Fundamentos de la Tribología Parte 1: Fundamentos de los tribosistemas
Figura 1: Lubricación de rodamientos
La tribología es el estudio del desgaste, la fricción y la lubricación, y abarca el comportamiento de las superficies y otros triboelementos en sistemas naturales y artificiales en movimiento relativo.
La tribología es una tarea compleja y multidisciplinar que reúne a investigadores de diferentes disciplinas. Esto incluye la ingeniería mecánica, la fabricación, la ciencia e ingeniería de los materiales, la química, la ingeniería química, la física, las matemáticas, la ciencia e ingeniería biomédica, la informática y muchos otros campos. La biotribología, la nanotribología, la tribología espacial y la tribotrónica son subcampos de la tribología.
En esta serie de tres partes veremos tres partes principales de la tribología y la aplicación de la tribología en la mecánica:
- Parte 1: los fundamentos de los tribosistemas
- Parte 2: El fenómeno de la lubricación en profundidad
- Parte 3: Normas, ensayos y clasificación en tribología
Nota: Actualmente no vendemos ningún tipo de lubricantes.
Índice de contenidos
- Breve historia de la tribología
- Importancia de la tribología
- ¿Qué son los tribosistemas?
- Desgaste y fricción
- Aplicaciones modernas de la tribología
Breve historia de la tribología
La palabra "tribología" procede del griego tribos, que significa frotar, por lo que se traduce literalmente como "la ciencia del frotamiento". En el Informe Jost del 9 de marzo de 1966, el ingeniero mecánico británico Peter H. Jost introdujo el concepto. Jost es considerado el fundador del campo de la tribología y su informe hizo mayor hincapié en ella. Se crearían institutos de tribología, así como un libro de texto sobre tribo-diseño e ingeniería.
El 26 de septiembre de 1966, poco después de la publicación del Informe Jost, se constituyó formalmente el Comité de Tribología, al que se le encargaron varias tareas, entre ellas
- Asesoramiento al ministro de tecnología sobre medidas para mejorar el progreso tecnológico y la eficiencia económica en el ámbito de la tribología
- Asesoramiento en materia de tribología a departamentos gubernamentales y otros organismos
- Revisar las últimas técnicas en tribología y recomendarlas a la industria
- Informar anualmente al ministro de tecnología de sus propias actividades, así como de las tendencias y la evolución de la tribología.
Importancia de la tribología
Al principio, la investigación en tribología se centraba en el diseño y la lubricación eficaz de componentes de máquinas como los rodamientos. Con el tiempo, se ha producido un cambio en el enfoque de la tribología para incluir varios aspectos de la tecnología moderna.
Las aplicaciones tradicionales, que se enmarcan en la tribología clásica, ponen de manifiesto la importancia de la tribología en lo que respecta a las superficies de deslizamiento de la mayoría de los componentes mecánicos, que son fundamentales para la eficiencia energética y la máxima esperanza de vida de dichos componentes. Dentro de la industria del transporte, la investigación tribológica tradicional se centraba en la fiabilidad, pero en tiempos más modernos, la atención se ha desplazado hacia el consumo de energía y el aumento de la eficiencia, lo que ha dado lugar a lubricantes más complejos. Por ejemplo, la tribología puede reducir las emisiones de dióxido de carbono aumentando la eficiencia energética.
Además de la industria del transporte, la tribología ha desempeñado un papel fundamental en el sector manufacturero, especialmente en las operaciones de conformación de metales. Comprender la tribología en la fabricación es importante, ya que puede aumentar la productividad y reducir los costes.
¿Qué son los tribosistemas?
La tribología es el estudio de los tribosistemas, sistemas físicos de superficies en contacto. El tribosistema está influenciado por una gran variedad de factores que hay que tener en cuenta antes de seleccionar los materiales y un lubricante eficaz. Los parámetros incluyen el tipo de movimiento, la velocidad, la temperatura, la carga y el entorno de funcionamiento. A grandes rasgos, esto puede dividirse en entradas operativas, estructura del sistema, salidas funcionales y salidas de pérdidas. Entre los ejemplos de cada uno de ellos se encuentran:
Entradas operativas
- Tipo de movimiento: ¿Qué tipo de movimiento tiene el sujeto? Puede tratarse de un deslizamiento, una rodadura, un impacto, una rodadura con deslizamiento, etc.
- Valor de la carga: ¿Cuál es la carga y cómo se aplica esta carga en términos de amplitud, frecuencia y duración?
- Velocidad: ¿De qué factor de velocidad se trata?
- Temperatura: En la temperatura intervienen varios factores, como la temperatura ambiente, la temperatura inducida por la fricción, el calentamiento y/o el enfriamiento externos, los gradientes de temperatura y la temperatura de inflamación.
Estructura del sistema
La estructura del sistema viene determinada por los perfiles de los elementos sustanciales, que incluyen:
- El cuerpo de tierra y el cuerpo de contrapeso: Puede tratarse de dos superficies que se deslizan una sobre otra. Por ejemplo, dos superficies metálicas que se deslizan una sobre otra.
- El medio ambiente: Un medio ambiente como el aire.
- El medio interfacial: Por ejemplo, un lubricante que está presente entre las dos superficies, como en los rodamientos.
Estos se ven afectados por los siguientes factores:
| Cuerpo de tierra y contra cuerpo | |
| Propiedades del material | Propiedades geométricas |
|
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Figura 2: La tribología abarca muchos factores diferentes de la mecánica. Desde el rozamiento en los rodamientos de este eje de camión, hasta el rozamiento entre las ruedas y la superficie de la carretera.
| Medio interfacial | |
| Estado de agregación de líquidos y gases | Estado de agregación de los sólidos |
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| Medio ambiente |
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Resultados funcionales
Las salidas funcionales en tribología son el resultado de la transformación o transferencia de las entradas operativas a través de la estructura del sistema. En esencia:
Entradas operativas > Estructura del sistema > Salidas funcionales
Ejemplos de resultados funcionales son: la energía, el movimiento, la información, la materia y el material.
Salidas de pérdidas
Debido a la naturaleza de la fricción y el desgaste, el factor final es la producción de pérdidas. Esto incluye la disipación y la pérdida de energía, y la creación de escombros. Minimizar la cantidad de salidas de pérdidas se traduce directamente en minimizar y controlar las pérdidas financieras de forma más eficiente. En mecánica, esto se puede conseguir, por ejemplo, mediante la lubricación.
Tras la identificación del sistema y sus parámetros, aplicamos diferentes químicas de lubricantes para determinar el lubricante óptimo para la aplicación. En la segunda parte, hablaremos de la lubricación. Consulte también nuestro artículo sobre la lubricación de rodamientos o nuestro resumen de lubricación.
Desgaste y fricción
¿Qué es la fricción en la tribología?
El término rozamiento se refiere a la resistencia creada por dos cuerpos cuando están en contacto. Las leyes básicas de la fricción describen el rozamiento a nivel macroscópico. Afirman que las fuerzas de fricción están relacionadas linealmente con las cargas. Es posible calcular un parámetro adimensional principal, llamado coeficiente de fricción, a menudo simbolizado por la letra griega µ.
El coeficiente de rozamiento describe la relación entre la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos y la fuerza que los empuja entre sí durante el proceso de deslizamiento o al inicio del mismo. El coeficiente de fricción depende de los materiales utilizados. El caucho sobre el pavimento tiene un alto coeficiente de fricción, mientras que el hielo sobre el acero tiene un bajo coeficiente de fricción.
La cantidad de fricción se puede calcular con la siguiente fórmula de coeficiente de fricción, donde:
- μ = coeficiente de fricción estático (μs) o cinético (μk)
- Fn = Fuerza normal aplicada
- Fr = Fuerza de fricción
Figura 3: Esto muestra el sistema tribológico, aquí Fn es la fuerza aplicada a las superficies de deslizamiento, Fr es la fuerza de fricción (movimiento), y la línea roja indica la adición de lubricante que disminuye el coeficiente de fricción cinética.
Qué es el desgaste en tribología
El desgaste se produce cuando las superficies interactúan de forma irreversible y se pierde material. En un par de superficies deslizantes se producen procesos físicos y químicos elementales. Los mecanismos de desgaste dan lugar a cambios de material y de forma de los compañeros de fricción. Entre ellas se encuentran:
- Fatiga superficial: Esto puede causar fracturas por tensión en el material de la superficie
- Abrasión: Causa surcos en el material de la superficie
- Adhesión: Transferencia de material
- Reacciones triboquímicas: Provocar la formación de partículas y residuos
Aplicaciones modernas de la tribología
Desde su enfoque inicial en la mejora del funcionamiento y la prolongación de la vida útil de la maquinaria industrial, la tribología ha evolucionado hacia una amplia gama de aplicaciones que han tenido un impacto en muchos campos:
- La tribología clásica se refiere a la fricción y el desgaste en elementos de máquinas, como: frenos, rodamientos, embragues, cojinetes lisos, ruedas, engranajes, etc.
- En los últimos años, la nanotribología ha cobrado mucha fuerza. En concreto, se centra en los fenómenos tribológicos a escala nanoscópica.
- La tribología espacial se centra en los sistemas tribológicos que funcionan en condiciones ambientales adversas, en particular las derivadas de las fluctuaciones extremas de temperatura en el espacio exterior.
- La tribología verde explora cómo minimizar el impacto en el medio ambiente, así como la forma de reducir la pérdida de eficiencia tribológica mediante el uso de tecnologías con mínimo impacto ambiental.
- El campo de la biotribología examina la lubricación en sistemas biológicos, como las caderas y las rodillas humanas.
- La tribotrónica es una forma de robótica que combina elementos de máquinas y componentes electrónicos para crear sistemas tribológicos activos.
- La tribología computacional modela el comportamiento de los sistemas tribológicos combinando varias disciplinas, como la mecánica de contactos, la mecánica de fracturas y la dinámica de fluidos computacional.
- La geotribología estudia la fricción, el desgaste y la lubricación de los sistemas geológicos, como las fallas y los glaciares.
En esta serie de tres partes, examinamos tres partes principales de la tribología y la aplicación de la tribología en la mecánica. Siga leyendo y analicemos en profundidad la lubricación.