CUADERNILLO DE PRACTICA-2: Determinación y estudio de la fricción en cojinetes:

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1 CUADERNILLO DE PRACTICA-2: Determinación y estudio de la fricción en cojinetes: Alumno:.. DNI:.. Curso: 20. /20. Fecha de ejecución de la práctica: Fecha de entrega del cuadernillo:.. Por el profesor de la práctica.-rafael Sánchez Sánchez NOTA IMPORTANTE: Este cuadernillo deberá entregarse cumplimentado al profesor de la práctica a los 15 días, como máximo, después de la celebración de la misma. Página 1 de 15

2 Práctica sobre el equipo GUNT TM-282: El equipo TM-282 sobre el que vamos a desarrollar la práctica, está disponible en el Laboratorio de Motores, habiéndose adquirido durante el curso 2005/2006 por el Departamento de Ingeniería Minera, Mecánica y Energética de la E.P.S., el cual se muestra en la siguiente figura: El equipo TM-282 ha sido desarrollada y fabricada por G.U.N.T., para permitir a los estudiantes llevar a cabo investigaciones prácticas, con el objetivo de poder determinar de una manera sencilla, las fuerzas de rozamiento en la superficie de un cojinete de deslizamiento sometido a una lubricación hidrodinámica. Ello además permitirá consolidar y perfeccionar los conocimientos sobre esta materia que han aprendido en las sesiones de desarrollo teórico. Página 2 de 15

3 A través de este equipo y su aplicación, podremos investigar los siguientes aspectos sobre rozamiento: - Influencia de velocidad giro, sobre la fuerza de rozamiento. - Influencia de la carga, sobre la fuerza de rozamiento. - Influencia de la temperatura, sobre la fuerza de rozamiento. - Influencia del lubricante, sobre la fuerza de rozamiento. - Determinación del coeficiente de rozamiento para distintas velocidades de giro (compare con las curvas Stribeck ). - Determinación del coeficiente de rozamiento para diferentes cargas. Breve descripción del equipo TM 282: El equipo ha sido concebido como equipo de sobremesa, manejable y compacto. La forma constructiva plana, garantiza una buena estabilidad. Sus componentes son: - Una unidad de control con memoria (1) para medición de la velocidad de rotación y temperatura, y para control de esta velocidad. - Un dispositivo de carga (2) para generar los distintos esfuerzos en el cojinete. - Una palanca graduada para la medida de esfuerzos (3) con peso desplazable (4). - Un contrapeso (5) para compensar el peso propio del dispositivo de medición. - Un engrasador de fieltro (6) para suministro continúo de lubricante. - Un vaso colector (7) que recoge las fugas de aceite. - Una caja terminal de conexiones (8) que hace de interfaz con la unidad de control (1). Por su parte, la unidad de control memorizable, lleva el control y mando del motor y muestra los datos de velocidades de giro y temperaturas. Página 3 de 15

4 - Sobre el panel delantero hay un display digital (1) para la temperatura. La temperatura indicada es la medida en el alojamiento del cojinete, de modo que ésta se aproxima a la temperatura del aceite. - Un segundo display digital (2) indica la velocidad de giro del eje del motor. La velocidad de giro puede ajustarse gradualmente entre 0 y 3000 revoluciones por minuto, a través del potenciómetro (3). - El motor se arranca con el interruptor (4). - En la parte trasera está la clavija de conexión a la red eléctrica, con el interruptor principal (5). También en su parte trasera están los terminales para el motor (6), para la medida de la velocidad de giro (7) y para la conexión térmica (8). Puesta en marcha del equipo: Los alumnos deben seguir los siguientes pasos para poner en funcionamiento el equipo: - Ponga la unidad en una superficie uniforme y plana. - Primero conecte el equipo a la unidad de control. Esto implica el conectar los tres Cables (el cable de alimentación eléctrica, el cable sensor de velocidad, y el cable sensor de temperatura). - Encienda el interruptor del motor y ponga el interruptor del control en APAGADO. - Fije el potenciómetro de control del motor a cero. - Ponga posición de apagado el interruptor principal, situado en la parte posterior de la unidad de control. - Coloque las correas trapezoidales del dispositivo de carga. - Sitúe el colector del aceite en el accesorio. - Retire el engrasador del fieltro y vierta adentro el aceite, posteriormente atornille el engrasador. Página 4 de 15

5 - Finalmente, conecte las conexiones a la parte posterior del control. Desarrollo de la práctica: 1.-Principios teóricos. En los cojinetes de deslizamiento radial sometidos a una fuerza, existe un huelgo entre éste y el eje. De tal manera que la película de lubricante llena este huelgo y se puede mantener entre las superficies del eje y el cojinete. Cuando el eje está parado, el gorrón del eje (parte del eje que gira dentro del cojinete) permanece apoyado en el fondo del cojinete, mientras que el lubricante ocupa la parte superior del huelgo. Por razones del diseño, en este equipo, el cojinete está apoyado realmente en un cojinete reemplazable y no sobre el gorrón del eje en si. Los principios teóricos que desarrollamos a continuación, se basan en realidad en el uso de un cojinete de deslizamiento radial, y por lo tanto las posiciones de éste y el eje se deben considerar como las indicadas en las anteriores figuras. Cuando nuestro sistema está en reposo, la posición descentrada del eje en relación al centro del cojinete da un juego de s/2. El lubricante se sitúa según se muestra en la figura anterior, en forma de media luna. Cuando el eje comienza a rotar, bajo influencia de la fricción, el lubricante arrastrado por el eje, intenta inicialmente moverse en sentido opuesto a la rotación, sobre la superficie del cojinete. Creándose en el huelgo unas zonas de presión/depresión que empujan al gorrón, levantándolo del cojinete, y ocupando el lubricante el nuevo espacio. Al aumentar la velocidad de giro, se vuelve a repetir el efecto anterior, de manera que de nuevo el lubricante vuelve a producir zonas de presión/depresión en el huelgo, que empujan al gorrón centrándolo más con respecto al cojinete, formándose de esta manera, una película homogénea de lubricante entre el gorrón y el cojinete. Cuanto más alta es la velocidad de rotación n del eje, más alta es la velocidad de la corriente del lubricante, más efecto presión/depresión se produce en el huelgo, más lubricante alimenta el orificio del cojinete, aumentando la presión hidrodinámica p, levantando el eje y centrándolo en el cojinete. Por tanto el efecto de la rotación, es la causa inmediata de la lubricación hidrodinámica. Página 5 de 15

6 Si el eje es levantado, entonces h o > h oinic, podemos decir entonces que la fricción fluida está presente. En este caso, el centro del el eje se mueve en la dirección de la rotación del centro del cojinete, de modo que la excentricidad: e = s/2 h o se reduce en relación a cuando estaba parado. Cuando la velocidad de giro aumenta, el centro del eje gira cada vez más cerca del centro del cojinete, después de una trayectoria semicircular, disminuyendo la excentricidad e, y aumentando la capacidad portadora y una posición estable del eje. La acumulación de la presión comienza en el punto más bajo del cojinete, por tanto donde debe estar situado el orificio de entrada en el cojinete debe se en la parte alta, donde exista depresión a fin de que entre el lubricante, continúa aguas abajo por los surcos o ranuras, hasta llevar el lubricante a los flancos. 2.-Ejecución de la práctica Calefacción previa del aceite o lubricante. Antes de efectuar la práctica en sí, debemos hacer trabajar al equipo, para realizar un precalentamiento del lubricante, ya que la viscosidad de éste depende de la temperatura. Para ello, cuando tengamos la unidad preparada para operar con ella: - Aplicaremos la carga máxima en el dispositivo de carga (100N). - Encenderemos el interruptor principal en la parte posterior de la unidad de control. - Encenderemos el interruptor del motor (la lámpara se debe encender). - Aumentaremos lentamente la velocidad del motor hasta las 2000 RPM con el potenciómetro. Cuando la temperatura en el display de la unidad de control alcance aproximadamente los 55 C, la práctica en sí puede comenzar a realizarse. Página 6 de 15

7 2.2.-Descripción del ensayo. Antes de realizar los experimentos, debemos equilibrar el peso (2) y contrapeso de ajuste (4) del brazo graduado. Para ello: -Quite todos los pesos del dispositivo de carga. -Mueva el peso (2) deslizante, al extremo izquierdo del brazo. -Fije la velocidad de giro, de tal modo que el brazo quede levemente levantado a velocidades de giro (n= RPM). -Ajuste el contrapeso de ajuste hasta que las marcas (6) en el brazo (7) se alineen. -Trabe el contrapeso de balance con la tuerca de estrías. NOTA: Para fijar el contrapeso correctamente, se debe ajustar cuando el brazo se levante, a la velocidad de giro más baja posible. La fuerza de fricción en un cojinete depende de varios parámetros. En este equipo vamos a estudiar como influye: la velocidad de giro, la carga, la temperatura, y el lubricante. Por tanto al realizar el ensayo sobre este equipo, deberemos medir y registrar los valores de los distintos parámetros que intervienen en este ensayo, para ello: - fije la carga deseada. - fije la velocidad de giro deseada. - deslice el peso a lo largo del brazo hasta hacer coincidir las marcas. - lea el valor de la escala y anótelo. - lea los valores de la temperatura y anótelos. - vaya variando la velocidad de giro y/o cargas. - repita el procedimiento de las medidas. - etc. Página 7 de 15

8 2.3.-Registro de valores: Los valores medidos en este ensayo, los trasladaremos a la siguiente tabla: Velocidad giro [rpm] Carga aplicada F carga [N] a = a = a = a = a = t = t = t = t = t = a = a = a = a = a = t = t = t = t = t = a = a = a = a = a = t = t = t = t = t = a = a = a = a = a = t = t = t = t = t = a = a = a = a = a = t = t = t = t = t = Tabla.- Distancias al punto cero Con los valores obtenidos de a (distancias al punto cero), podremos calcular fácilmente los momentos respectivos de las fuerzas de fricción, de acuerdo con la siguiente fórmula: M fric = F. a donde: F = 1N (del peso deslizante del brazo) a = distancia del peso en el milímetros Ejemplo: n=1000 RPM; G = 20N; a=192 milímetro M fric =1N 192 m m Página 8 de 15

9 M fric = 192 Nmm Y ahora, con M fric podremos calcular las distintas fuerzas de fricción, de la siguiente manera: F fric = M fric / r donde: r = 15m m (radio del eje) Siguiendo con el ejemplo anterior F fric = 192 Nmm / 15 milímetros F fric = 12,8 N Los resultados de los cálculos que hagamos, los trasladaremos a la siguiente tabla. Velocidad giro [rpm] Carga aplicada F carga [N] Tabla.- Fuerza de fricción F fricc [N] Página 9 de 15

10 Posteriormente, calcularemos los coeficientes µ de fricción, mediante la siguiente fórmula: µ = F fric / F sum siendo F sum = F dispo + 5 F carga Ejemplo: F fric = 12.8 N; F carga = 20 N; F dispo = 25 N µ = 12,8N / (25N N) = 12.8 N / 125 N µ = Y trasladaremos los resultados a la tabla siguiente: Velocidad giro [rpm] Carga aplicada F carga [N] Tabla.- Coeficientes de fricción µ Página 10 de 15

11 2.4.-Preparación de gráficas: Para evaluar los resultados de este ensayo, debemos indicar los mismos de forma gráfica. Para ello con los datos que tenemos recopilados en las anteriores tablas, confeccionaremos las siguientes gráficas: Momento de fricción en Nmm Velocidad de giro en rpm Gráfica.- Momento de fricción M fricc / Velocidad de giro Página 11 de 15

12 Momento de fricción en Nmm Carga aplicada en N Gráfica.- Momento de fricción M fricc / Carga aplicada F carga Página 12 de 15

13 Temperatura en º C Velocidad de giro en rpm Gráfica.- Temperatura T / Velocidad de giro (en carga constante) Página 13 de 15

14 Coeficiente de fricción 0,3 0,25 0, ,1 0, Carga aplicada en N Gráfica.- Coeficiente de fricción µ / Carga aplicada F carga Página 14 de 15

15 2.5.-Evaluación del ensayo. El alumno, a la vista de las anteriores gráficas, expondrá a continuación de manera pormenorizada y justificada sus conclusiones sobre los parámetros que más influyen en la fricción, y aquellos que influyen de manera menos importante. Página 15 de 15