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Por qué el mundo gira gracias a la tribología

El quinto Congreso Mundial de Tribología (World Tribology Congress, WCT), patrocinado por SKF y celebrado en Turín, Italia, refleja la importancia de esta ciencia en el mundo de los rodamientos y de los sistemas basados en los principios de fricción, lubricación y desgaste. El congreso de este año pone de manifiesto la amplia colaboración que SKF mantiene con clientes y universidades para comprender más a fondo la capacidad que tienen los rodamientos de mejorar el rendimiento de aplicaciones reales.

Autores: Elaine McClarence y Walter Verhaert, Editores de Tecnología

Lubricantes Maquinaria y equipo Mantenimiento Fiabilidad Investigación y teoría Rodamientos

Resumen

El quinto Congreso Mundial de Tribología patrocinado por SKF es un acontecimiento que refleja el progreso de la ciencia y la ingeniería dedicada a las superficies interactivas en movimiento relativo.  En este importante encuentro de destacados investigadores se debatieron cuestiones que tienen un impacto sobre nuestra vida diaria, puesto que afectan a los automóviles que conducimos, al transporte que usamos y a las máquinas y equipos que hacen posible la vida moderna. Puesto que los rodamientos se usan en todas partes, el aumento de rendimiento constante que exige la industria tiene consecuencias. Velocidades más altas, temperaturas más elevadas, mayor densidad de potencia, lubricantes más fluidos, tamaños de rodamiento más grandes, condiciones medioambientales más agresivas o aditivos y niveles de vibración más altos hacen que los ingenieros necesiten comprender mejor la tribología de los rodamientos para garantizar que los diseños actuales y futuros estarán a la altura de las circunstancias.

Enlaces relacionados

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INSA LYON

Imperial College London

 

La tribología es crucial en el estudio de los rodamientos y sistemas afines, y puede contribuir positivamente a reducir la fricción y el desgaste, además de atesorar la energía y proteger el medio ambiente. Prolonga la duración de los equipos y reduce los costes de la vida de servicio asociados con el funcionamiento de los rodamientos.

Los conocimientos de tribología ayudan a elegir los lubricantes (aceites y grasas) que deben usarse en las aplicaciones, a diseñar el rodamiento, a seleccionar los materiales empleados y sus superficies, a conocer las pérdidas por fricción y los aumentos de temperatura, y, finalmente, a maximizar la vida útil del propio rodamiento, del lubricante y del sistema de obturación.

En el Congreso Mundial de Tribología se presentaron trabajos que reflejan el extenso campo de investigación práctica y empírica en el que interviene SKF. Dicho campo comprende desde la solución de problemas concretos de clientes mediante el uso de avanzadas herramientas de modelado, hasta la investigación colaborativa con universidades a fin de desarrollar técnicas para comprender los mecanismos que gobiernan la formación de lubricante y la progresión de los daños. A esto hay que añadir la investigación científica llevada a cabo por la propia SKF para consolidar su posición como empresa de conocimiento industrial.

Atención a los problemas del cliente
El trabajo Simulation analysis of the factors influencing the lubrication conditions in a rolling element bearing set for a gas turbine starter motor (1), es un ejemplo de investigación impulsada por el cliente. Los investigadores de SKF han desarrollado un método de simulación para analizar el efecto de la geometría real de la superficie sobre el espesor de la película lubricante en los elementos del rodamiento. Utilizando la herramienta BEAST (BEAring Simulation Tool, consultar página 21), se han llevado a cabo trabajos de simulación y evaluaciones de los efectos que la macrogeometría y microgeometría de los componentes (como, por ejemplo, su ondulación, ovalidad, rugosidad o topografía de la superficie real) tienen sobre los parámetros tribológicos de los rodamientos. Para ello se crearon modelos de simulación para varios cuerpos, con objeto de determinar los efectos causados por la variación de características de los rodamientos dentro de límites definidos. El efecto de la topografía de la superficie real se calculó como una modificación de las condiciones de contacto local, atribuyendo mediciones de superficie interferométricas al cuerpo correspondiente en el modelo virtual. El resultado de esta investigación es que ahora los diseñadores pueden considerar las propiedades de la superficie al desarrollar un nuevo diseño. Los autores declaran, “las propiedades de la superficie pueden considerarse un factor clave desde el inicio del proceso de diseño, y la optimización de los parámetros analizados conduce a efectos positivos en el rendimiento de un sistema de ingeniería.”

Otro proyecto de investigación orientado al cliente es el de en Grease lubrication in super-precision bearings operating at high speed (2). En él, los autores presentan su proyecto para ampliar los conocimientos sobre la lubricación con grasa en rodamientos que giran a grandes velocidades, a fin de prolongar la vida útil de la grasa en esas condiciones operativas. Aunque la lubricación con grasa es una de las metodologías más comúnmente empleadas para lubricar rodamientos de superprecisión en husillos de máquinas herramienta que funcionan a alta velocidad, su uso queda limitado por la breve vida útil del lubricante cuando la velocidad está cerca de valores n x dm de 2 millones. Si fuera posible prolongar la lubricación con grasa a velocidades de valores tan altos, no habría que diseñar husillos muy complejos ni recurrir a la lubricación aceite-aire (más costosa).

Colaboración con universidades
El Imperial College London y el INSA de Lyon, en Francia, tienen una larga historia de colaboración con SKF, y tres trabajos (3), (4) y (5) demuestran sus resultados.

En Smearing damage in rolling element bearings (3), se hace un examen profundo de la adherencia, que es un tipo de daño que puede producirse en los elementos rodantes de un rodamiento cuando su velocidad difiere de la velocidad teórica debido a las condiciones operativas. Es muy difícil pronosticar el momento en que comienzan los daños por adherencia porque no se acaban de entender los principales factores en juego. Este trabajo intenta determinarlos, combinando los resultados de un banco de pruebas experimental único en su clase, capaz de reproducir daños de adherencia bajo condiciones controladas con resultados numéricos a partir de un modelo dinámico que reproduzca el mismo estado de contacto. En BEAST (ver la página 21) se creó un banco de pruebas de dicho modelo dinámico. Los autores dicen que la combinación de datos experimentales y pronósticos numéricos asociados permite realizar un análisis preciso de las condiciones que conducen al comienzo de la adherencia y, por tanto, permiten deducir las posibles causas detrás de este tipo de daños.

En Multi-scale modelling of lubricated contacts: a study on the velocity boundary condition at the wall-fluid interface (4), los investigadores explican cómo desarrollaron un enfoque multiescala para integrar fenómenos a escala nanométrica en modelos de lubricación macroscópicos. En especial, se simulan las condiciones de deslizamiento límite que se presentan en películas de lubricante muy delgadas. Su evolución en función de las condiciones operativas y el material de la superficie pueden describirse mediante leyes semianalíticas, y se han integrado en una ecuación Reynolds modificada que incluye los efectos del deslizamiento entre capas. El modelo Nano-EHL muestra que el espesor de película se reduce de manera significativa el centro para compensar una aceleración del flujo de lubricante causada por la existencia de deslizamiento entre capas a escala molecular.

Modelling the propagation of rolling contact fatigue (RCF) cracks in the presence of lubricant (5) es un trabajo relacionado con un problema que tiene implicaciones industriales. La fatiga (rolling contact fatigue, RCF) afecta la vida útil de gran variedad de componentes, desde engranajes, rodamientos con elementos rodantes y rodillos industriales para la fabricación de acero, hasta ruedas y raíles de ferrocarril. Puede producirse tanto en contactos lubricados como secos, donde la presencia de un fluido puede ser intermitente.

Se supone que las grietas por RCF se propagan mediante un mecanismo de fatiga generado por tensiones cíclicas derivadas de las cargas de contacto por rodadura y deslizamiento. Se sigue investigando el mecanismo exacto de propagación causado por la carga de contacto repetida.

Los autores presentan un estudio de un modelo unidimensional que agrupa la deformación de la superficie, el flujo de lubricante en la película superficial y la grieta, y la propagación de la grieta en base al campo de tensiones subsuperficiales. Los investigadores sugieren que la relación entre las películas de fluído en superficie y en grieta sirve para captar el comportamiento físico real de una grieta de RCF. Por tanto, todo modelo que se use para su análisis en contactos de EHL debe explicar este comportamiento; de otro modo, se introducirán grandes discrepancias en el pronóstico de la fatiga de iniciación superficial resultante en el extremo de la grieta. Estos errores son aún más significativos cuando se tiene en cuenta la propagación. Aquí es vital incluir el efecto de la presión del lubricante en la grieta al intentar pronosticar el ritmo de propagación correcto en condiciones de fatiga de contacto. Este estudio constituye uno de los primeros intentos de una agrupación completa del modelo fluido-sólido incluyendo la dependencia del crecimiento de grieta.

La ciencia como foco de atención
El tercer tipo de investigación presentado por SKF y sus colaboradores es puramente científico. El trabajo, Detailed contacts in dynamic simulations – A contradiction? (6) aborda la simulación dinámica de los rodamientos, que es una potente herramienta para el estudio de diversos fenómenos relacionados con el rendimiento y la vida de servicio de los rodamientos. Sin embargo, la naturaleza de las simulaciones dinámicas, (que requiere calcular un gran número de periodos de tiempo), imposibilita el uso de modelos físicos muy detallados. Eso sí, en situaciones críticas relacionadas con la vida de servicio de los rodamientos, los modelos detallados de las condiciones de contacto pueden proporcionar una valiosa información. Este trabajo propone una forma fácil de combinar simulaciones dinámicas con simulaciones de contacto muy detalladas.

El trabajo, Prediction of micropitting performance of oil/additive solutions in rolling and sliding contacts (7) aborda el desarrollo de un modelo que pueda describir las interrelaciones entre la fricción, el desgaste y la micropicadura (deformación superficial o desconchado). Los autores buscaban seguir desarrollando un modelo de micropicadura que tiene en cuenta las condiciones operativas, la rugosidad superficial y las propiedades del material de las superficies en contacto, y que ha demostrado que el desgaste y la micropicadura son dos fenómenos en conflicto en superficies que funcionan en condiciones marginales de lubricación. El objetivo era poder pronosticar el grado de daños por micropicadura después de un cierto número de ciclos para varias soluciones de aceite/aditivo y a diferentes humedades relativas del entorno. Se supone que los eventuales efectos triboquímicos de los aditivos y/o el agua en el aceite se manifiestan mecánicamente, y se han modelado tomando los coeficientes medidos de desgaste y fricción límite como datos iniciales en el modelo. Se han llevado a cabo una serie de pruebas de micropicadura con varias soluciones de aceite/aditivo y a diferente humedad relativa en el aire, y el modelo ha demostrado tener una buena concordancia con los resultados experimentales.

Tribo-Lyon
Este año fue de suma importancia para esta especialidad porque, conjuntamente con el Congreso Mundial de Tribología, se organizó la conferencia adicional Tribo­Lyon 2013 .

Conclusión
En 2012, SKF invirtió 180 millones de euros en investigación y desarrollo, lo que supone un 2,5% de las ventas anuales. En 2012, las actividades de desarrollo se materializaron en 600 inventos y 421 nuevas patentes. Los conocimientos de tribología de SKF han dado como resultado importantes innovaciones, como los rodamientos energéticamente eficientes de SKF, el revestimiento NoWear, los rodamientos híbridos, las jaulas de bronce y poliméricas, los rodamientos con superacabado para aplicaciones especiales, acabado superficial, especificaciones de grasas y lubricantes, y obturaciones de baja fricción.

Gracias a su colaboración con universidades de primera línea especializadas en tribología, el Imperial College London alberga ahora uno de los centros de tecnología universitarios de SKF (CTU). Dicho centro, orientado a la modelación y simulación de sistemas tribológicos, abrió sus puertas en enero de 2010. El catedrático Hugh Spikes (Evolution, núm. 2-2013, página 18) dirige el equipo CTU del Imperial College, compuesto por tres doctorandos y dos becarios postdoctorales. Hugh Spikes ha publicado más de 200 trabajos académicos sobre tribología y ha obtenido varias patentes en este campo. El centro CTU en el Imperial College formaliza también una larga cooperación con SKF, que supera los 30 años; desde un principio, Stathis Ioannides, anterior director técnico de SKF, fue profesor visitante de este centro.

SKF y el INSA de Lyon han consolidado aún más su cooperación estableciendo en este centro francés la Cátedra SKF de “Interfaces lubricadas para el futuro”. La intención de esta cátedra de seis años es realizar un estudio transfuncional retrospectivo que abarque la identificación, comprensión y modelado del comportamiento de lubricantes bajo las condiciones extremas impuestas por las interfaces lubricadas.

El conocimiento tribológico de SKF también está presente en muchas de sus herramientas de pronóstico y software (BEAST, SKF Bearing Beacon y modelos de catálogo impresos y en línea). Entre los modelos concretos se pueden citar el modelo de fricción de SKF para rodamientos, el modelo de vida útil de rodamiento de SKF (especialmente en lo que respecta a los factores de lubricación y contaminación), el modelo de vida útil de grasa de SKF y el modelo de deformación superficial, todas ellas herramientas importantes en el desarrollo de innovaciones y en el pronóstico del rendimiento de los rodamientos en condiciones en las que la superficie desempeña un papel destacado.

Referencias
1. F. Mandrile, G. Moschetto, S. Vasconi and F. Caprioli, Simulation analysis of the factors influencing the lubrication conditions in a rolling element bearing set for a gas turbine starter motor.
2. F.Greco, J. Wangand, A. van den Kommer, Grease lubrication in super-precision bearings operating at high speed.
3. M.T. Fowell, A. Kadiric, G. Morales-Espejel, L-E. Stacke and S. Ioannides, Smearing damage in rolling element bearings.
4. D. Savio, N. Fillot, P. Vergne, R. Pasaribuand, G. Morales-Espejel, Multi-scale modelling of lubricated contacts: a study on the velocity boundary condition at the wall-fluid interface.
5. R. Balcombe, M.T. Fowell, A. Kadiric, D. Dini, A.V. Olver, Modelling the propagation of rolling contact fatigue (RCF) cracks in the presence of lubricant.
6. L-E. Stacke, D. Fritzson, G. Morales-Espejel, Detailed contacts in dynamic simulations – A contradiction?
7. V. Brizmer, H.R.Pasaribu, G. Morales-Espejel, Prediction of micropitting ­performance of oil/additive solutions in rolling and sliding contacts.

Algunos de los trabajos presentados en el Congreso con intervención de SKF y sus colaboradores:

  • Hajishafiee, D. Dini, A. Kadiric, S. Ioannides, A fully-coupled finite volume solver for elasto-hydrodynamic lubrication problems with particular application to rolling element bearings.
  • J. Guégan, A. Kadiric, T. Reddyhoff, G. Morales-Espejel, H. Spikes, Friction and lubrication of textured surfaces in elasto-hydrodynamic contacts.
  • J. T. Nyqvist, A. Kadiric, R. S. Sayles and E. Ioannides, Three-dimensional analysis of multi-layered rough surface contacts.
  • V. Brizmer, A. Rychahivskyy, B. Han, Study on anti-micropitting performance of black oxide coating.
    J. Wang, CFD analysis of drag loss in high-speed bearings.
  • W. Awan, M. Hadfield, B. Thomas, C. Vieillard, R. Cundill, An experimental investigation of rolling contact failure within silicon nitride subject to micro surface defects.
  • P. Tesini and T. Adane, Computing structural fatigue damage in rolling bearing cages.
  • D. Fritzson, L-E. Stacke, Advances in Transient Rolling Bearing Simulation – BEAST

Y en Tribo-Lyon 2013:

  • G.E. Morales-Espejel, Surface roughness effects in elasto-hydrodynamic lubrication – A review with contributions.

 

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