Ingeniería

De la física de lubricantes al comportamiento del rodamiento

La cátedra de SKF "Interfaces lubricadas para el futuro” en el laboratorio LaMCoS-INSA Lyon.

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Hoy más que nunca, el diseño de un mecanismo lubricado eficiente y de larga duración exige tener en cuenta limitaciones como la reducción continua del espesor de la película de lubricante en sistemas lubricados, la aparición de nuevos materiales y la constante publicación de nuevos requisitos sobre aspectos medioambientales, así como la reducción de pérdidas de energía y la conservación de los recursos naturales. Este contexto tan cambiante hace que se avance cada vez más en la comprensión de los mecanismos que forman la película de lubricante y disipan la fricción, con el objetivo de poder disponer de herramientas predictivas confiables.

El lubricante y sus propiedades termofísicas desempeñan un papel central que nos impulsa a abordar nuevos problemas relacionados con la evolución de las condiciones de funcionamiento de los rodamientos de elementos rodantes y la respuesta del lubricante empleado. Estos aspectos se estudian en el laboratorio LaMCoS–INSA Lyon en colaboración con SKF.

A mediados de la década del noventa, el Centro de Investigación Europeo de SKF (SKF ERC, ahora Research & Technology Development, SKF-RTD) y el Laboratoire de Mécanique des Contacts (LMC, ahora Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, LaMCoS) en INSA Lyon, empezaron a colaborar sobre la lubricación de los contactos de pestaña/extremos de rodillo, tal como la existente en rodamientos de rodillos de gran tamaño. El objetivo fundamental era desarrollar un nuevo banco de pruebas (Tribogyr) dedicado a tipos de contactos lubricados, que por aquel entonces solo se planteaba en la bibliografía científica. Las especificaciones formuladas por SKF incluían algunos puntos excepcionales, entre ellos:

  • simulación en escala 1:1 de un contacto real, como el que se produce en rodamientos de rodillos con diámetros exteriores de unos 600–1 000 mm
  • reproducción de la cinemática especial que puede presentarse en esos contactos, con una velocidad de arrastre, pero también con componentes en rotación rápida y sometidos a torsión
  • consideración del radio de curvatura de los cuerpos rodantes en el área de contacto
  • medición de las tres fuerzas y el par que actúan sobre cada una de las dos probetas.

Una vez que el Tribogyr se validó y puso en servicio, aparecieron en seguida limitaciones al comparar los resultados experimentales con simulaciones que permitían ampliar fácilmente el alcance de la investigación o cambiar artificialmente el lubricante. Utilizando el Tribogyr, se introdujeron otros enfoques gradualmente en los proyectos de estudio de contactos lubricados de gran tamaño en rotación rápida (véase http://evolution.skf.com/the-beast-of-lyon-putting-large-bearing-contacts-to-the-test/). Esta investigación, propiciada principalmente por SKF, se convirtió en parte de un marco más general establecido previamente en LaMCoS, denominado “Multienfoque, multifísico y multiescalar cuantitativo de la lubricación y los lubricantes”.

Este marco general se presenta inicialmente con algunas ilustraciones que hacen referencia a los contactos de pestaña/extremo de rodillo. Posteriormente se detallan aspectos más específicos, todavía en relación con la lubricación de contactos sometidos a cargas pesadas o lubricación elastohidrodinámica (elastohydrodynamic lubrication, EHL).

Fig. 1: Cuadro que describe el multienfoque, multifísico y multiescalar cuantitativo de la lubricación y los lubricantes desarrollado en LaMCoS-INSA Lyon.

Descripción general de un multienfoque, multifísico y multiescalar cuantitativo de la lubricación y los lubricantes

El cuadro en la fig. 1 resume este multienfoque. La tribología y, por lo tanto, la lubricación, son, por su naturaleza, campos multidisciplinarios. Evidentemente, esto significa que es necesario tener en cuenta que pueden interactuar varias disciplinas, pero el aspecto más importante tal vez sea poder realizar simultáneamente investigación experimental, y modelización y simulación numérica.

La parte derecha de la fig. 1 está dividida en dos contribuciones en aras de la claridad. La primera es la tribometría, que implica la medición de las cantidades relativas a la tribología (fricción, espesor de película, presión, temperatura, etc.) y la metrología, con el sentido de calibración precisa, incertidumbres y repetibilidad apropiadas. La segunda contribución debería ser una parte esencial de cualquier investigación de la lubricación: se refiere a las características físicas del lubricante y, sobre todo, a sus propiedades reológicas. Después de todo, la viscosidad y densidad del lubricante son dos magnitudes explícitamente presentes en la ecuación de Reynolds, por lo que se trata de parámetros importantes que se deben tener en cuenta y caracterizar de una forma apropiada. Para la viscosidad, esto parece trivial, pero hay que recordar que el espesor de película en el centro de un contacto elastohidrodinámico (EHD) también depende directamente de la influencia de la presión sobre la densidad del lubricante. Además, la solución de cualquier problema térmico exige conocer y, por lo tanto, caracterizar, la conductividad del lubricante y el calor específico. Hay que subrayar que estos últimos parámetros varían sustancialmente con la presión y la temperatura, y hemos mostrado que esas variaciones pueden tener una influencia significativa sobre la fricción [1]. Una vez terminadas estas caracterizaciones experimentales, es necesario representar las variaciones de las cantidades medidas mediante modelos robustos, establecidos sobre una base física y no sobre fórmulas o regresiones matemáticas simples. Esto último puede permitir la interpolación, aunque no la extrapolación, de valores más allá de las áreas abarcadas por el experimento y puede ser que no abarquen las gamas que se hallan en EHL. Ello no solo es importante para determinar si las propiedades del lubricante son apropiadas por una amplia gama de condiciones, sino que es una contribución fundamental y exigida para realizar simulaciones cuantitativas.

El lado izquierdo de la fig. 1 presenta el enfoque numérico. En el extremo izquierdo, aparece la simulación de dinámica molecular, basada en consideraciones atomísticas y que permite obtener dos tipos de resultados a escala nanométrica, que también es la escala de los modelos numéricos. Por un lado, es posible obtener “in silico”, es decir, en computadora, el estado físico y las propiedades de transporte de un fluido bajo la aplicación de condiciones de presión y temperatura. Desde este punto de vista, las simulaciones de dinámica molecular pueden proporcionar complementos útiles a experimentos destinados a establecer las características físicas de un lubricante. Por otro lado, este tipo de enfoque informático posibilita estudiar la respuesta de películas de fluidos muy limitadas y de sus interfaces con medios sólidos a escalas espaciales donde el enfoque de la mecánica continua ya no tiene validez. El último enfoque es la fundación del solucionador multifísico, basado aquí en el método de los elementos finitos (fig. 1). Esta herramienta permite predecir el espesor de película y la fricción en contactos EHD en todos los tipos de geometría (lineal, circular, elíptica, toroidal/plana) y cinemática (rotación, deslizamiento, rotación rápida, torsión). Se tiene en cuenta el correspondiente comportamiento del lubricante, y el solucionador considera la disipación de calor. Además de las condiciones de funcionamiento, los datos introducidos son las propiedades reológicas y físicas del lubricante a través de los modelos arriba mencionados.

Fig. 2: Validación de simulaciones numéricas mediante experimentos (aquí, mediciones de espesor de película) en contactos lubricados rodantes, deslizantes y en rotación rápida. Izquierda: Solución con FEM a la izquierda, imagen interferométrica a la derecha de un contacto de bola en disco; U0 = 2 m/s, W=400 N. Derecha: Solución con FEM (arriba) e interferograma (abajo) de un contacto toroidal en plano; U0 = 3 m/s, W=400 N.

Antes de cualquier intento de usar los modelos (o el dispositivo Tribogyr), era esencial efectuar la validación cuantitativa de las herramientas desarrolladas en nuestro grupo en LaMCoS. Esto se logró realizando experimentos y simulaciones numéricas en contactos de extremo de rodillo/pestaña lubricados, tal como los existentes en rodamientos de gran tamaño. La fig. 2 ilustra estos pasos de validación de dos contactos lubricados rodantes, deslizantes y en rotación rápida, y de dos configuraciones: a la izquierda, contacto de esfera en plano [2], y a la derecha, contacto toroidal en plano ([3] contacto elíptico estrecho). Las condiciones de funcionamiento se indican en la leyenda, donde U0 es la velocidad de arrastre en el centro del contacto; obsérvese que, para poder efectuar interferometría con luz blanca, ambos planos en los experimentos estaban hechos de cristal. Las propiedades del material plano se han modificado debidamente en las simulaciones, y los resultados se han coloreado empleando curvas de calibración interferométrica.

La excelente concordancia entre los experimentos y el modelo numérico se incluyen directamente en la fig. 2 (izquierda) para la configuración de bola en plano, lo que indica una desviación máxima del 1% independientemente de donde se estimara la ubicación del espesor de película. La concordancia también es muy buena en el caso de contacto toroidal en plano, donde se observaron desviaciones del 1,5% en la línea central de contacto curvada, y del 5% en las regiones de espesor de película mínimo.

Posteriormente se resumen algunos aspectos destacados de la labor realizada en LaMCos-INSA Lyon en la cátedra de investigación titulada “Interfaces lubricadas para el futuro”. El título elegido para esta colaboración con SKF indica claramente que el tema central es la lubricación, cuyos objetivos principales son:

  • la separación de superficies para evitar desgaste y fallas inoportunas del mecanismo por daños en la superficie y
  • el control de la fricción (vinculada con pérdidas de energía) mediante el cizallamiento de un lubricante caracterizado.

Separación de superficies e integridad de contacto

Tal como se ha mencionado arriba, el enfoque de modelización experimental doble proporciona una predicción de confianza sobre el espesor de película de lubricante, tan pronto como la caracterización reológica del lubricante se vincula con los modelos multifísicos en la escala de contacto, lo que implica efectos no newtonianos y térmicos. Entonces, el reto es prever la formación de espesor de película en el marco de aplicaciones reales, lo que implica condiciones de lubricación deficiente, con una cinemática potencialmente de rotación rápida/torsión, y en algunos casos sin velocidad de arrastre del lubricante en el contacto. Este es el caso de rodamientos del tipo sin jaula, donde el contacto entre dos elementos rodantes sucesivos significa que dos superficies se mueven en direcciones opuestas. En este caso, es necesario tener en cuenta los efectos térmicos y de compresión (fig. 3) para crear un modelo de espesor de película predictivo para contactos con una velocidad de arrastre cero, que es una carencia esencial en la bibliografía de EHL y que contribuiría considerablemente en el diseño de esos rodamientos [4].

Fig. 3: Campo de temperaturas en un contacto de EHL con una velocidad de arrastre cero, que muestra los gradientes en espesor de película en el origen de la capacidad de carga del rodamiento.

Desde el punto de vista experimental, se han hecho progresos importantes con el objeto de medir los campos de presión y temperatura in situ dentro del contacto y poder validar las predicciones del modelo. Se ha desarrollado una nueva técnica basada en la sensibilidad de emisión de fluorescencia de nanosensores ante las variaciones de presión y temperatura. Estos nanosensores están dispersos en el lubricante, y su dependencia de emisión de energía en la temperatura y presión se calibra en condiciones estáticas en celdas de yunque de diamante. El potencial de los nanosensores se demostró aplicando la técnica in situ a películas de lubricante delgadas encontradas en contactos EHD [5]. Como ejemplo, las presiones medidas en diversas condiciones de funcionamiento se comparan con predicciones numéricas en la fig. 4. La aplicación de esta técnica puede ampliarse para cuantificar y comparar la generación de calor en los contactos híbridos y enteramente de acero, como un ejemplo entre muchos otros.

Fig. 4: Presiones medidas obtenidas in situ en el centro de un contacto circular a través de la respuesta fluorescente de nanosensores dispersos en el lubricante en comparación con presiones calculadas (la línea discontinua es una guía visual e indica una pendiente de 1).

También se produce una separación de superficie no ideal cuando partículas sólidas quedan atrapadas en contactos lubricados. Para prever los riesgos de daños en la superficie, el flujo de esas partículas en la entrada del contacto lubricado se ha estudiado con un método multienfoque. La µ-PIV (velocimetría de imágenes de partículas [Particle Image Velocimetry]) se vinculó con predicciones numéricas y se comparó con la observación de mellas en las superficies de rodillos de experimentos de doble disco. La fenomenología de aprisionamiento de partículas se exploró con técnica de µ-PIV instalada en un tribómetro de bola en disco [6]. Esto permitió la evaluación de perfiles de velocidad en la entrada del contacto y el seguimiento de partículas en contactos EHD (fig. 5). Se desarrolló una modelización numérica del flujo de entrada en contactos EHD, incluido el seguimiento de partículas. Finalmente, se llevaron a cabo pruebas en una máquina de doble disco con un nivel controlado de contaminación de partículas para validar conclusiones anteriores. Los resultados mostraron la dependencia que tiene el aprisionamiento de partículas en el perfil de velocidad del lubricante, en la geometría de contacto y en la naturaleza de las superficies en contacto, con la introducción de nitruro de silicio en lugar del acero para rodamientos [7].

Fig. 5: La µ-PIV permite realizar el seguimiento (círculos y flechas) de la contaminación de partículas sólidas en la entrada de un contacto de EHL. La zona naranja representa la zona herciana elíptica de contacto; la línea roja discontinua es el umbral sobre el cual las partículas (puntos blancos) pueden quedar atrapadas.

Fricción en contactos de EHL

Una predicción precisa de la fricción en contactos lubricados sometidos a grandes cargas todavía es un reto para la tribología del siglo XXI. Muchos aspectos físicos están entrelazados en la respuesta a la fricción, como la difusión viscosa del lubricante (newtoniana o no newtoniana debido a efectos de adelgazamiento por cizallamiento) también está influida por efectos térmicos a grandes cargas de cizallamiento e incluso puede ser sustituida por una respuesta plastiforme (caracterizada por una tensión cortante limitadora) a alta presión. La cátedra de investigación conjunta contribuyó a esta importante cuestión en muchos aspectos.

En primer lugar, se realizaron estudios de fricción experimentales de fluidos modelo paralelamente a la caracterización física de lubricantes en diversas condiciones de presión. Se realizaron mediciones de dispersión de la luz de Brillouin (Brillouin Light Scattering, BLS) en lubricantes modelo en reposo en celdas de alta presión, bajo un amplio rango de presiones y temperaturas, como las registradas en contactos EHD. Pusieron en manifiesto una transición del comportamiento asociada con la transición vítrea del lubricante [8]. Además, esta transición se correlacionó con mediciones de fricción efectuadas en un contacto de rodadura–deslizamiento (fig.6) [9]. En la misma figura, el ancho del espectro de BLS (ancho completo a mitad del máximo, [full width at half maximum, FWHM], en azul) y la viscosidad aparente del lubricante en el contacto (en color naranja) mostraron la misma transición de comportamiento a una presión de contacto media del orden de la transición vítrea del lubricante. Según nuestros conocimientos, esta es la primera vez que dicha correlación quedaba respaldada por resultados experimentales. Finalmente, la meseta de fricción ha demostrado activar la tensión cortante limitadora tan pronto como la presión máxima en el contacto (la presión herciana) alcanza la presión de transición vítrea del lubricante [8].

Fig. 6: Viscosidad aparente relativa de pruebas de fricción (eje izquierdo) y ancho del espectro de BLS en reposo (eje derecho) con respecto a la presión media de contacto Pm normalizada por la presión de transición del lubricante Pg.

En segundo lugar, simulaciones de dinámica molecular (molecular dynamic, MD) de moléculas de lubricante diferentes en equilibrio o bajo presión y cizallamiento [10], permitieron que diversas naturalezas del flujo –el resbalamiento de pared, las bandas de cizallamiento y la localización central son consecuencias de la rugosidad y humectabilidad de la superficie– se distinguieran de la fricción, vinculada al estado termodinámico de un lubricante determinado sometido a temperatura y presión (fig. 6). Esto se ilustra en la fig. 7, donde pruebas de fricción y simulaciones moleculares realizadas en escualeno muestran la presencia de un régimen de tensión cortante limitadora a 313 K y 1,2 GPa, condiciones en las que el lubricante ya no se considera que se encuentre en estado líquido. Las simulaciones de MD también señalaron que la movilidad de cada molécula es el elemento esencial de la respuesta a la fricción, que es un punto inicial para establecer un modelo reológico basado en conceptos físicos. Idealmente, este comportamiento se implementaría en modelos continuos (p. ej., FEM multifísicos), que a su vez se compararían con mediciones experimentales. Este enfoque permitiría a los usuarios, en primer lugar, simular y predecir la fricción en una escala continua, por un amplio rango de presiones y cizallamientos y, en segundo lugar, predecir la fricción en contactos y sistemas industriales.

Fig. 7: Coeficiente de fricción del escualeno (representado arriba) a 313K y 1,2 GPa. La parte izquierda de la figura representa nuestras mediciones experimentales, y la parte derecha muestra predicciones de dinámica molecular a una tasa de cizallamiento más elevada.

Resumen y conclusiones

  1. A lo largo de los años, SKF ha colaborado con LaMCoS en INSA Lyon sobre la lubricación de contactos de gran tamaño en rotación rápida. Primero desde mediados de la década del noventa y, más tarde, en campos más amplios que abarcan la lubricación en general a partir del año 2000.
  2. En mayo de 2013, se creó en LaMCoS–INSA Lyon una cátedra denominada “Interfaces lubricadas para el futuro” financiada por SKF y con el apoyo de la Fundación INSA Lyon e Insavalor, una filial de INSA Lyon para I+D, transferencia de tecnología y capacitación profesional. La cátedra se estableció para encontrar un equilibrio entre la investigación aplicada, que primordialmente concierne a SKF, y la investigación de carácter más fundamental. Ello con objeto de que investigadores universitarios desarrollaran nuevos conceptos o herramientas y mejoraran sus conocimientos, los cuales, a su vez, se compartirían con los ingenieros e investigadores de desarrollo de la empresa.
  3. Aquí se describen ejemplos de proyectos llevados a cabo entre 2013 y 2019 en el marco de esta cátedra de investigación y que muestran un panel representativo de la investigación desarrollada dentro de este marco específico. Todos ellos forman parte de un multienfoque, multifísico y multiescalar cuantitativo de la lubricación y los lubricantes.
  4. La cátedra, puesta en marcha inicialmente en mayo de 2013 para un período de seis años, se renovó en marzo de 2019 con la misma duración.

Referencias

  1. Habchi W., Vergne P., Bair S., Andersson O., Eyheramendy D., Morales-Espejel G.E., “Influence of Pressure and Temperature Dependence of Thermal Properties of a Lubricant on the Behaviour of Circular TEHD Contacts”, Tribology International 2010, vol. 43(10), p. 1842-1850, http://dx.doi.org/10.1016/j.triboint.2009.10.002
  2. Doki-Thonon T., Fillot N., Morales Espejel G.E., Querry M., Philippon D., Devaux N., Vergne P., “A dual experimental/numerical approach for film thickness analysis in TEHL spinning skewing circular contacts”, Tribology Letters 2013, vol. 50(1), p. 115-126, http://dx.doi.org/10.1007/s11249-013-0122-1
  3. Wheeler J.-D., Molimard J., Devaux N., Philippon D., Fillot N., Vergne P., Morales-Espejel G.E., “A Generalized Differential Colorimetric Interferometry Method: Extension to the Film Thickness Measurement of Any Point Contact Geometry”, Tribology Transactions 2018, vol. 61 (4), p. 648-660, http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10402004.2017.1386809
  4. Meziane B., Vergne P., Devaux N., Lafarge L., Morales-Espejel G.E., Fillot N., “Film thickness build-up in zero entrainment velocity wide point contacts”, Tribology International 2020, vol. 141, p. 105897, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.105897
  5. Albahrani S.M.B., Seoudi T., Philippon D., Lafarge L., Reiss P., Hajjaji H., Guillot G., Querry M., Bluet J.M., Vergne P., “ Quantum dots to probe temperature and pressure in highly confined liquids”, RSC Advances 2018, 8, 22897-22908. https://doi.org/10.1039/C8RA03652G
  6. Strubel V., Simoens S., Vergne P., Fillot N., El Hajem M., Devaux N., Mondelin A ., Maheo Y., “Fluorescence Tracking and µ-PIV of Individual Particles and Lubricant Flow in and Around Lubricated Point Contacts”, Tribology Letters 2017, vol. 65 (75), p. 1-15 http://dx.doi.org/10.1007/s11249-017-0859-z
  7. Strubel V., Fillot N., Ville F., Cavoret J., Vergne P., Mondelin A., Maheo Y., “Particle Entrapment in Rolling Element Bearings: The Effect of Ellipticity, Nature of Materials, and Sliding”, Tribology Transactions 2017, vol. 60(2), p.373-382, http://dx.doi.org/10.1080/10402004.2016.1168901
  8. S. Ndiaye, L. Martinie, D. Philippon, J. Margueritat, P. Vergne, “On the influence of phase change in highly loaded frictional contacts” (to be submitted to Tribology Letters).
  9. Ndiaye S.-N., Martinie L., Philippon D., Devaux N, Vergne P.: “A Quantitative Friction-Based Approach of the Limiting Shear Stress Pressure and Temperature Dependence”, Tribology Letters 2017, vol. 65(4), paper 149, http://dx.doi.org/10.1007/s11249-017-0929-2
  10. Porras-Vazquez A., Martinie L., Vergne P., Fillot N., “Independence between friction and velocity distribution in fluids subjected to severe shearing and confinement”, Physical Chemistry Chemical Physics 2018, vol. 20, p. 27280-27293, http://dx.doi.org/10.1039/C8CP04620D