ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN LA TRIBOLOGIA

                                                                        FRICCIÓN

Es la resistencia que presenta la superficie rugosa de un cuerpo sólido a moverse sobre la de otro ya sea sólido o líquido y que se manifiesta por la pérdida de energía mecánica durante el inicio y desarrollo del movimiento relativo entre las dos zonas materiales en contacto. La energía que se pierde por fricción se transforma en calor, el cual no le aporta beneficio alguno a los mecanismos sometidos a fricción y por el contrario en la mayoría de los casos cuando las rugosidades de los mecanismos interactúan sus propiedades elásticas se modifican, volviéndose rígidas, propiciando su fractura y por lo tanto al desgaste prematuro de los mecanismos.

ESTADOS DE FRICCIÓN

FRICCIÓN PURA

Se presenta cuando las rugosidades de las dos superficies metálicas interactúan sin la presencia absoluta de un tercer elemento. En la práctica industrial raras veces se encuentra este estado de fricción ya que sólo se puede obtener en el laboratorio donde es factible garantizar que las superficies metálicas están libres de cualquier tipo de película contaminante.

FRICCIÓN METAL-METAL

Ocurre cuando las rugosidades de dos superficies metálicas teóricamente interactúan en ausencia de un tercer elemento que las separe (es inevitable la presencia de humedad, óxidos, entre otros); también puede ocurrir en un mecanismo lubricado como consecuencia del rompimiento de la película límite o por la ausencia de ésta al agotarse los aditivos antidesgaste del lubricante. La fricción metal-metal no siempre se debe evitar ya que hay situaciones donde es imprescindible que ocurra como por ejemplo entre la carrilera y las ruedas del tren, en las cuales es necesario que sus rugosidades estén completamente exentas de cualquier tipo de sustancia para poder rodar y frenar rápidamente.

FRICCIÓN SÓLIDA

En este caso el sistema tribológico está constituido por tres elementos que presentan características de cuerpos sólidos; dos de estos elementos son las superficies metálicas que interactúan y el tercero es la película limite del lubricante utilizado que se encuentra adherida al metal base y está constituida por capas de un compuesto que puede ser el aditivo antidesgaste, óxido, humedad, vapores, entre otros. En la práctica industrial la fricción sólida se presenta permanentemente en los mecanismos lubricados siempre que arrancan o paran.

FRICCIÓN FLUIDA

Es un estado de fricción que se presenta entre las capas de un lubricante líquido que separa dos superficies lubricadas; la energía consumida es la necesaria para cizallar las capas del lubricante la cual finalmente se transforma en calor

FRICCIÓN MIXTA

Está constituida por dos estados de fricción que ocurren simultáneamente en un sistema tribológico; este tipo de fricción se presenta cuando un mecanismo que funciona bajo condiciones de lubricación a película fluida se encuentra en una etapa posterior al inicio del movimiento o previa a su detención en la cual hay algunas rugosidades que interactúan propiciando la fricción sólida y otras se encuentran separadas dando lugar a la fricción fluida. La fricción mixta también se presenta en aquellos mecanismos que trabajan bajo condiciones de altas cargas y bajas velocidades en las cuales las rugosidades de las superficies sometidas a fricción no alcanzan a separarse sino que permanentemente están interactuando, este tipo de fricción mixta da lugar a lo que se conoce con el nombre de lubricación Elastohidrodinámica o EHL.

FRICCIÓN GASEOSA

Se presenta cuando el elemento que separa las dos superficies que se encuentran en movimiento relativo es un gas; este puede ser el caso de los mecanismos lubricados con aire o de las caras de los sellos secos de turbo-máquinas cuando se inyecta nitrógeno entre ellas para formar la película hidrodinámica que permite separar la cara fija de la que gira.

FUERZA DE FRICCIÓN

Siempre que un cuerpo se deslice o ruede sobre la superficie de otro se presenta una fuerza resistiva que es paralela y contraria a la dirección del movimiento y se conoce como fuerza de fricción y puede ser estática o cinética.

FUERZA DE FRICCIÓN ESTÁTICA

Es la fuerza requerida para iniciar el movimiento relativo entre dos superficies cuyas rugosidades interactúan y es igual al producto del coeficiente de fricción metal-metal de los materiales de las superficies o del coeficiente de fricción sólida de la sustancia que se está utilizando como lubricante por la fuerza normal que mantiene juntas las dos superficies.

FUERZA DE FRICCIÓN CINÉTICA

Es la fuerza requerida para mantener en movimiento dos superficies cuyas rugosidades interactúan o se encuentran totalmente separadas por una película lubricante y es igual al producto del coeficiente de fricción metal-metal de los materiales de las superficies, en caso de que no se esté utilizando algún lubricante o del coeficiente de fricción fluida o Elastohidrodinámica (EHL) si se están lubricando, por la fuerza normal que mantiene juntas las dos superficies.

La fuerza de fricción estática y cinética se calculan de: F = f N, Kgf (lbf) Donde: F: Fuerza de fricción estática Fe o cinética Fc, Kgf (lbf). f: Coeficiente de fricción metal-metal, sólido, fluido ó EHL, adimensional. N: Fuerza normal que mantiene juntas las dos superficies, Kgf (lbf).

El cálculo de Fe tiene otra componente que es la fuerza necesaria para fracturar las crestas de las rugosidades que se sueldan cuando se inicia el movimiento y no se está utilizando un lubricante o para deformarlas elásticamente en caso de que si se estén lubricando; esta fuerza es muy compleja de calcular y su valor es muy pequeño por lo que en la práctica no se tiene en cuenta. La relación entre la fuerza estática y la cinética se puede expresar de la siguiente manera: si Fc es menor que Fe no hay movimiento; si son iguales el movimiento es inminente y finalmente si Fc es mayor que Fe el cuerpo se mueve.

LEYES DE LA FUERZA DE FRICCIÓN

Las leyes de la fuerza de fricción se fundamentaron, teniendo en cuenta la interacción de las rugosidades de una superficie metálica cuando se mueve con respecto a otra, ya sea bajo condiciones de fricción metal-metal, sólida o EHL. Básicamente las leyes de la fuerza de fricción son dos:

·         Depende del área conformada por la suma de las áreas de las crestas más sobresalientes de las dos superficies sometidas a fricción y se conoce como área real y no del área geométrica de dichas superficies conocida como área aparente. ·         Es directamente proporcional a la componente normal del peso del elemento que desliza o rueda.

Estas leyes fundamentales de la fuerza de fricción metal-metal o sólida o EHL fueron propuestas por primera vez en 1550 por el italiano Leonardo Da Vinci al observar un bloque rectangular deslizándose sobre una superficie plana; en 1699 el ingeniero francés Amontons volvió a desarrollarlas y en 1781 Coulomb las comprobó, diferenciando claramente la fuerza de fricción estática de la cinética.

FACTORES QUE CONDICIONAN LA FUERZA DE FRICCIÓN
Los más importantes son la carga, naturaleza de los materiales, velocidad de deslizamiento, acabado superficial, geometría de los cuerpos, tolerancia entre las piezas, temperatura de operación, adhesión, cizallamiento, arado y lubricación.


COEFICIENTE DE FRICCIÓN
Es la variable para el cálculo de la fuerza de fricción y su valor depende no solamente del material de las superficies sino también de lo que ocurra en la interface de las mismas cuando se encuentran en movimiento relativo la una con respecto a la otra; hay otros factores que lo afectan como la humedad, temperatura, velocidad de deslizamiento, presión de contacto, tipo de película lubricante, acabado superficial y forma de la región de contacto. La relación entre la fuerza de fricción necesaria para iniciar el movimiento de un cuerpo y la componente normal de su peso se conoce como coeficiente de fricción estático y como coeficiente de fricción cinético cuando está involucrada la fuerza de fricción necesaria para mantenerlo; en este caso si las superficies son lubricadas y la película lubricante es del tipo EHL juega un papel preponderante que el movimiento sea por deslizamiento o por rodadura.


TIPOS DE COEFICIENTE POR FRICCIÓN

COEFICIENTE DE FRICCIÓN PURA
Ocurre cuando las superficies de dos rugosidades que interactúan están completamente exentas de un componente que las separe; el valor de este coeficiente de fricción es muy alto y en la práctica de la Tribología nunca se presenta.

COEFICIENTE DE FRICCIÓN METAL-METAL
Se presenta cuando la rugosidad de una superficie metálica desliza directamente sobre la de otra, es alto y puede llegar a ocasionar que las dos superficies se suelden debido a la gran cantidad de calor generado cuando las crestas más sobresalientes chocan y tratan de deformarse elásticamente; su valor depende del material de las superficies en contacto; en superficies de elementos de máquinas lubricadas debe ser lo más bajo posible con el fin de minimizar la cantidad de desgaste que puede ocurrir en ellas cuando la película límite se consume y transcurre un instante de tiempo mientras reacciona el aditivo anti-desgaste del lubricante y la vuelve a restituir.


COEFICIENTE DE FRICCIÓN SÓLIDA
Ocurre siempre que un mecanismo que va a operar bajo condiciones de película fluida se pone en marcha e interactúan y friccionan las películas límites de las dos rugosidades constituidas por el aditivo anti-desgaste que se encuentra adherido a ellas. Este coeficiente de fricción es menor que el coeficiente de fricción metal-metal y su valor depende de aspectos tales como la altura de las crestas de las rugosidades de las dos superficies, de si el lubricante utilizado es mineral o sintético y si el movimiento del mecanismo sometido a fricción es por rodadura o por deslizamiento.


COEFICIENTE DE FRICCIÓN FLUIDA
Es la resistencia a la cizalladura que presenta la película lubricante que se forma entre dos superficies cuando operan bajo condiciones de lubricación fluida; varía con el incremento de la viscosidad por encima de su valor normal para un determinado mecanismo. El valor del coeficiente de fricción fluida (ff) depende de si el aceite es mineral o sintético.


COEFICIENTE DE FRICCIÓN ELASTOHIDRODINÁMICO
Es un coeficiente de fricción equivalente (fe) que se presenta en aquellos mecanismos donde por sus condiciones operacionales no es factible que las rugosidades se separen sino que permanentemente están interactuando; se calcula del promedio del coeficiente de fricción sólida cuando las rugosidades interactúan y se deforman elásticamente y el fluido cuando se cizalla la película lubricante que se forma en el momento en que las dos rugosidades deformadas elásticamente aplastan el lubricante que ha quedado atrapado entre ellas. El valor del coeficiente de fricción Elastohidrodinámica o EHL es mayor que el fluido y depende de la altura de las crestas de dos superficies sometidas a fricción y de si el aceite es mineral o sintético.
En programas de Tribología tendientes a reducir el consumo de energía por fricción en componentes de máquinas lubricados se deben utilizar los valores de los coeficientes de fricción especificados por los fabricantes de los lubricantes en sus catálogos técnicos; en caso de que no sea posible conocer esta información se pueden utilizar con mucha aproximación los valores de los coeficientes de fricción para superficies lubricadas con diferentes tipos de lubricantes que se dan en la tabla 1, los cuales se han obtenido promediando valores típicos de lubricantes cuyos coeficientes de fricción se conocen.  Los valores de estos coeficientes de fricción se dan para acabados superficiales entre 5 y 25 micras.