Ciencias Holguín, Revista trimestral, Año XIII, enero-marzo, 2007

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1 Ciencias Holguín, Revista trimestral, Año XIII, enero-marzo, 2007 TITULO: Metodología de cálculo y factores que afectan el coeficiente de fricción externa en los pares tribológicos de la maquinaria agrícola. TITLE: Method for calculation and factors affecting the coefficient of external friction of the tribological joints in agricultural machinery. AUTORES: Ing. Alberto Rodríguez Leyva PAÍS: Cuba RESUMEN: Se abordan algunas consideraciones a tener en cuenta para el análisis del comportamiento del Coeficiente de Fricción Externa de los Sistemas tribológicos presentes en la maquinaria agrícola cuya magnitud está determinada por la variación de los parámetros de diseño de los mismos dado por las propiedades mecánicas de los elementos rozantes y de la selección del proceso de maquinado para obtener la rugosidad superficial requerida, lo cual incide significativamente en la eficiencia y la fiabilidad de las máquinas agrícolas así como en el consumo de combustible y en el grado de contaminación del medio ambiente. PALABRAS CLAVES: MAQUINARIA AGRÍCOLA, COEFICIENTE DE FRICCIÓN EXTERNA, SISTEMAS TRIBOLÓGICOS ABSTRACT: This paper shows some considerations to take into account for the analysis of the Coefficient of External Friction behaviour in the Tribological Systems that form the agricultural machinery which magnitude is liable to the variation of the design parameters. They are point out by the mechanical properties of contacting materials and the machining method choice in order to obtain the surface roughness more effective which affects strongly the reliability and the efficiency of the agricultural Machines. Hence fuel consumption and the environment pollution ratio. KEY WORDS: AGRICULTURAL MACHINES, COEFFICIENT OF EXTERNAL FRICTION, TRIBOLOGICAL SYSTEMS INTRODUCCIÓN La Tribología en su acepción más amplia es la ciencia y la técnica de los sistemas en movimiento que se encuentran en contacto mutuo y así comprende la Fricción, el Desgaste y la Lubricación además de otros aspectos relacionados con la Física, la Química, las ingenierías etc. Las principales consecuencias de la Fricción son el Desgaste y la pérdida de energía. La evaluación de las pérdidas originadas por la deficiente aplicación de los conocimientos tribológicos ha dado origen a muchos estudios. Existe Ciencias Holguín ISSN

2 Rodríguez actualmente la preocupación acerca de la utilización más eficiente de los Portadores Energéticos en medio de una crisis energética que se agudiza cada vez más por el agotamiento acelerado de los combustibles fósiles y un deterioro pronunciado del Medio Ambiente a escala global. Ejemplificando lo anteriormente expuesto se tiene que en el Reino Unido por la correcta aplicación de los principios tribológicos se pudiera ahorrar anualmente una cantidad no inferior de 515 millones de libras. El ministerio de investigación tecnológica de la República Federal de Alemania estima un ahorro de de euros. En Estados Unidos solamente el ahorro de energía mediante aplicaciones tribológicas se ha calculado en 1,2 billones de dólares en igual periodo. Esto ha dado al establecimiento oficial de una Estructura para la conservación de la Energía a través de la Tribología. Por lo tanto para llegar a una optimización hay que disminuir la Fricción y el Desgaste y emplear los mejores materiales y lubricantes así como la tecnología de fabricación más factible. Tales progresos de la Tribología contribuirían al ahorro de energía, por ejemplo con la mejora del ciclo térmico gracias al uso de mayores presiones y temperaturas de trabajo se garantiza que la combustión se realice de forma completa aprovechándose el poder calórico del combustible empleado y una disminución de la emanación de residuos nocivos de la combustión a la atmósfera. También hay que señalar que esta energía producida se transforma y se distribuye con mayor eficiencia y las máquinas pueden ser más fiables. En las concepciones modernas de Tribología no se concibe la formulación de la solución de un problema sin tener en cuenta todos los aspectos concernientes a los contactos fricciónales, temperatura, propiedades mecánicas, rugosidad superficial etc. que conforman el Sistema Tribológico y que antes se analizaban de forma aislada. En Cuba el estudio de la Tribología como ciencia es algo nuevo, comenzando el mismo a finales del siglo pasado. Si en nuestro país se aplicara los principios tribológicos se pudiera ahorrar millones de pesos y dólares por concepto de piezas de repuesto y el consumo de energía. La economía cubana ha estado sustentada en gran medida por las producciones agrícolas con una amplia variedad de productos para el consumo nacional y en el mercado internacional donde el cultivo de la caña de azúcar ha sido su principal pilar. A partir de 1959 la agricultura en nuestro país se ha mecanizado a un ritmo vertiginoso en una gama amplia de variedades de actividades de preparación de suelos, siembra y cosechas de productos de todo tipo. Contándose con un número considerable de equipos e implementos para estos fines.los mismos están formado por sistemas tribológicos que garantizan su funcionabilidad, podemos citar como ejemplo, la Cosechadora de Caña de Azúcar KTP la cual esta constituida por: transportadores, ventiladores, fuente de energía, tren de rodaje, accionamiento hidráulico y mecánico. Por lo que en este trabajo se aborda la influencia de las propiedades mecánicas y la rugosidad superficial de los pares tribológicos en la magnitud del Coeficiente de fricción Externa principal causa de los problemática planteada anteriormente. Año XIII, enero-marzo,

3 Metodología de cálculo y factores que afectan el coeficiente de fricción externa en los pares tribológicos de la maquinaria agrícola. MATERIALES Y METODOS. Este trabajo se realizó por medio de la consulta bibliográfica y de expertos de la materia señalada. Se utilizó como métodos de investigación los siguientes: Análisis-Síntesis Inductivo-Deductivo RESULTADOS DEL TRABAJO A través de este se plantea la metodología de cálculo y criterios técnicos necesarios para caracterizar el Coeficiente de fricción Externa durante el diseño y reparación de las Máquinas Agrícolas. FACTORES DE DISEÑO QUE AFECTAN EL COEFICIENTE DE FRICCION EXTERNA. Primeramente realizaremos una explicación breve acerca de la fundamentación teórica para adentrarnos en el tema en cuestión. Para la explicación de la interacción de los sólidos en contacto que tienen un deslizamiento relativo (Ej. Cojinete de deslizamiento y árbol) ha encontrado un extensivo uso la Teoría Mecánica-Molecular desarrollada por los soviéticos I.V.Kragelski, Milin, Denkin y otros especialistas de otras naciones. Esta teoría plantea que el Coeficiente de Fricción Externa es la sumatoria de dos términos la Componente Molecular o Adhesiva Fml y la Componente Mecánica o Deformacional Fmc Como se muestra en la fórmulación siguiente. La primera es la resistencia al deslizamiento relativo de las capas superficiales deformadas producto a las interacciones moleculares que se detectan en las zonas de contacto de los cuerpos y que son de corto alcance, del orden de las dimensiones atómicas. Mientras la segunda es la resistencia de las capas superficiales a la deformación durante el deslizamiento esta se desarrolla debido a la penetración de las asperezas del cuerpo más duro en el cuerpo más blando del par formándose surcos o estrías, el material se fortalece y se acumula frente a la irregularidad. El valor total del coeficiente de fricción esta sujeto al predominio de una u otra. Para hacer un análisis más exacto de la variación del coeficiente de fricción Externa en función de lo anteriormente expuesto se debe considerar también que el rango de la magnitud de este depende del tipo de contacto micro geométrico según el estado tensional que puede ser caracterizado por el índice de plasticidad f propuesto por Greenwood y Willianson en el año 1966, este está dado por la relación dada en la fórmula siguiente. Ciencias Holguín ISSN

4 Rodríguez El Contacto Elástico : Tiene lugar cuando los esfuerzos máximos en la aspereza que ha penetrado más profundamente son menores que la Dureza HB del material más blando del par. El Contacto Plástico tiene lugar cuando el valor promedio de los esfuerzos normales en las Áreas de contacto entre las asperezas superficiales alcanza el valor de la Dureza Brinell del material deformado más blando. Ambos contactos pueden ser No Saturados y Saturados. Desde el punto de vista ingenieríl es necesario lograr que el contacto entre las superficies rozantes sea Elástico el cual es No Saturado cuando es entre elementos metálicos con alto Módulo de Elasticidad E, mientras que se logra el estado de saturación en un par constituido por un elemento metálico y otro de bajo Módulo de Elasticidad como son los fluoro plásticos y los polietilenos. Por lo que la formulación para el cálculo del Coeficiente de Fricción Externa partiendo de la fórmula 1.1 es como se muestra: Año XIII, enero-marzo,

5 Metodología de cálculo y factores que afectan el coeficiente de fricción externa en los pares tribológicos de la maquinaria agrícola. El Coeficiente de Fricción Externa en este tipo de contacto varía con el Módulo de Elasticidad debido a que como se muestra en las fórmulas 1.5 y 1.7 Fml para la mayoría de los acabados superficiales típicos decrece con el incremento del Módulo de Elasticidad lo cual es resultado de la disminución del área real de contacto.mientras que Fmc, fórmulas 1.6 y 1.8 disminuye sensitivamente con el aumento del Módulo de Elasticidad del cuerpo más blando del par por la disminución de la penetración de las asperezas del cuerpo más duro en el más blando y además el coeficiente de pérdidas por histéresis a también disminuye como ocurre en la mayoría de los metales por lo que al Ciencias Holguín ISSN

6 Rodríguez lograrse esta condición el Coeficiente de Fricción Externa puede ser llevado a valores muy bajos si se aplica un régimen de lubricación adecuado. Este comportamiento es similar para los estados de saturación y de no saturación. La Rugosidad Superficial juega un importante papel en la variación del Coeficiente de Fricción y esto está sustentado en la diferencia de dureza entre los sólidos en contacto que conlleva a que las asperezas del cuerpo más duro penetren en el más blando y como las deformaciones del cuerpo más duro son insignificantes es su rugosidad superficial la que se analiza. Como se puede observar de las fórmulas anteriores con el aumento del parámetro Complejo de la Rugosidad la Fml disminuye por la disminución del radio de curvatura r de las irregularidades de la superficie y a su vez el área de contacto en tanto que la Fmc aumenta debido a que esta disminución de r provoca una mayor penetración de las asperezas. El coeficiente de fricción Externa estará dado por la proporción en que varíen Fml y Fmc. Durante el contacto Elástico No Saturado F varía con? pasando por un mínimo que debe ser logrado con la selección del método de maquinado óptimo. Por lo tanto se debe lograr conjugar las propiedades mecánicas del cuerpo más blando con el acabado superficial del cuerpo más duro de manera que el Coeficiente de Fricción Externa sea el mínimo para obtener un decrecimiento en la Intensidad de Desgaste y por tanto una disminución de las pérdidas energéticas en los pares tribológicos de las máquinas agrícolas como muestran las figuras 1 y 2. Este análisis es necesario realizar durante la etapa de diseño y reparación de estos equipos. CONCLUSIONES 1. Si se realiza la selección correcta de los parámetros de diseño se puede reducir las pérdidas energéticas en los contactos fricciónales de los sistemas tribológicos de las máquinas agrícolas. Año XIII, enero-marzo,

7 Metodología de cálculo y factores que afectan el coeficiente de fricción externa en los pares tribológicos de la maquinaria agrícola. 2. La condición de Contacto Elástico es imprescindible para lograr valores bajos del Coeficiente de Fricción Externa. 3. El Coeficiente de Fricción Externa varía inversamente con el Módulo de Elasticidad. 4. Durante el maquinado de piezas componentes de un Sistema Tribológico se debe obtener un valor de Rugosidad Superficial donde el Coeficiente de Fricción Externa sea mínimo. RECOMENDACIONES Aplicar los fundamentos de la Tribología en el diseño y reparación de la maquinaria agrícola. BIBLIOGRAFÍA 1. Delgado Poche, Juan. La Tribología y su importancia económica. Mantenimiento, ingeniería industrial y edificios (Madrid) 144(1):47-50; mayo Directions in Tribology. Mechanical Engineering ( EEUU) 10:52; oct Introducción a la Tribología. [documento en línea] [consultado 14 jun.2006]. 4. Kragelsky.I.V. Friction wear lubrication. Moscú: Ediciones Mir, p 5. Martínez Escanaverino, José. Teoría y práctica del rozamiento. La Habana : Editorial Pueblo y Educación, p. 6. Maquinaria Agrícola. [documento en linea] [consultado 29 jun.2001]. 8. Tribología. Metalube. [documento en línea] [consultado: 16 jun.2006]. 9. Tribología: práctica diaria en la industria: STLE. [documento en línea] Error! Vínculo no válido. Tribología y Lubricación: solo mantenimiento [documento en línea] [consultado 14 jun.2006]. 10. Tribología. [documento en línea] [Consultado: 16jun. 2006]. 11. Tribología. CIDETEQ. [consultado 16 jun.2006]. 12. Centro Virtual de Tribología (VTI).WearCheck Iberia. [consultado 14 jun.2006]. 13. Tribologia. [documento en línea] ml [Consultado: 16 jun.2006]. Ciencias Holguín ISSN

8 Rodríguez DATOS DE LOS AUTORES Nombre: Ing. Alberto Rodríguez Leyva Centro de trabajo: Dirección de Economía y Planificación. Libertad # 227 TELEFONO: , Centro de Información y Gestión Tecnológica (CIGET), Todos los derechos reservados Última actualización: 29 de Marzo del 2010 Año XIII, enero-marzo,