientes factores, los cuales pueden controlarse:
1. La carga: Influye en forma directamente proporcional a la fricción; sin embargo, es parte de todo mecanismo y en la mayoría de los casos es difícil modificar.
2. Naturaleza de los materiales: Dependiendo de su naturaleza química, los cuerpos pueden presentar mayor o menor fricción.
EJEMPLO: Dos superficies de acero que deslizan presentan mayor fricción que dos superficies de teflón bajo las mismas condiciones de trabajo.
3. El acabado de las superficies: Los coeficientes de fricción son mayores cuando las superficies son ásperas que cuando son pulidas.
4. Forma de los cuerpos: La fricción por rodamiento es menor que la fricción por deslizamiento. Los cuerpos esféricos o cilíndricos, por lo tanto, ocasionan menor fricción.
5. La lubricación utilizada.
DESGASTE
Es consecuencia directa de del rozamiento metal-metal entre dos superficies y se define como el deterioro sufrido a causa de la intensidad de la interacción de sus rugosidades superficiales. El desgaste puede llegar a ser crítico, haciendo que las piezas de una máquina pierdan sus tolerancias y queden inservibles, causando costosos daños y elevadas pérdidas de producción.
TIPOS DE DESGASTE
• ADHESIVO. Se presenta cuando las irregularidades de una superficie interactúan directamente con las de otra, se adhieren y se sueldan, dando lugar en la mayoría de los casos al desprendimiento de partículas.
Causas:
- Falta de aplicación de un lubricante.
- Rompimiento de la película límite por agotamiento o por sobrecarga.
- Un bajo nivel, viscosidad o presión del aceite en el sistema.
- Un alto nivel, viscosidad o presión del aceite en el sistema.
Soluciones:
- Cambiar el aceite dentro de las frecuencias normales.
- No sobrecargar los mecanismos.
- Mantener el nivel, viscosidad y presión del aceite.
• ABRASIVO. Es el resultado de la presencia entre las superficies en movimiento relativo de partículas extrañas de igual o mayor dureza a la de los materiales que los conforman. Las partículas abrasivas se incrustan ellas mismas en una de las superficies y actúan como una herramienta de corte, removiendo material de la otra superficie.
Causas:
- Problemas de filtración
- Presencia de partículas sólidas de igual o mayor tamaño al juego dinámico.
- Presencia de partículas sólidas de menor tamaño al juego dinámico con incremento de la carga.
- Las partículas sólidas provienen de algún otro tipo de desgaste o del medio ambiente.
• CORROSIVO. Es el deterioro lento y progresivo de las superficies metálicas al estar presente sustancias ácidas que afectan la metalurgia de los mecanismos. Este tipo de desgaste también se puede presentar por vibraciones en el sistema, que interrumpen la película lubricante y hacen
que la humedad del ambiente corroa las superficies.
Causas:
- Intervalos de uso del aceite muy prolongado (aceite oxidado)
- Contaminación del aceite con ácidos o con agua.
- Vibraciones y humedad en el ambiente (maquinaria textil)
Soluciones:
- Cambiar el aceite dentro del intervalo de vida útil.
- Utilizar el lubricante adecuado para condiciones de vibración y humedad.
• EROSIVO. Es causado por un fluido a alta presión y puede llagar a ser crítico si tiene partículas sólidas en suspensión, las cuales al impactar sobre las superficies arrancan material de ellas, debido al efecto de los
momentum de las partículas. La perdida de material puede ser significativa, provocando roturas por fatiga.
Causas:
- Alto nivel del aceite.
- Alta viscosidad del aceite.
- Alta presión del sistema.
- Partículas sólidas en el aceite fluyendo a alta presión.
Soluciones:
- Mantener el nivel, la viscosidad y la presión del aceite en el sistema dentro del rango normal.
- Implementar sistemas de filtración.
- Cambiar el aceite con mas frecuencia.
• FATIGA SUPERFICIAL. Se presenta como consecuencia de los esfuerzos cíclicos de tensión, compresión y esfuerzos cortantes sobre una superficie, los cuales dan como resultado grietas profundas de fatiga que causan finalmente la aparición de picaduras y escamas.
Causas:
- Es inevitable con el tiempo.
- Se puede incrementar con la presencia de partículas del mismo tamaño o ligeramente más grandes que el juego dinámico y que no se adhiere a ninguna superficie en movimiento.
Soluciones:
- Un proceso tribológico positivo.
- Mantener el aceite limpio.
• POR CAVITACIÓN. Tiene lugar cuando el aceite fluye a través de una región donde la presión es menor que la de su presión de vapor, esto hace que el aceite hierva y forme burbujas de vapor, las cuales son transportadas por el aceite hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor
regresa al estado líquido en forma súbita, generando implosiones sobre las superficies metálicas que dan lugar a la aparición de picaduras y grietas.
Causas:
- Entrada de aire en el sistema de lubricación.
- Alta tendencia del aceite a formar espuma.
Soluciones:
- Inspeccionar el sistema de lubricación.
- Seleccionar correctamente el lubricante.
- Incremento de la presión en el sistema o utilizando aceites con presiones de vapor altas a altas temperaturas.
• POR CORRIENTES ELECTRICAS. Se presenta como consecuencia del paso de corrientes eléctricas a través de los elementos de una máquina, como en el caso de los rodamientos y cojinetes lisos en turbomaquinaria.
Causas:
- Toma a tierra defectuosa (Motores eléctricos)
- Corrientes parásitas (turbomaquinaria)
Soluciones:
- Inspeccionar la toma a tierra en equipos rotatorios.
• POR DIFUSION. La difusión metálica puede ser un factor de desgaste a altas temperaturas. La difusión es un proceso de transferencia de masa, que se acelera al incrementarse la temperatura; por ejemplo, un proceso de maquinado implica el contacto íntimo entre el material de trabajo y la
herramienta de corte a temperaturas que se aproximan algunas a veces a los 1100o C. Bajo estas condiciones la difusión es un mecanismo de desgaste significativo en la herramienta.
Causas:
- Altas temperaturas.
Soluciones:
- Utilizar lubricante, refrigerante.
PROBLEMAS OCACIONADOS POR EL DESGASTE
- Mayor consumo de repuestos por aumento en las reparaciones y en el mantenimiento.
- Reducción en la producción por paros de maquinaria.
- Vida útil más corta de la maquinaria.
- En motores de combustión interna da lugar a pérdida de potencia, mayor consumo de combustible, etc.
- Posibilidad de accidentes ante el peligro de rotura de piezas al sobrepasar los límites permisibles de diseño.
FORMAS DE REDUCIR EL DESGASTE
- Utilizando los lubricantes más apropiados para la diferentes condiciones de operación.
- Frecuencia de lubricación adecuada, con el fin de determinar los cambios de aceite y los reengrases correctos.
- Buenos programas de mantenimiento preventivo, incluyendo principalmente la limpieza y/o el cambio de los filtros de aire y de aceite.
- No sometiendo los equipos a condiciones diferentes a las de diseño.
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ENTRADAS RELACIONADAS
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BIBLIOGRAFÍA
• ELEMENTOS DE MAQUINAS, Lubricación de maquinarias, SENA.1985.
• TRIBOLOGIA Y LUBRICACIÓN INDUSTRIAL Y AUTOMOTRIZ. Albarracin Pedro. Tomo 1, segunda edición.
• MECANICA DE FLUIDOS. Mott. Ed. Prentice Hall.
• FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA. Groover, J:P. Ed. Prentice Hall.
Una columna de fraccionamiento se usa para separar una mezcla en dos o más componentes en virtud de la diferencia en sus volatilidades o puntos de burbujeo.
