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La tribología, del griego tribo frotar o rozar es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación que tienen lugar durante el contacto entre superficies sólidas en movimiento. El movimiento relativo entre dos superficies en contacto ya sea movimiento de deslizamiento, de rodadura o de pivotamiento; hace que estas irregularidades choquen entre sí oponiendo una resistencia al movimiento este efecto se denomina rozamiento o fricción, que provoca pérdidas de energía, y produce desgaste de las superficies. Para controlar, que no necesariamente reducir, esa fricción y reducir el desgaste debemos utilizar lubricación entre las superficies en contacto. Por lo tanto, la tribología es la ciencia que estudia estos tres conceptos: fricción, desgaste y lubricación.
Fricción
Cualquier superficie, por muy pulida que nos parezca, siempre presenta numerosas irregularidades visibles al microscopio, estas irregularidades dependen de la naturaleza del material y de su acabado superficial. Se considera a Leonardo da Vinci el precursor del estudio de la fricción al estudiar el movimiento de un bloque rectangular que desliza sobre una superficie plana, pero es el siglo XVII cuando el físico francés Guillaume Amontons enunció las leyes del rozamiento estudiando el deslizamiento seco de dos superficies planas. Las leyes de Amontons son las siguientes:
- La fuerza de rozamiento se opone al movimiento de un bloque que desliza sobre un plano Es decir, es una fuerza inteligente que cambia de dirección y de sentido según cambia el movimiento del bloque.
- La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal que ejerce el plano sobre el bloque De donde se deduce que su valor es: Fk = mk * N En el que mk es el coeficiente de fricción cinemático entre las superficies en contacto, que se obtiene de forma experimental, y N es la componente normal de la fuerza total aplicada sobre el bloque.
- No depende del área aparente de contacto Como sabemos por los métodos de cálculo que utilizamos para obtener el valor de la fuerza de rozamiento.
Desgaste
Se puede definir el desgaste como la eliminación, daño o transferencia de material de superficies sólidas o entre ellas. Aunque la definición es clara no parece fácil clasificar los diferentes modos de fatiga, principalmente porque no es fácil distinguir entre causa del desgaste y los síntomas del desgaste. Aunque existen varias clasificaciones de modos de desgaste en este documento utilizaremos los de la Norma ISO 15243:2017 Rodamientos – Daños y fallos – Términos, características y causas. De acuerdo con esta norma, los modos de fallos en los rodamientos son los siguientes:
Modos de fallo
- Fatiga, producida por tensiones muy repetitivas que producen flexión en las superficies.
- Fatiga subsuperficial, este efecto produce grietas por debajo de la superficie, estas crecen y cuando alcanzan la superficie suponen pérdida de material.
- El fatiga superficial, este efecto produce grietas en la superficie.
- Desgaste, es la eliminación progresiva de material de las superficies.
- Desgaste abrasivo, se produce cuando asperezas de una superficie o la presencia de partículas contaminantes duras rayan una superficie más blanda.
- El desgaste adhesivo se produce cuando hay transferencia de material, debido a microsoldaduras, entre dos superficies en contacto.
- Corrosión, producida por reacciones químicas en las superficies.
- Corrosión húmeda, supone pérdida de material de las superficies debido a reacciones químicas con un fluido.
- La corrosión friccional, es un desgaste producido por micro movimientos y vibraciones.
- Corrosión por frotamiento, el desgaste por micro movimientos de asperezas se ve acompañado de corrosión húmeda.
- Falsa penetración, se producen pequeñas deformaciones, incluso en cargas estáticas.
- Erosión eléctrica, es la pérdida de material producida por el paso de corriente eléctrica.
- Exceso de voltaje, producida por el paso continuo de corriente eléctrica de una superficie a otra.
- Fugas de corriente, producida por descargas puntuales de corriente eléctrica sobre las superficies.
- Deformación plástica, producida por cargas que superan el límite elástico del material.
- Sobrecarga, debida a cargas estáticas o cargas de choque.
- Deformación por virutas, debida a terceras partículas atrapadas entre las superficies.
- Deformación por manipulación, debida a un mal montaje y manipulación de los elementos implicados.
- Fractura y fisuras, debida a cargas que superan la tensión última del material.
- Fractura forzada, producida por una concentración de tensiones excesiva.
- La fractura por fatiga, producida por cargas que superan el límite a fatiga del material.
- Fisuras por temperatura, producidas por exceso de temperatura en el material.
Desgaste en norma ANSI
Por su parte, la Norma ANSI/AGMA 101-E95 Apariencia de dientes de engranajes – Terminología de desgaste y fallos, define los siguientes modos de fallo en engranajes:
- Pitting: proceso de fatiga que se produce en o bajo la línea de paso de los dientes de los engranajes.
- Fractura: producida por vibraciones, sobrecargas o desalineamientos.
- Adhesión: producida por transferencia de material debida a micro-soldaduras, entre los dientes de una pareja de engranajes.
- Scuffing: se produce por un desgaste adhesivo en el deslizamiento de los dientes de una pareja de engranajes operando a temperaturas muy elevadas a velocidades medias o altas.
- Desgaste abrasivo: producido por desalineamiento en los engranajes, que produce un contacto mayor en algunas zonas de los dientes.
- Pulido: producido por micro vibraciones debidas por desalineamientos.
- Desgaste corrosivo: por reacciones químicas con elementos en contacto con los engranajes.
- Cavitación: por burbujas producidas en los fluidos en contacto con los engranajes por perdidas de presión acompañadas de excesos súbitos de temperatura.
- Desgaste eléctrico: por paso de corriente eléctrica entre los engranajes.
Lubricación
La lubricación es el procedimiento que permite controlar la fricción y reducir el desgaste, el material utilizado para este propósito se denomina lubricante y puede ser líquido (aceite lubricante), semisólido (grasa lubricante), pasta, seco (sólido), laca, gaseoso o, incluso, puede tratarse de un nanolubricante.
La forma de operar de este lubricante es proporcionar una película capaz de separar, total o parcialmente, las superficies en movimiento relativo, de manera que se evite el contacto entre ellas, así como asilarlas de elementos que puedan provocar corrosiones, aislarlas eléctricamente y refrigerarlas; en algunos casos se exige que además limpien las superficies, transmitan presión, eliminen partículas de desgaste, transmitan calor y sellen holguras.
De modo general, un lubricante es un fluido que se compone de dos elementos: Aceite base y Aditivos. El aceite base es el componente fundamental de un aceite lubricante, de su calidad va a depender sus propiedades y su duración, ya que supone entre el 80 % y el 95 % de su contenido, y de modo general tienen origen petrolífero, aunque también puede tener una base vegetal, animal o, incluso, de base agua.
Las bases de origen petrolífero se clasifican en función de su contenido en parafinas e iso-parafinas, distinguiendo entre nafténicas (entre 42 % y 50 % de parafinas), que aportan bajo índice de viscosidad y buen comportamiento a baja temperatura, neutras (entre 50 % y 56 %) y parafínicas (entre 56 % y 67 %) que aportan un elevado índice de viscosidad y un comportamiento pobre a bajas temperaturas.
El American Petroleum Institute API clasifica las bases por su contenido en azufre, en saturados y su índice de viscosidad. En esta clasificación las bases de los Grupos I, II y III se obtienen mediante refino, aunque en algunos casos se puede acompañar de procesos de hidroprocesado.
Conocimiento de la maquinaria como base de la ingeniería
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