trabajo de diploma título: diseño y fabricación de máquina

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

TRABAJO DE DIPLOMA

Título: Diseño y fabricación de máquina de ensayo

para desgaste según norma ASTM G 65.

Autor: Omar Zamora Morera.

Tutores: Dr. Luis I. Negrín Hernández

Santa Clara, 2013

RESUMEN

En este trabajo se construyó una máquina denominada “rueda de caucho – arena seca” de

acuerdo a la norma ASTM G 65, con el fin de determinar el desgaste abrasivo de diferentes

materiales. El daño por desgaste que conlleva la pérdida de material es tal vez la situación

más sencilla de describir cuantitativamente. Los ejemplos más comunes incluyen desgaste

abrasivo en el manejo de materiales sólidos, como ocurre en la industria minera. La pérdida

por desgaste puede ser determinada mediante medición de masa, midiendo el cambio, ya

sea en masa o cambio dimensional. La norma de desgaste abrasivo como la ASTM G 65 es

utilizada ampliamente por la industria para ayudar en la selección de materiales para el

servicio de desgaste abrasivo. Las opciones de cargas y las distancias de deslizamiento se

detallan en los métodos de ensayo A B C D y E descritos en esta norma. La medición del

cambio de masa por este método de ensayo suele ser rápida y barata y los costos del

material pueden ser bajos. Además la superposición de soldadura, recubrimientos, cerámica,

materiales compuestos y muchos otros tipos de materiales pueden ser estudiados con este

método.

ABSTRACT

This work was built a machine called “dry sand/rubber wheel” according to the standard

ASTM G 65, in order to determine the abrasive wear of diferent materials. The damage by

attrition entailing the loss of material is perhaps the simplest to describe quantitatively. The

most common examples include abrasive wear in the management of solid materials, as in

the mining industry. The loss by attrition can de determined by measuring mass by measuring

the change, either mass or dimensional change. The rule of abrasive wear as ASTM G 65, it

is widely used by industry to assist in the selection of materials for the service of abrasive

wear. The options for the loads and distances sliding detailed in the A B C D and E test

methods described in this standard. The measurements of mass change of this test method is

usually quick and cheap, and the costs of materials can below. Besides the overlay welding

materials, coatings, ceramics, composite materials, and many other types of materials can be

studied by this methods.

INDICE Introducción ………………………………………………………………………………. 1 Capítulo I: Marco teórico Referencial ........................................................................ 4 Introducción ............................................................................................................. 4 1.1 Antecedentes de la fricción y desgaste ……………………………………………. 4

1.2 Historia de la fricción y del desgaste ………………………………………………. 5

1.2.1 Concepto de fricción y desgaste …………………………………………………. 6

1.2.2 Tipos de desgaste …………………………………………………………………. 7

1.2.3 Métodos para determinar el Desgaste …………………………………………... 8

1.3 Topografía de superficies…………………………………………………………... 9

1.3.1 Contacto de sólidos ……………………………………………………………….. 10

1.4. Teoría molecular de la fricción y del desgaste …………………………………… 10

1.4.1 Desgaste por abrasión……………………………………………………………. 11

1.4.2 Desgaste por adherencia…………………………………………………………. 12

1.4.3 Desgaste por fricción……………………………………………………………… 12

1.5. Efecto de la temperatura y la velocidad…………………………………………… 13

1.5.1 Efecto de la carga y la distancia de deslizamiento …………………………… 13

1.5.2 Solubilidad…………………………………………………………………………. 14

1.5.3 Estructura cristalina. 15

1.6 Tipos de máquinas para realizar ensayos de desgaste. 15

Conclusiones Parciales 16

Capítulo II: Valoración de los aspectos estipulados en la norma ASTM G 65 17

2.1 - Procedimiento para el estudio de la resistencia al desgaste de materiales

bajo ensayo de abrasión tipo arena seca – rueda de caucho……………………..

17

1 - Alcance del procedimiento ………………………………………………………… 17

2- Documentos de Referencia………………………………………………………… 18

3. Resumen del procedimiento del ensayo ………………………………………….. 18

4 - Importancia y Uso del procedimiento …………………………………………….. 19

5. Máquina de Ensayo. Descripción general…………………………………………. 19

6 – Probetas para el ensayo y su preparación, Abrasivo y sus características. 21

7 – Materiales y equipos complementarios para la realización del ensayo……… 23

8 - Cálculos y Reportes ………………………………………………………………… 23

9 – Precisión de los resultados de los ensayos de laboratorio……………………. 24

2.2 Análisis estadístico de los resultados de los experimentos…………………. 25

Conclusiones Parciales 29

Capítulo 3. Proceso de fabricación de la máquina ………………………………….. 30

3.1. Introducción. 30

3.2. Diseño y Proceso de construcción de la máquina ……………………………… 30

3.3. Variables de diseño …………………………………………………………………. 30

3.4. Dimensionamiento de la rueda……………………………………………………. 31

3.5. Proceso de diseño ………………………………………………………………….. 31

3.6. Diseño del sistema mecánico ……………………………………………………… 31

3.6.1 Sistema de sujeción de la probeta……………………………………………… 31

3.6.2 Sistema de carga …………………………………………………………………. 32

3.6.3 Sistema de transmisión de potencia …………………………………………… 33

3.6.4 Estructura del banco …………………………………………………………….. 34

3.7. Proceso de fabricación ……………………………………………………………. 35

3.7.1 Hojas de ruta………………………………………………………………………. 35

3.8. Beneficios y utilidad de la máquina fabricada …………………………………… 43

3.8.1. Valoración económica…………………………………………………………… 43

Conclusiones parciales 43

Conclusiones Generales…………………………………………………………………. 44

Recomendaciones……………………………………………………………………….. 45

Bibliografía………………………………………………………………………………… 46

Introducción ____________________________________________________________________

1

Introducción. Una primera definición estudiando la etimología de la palabra Tribología, viene del

griego y su raíz Tribo significa frotamiento, por lo tanto es la ciencia encargada del

estudio del frotamiento. La definición exacta, es la de ciencia que estudia como

interactúan dos o más superficies en contacto y en movimiento relativo. Las

interacciones en lo que podíamos denominar como interfase tribológica son

muchas y complejas. Su estudio requiere un amplio conocimiento en disciplinas

como física, química, mecánica del estado sólido, ingeniería de materiales, diseño

de maquinaría, etc.

Los daños ocasionados por el desgaste de piezas en equipos industriales, llevan

continuamente a cambio de partes en la maquinaria, provocando tiempos de

parada de la producción generalmente grandes. Es por esto, que se deben

proponer estudios serios relacionados con el área de la tribología. Así cuando se

adopta un adecuado método de evaluación para los diferentes materiales y

equipos de acuerdo a su ciclo de trabajo, se puede predecir fallas futuras

conservando con esto la productividad, la seguridad industrial y la disminución de

costos [2, 4, 5, 6].

La modelación a nivel de laboratorio de los procesos tribológicos es de gran

importancia, porque posibilita la correcta selección de los materiales a usar en

uniones fricciónales y contribuye al ahorro de materiales e incremento de la

durabilidad de los mismos.

Con esta percepción de las necesidades requeridas en la industria, se han

desarrollado métodos capaces de realizar pruebas que puedan ser reproducibles

en cualquier lugar. Debido a esto, organizaciones como la ASTM, DIN, ISO, entre

otras, han estandarizado estas técnicas, logrando con esto, el conocimiento

general de las condiciones de funcionamiento de las máquinas, de sus

dimensiones y de todos los parámetros de operación durante la realización de los

ensayos.

En la facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Central “Marta Abreu de

Las Villas” no se cuenta en estos momentos con un laboratorio de Tribología, que

Introducción ____________________________________________________________________

2

permita hacer ensayos de desgaste en pares tribológicos ni con fines

investigativos ni docentes. Para llegar a tener este laboratorio es necesario el

diseño y fabricación de las máquinas que lo conformarán.

Por tal razón se realiza el presente trabajo, que tiene como objetivo general:

Diseñar y fabricar una máquina tipo “arena seca – disco de caucho” según

la norma ASTM G 65.

Los objetivos específicos son:

Identificar aquellos elementos teóricos existentes en la literatura

especializada nacional e internacional de la temática objeto de estudio.

Hacer una valoración de la norma ASTM G 65 para el montaje de una

instalación experimental tipo arena seca- disco de caucho.

Diseñar y fabricar una máquina tipo arena seca –disco de caucho.

Hacer una valoración económica de la máquina fabricada.

Entre los principales aportes de la tesis se pueden señalar:

El valor teórico se constatará en que se define las bases teóricas que sustenten

la concepción, para el diseño y fabricación de la máquina de ensayos para

desgaste tipo arena seca – rueda de caucho.

El valor metodológico de la misma que a partir de las normas y procedimientos

internacionales existentes sirven de base para el diseño y fabricación de la

máquina de ensayos para desgaste tipo arena seca – rueda de caucho.

El principal aporte práctico de esta investigación es que el diseño y fabricación

de la máquina de ensayos para desgaste tipo arena seca – rueda de caucho sirve

para el desarrollo de investigaciones y como medio de enseñanza para

estudiantes y profesores de la carrera Ingeniería Mecánica, y formará parte del

laboratorio de tribología que se pretende crear.

Este trabajo cuenta con tres capítulos, estructurados de la siguiente forma:

Introducción ____________________________________________________________________

3

Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. Donde se presentaran los conceptos

teóricos básicos para el desarrollo del trabajo, basándose en la investigación del

estado del conocimiento científico alcanzado acerca del tema hasta el momento.

Capitulo 2: Valorar los aspectos estipulados en las diferentes normas y

procedimientos internacionales.

Capitulo 3: Propuesta de diseño y fabricación de una máquina de ensayos para

desgaste tipo arena seca – rueda de caucho.

Por último se emiten una serie de conclusiones y recomendaciones que finalizan

el informe.

Capítulo 1. Marco Teórico Referencial. . ____________________________________________________________________

4

Capítulo I: Marco teórico Referencial. Introducción. El objetivo del presente capítulo, es presentar la revisión bibliográfica que sustenta la

investigación realizada. A partir del estudio de la literatura especializada en el área del

conocimiento de la organización y las estructuras. Para su desarrollo se realizaron

análisis de diversos contenidos de concepciones teóricas que sustentan formas de

proceder para el diseño y construcción de la máquina de ensayos y que se ajusten a

las normas establecidas.

Los estudios de laboratorio sobre el desgaste se realizan en condiciones controladas

que simulan los movimientos observados en situaciones reales, antes de efectuar

dichas pruebas debe tenerse una buena base teórica sobre las variables que afectan

al desgaste y el comportamiento de la fricción en los materiales.

El presente documento contiene los fundamentos teóricos necesarios para

comprender al desgaste y la fricción, comienza nuestra lectura con una introducción a

los estudios d e d ic h o s p r o c e s o s , en ellos se describe su historia desarrollo y

teorías postuladas por diferentes investigadores.

Luego se definen los tipos de desgaste más importantes tales como adhesión,

abrasión y fricción, y sus respectivas ecuaciones. En la parte siguiente se describen

las variables que afectan al desgaste según los resultados obtenidos por diferentes

investigadores. Las variables a tener en cuenta son: la velocidad, la temperatura, la

carga, la distancia de deslizamiento, la solubilidad, y la estructura cristalina.

Seguidamente se presentan diagramas de máquinas de desgaste, así como también

dos tipos de máquinas tipo espiga sobre disco que son distribuidas por

laboratorios en el exterior.

1.1 Antecedentes de la fricción y desgaste.

Cuando dos sólidos están en contacto directo que ocasione fuerzas de acción y


5

reacción en ellos, pueden decirse que sufren una interacción en la superficie. Si la

superficie de esos sólidos no es perfectamente lisa, el contacto entre sus superficies

sólo ocurre en ciertos puntos donde aparece un área aparente y un área real de

contacto. En el área real de contacto el esfuerzo normal aplicado es alto y por

tanto se formarán uniones o juntas las cuales se romperán al iniciarse el

movimiento, la fuerza necesaria para romper estas uniones es una medida de la

fricción. A medida que se rompen las uniones aparecerán residuos de desgaste

entre ambas superficies. Para comprender el desgaste, es indispensable estudiar la

naturaleza de las superficies. El grado de deformación superficial de los sólidos

representa una parte fundamental en el mecanismo de fricción y desgaste, por lo que al

analizar la naturaleza y cantidad de desgaste se deben estudiar los esfuerzos de

contacto y los tipos de movimiento [1, 7].

1.2 Historia de la fricción y del desgaste.

La primera aplicación práctica de la fricción fue para producir fuego, la cual tiene sus

raíces en la prehistoria. Luego fue empleada en trineos, rodillos o ruedas utilizando a

menudo lubricantes líquidos con el propósito de minimizar el trabajo exigido al

transportar objetos pesados, esto data desde antes de nuestra era.

Mucho después de la aplicación de la fricción, aparece su estudio científico. De hecho

el conocimiento de la fricción cinética y la fricción dinámica, data del siglo XVII con la

primera ley de Newton.

Entre los primeros investigadores de la fricción están Amontons (1699),

Coulomb (1785), y Morin (1833), los cuales postularon que la fricción es debida al

enclavamiento de las protuberancias mecánicas o asperezas en las superficies de los

materiales en contacto, de esta manera se pudo explicar por qué la fuerza de

fricción es proporcional a la carga e independiente del área de contacto. Esta

explicación fue llamada hipótesis de aspereza. Sin embargo, también consideraron

una explicación alternativa, la cual establece que ésta es debido a fuerzas adhesivas

entre las superficies en contacto. A esta última explicación se le llamo hipótesis de


6

adherencia, lo cual implica que la fricción es proporcional al área de contacto, lo

cual es contrario a la evidencia experimental.

La hipótesis de aspereza fue la más aceptada en el siglo XIX y XX. En 1920 surge

de nuevo el interés de estudiar la hipótesis de adherencia, donde se desarrolló el

estudio atómico de las superficies al inicio del siglo XX, examinando las propiedades

de fricción de superficies con grados diferentes de contaminación. Las diferencias de

fricción producidas al variar la contaminación parecían explicar la hipótesis de

adherencia, en lugar de la hipótesis de aspereza estas dificultades fueron aclaradas

por tres grupos diferentes de investigadores: Holm (1938) Ernst y Merchant (1940)

y Bowden y Tabor (1942). Estos investigadores señalaron que había una diferencia

crucial entre el área aparente y el área real de contacto, y que sólo el área real

de contacto determinaba la magnitud de la fuerza de fricción ya que el área real podría

mostrar que es proporcional a la carga e independiente del área aparente, la hipótesis

de adherencia puede ahora explicar los resultados experimentales, ya que la fuerza

de fricción es independiente del área de la superficie aparente.

Desde entonces, ha ido en aumento el interés en el proceso de la fricción y los estudios

de la manera como se produce la fuerza de fricción.

A partir de 1940 se comenzó a estudiar el desgaste gracias al desarrollo de la era

nuclear, en la cual se crearon dispositivos Radiotrazadores con dicho propósito.

1.2.1 Concepto de fricción y desgaste.

El proceso de desgaste es el deterioro sufrido por dos superficies en contacto a causa

de la interacción de sus rugosidades superficiales, esta interacción depende de la

magnitud de la fuerza de presión que tiende a mantener en contacto ambas superficies.

Fricción es la resistencia al movimiento que se produce cuando dos objetos sólidos

que se encuentran en contacto, son puestos en movimiento relativo uno con

respecto del otro [7].


7

1.2.2 Tipos de desgaste.

El desgaste se clasifica de acuerdo a la naturaleza de las superficies en contacto:

1. Metal contra metal

2. Metal contra no metal

3. Metal contra fluido.

Ya que la naturaleza de las superficies en contacto puede cambiar o una lubricación

que era adecuada podría fallar posteriormente; por esta razón la clasificación anterior

pierde validez al aplicarla en situaciones reales, por ello se clasifica al desgaste

aplicando la terminología de Burwell (1958) Según Burwell los tipos principales de

desgaste son: por adhesión, por abrasión, por erosión, por cavitación y por vibración

por adhesión ocurre cuando dos superficies se deslizan una sobre la otra o existe una

presión que mantiene unidas a dichas superficies. La tendencia de dos superficies en

contacto a adherirse proviene de fuerzas de atracción que existe entre los átomos de

la superficie de ambos materiales. Si estas dos superficies en contacto son

separadas posteriormente mediante la aplicación de una fuerza normal o tangencial,

las fuerzas de atracción entre los átomos generan un esfuerzo que causa el

desprendimiento de material de una superficie hacia la otra.

El desgaste por abrasión tiene lugar cuando estén presentes partículas extrañas

duras entre las superficies en contacto. Las partículas abrasivas actúan como

herramienta de corte, removiendo material de la superficie. Estas partículas pueden

proceder del ambiente o como consecuencia de un proceso de corrosión.

Fig.1.1. Movimiento de partículas abrasivas.


8

El desgaste por erosión es causado por un fluido a alta presión con partículas

sólidas en suspensión las cuales al impactar sobre una superficie arrancan material

de ella. La pérdida de material puede ser significativa, provocando roturas por fatiga. El

grado de desgaste tiene relación con el ángulo de incidencia de la partícula con

respecto a la superficie.

Fig.1.2. Desgaste por erosión.

El desgaste por cavitación se origina en superficies entre las que existe fluido, el

cual da origen a la formación de burbujas de vapor cuando éste llega a una presión

menor que la presión de vapor. Estas burbujas son transportadas por el fluido hasta

una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de forma

súbita aplastándose bruscamente las burbujas. Si las burbujas de vapor se encuentran

cerca o en contacto con una de las superficies cuando cambian de estado se

producen presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras en dicha superficie.

El desgaste por vibración se produce entre dos superficies que tienen

movimiento oscilatorio relativo de pequeña amplitud, del cual se forman partículas

abrasivas que originan cavidades en la superficie.

1.2.3 Métodos para determinar el Desgaste.

Entre los métodos más utilizados en la determinación del desgaste se tienen los

siguientes:

a) El método del peso consiste en pesar el componente a ser examinado, para ello

dicho componente debe limpiarse cuidadosamente (generalmente se usan

solventes como acetona), y luego se pesa.


9

b) El método de medición mecánica utiliza un micrómetro, el cual se utiliza para

realizar las mediciones necesarias para el cálculo del área dejada por la

espiga. Este método es usado cuando se estudia el desgaste en componentes

de gran tamaño.

c) El método óptico consiste en hacer una pequeña indentación con un

microdurómetro en la superficie a estudiar, y luego observar la reducción del

tamaño de la indentación durante el deslizamiento.

d) ) Las técnicas de Radiotrazadores: con estas técnicas se puede estudiar la

dinámica del proceso de desgaste por deslizamiento; así, si se desliza un

espécimen radiactivo en una superficie no radioactiva de mayor dureza, éste

formará una capa de residuos de desgaste radiactivos sobre la superficie,

luego se reemplaza el espécimen radiactivo por uno no radiactivo y se

reinicia el deslizamiento, al observar los residuos radiactivos con un

Radiotrazador, éstos son reemplazados rápidamente de la superficie no

radioactiva.

1.3 Topografía de superficies.

Es importante conocer la naturaleza original de las superficies, para comprender la

interacción entre ellas, si éstas se encuentran libres de contaminantes u óxidos, lo

principal para comprender los mecanismos de fricción y desgaste es conocer que no

existe una superficie perfectamente plana a escala microscópica ya que éstas

presentan asperezas en la forma de colinas y valles.

Fig.1.3. Topografía de una superficie.


10

Halliday (1955) midió con ayuda de un microscopio de reflexión electrónica los ángulos

de las asperezas de una superficie. Las asperezas que han estado sujetas a abrasión,

con frecuencia presentan una pendiente a distintos ángulos en relación con la

superficie y en dos direcciones.

Fig.1.4. Pendiente de las asperezas según Halliday.

1.3.1 Contacto de sólidos.

Al presionar una superficie sobre la otra, la carga es soportada por las periferias de

arriba de varias crestas en la superficie inferior, suponiendo que el miembro superior de

los metales en contacto sea perfectamente plano. Por lo tanto, existe un área de

contacto aparente entre las dos superficies y un área real de contacto definida por

las periferias de arriba de varias crestas que soportan la carga.

1.4 Teoría molecular de la fricción y del desgaste.

La teoría molecular de la fricción y del desgaste fue propuesta por Tomlinson

(1929), al estudiar detalladamente la naturaleza de las fuerzas atómicas en una

red cristalina y dedujo expresiones para la fricción y el desgaste de sólidos.

La hipótesis de Tomlinson (1929), consiste fundamentalmente en que en

condiciones de equilibrio las fuerzas de repulsión entre los átomos de un sólido

contrarrestan las fuerzas de cohesión. Sin embargo, cuando dos superficies se

encuentran en contacto, unos de los átomos de una superficies llegaran a estar lo

bastante cerca de los otros átomos de la segunda superficie que entrar al campo de


11

repulsión. Cuando esto sucede, las dos superficies se separan causando una pérdida de

energía que se manifiesta como la resistencia debida a la fricción.

Cuando un átomo se desplaza de su estado natural de equilibrio, tiende a regresar a su

posición original. Sin embargo, durante una separación puede entrar al campo de

atracción de algún átomo vecino, así el átomo en tránsito queda sujeto a una

atracción dictada por una distancia de separación l en ese instante y considerando

la fuerza interatómica de cohesión Fo entre dos átomos en el cristal. La energía media

E para un contacto atómico puede expresarse como E = Fo l y considerando que la

energía total perdida es nE, la cual es igual al trabajo mecánico que viene expresado

por α Px, por lo tanto:

Donde: : coeficiente de fricción

: Factor de probabilidad

e: número de hileras de átomos

po: valor medio aritmético de las fuerzas individuales de repulsión

1.4.1 Desgaste por abrasión.

El desgaste abrasivo puede definirse como el desgaste que ocurre a temperatura

ambiente como resultado del contacto entre superficies metálicas desgastadas y

partículas. El desgaste por abrasión puede dividirse en tres categorías: abrasivo

penetrante, de alto esfuerzo o abrasión pulverizante y abrasión ligera, de bajo

esfuerzo por rayado o por erosión. Las tres categorías pueden presentarse

simultáneamente en una pieza desgastada.

El tipo de desgaste penetrante se caracteriza por altos esfuerzos y da como

resultado una considerable micro deformación de la superficie, una característica muy

importante de este tipo de desgaste, es que el abrasivo el cual suele tener un buen

apoyo y su acción penetrante puede compararse a una herramienta de corte.

El tipo de abrasión pulverizante ocurre cuando dos superficies se frotan entre sí en un


12

medio arenoso con suficiente fuerza para producir trituración en las partículas de

mineral o en otros abrasivos atrapados entre las dos superficies

Los principales factores que ocasionan desgaste por erosión son la velocidad y el bajo

impacto cuando el movimiento es paralelo a la superficie. Por lo común este

desgaste depende de la dureza de las partículas y en muchas ocasiones también en

los filos que éstas presentan.

1.4.2 Desgaste por adherencia.

Dos superficies que interactúan no sólo tienen contacto en unos puntos aislados, sino

que hace que aparezcan esfuerzos elevados en estas áreas, lo cual produce una

deformación plástica entre las superficies. Por el momento no existen todos los

elementos para establecer una ecuación general de desgaste que pueda ser utilizada

por los ingenieros de diseño, posiblemente porque el desgaste es un proceso

complejo que depende, entre otras variables de la carga normal, la estructura

cristalina y las propiedades mecánicas de los materiales. Sin embargo, se han

formulado ecuaciones para el desgaste y se ha estudiado el desgaste por

adherencia que se define como el proceso que produce pérdida de metal entre

superficies que interactúan como resultado de la adherencia entre asperezas.

1.4.3 Desgaste por fricción.

Los procesos de desgaste en metales se clasifican según el tipo de mecanismo que

cause la eliminación del material de las superficies.

Si la pérdida de volumen o peso se grafica en forma continua relacionándola con la

distancia de deslizamiento, se obtiene una curva característica se puede establecer una

ecuación matemática para el desgaste inicial de acoplamiento, también conocida

como estado inestable o transitorio, en el instante del desgaste, la proporción de

volumen eliminado por unidad de distancia deslizada debe ser función del volumen de

metal disponible en las uniones en términos matemáticos será:


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Donde: V: volumen de material eliminado

n: constante que depende de la carga aplicada.

dV : razón de volumen de desgastado

dS

Variables que afectan el proceso de desgaste.

Los principales factores que intervienen en el desgaste pueden enumerarse en la forma

siguiente:

1. Variables relacionadas con los materiales en contacto: dureza, tenacidad,

estructura y composición química.

2. Variables relacionadas con el servicio: materiales en contacto, presión,

velocidad, temperatura, acabado de la superficie, lubricación y corrosión.

1.5 Efecto de la temperatura y la velocidad.

La energía disipada debido al trabajo mecánico inevitablemente ocasiona un

incremento en la temperatura. Estos incrementos momentáneos de temperatura tienen

una duración del orden de 10-4 segundos. Un incremento en la carga o en la

velocidad de deslizamiento aumenta la temperatura de las uniones y, en casos

extremos, puede causar fusión incipiente.

1.5.1 Efecto de la carga y la distancia de deslizamiento.

El desgaste se incrementa de forma casi proporcional a la carga. Sin embargo, esta

relación se pierde con el calor de fricción. Si un metal como el cobre se presiona sobre

el acero, cierta cantidad de cobre se transfiere al acero, de esa manera el área de la

unión podría estimarse utilizando radiotrazadores. Rabinowicz (1953) demostró que

la masa M de la fracción más grande de residuo podría relacionarse con la carga normal

aplicada F.


14

Donde, C es una constante y para el cobre sobre acero tiene un valor de 0.3.

demostrando que la masa del fragmento de desgaste sólo se incrementa a

medida que aumenta la carga. El mismo estudio demostró que el efecto

predominante de aumentar la carga aplicada fue que aumentara el número de

uniones.

1.5.2 Solubilidad.

La disminución en el crecimiento de las uniones y por lo tanto la resistencia de

los metales al rayado o desgaste se correlaciona en forma cualitativa

con las solubilidades sólidas de las combinaciones metálicas.

Roach, Goodzeit y Hunnicutt (1956) estudiaron la resistencia al rayado de 38

metales diferentes contra el acero, friccionando muestras cuadradas de 1.56 cm

sobre discos de acero girando a 23.3 m/s y variando la carga sobre las

muestras hasta un máximo de 540 kg. Para determinar la resistencia al rayado

se tomó como criterio la capacidad de carga de los especímenes sin que se

produjera adherencia. La resistencia al rayado de las muestras se clasificó en

base a la carga que produjo adherencia entre las muestras. Dicha clasificación es

la siguiente:

1. Excesiva resistencia al rayado

2. Mala resistencia al rayado.

3. Regular resistencia al rayado.

4. Buena resistencia al rayado

La resistencia de los materiales al rayado de acuerdo con esta clasificación es

como se presenta a continuación:

a) Muy mala: berilio, silicio, calcio, titanio, cromo, hierro, cobalto, níquel,

zirconio, columbio, molibdeno, rodio, paladio, serio, tantalio, iridio, platino,

oro, torio, uranio.


15

b) Mala: magnesio, aluminio, cobre, cinc, bario, tungsteno. c) Regular:

carbono, cobre, selenio, cadmio, telurio.

c) Buena: germanio, plata, cadmio, indio, estaño, antimonio, talio, plomo,

bismuto. De estos resultados se dedujo que los materiales que tienen

buena resistencia al desgaste tienen una solubilidad limitada en acero o

forman compuestos intermetálicos con éste.

1.5.3 Estructura cristalina.

El desgaste se atribuye a la interacción plástica de los metales en cierta etapa de

la vida de un par. La deformación plástica de los metales ocurre por

deslizamiento, esto es, por el corte de los planos de átomos que se

encuentran uno sobre otro. El deslizamiento es anisótropo y la dirección es

casi siempre aquella en que los átomos se encuentran empacados de manera

más compacta. Los planos de deslizamiento también son aquellos que tienen el

mayor número de átomos. Así, la dirección del deslizamiento varía de acuerdo

con la estructura cristalina, para metales cúbicos de caras centradas.

1.6 Tipos de máquinas para realizar ensayos de desgaste.

Existen diferentes tipos de máquinas para realizar ensayos de desgaste algunas de

las principales son:

a) Espiga sobre mesa oscilante.

b) Espiga sobre buje

c) Cilindros cruzados

d) Espiga sobre cilindro

e) Máquina de cuatro bolas

f) Arena seca-rueda de caucho

g) Máquina de espiga sobre disco


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Conclusiones Parciales

La tribología juega un papel fundamental en el desarrollo técnico económico

de cualquier país en la actualidad. En el estudio de la misma juega un papel

fundamental los ensayos realizados en estaciones experimentales.

Existen distintos tipos de desgaste importantes tales como adhesión,

abrasión y erosión, en caso del presente trabajo se aborda el desgaste

abrasivo.

Capítulo II. Valoración de los aspectos estipulados en la Norma ASTM G 65

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Capitulo II: Valoración de los aspectos estipulados en la norma ASTM G 65

Introducción.

Uno de los ensayos más utilizados para la determinación del desgaste producto de

la abrasión es el de arena seca – rueda de caucho (dry sand - rubber wheel) [12,

16]. El presente capítulo tiene como objetivo fundamental el análisis de la norma

ASTM-G 65 para el montaje de una instalación experimental del tipo arena seca –

rueda de caucho.

2.1 - Procedimiento para el estudio de la resistencia al desgaste de materiales

bajo ensayo de abrasión tipo arena seca – rueda de caucho.

El procedimiento metodológico que en lo posterior se describe tiene como objetivo

fundamental establecer los pasos a seguir para la puesta a punto, calibración y

realización de los ensayos en la instalación experimental tipo arena seca – rueda de

caucho [13, 14, 15].

1 - Alcance del procedimiento.

1.1 Este método de ensayo cubre un procedimiento de laboratorio para determinar

la resistencia al desgaste de un material mediante el movimiento relativo entre una

rueda de caucho y la probeta a ensayar mientras se aplica arena seca con

determinada granulometría. Los factores principales y condiciones que requieren la

atención al usar este tipo de aparato y las correspondientes mediciones.

1.2 Los valores declarados en las unidades del SI serán considerados como los

normalizados.

1.3 Este procedimiento no pretende dirigir (establecer) toda la seguridad que

involucra, para cualquiera que este asociado con su uso. Es responsabilidad del

usuario de este procedimiento el establecer la seguridad y protección práctica


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requerida y determinar la pertinente prioridad de las limitaciones reguladas para su

uso.

2- Documentos de Referencia

2.1 - Norma ASTM G 65. Procedimiento para medir la abrasión usando una máquina

de arena seca – rueda de caucho.

2.2 - Práctica E 122 de ASTM para determinar y procesar la calidad y confiabilidad

del Tamaño de la Muestra de ensayos de laboratorio.

2.3 - Práctica E 177 para la determinación de la Precisión de las Condiciones y

métodos de ensayo según ASTM.

2.4 - Práctica E 691 para Dirigir Estudios de Ínter laboratorios para Determinar la

Precisión de un Método de ensayo.

2.5 - ASTM G 40. Terminología que establece y Relaciona la Corrección y precisión

de los ensayos.

3. Resumen del procedimiento del ensayo

2.1- La tabla 2.1 indica la fuerza aplicada contra la probeta y el número de

revoluciones de la rueda para los procesos A hasta la E.

Tabla 2.1. Parámetros del ensayo.


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2.2- Flujo de arena. El rango del flujo de arena será de 300 a 400 g/min (0.66 a 0.88

lb/min).

2.3. Tiempo. El tiempo del ensayo debe ser alrededor de 30 minutos para los

Procedimientos A y D, 10 min para procedimiento B, 5 min para procedimiento E, y

30 seg para procedimiento C, dependiendo de la velocidad real de la rueda. En

todos los casos el número de revoluciones de la rueda y no el tiempo será el

parámetro controlado.

2.4. Abrasión lineal. La Tabla 2.1 muestra la distancia lineal de abrasión

desarrollada usando 228.6 mm (9 pulg) de diámetro de la rueda rotando al número

de revoluciones especificadas. Como la rueda de caucho reduce su diámetro se

ajustarán las revoluciones para que sea igual la distancia de deslizamiento con la

nueva rueda.

4 - Importancia y Uso del procedimiento

4.1 - La magnitud del desgaste en cualquier sistema en general, depende de varios

factores, tales como la carga aplicada, características de la máquina, velocidad

deslizamiento, recorrido de fricción, el ambiente, y las propiedades materiales. El

valor inicial de este procedimiento de ensayo radica en que predice una clasificación

jerárquica relativa de materiales. Este procedimiento de ensayo impone condiciones

que causan las pérdidas de masa medible y considera que ajusta los materiales para

aplicaciones en las que ocurre una abrasión de moderada a severa. Los materiales

a utilizar en el ensayo deben ser bastante resistentes a la abrasión.

Este procedimiento de ensayo por abrasión no intenta reproducir todas las

condiciones que pueden experimentarse durante la explotación de una máquina u

equipo (por ejemplo, tamaño de la partícula abrasiva, forma, dureza, velocidad,

carga, y presencia de un ambiente corrosivo), no se garantiza con este

procedimiento de ensayo que exista reproducibilidad de la magnitud del desgaste

para condiciones que difieran de las de este procedimiento de ensayo.


_________________________________________________________________

20

5. Máquina de Ensayo. Descripción general

5.1 - Para el desarrollo de los experimentos se construye una instalación

experimental que permite evaluar la resistencia al desgaste de diferentes materiales

y de finas capas superficiales bajo ensayo de abrasión. Las características

constructivas y de diseño se muestran en la figura 2.1.

Figura 2.1: Maquina de ensayo de desgaste tipo arena seca – rueda de caucho.

Fuente: Elaboración propia

1- Motor eléctrico.

2- Interruptor y protección eléctrica.

3- Tolva para colocar la arena.

4- Brazo para la aplicación de la carga.


_________________________________________________________________

21

5- Rueda de acero forrada en caucho.

6- Bancada de la máquina.

6 – Probetas para el ensayo y su preparación, Abrasivo y sus características.

3.1. Limpieza. Inmediatamente antes de pesar, limpie la probeta con un disolvente o

limpiador y séquela. Tenga cuidado en quitar toda suciedad o materia extraña de la

probeta.

3.2. Pesar la probeta con precisión de 0.001 g (0.0001 g para el procedimiento C).

3.3. Coloque la probeta firmemente en su lugar y adicione las pesas necesarias para

garantizar la fuerza que debe aplicarse en la zona de contacto con la rueda. Esto

puede verificarse colocando un dinamómetro en este punto del contacto. Debe

colocarse algún dispositivo que garantice que no se aplique fuerza sobre la probeta

antes de iniciar el ensayo.

3.4. Verifique que el número de revoluciones de la máquina coincida con el

establecido.

3.5. Cortina y flujo de arena. La magnitud del flujo de arena a través de la boquilla

debe estar entre 300 g (0.66 lb)/min y 400 g (0.88 lb)/min. No comenzar la rotación

de la rueda hasta que el flujo de arena sea el requerido y esté estabilizado.

3.5.1. El tiempo entre un ensayo y otro será el requerido para que la temperatura de

la rueda de goma regrese a la temperatura ambiente. Para el procedimiento B el

tiempo será como mínimo de 30 minutos.

3.6. Inicie la rotación de la rueda e inmediatamente baje el brazo cuidadosamente

para permitir que la probeta entre en contacto con la rueda.

3.7. Cuando se ha alcanzado el número de revoluciones de la rueda deseados,

separe la probeta de la rueda, corte el flujo de arena y detenga la máquina. La

magnitud del flujo de arena debe medirse antes y después de un ensayo, a menos

que se garantice con certeza que este sea constante.

3.8. Retire la probeta y repese con 0.001 g de exactitud (0.0001 g para el

procedimiento C).


_________________________________________________________________

22

3.8.1. Huella de desgaste. Observe la huella de desgaste producida y compárela con

las fotografías de la Fig. 2.2. Un modelo de desgaste no uniforme indica un

incorrecto alineamiento del anillo de goma con respecto a la probeta o que se

encuentra dañada la superficie de goma. Esta condición puede reducir la exactitud

de la prueba.

Fig.2.2. Huellas típicas de de desgaste uniforme y no uniforme.

3.9. Preparación y cuidado de la rueda de caucho. Al recubrir toda rueda de goma

nueva debe garantizarse que quede concéntrico el aro de goma con el agujero de

centrado de la rueda de acero en que será montado. La tolerancia de concentricidad

debe estar dentro de los 0.05 mm (0.002 in) entre los diámetros. Siga el mismo

procedimiento para revestir ruedas usadas que tengan grietas o estén desgastadas

irregularmente y estén produciendo huellas de desgaste no uniforme o trapezoidales

en las probetas (Fig.2.1). El objetivo es producir una superficie que rote tangente a

la probeta sin causar vibraciones o saltos en el brazo de carga. Las huellas de

desgaste deben ser de forma rectangular y profundidad uniforme en cualquier

sección transversal. La rueda de caucho puede usarse hasta que alcance 215.9 mm

(8.50 in) de diámetro producto del desgaste. Los nuevos anillos de goma deben ser

montados en los discos de acero por personal calificado.


_________________________________________________________________

23

3.10. Procedimiento para el arreglo de la rueda. El procedimiento común para el

arreglo de la periferia del aro de caucho es montar una piedra abrasiva en lugar de

la probeta y echar a andar la máquina con carga en el brazo hasta que la rueda esté

limpia. Otro procedimiento para arreglar la periferia del aro de caucho es montando

la rueda en un torno y maquinar esa superficie con una herramienta especial para el

maquinado de goma. La rueda vestida debe usarse primero en una probeta de acero

con bajo contenido de carbono (AISI 1020 o equivalente) usando el Procedimiento A.

Esto produce una superficie lisa, uniforme y no pegajosa. Un método de la

preparación alternativo involucra el uso de una esmeriladora de gran velocidad en el

porta herramientas de un torno. Tenga cuidado pues el esmerilado a menudo tiende

a sobrecalentar y deformar el caucho, dejando una superficie pegajosa. Esta

superficie recogerá partículas de arena durante el ensayo. Si se usa el método del

esmerilado, no debe eliminarse más de 0,05 mm (0,002 in) del una sola vez para

prevenir el sobrecalentamiento.

7 – Materiales y equipos complementarios para la realización del ensayo

Balanza Analítica de alta precisión.

Tacómetro digital.

Cronómetro.

Micrómetros de 0,001 mm de precisión.

Arena sílice.

Loctite 7070, acetona, y alcohol 90.

Paño de algodón libre de hilachas.

Brocha de pelo suave.

Juego de probetas del material a evaluar con la cantidad requerida según el

diseño de experimento.

La instalación experimental para ensayo de desgaste bajo prueba de abrasión de se

debe ajustada según las consideraciones que en lo adelante se describe.

8 - Cálculos y Reportes


_________________________________________________________________

24

8.1. Los resultados del ensayo de abrasión deben informarse como la pérdida de

volumen en milímetros cúbicos, de acuerdo con el procedimiento especificado en el

mismo. Por ejemplo __mm3 por el procedimiento de la ASTM. Pueden usarse los

resultados de pérdida de masa internamente en los laboratorios para comparar

materiales de densidad equivalente, es esencial que todos los que realicen este tipo

de ensayo reporten sus resultados uniformemente como la pérdida de volumen en

publicaciones y reportes, para que no haya confusiones causadas por la variación

de densidad,

Se convierte la pérdida de masa a pérdida de volumen con la expresión:

1000)/(

)(,

3

3 xcmgdensidad

gperdidamasammperdidoVolumen (2.1)

8.2. Ajustando la pérdida de volumen. Cuando la rueda de goma disminuye su

diámetro, la cantidad de materia desprendida en un ensayo también se reduce. La

pérdida de volumen real producto de esta rueda ligeramente menor, por

consiguiente, es inexacta. El valor del “ajuste de la pérdida de volumen” tiene en

cuenta esto e indica la proporción de abrasión real que se produciría por una rueda

de diámetro 228.6 mm (9.00 in). El valor del ajuste de volumen perdido (AVL) es:

usadadedespuésruedaladeámetro

)00.9(6.228

di

inmmxmedidoperdidovolumenAVL (2.2)

9 – Precisión de los resultados de los ensayos de laboratorio

El criterio de precisión de la prueba esta basado en la confiabilidad estadística de

los resultados experimentales.

9.1 - Criterio – Considerando lo planteado en Práctica E 177 de ASTM, el criterio de

un laboratorio en particular podría ser la confiabilidad estadística de los resultados


_________________________________________________________________

25

experimentales obtenidos en ese laboratorio, para una combinación particular del

material de referencia, y el abrasivo.

9.2 - Repetibilidad - La repetibilidad como indicador de precisión de dimensiones

obtenidos con este procedimiento de ensayo dependerá de las características y

propiedades del material ensayado, las condiciones de los parámetros del ensayo, la

configuración de la probeta, el tipo de material abrasivo empleado, y el material de

referencia. Se debe considerar como nivel límite de confiabilidad estadística el 95%.

9.3 - Reproducibilidad - La Reproducibilidad de este procedimiento de ensayo está

validada por la variación de uno o más parámetros de las condiciones del ensayo.

Para lograr una mayor reproducibilidad se deben hacer comparaciones entre los

resultados alcanzados por diferentes laboratorios con un mismo tipo y calidad de

abrasivo, y el mismo material de la probeta de referencia. El programa del

laboratorio también debe ser consistente con las pautas estadísticas establecidas,

valorando las recomendaciones establecidas en las Prácticas E 122 y E 691 de

ASTM. Aun así, la reproducibilidad dependerán del material evaluado, las

condiciones del ensayo y los parámetros seleccionados, el diseño del ensayo, y las

combinaciones que particularmente involucran a la máquina y al operador.

9.4 - Calcular los parámetros matemáticos - estadísticos establecidos en el epígrafe

2.2, y reportar los mismos en el informe tal y como se muestra en la tabla 2.4.

Tabla 2.2 – Parámetros estadístico de los resultados de los ensayo de

laboratorio.

Tamaño de la muestra

Media de los resultados

Desviación estándar

Coeficiente de variación ( V ) calculado (%)

Coeficiente de variación ( V ) Tabulado (%)


_________________________________________________________________

26

2.2 Análisis estadístico de los resultados de los experimentos .

Los resultados del ensayo experimental se validan a través de los siguientes

parámetros estadístico -matemáticos:

- Media Aritmética de los Resultados o y

Ha de señalarse que estos parámetros representan la media de una propiedad

evaluada durante los experimentos.

n

i

i

n

yy

1

(2.2)

- Desviación Media Cuadrática o Desviación Estándar de la Media S o

11

2

n

yy

S

n

i (2.3)

2d

RS Para número de ensayos (corridas) entre 1 y 10 (2.4)

Donde: n – Número de experimentos (corridas experimentales)

n

i

yy1

2- Suma del cuadrado de las desviaciones

R – Diferencia entre el valor más alto y el más bajo de las medias en las corridas

experimentales (n)

d2 – Factor de desviación (Tabla 2.5)

- Desigualdad Cuadrática o Variabilidad del Procedimiento de Ensayo V

A este parámetro también se le conoce como Coeficiente de Variación; se da en %.


_________________________________________________________________

27

100y

SV (2.5)

Tabla 2.3 – Valores del factor de desviación (d2) para un número de replicas

menor que diez.

2 1.128 0.8865

3 1.693 0.5907

4 2.059 0.4857

5 2.326 0.4299

6 2.534 0.3946

7 2.704 0.3698

8 2.847 0.3512

9 2.970 0.3367

10 3.078 0.3249

Tamaño de la

Muestra (n)

Factor de

Desviación (d2)(1/d2)

Factor de desviación para la desviación estándar estimada en el

rango del tamaño básico de la muestra.

El tamaño de la muestra n se puede determinar como:

2

96.1

e

Vn Para un nivel del 95% de confianza

(2.6)

Donde: e – Error permisible de la muestra o muestreo

- Error Absoluto de la Media Aritmética ye

1

n

Stey (2.7)

Donde: t – Desviación normada, determinada durante una distribución normal en

dependencia del número de ensayos o tamaño de la muestra


_________________________________________________________________

28

- Error relativo para la Media Aritmética yre

100y

ee

y

yr (2.8)

1001

n

Vte yr (2.9)

Por la tabla 2.4 se determina el tamaño mínimo de la muestra para un 95% de nivel

de confianza, lo que indica un 5% de probabilidad de que la diferencia entre la

muestra estimada (media aritmética y ) y el valor obtenido del promedio de todos los

valores, para un número elevado de pruebas (réplicas), no exceda el error relativo

permisible de la muestra.

Durante la calibración de la instalación experimental los ensayos se deben hacer

con un número de muestra igual seis (6). Por lo que el coeficiente de variación de la

media de los datos experimentales no debe sobrepasar el 6%. De ser superior al

valor señalado la prueba no se considera válida y por ende la instalación

experimental no calibrada (ver tabla 2.4).

Tabla 2.4 - Tamaño mínimo aceptable de la muestra (n) para un 95% de

confianza.

1 2 3 4 5 6 7 8 10

1 4 1

2 16 4 2 1

3 35 9 4 3 2 1

4 62 16 7 4 3 2 2

5 96 24 11 6 4 3 2 2 1

6 35 16 9 6 4 3 2 2

7 47 21 12 8 6 4 3 2

8 62 28 16 10 7 5 4 3

9 78 35 20 13 9 7 5 4

10 96 43 24 16 11 8 6 4

Coeficiente

de Variación

V (%)

Error Relativo permisible de la muestra erp (%)


_________________________________________________________________

29

Por ejemplo: Si el coeficiente de variación (V) de múltiples pruebas (réplicas) es el

6%, el tamaño mínimo de muestras pudiera ser 6; todo esto con el objetivo de

garantizar un 5% de error permisible. Es importante señalar que si el número de

pruebas (réplicas) 6 no genera un coeficiente de varianza menor o igual al 6%, la

prueba no se considera válida, por lo que se debe tomar una acción correctiva con

los resultados.

Conclusiones Parciales

Se desarrolla y establece el procedimiento metodológico para la

determinación de la resistencia al desgaste de materiales bajo ensayo de

abrasión.

Desde el punto de vista técnico resulta un paso de avance importante ajustar

la selección de los instrumentos a los aspectos estipulados en la norma

ASTM G 65, lo que a su vez permite brindar una mayor garantía de satisfacer

las exigencias que en cuanto a calidad se imponen.

Capítulo III. Proceso de fabricación de la máquina. _________________________________________________________________________

30

Capítulo 3. Proceso de fabricación de la máquina.

3.1. Introducción.

En este capítulo se desarrolla el proceso de diseño y fabricación de la máquina.

Los elementos fundamentales de dicho equipo están establecidos en la norma

ASTM G 65. Por tal motivo el trabajo se centra en establecer los procesos

tecnológicos para la obtención de las partes maquinadas que se utilizan en la

máquina fabricada.

3.2. Diseño y Proceso de construcción de la máquina.

En el diseño y proceso de construcción de la máquina se debe de tomar en cuenta

algunos parámetros tales como: variables de diseño, dimensionamiento de la

probeta y rueda de caucho, proceso de diseño, diseño del sistema mecánico,

sistema de medición y control de velocidad y fuerza de fricción y sistema eléctrico. 3.3. Variables de diseño.

Los ensayos de desgaste en máquinas tipo arena seca - rueda de caucho se

encuentran regidos bajo la norma de la ASTM G 65, tal como se presentó en el

capítulo II. En dicha norma se presentan las condiciones a las cuales se han

realizado ensayos en los diferentes laboratorios y a la vez los resultados

obtenidos de dichos ensayos. Así, estas condiciones son:

La fuerza entre la probeta y la rueda de caucho está entre los 45 N

para el procedimiento D y 130 para el A, B, C y E.

Velocidad de rotación del disco: 200 rpm

Características de las Probetas para el ensayo.

Duración del ensayo: en este caso lo importante es el número de

revoluciones que da como resultado la distancia de desgaste, no obstante

con los parámetros que se establecen el tiempo es alrededor de 30 minutos.

Ambiente (condiciones del ensayo): 20 a 25°C.

Flujo de arena: entre 300 y 400 g/min.


31

3.4. Dimensionamiento de la rueda.

El disco de caucho debe tener un diámetro de 228,6 mm (9 pulgadas) y un

espesor de 12,7 mm (0,5 pulgadas).

3.5. Proceso de diseño.

Para cualquier diseño y es importante tener en cuenta principios y elementos clave

que garanticen el correcto funcionamiento del mismo y contribuya al

perfeccionamiento de la actividad.

El modelo de máquina para determinar el desgaste tipo arena seca rueda de

caucho seleccionado estará provisto de los siguientes sistemas: 1) Sistema Mecánico

Se encargará de sujetar las probetas, apoyar los pesos muertos que serán

aplicados y transmitir movimiento al disco, esto se logra mediante los

elementos siguientes:

a) Sujeción de probetas

b) Mecanismo de aplicación de la carga

c) Mecanismo de transmisión de

potencia.

d) Estructura del banco 2) Sistema Eléctrico

Se encargara de proporcionar la alimentación, accionar y parar el motor para ello

se contara de ciertos dispositivos para proteger tanto al circuito de control como

a los ensayos entre ellos podemos mencionar: contactores y relés temporizadores. 3.6. Diseño del sistema mecánico. El diseño del sistema mecánico involucra el dimensionamiento del sistema de

sujeción de la probeta y rueda de goma diseño del eje de transmisión de potencia,

selección de bandas y por ultimo selección del motor a utilizar.

3.6.1 Sistema de sujeción de la probeta.

El porta probetas se encuentra en el extremo del brazo de carga (Fig.3.1) y


32

permite que la probeta con las dimensiones máximas encaje perfectamente en la

ranura, si la probeta es menor se fijaría con los tornillos de sujeción que se

aprecian.

De todas formas por la forma de trabajo de la misma máquina, la fuerza aplicada

tiende a encajar mas la probeta y esta en ningún caso se saldría. Fig. 3.1. Porta probetas en el extremo del brazo de carga. 3.6.2 Sistema de carga

El sistema de aplicación de la carga está definido en la norma ASTM G 65, aunque

su diseño permite variaciones, en este caso se mantuvo como aparece en la norma

(Fig.3.2).

Fig.3.2. Brazo para la aplicación de la carga según la norma ASTM G 65.

A la hora de realizar el ensayo se debe verificar que las pesas colocadas en el

gancho que se encuentra en el extremo derecho provoquen la fuerza establecida


33

en el punto de contacto de la probeta con la rueda de caucho. Esto puede

verificarse colocando un dinamómetro en este punto como se muestra en la Fig.

3.3.

Fig.3.3. Verificación de la fuerza aplicada en el punto de contacto de la probeta y la

rueda de caucho. 3.6.3 Sistema de transmisión de potencia

Este sistema se encargará de transmitir el movimiento del motor al disco de

goma, para ello se utilizará un sistema de transmisión mediante poleas y un

reductor de engranajes interiores (Fig.3.4). Estos sistemas fueron recuperados, es

decir que se utilizaron en la fabricación de la máquina pero ya estaban diseñados.

Los parámetros de estas transmisiones se dan a continuación:

Transmisión por poleas y correas

Relación de transmisión: 3.88

Diámetro de la polea conductora: 90 mm

Diámetro de la polea conducida: 350 mm

Tipo de correa utilizada: Correa Trapezoidal A


34

Reductor de engranajes interiores de un paso

Diente helicoidal β=20º (i)=2.4 z1=18 z2=48 De1=47 mm De2=112 mm aw=84 mm M=2.5

Fig.3.4. Sistema de transmisión de potencia.

3.6.4 Estructura del banco

La estructura del banco se construyó con angulares recuperados que formaban

parte de otra estructura (Fig. 3.5). Los mismos fueron cortados y soldados de forma

tal que sirviera de soporte a los mecanismos fundamentales de la máquina.

También se soldaron travesaños que garantizan la rigidez del sistema y que están

unidos a una plancha destinada a soportar un recipiente que recogerá la arena que

va cayendo durante el ensayo.

En los extremos de las vigas que hacen la función de patas se colocaron unos

dispositivos que ayudan a nivelar la máquina y que absorben las vibraciones que

pueden aparecer durante el funcionamiento de la máquina.


35

Fig.3.5. Bancada de la máquina. 3.7. Proceso de fabricación.

Antes de construir una máquina es necesario especificar el proceso de fabricación

de cada uno de los elementos que la componen, esto se hace utilizando hojas

de ruta en las cuales se especifica el nombre del elemento, el material y se

describe cada una de las operaciones que deben efectuarse hasta llevar al

elemento a su acabado final.

Una vez fabricados todos los elementos de la máquina deben ensamblarse, tal

como se presenta en un diagrama de ensamble. 3.7.1 Hojas de ruta.

A continuación se presenta el proceso de fabricación de cada una de las piezas de

la máquina, este proceso inicia desde el material con dimensiones en bruto hasta

llevarlas a las dimensiones requeridas, las máquinas herramientas a utilizar

para el proceso de fabricación son: torno, fresadora vertical, taladro de

pedestal, entre otros. En las hojas de proceso se especifican las diferentes

herramientas utilizadas en el proceso de fabricación.


36

Cálculo y diseño de la tolva.

La tolva del prototipo es de una chapa de acero negro CT3, (los datos de la placa

se presentan en el anexo), el diseño se hizo para una capacidad de 20 L por los

siguientes parámetros.

Flujo máximo de prueba: 400 g / minuto

Duración máxima de la prueba: 30 minutos

Densidad de la arena: 1.5 L / Kg

Por lo tanto la carga de arena necesaria en la prueba será:

(400g/minuto) ( 30 minutos) = 12000 g= 12 Kg de arena.

El volumen de arena requerido en la prueba será:

(12 Kg ) ( 1.6 L / Kg ) = 19.2 L*.

El flujo de arena requerido por la norma, es alimentado por medio de una boquilla

de ½ in de diámetro, por lo que la salida de la tolva se ha hecho de ½ in, y el

diámetro superior de la misma es de 12 in, el cálculo de las dimensiones se

menciona a continuación.

La parte cónica de la tolva se diseño bajo los siguientes puntos de partida, un

diámetro superior de 12 in, y un diámetro inferior de ½ in, un grado de inclinación

de 50º, la que nos da los siguientes resultados.

*NOTA: Cabe señalar que el volumen necesario de arena es proporcional al

tiempo de duración de la prueba, así que los datos pueden variar.

Las dimensiones del cono se calcularon de la siguiente manera:

b=6’’ Tomamos medio triangulo para obtener

los parámetros del triangulo, y por ley de los senos obtenemos:

a

c 6 in / sen 40 = c / sen 90

c = 6 sen 90 / sen 40 50º

50º c = 9.33 in

a = 6 sen 90 / sen 50

a = 7.832 in.


37

De esta manera, el volumen de la sección cónica de la tolva esta dada por la

siguiente relación:

V = (Ð/3) r2h

V = (Ð/3) (6)2(7.832)

V = 280 in3

V = 4.6 Litros

Donde: V es el volumen de la sección cónica.

r es el radio de la sección transversal del cilindro.

h es la altura del cono.

Como la sección cónica de la tolva tiene una capacidad de 4.5 L, la sección

cilíndrica deberá tener una capacidad de 15.5 L, por lo que las dimensiones que

deberá tener la sección son:

Volumen del cilindro = Ðr2h

15.5 L = Ðr2h

h = 15.5 L / Ðr2

h= 946 in3 / Ð(6)2 h = 8.4 in.

Fig.3.6. Tolva fabricada.

Rueda de acero

Esta rueda es la que con posterioridad será recubierta con caucho (Fig.3.7).


38

Fig.3.7. Rueda de acero recubierta por la banda de caucho.

Proceso tecnológico (Plano Anexo 1)

Rueda abrasiva

005 Banco de trazado

01 Trazar con compás placa de acero 1020 Ø 213

010 Corte con oxicorte según trazos

015Torneado

Instalar en plato de tres garras autocentrante con muelas invertidas

01 Refrentar a obtener plano transversal

02 hacer centro guía

03 Taladrar Ø

04 Mandrilar Ø

05 Mandrilado de acabado

06Mandrilado de acabado fino Ø )

07Bicelar extremo del agujero

Invertir

08 Refrentar cara a obtener longitud 12.7

09Bicelar extremo de agujero

Instalar pieza en mandril apoyada en las caras frontales

10 Cilindrar de desbaste Ø ) saliente

11 Cilindrar de semiacabado Ø ) saliente

12 Elaborar ranura 6.7 de ancho y 5 de profundidad

13 Elaborar en forma de T según plano

14Bicelar cantos vivos


39

020 Taladrado

Instalar pieza en dispositivo divisor

01 Taladrar 3 agujeros Ø 6 en una circunferencia 55 a 120˚

Árbol principal

Este árbol es el encargado de hacer rotar la rueda de caucho (Anexo 2). Proceso tecnológico árbol principal

005 Corte

Instalar en mordaza

01 Cortar semiproducto Ø30 *262 de longitud

010 Torneado

Instalar pieza en plato autocentrante de tres garras

01 Refrentar cara a obtener plano transversal

02 Elaborar centro guía

Invertir

03 Refrentar cara a obtener longitud )

04Elaborar centro guía

Instalar entre puntos con peros de arraste

05 Cilindrar de desbaste desde Ø 30 a Ø hasta donde nos permita el

agarre

06 Cilindrar de desbaste desde hasta Ø obteniendo una longitud

de )

07 Cilindrar de desbaste desde hasta Ø 15.88 obteniendo una longitud de

15

08 Elaborar ranura según plano

09 Biselar extremo

10Elaborar rosca * 11 hilos con cuchilla al salir a la ranura

11 Cilindrar de semiacabado desde Ø hasta ) hasta donde nos

permita el agarre

12 Cilindrar de semiacabado desde Ø hasta Ø obteniendo una

longitud de 60


40

13 Cilindrar de acabado desde Ø ) hasta Ø en una longitud de

60

14 Cilindrar de acabado fino desde hasta Ø ) en una longitud

de60

15 biselar extremo

Invertir

16 Cilindrar de desbaste desde Ø 30 hasta Ø ) obteniendo una longitud

de )

17 Cilindrar de desbaste desde Ø ) hasta Ø 15.88 obteniendo una longitud


19 Biselar extremo

20 Elaborar rosca 11 hilos g6 con cuchilla a salir a ranura

21 Cilindrar de semiacabado desde Ø ) hasta Ø ) obteniendo una

longitud de )

22 Cilindrar de acabado desde ) hasta Ø ) en una longitud de

)

23 Cilindrar de acabado fino desde Ø ) hasta Ø ) en una

longitud de 60

24 Biselar extremos

015 Frezado

Instalar en la mesa con bridas y tornillos


Casquillo adaptador. Proceso tecnológico casquillo adaptador

005 Corte

Instalar en mordaza

01 Cortar semiproducto Ø 75*53 de longitud

010 Torneado

Instalar en plato de tres garras autocentrante

01 Refrentar a obtener plano transversal


41


03 Taladrar Ø 18 pasante

04 Cilindrar de desbaste desde Ø 75 hasta Ø ) obteniendo una longitud

)

05 Cilindrar de semiacabado ) obteniendo una longitud de

06 Cilindrar de acabado Ø )

07 Cilindrar de acabado fino Ø

08Mandrinar desde Ø 18 hasta Ø pasante

09 Escariado previo desde ) hasta Ø ) pasante

10 Escariado de acabado desde Ø hasta Ø

Invertir

11 Refrentar extremo a obtener longitud )

12 Cilindrar extremo desde Ø 75 hasta Ø saliente

13 Biselar extremo exterior

14 Biselar extremo del agujero

015 Fresado

Instalar en mordaza

01 Elaborar cañero interior según plano empleando cabezal amortajador

020 Taladrado

Instalar en cabezal divisor

01 Taladrar 3 agujeros Ø 5 a 120˚ en una circunferencia de 55

02 Elaborar rosca con macho M6*1

Boquilla


42

005 Corte

Instalar pieza en mordaza

01 Cortar semiproducto Ø25*62 de longitud

010Torneado

Instalar pieza en plato auto centrante de tres garras

01Refrentar a obtener plano transversal


03 taladrar Ø 12.7 pasante

04 Elaborar cono interior 3˚ obteniendo diámetro mayor 19

05 Cilindrar de desbaste exterior Ø


07 Biselar cantos vivos

Invertir

08 Cilindrar de desbaste desde Ø 25 hasta Ø )

0.15 Frezado

Instalar pieza en dispositivo divisor

01 Inclinar cabezal divisor 3˚ frezar 9.2 de profundidad a partir del extremo del Ø

) obteniendo una longitud de 50.8

02 Girar dispositivo divisor 180˚ frezar 9.2 de profundidad a partir del extremo del

Ø obteniendo una longitud de 50.8

3.8. Beneficios y utilidad de la máquina fabricada.

Los beneficios en su mayoría son intangibles y/o de difícil cuantificación, pero

fueron expresados por los especialistas consultados, lo que evidencia el valor

práctico aportado por la presente investigación.

Por lo cual con la propuesta se tiene una gran cantidad de beneficios tales como:

Propicia la formación y desarrollo de trabajadores y estudiantes, en aspectos

relevantes para la carrera.

Abre una nueva brecha que permite el desarrollo de investigaciones

relacionadas con un tema tan importante como la tribología.


43

Permite la prestación de servicios científico técnicos a empresas del territorio,

con lo que se garantiza la entrada de recursos a la Universidad.

3.8.1. Valoración económica.

El costo de una máquina similar está alrededor de los 8000 USD [3], sin contar el

costo de la transportación. También es importante tener en cuenta el bloqueo al

que está sometido nuestro país, lo que encarecería mucho más la compra de una

máquina de este tipo.

En el caso de la máquina que se fabricó, todos los materiales que se utilizaron son

reciclados, es decir que se utilizaron materiales como los perfiles laminados, las

transmisiones por correas poleas y reductor etc. que estaban destinados a

materias primas, por lo que por ese concepto no hubo gastos a tener en

consideración.

El motor que se utiliza pertenecía a otra máquina que existió en el antiguo

laboratorio de tribología de la facultad y que no se estaba utilizando en estos

momentos.

Aunque no se determina exactamente el costo de fabricación de esta máquina se

puede apreciar que este será mucho menor que una máquina de este tipo que se

importe.

Conclusiones parciales

Los parámetros de trabajo y el diseño de los elementos fundamentales de

esta máquina están establecidos en la norma ASTM G 65, por tal motivo no

se incluyen en este trabajo, sino que se fabricaron a partir de estas

especificaciones.

Se desarrollaron las tecnologías de fabricación de la tolva, rueda de acero,

árbol principal, casquillo adaptador y la boquilla, pues estas piezas son

particulares para este diseño de máquina que se seleccionó.

Se estima que la fabricación de esta máquina es mucho más barata que la

importación de una del exterior, pues a su precio, de por si caro habría que

agregar el costo que implica el bloqueo a que está sometido nuestro país.

44

CONCLUSIONES

Existen diferentes tipos de desgaste, entre los que se encuentra el desgaste abrasivo

como uno de los más frecuentes. Para el estudio del mismo es de mucha importancia

la realización de ensayos en estaciones experimentales.

En la norma ASTM G 65 se establecen todos los pasos necesarios para la realización

del ensayo del tipo rueda de caucho – arena seca. Primeramente es necesario la

calibración de la máquina para verificar si los parámetros de funcionamiento están

dentro de los establecidos. Se define las dimensiones de las probetas a utilizar.

Finalmente se establecen los cálculos y los reportes a partir de los resultados

obtenidos.

Se desarrollan las tecnologías de fabricación de las piezas no normalizadas que

intervienen en la fabricación de la máquina tipo rueda de caucho – arena seca. Estas

tecnologías están destinadas a la fabricación de estas piezas utilizando máquinas

herramientas convencionales.

La fabricación de la máquina resultó mucho más económica que la compra de la

misma en el extranjero. En el proceso de fabricación se utilizaron materiales

reciclados, incluyendo las transmisiones y el motor. Una máquina de este tipo cuesta

alrededor de 8000 USD sin tener en cuenta el costo de transportación y el efecto del

bloqueo económico al que está sometido el país.

45

RECOMENDACIONES

Fabricar una carcasa protectora para la transmisión por correas y poleas

para prevenir accidentes durante su funcionamiento.

Desarrollar el plan de mantenimiento de la máquina fabricada, con el

objetivo de garantizar su correcto funcionamiento por un tiempo prolongado.

Bibliografía:

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Ediciones Universitarias, UCLV, 2000.

2. Álvarez G. E. Máquina para el estudio del desgaste abrasivo en pares tipológicos.

Revista Construcción de Maquinaria, Año 20, Nº 2, Mayo Agosto, 1995.

3. Asian Test Equipments. www.asiantest.tradeindia.com

4. García J., González E., Villatoro R. “Diseño y construcción de una máquina para

ensayos de desgaste tipo espiga sobre disco”. Tesis de Grado. Universidad de El

Salvador, Ciudad Universitaria, Diciembre 2003.

5. Guerrero O., Pinzón E. “Diseño, construcción y puesta en funcionamiento de un

equipo rueda de caucho para el estudio del desgaste abrasivo según norma

ASTM G 65”. Tesis de Grado. Universidad Industrial de Santander. 2008.

6. Idarraga J., Cortés J. “Diseño de una Máquina de ensayo de desgaste abrasivo

con rueda de caucho y arena seca”, Tesis de Grado. Universidad de Prereira.

2005.

7. Kashiev V. N. Aspectos generales sobre el desgaste en masa abrasiva. Problemy

Trenia y Iznos Nº 4. Texnica, Kiev, 1976.

8. Kashiev V. N. Desgaste abrasivo de materiales de elevada dureza. Editorial

Nauta, Moscú, 1970.

9. Luddey J., Zapata A. “Construcción de una máquina para ensayo en desgaste

abrasivo según norma técnica ASTM G 65”. Revista Scientia et Técnica. Año XV,

No 41, Mayo 2009. ISSN 0122-1701.

10. Mamani P. “Estudio de resistencia al desgaste por abrasión de aceros de baja

aleación, al manganeso y hierros fundidos aleados”. Tesis de Grado. Universidad

Nacional del Callao. Perú. 2011.

11. Mott R L Diseño de Elementos de Máquinas 4ta Edición México: PEARSON

Educación, 2006, 868, p.p. 300-482 ISBN: 970-26-0812-0

12. Niebles E., Quesada F., Santamaría H. “Metodología para el diseño y

construcción de una máquina para medición del desgaste abrasivo basado en la

norma ASTM G 65”. Revista Prospectiva, Vol. 7, No. 1. Enero-junio 2009.

13. Norma ASTM G 65. Procedimiento para la evaluación de resistencia al desgaste

en máquina tipo arena seca – rueda de caucho.

14. Norma ASTM E 177 para la determinación de la Precisión de las Condiciones y


15. Norma ASTM G 40. Terminología que establece y Relaciona la Corrección y

precisión de los ensayos.

16. Norma ASTM E 122 para la determinación de la Precisión de las condiciones y


17. Rey C., Villar G. “Diseño y construcción de una máquina pin sobre disco para

realizar ensayos de desgaste“. Tesis de grado. Universidad Industrial de

Santander. España. 2009.

18. Reis, Zavaglia C. “Projeto e construcao de um equipamento para ensaios de

desgaste de materiais para uso em prótesis ortopédicas”. Revista Brasileira de

Engenharia Biom’edica. 1999. ISSN 1517/3151

19. Stabik J., Makelson M., Tomanek H. “Erosion resistance testing of plastic pipes”.

Journal of achievements in materials and manufacturing engineering. Volume 25,

Issue 2. December 2007.

20. Torres A., Pereda W., Gutiérrez A. “Máquina Tribológica”. Tesis de Grado.

Universidad de Guadalajara. México. 2002.

21. Vite M., Aguilar J., Carrillo J., De la Luz J., Flores M. “Calibración de una

máquina tribológica para pruebas de desgaste abrasivo”. Memorias Congreso

nacional de Instrumentación. México. 2006.

ANEXO 1

(

) +

0.0

64

+0

.02

5

A

NE

XO

2

trabajo de diploma título: diseño y fabricación de máquina

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