Conceptos clave de Tribología y sus aplicaciones

La tribología es el estudio de la interacción entre superficies durante su movimiento relativo.

Comunmente, se lleva a cabo en motores de combustión interna de ciclo Otto, diésel, o en motores estacionarios para conocer el tipo de desgaste a los que estos están sometidos en función del lubricante que utilizan.

Su importancia radica en que ayuda a los profesionales del mantenimiento a entender de manera detallada los procesos no reversibles que ocurren durante el desgaste de piezas y superficies de los activos.

En este post, nos centraremos en analizar para qué sirve, sus conceptos fundamentales, así como la importancia de la tribología en el mantenimiento industrial.

Tribología: definición y función

La tribología industrial es una rama de la ingeniería que estudia la fricción, el desgaste, la lubricación y los aspectos relacionados al diseño de componentes rotativos o deslizantes. Los últimos pueden ser rodamientos, trenes de engranajes, frenos o sistemas cilindros-pistón.

Estos fenómenos son cruciales para una amplia variedad de aplicaciones: tanto para el funcionamiento de un motor de combustión interna, como para nuestro cuerpo, ya que permiten el movimiento en los distintos tipos de articulaciones.

Los objetivos de la tribología en campos como el mantenimiento de equipo industrial depende de lo que se quiera estudiar y analizar.

En ingeniería mecánica, la tribología se utiliza para diseñar sistemas de contacto más eficientes y menos sujetos al desgaste.

Para comprender mejor para qué sirve la tribología en el ámbito industrial, es importante definir los conceptos de fricción, desgaste y lubricación.

Conceptos fundamentales de la tribología

Fricción

La fricción es la fuerza normal que se opone al movimiento de un objeto sobre otro. Esta fuerza se debe a la interacción entre las partículas microscópicas de las superficies en contacto.

Puede ser útil cuando se quiere frenar un vehículo, por ejemplo. Sin embargo, también puede ser perjudicial, como cuando se produce desgaste por fricción en las piezas de acción mecánica de un motor.

Entonces, se entiende como fricción a la resistencia al movimiento relativo entre dos cuerpos en contacto. Se divide en diferentes tipos.

En primer lugar tenemos la fricción estática. Esta ocurre cuando dos superficies en contacto no tienen movimiento relativo entre ellas. Por ejemplo: un bloque en una superficie inclinada. Aquí, esta fuerza de rozamiento permite que el bloque se coloque instantáneamente en reposo.

¿Pero qué sucede si, por ejemplo, la fuerza de gravedad que actúa en el bloque es mayor a la fuerza de fricción estática entre las dos superficies?

El bloque comienza a deslizarse por la pendiente, produciendo fricción cinética, la cual se manifiesta cuando las superficies se mueven una con respecto a la otra y se rozan. 

Luego, tenemos la fricción por rodadura, que se produce cuando dos superficies se mueven, una en relación con la otra y la primera rueda sobre la segunda. Por ejemplo: la fricción de los elementos rodantes con las pistas de rodadura.

Además, es importante mencionar la fricción de fluidos, la cual se produce cuando un objeto sólido se mueve a través de un líquido o un gas. Un avión en el aire o un submarino en el agua, por ejemplo.

Es importante aclarar que la fricción no se considera una fuerza fundamental, pero sí una fuerza no conservativa, lo que significa que el trabajo realizado contra la fricción depende de la trayectoria. De igual forma, el contacto de una superficie con un objeto puede presentar diferentes tipos de fricción al mismo tiempo, a esto se le conoce como fricción mixta.

Desgaste

El desgaste es el proceso mediante el cual las superficies en contacto se van deteriorando con el tiempo debido a la fricción y la carga a la que están sometidas.

Es una remoción gradual de material en superficies sólidas debido al roce o fricción, por lo que es importante tener una visión clara de las distintos tipos de desgaste que se pueden manifestar:

• Desgaste abrasivo: se produce cuando una superficie dura y rugosa se desliza sobre una superficie más blanda, removiendo parte de su superficie.
• Desgaste por adherencia: se manifiesta por el desplazamiento y la fijación no deseada de los restos de desgaste de una superficie a otra.
• Desgaste por erosión: originado debido al flujo de una mezcla de partículas que son transportadas por un fluido a altas temperaturas y que impactan la superficie metálica.
• Desgaste por corrosión: provocada por reacciones químicas entre las superficies desgastadas y un medio corrosivo.

Existen técnicas o estrategias para minimizar el roce entre las superficies, para reducir su desgaste y permitir prolongar la vida útil de los componentes de las máquinas.

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La técnica más utilizada es la lubricación, la cual controla la fricción y el desgaste mediante la introducción de una película lubricante entre las superficies móviles en contacto.

Lubricación

La lubricación es el proceso mediante el cual se aplica un material lubricante entre dos superficies en movimiento. Esto reduce la fricción y el desgaste, permitiendo que las piezas se muevan de manera más suave y eficiente.

Los lubricantes pueden ser de distintos tipos, como aceites, grasas y fluidos de alta viscosidad, siendo el aceite y la grasa los más comunes.

Además de reducir la fricción y evitar el desgaste, la lubricación se aplica para proteger los equipos de la corrosión y controlar la temperatura de las máquinas.

Entonces, en lo que se refiere a la lubricación, existen principalmente dos tipos diferentes denominados regímenes, ya sea de límite o de película completa.

La lubricación límite existe cuando, debido a condiciones especiales de cargas de choque, alta aceleración constante u otros factores, no se puedan distinguir la película lubricante.

Para estos casos, algunos aceites lubricantes contienen aditivos, como de extrema presión (EP) o antidesgaste (AW). Estos se adhieren a las superficies metálicas para formar una capa de refuerzo que protege el metal del desgaste.

Por otro lado, la lubricación por película completa existe de dos formas: ya sea, hidrodinámica y elastohidrodinámica.

• Lubricación hidrodinámica (HL): se produce cuando dos superficies en movimiento de deslizamiento están totalmente separadas por una película de fluido y no hay roce entre ellas.
• Lubricación elastohidrodinámica (EHL): es muy similar a la hidrodinámica, sólo que esta se produce cuando las superficies están en movimiento de rodadura (una respecto a la otra). Recibe ese nombre por la propiedad de la película lubricante de deformarse elásticamente sobre la superficie de rodadura.

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En resumen, la lubricación y la tribología van de la mano. 

Gracias a estudios científicos y pruebas en los últimos años, se han desarrollado lubricantes líquidos de alta eficiencia que permiten: 

• Minimizar el contacto directo entre las superficies independientemente de las condiciones de operación.
• Reducir el desgaste de componentes.
• Transferir calor, evitando el aumento de la temperatura.
• Remover contaminantes lejos de las superficies.

Entonces, antes de seleccionar el lubricante adecuado, es necesario identificar el sistema tribológico. Es decir, identificar las propiedades del sistema de referencia, como el tipo de movimiento, las velocidades, temperaturas, la carga y el entorno de funcionamiento.

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