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La bestia de Lyon– poniendo a prueba los contactos de grandes rodamientos

La máquina de pruebas Tribogyr del Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Lyon, Francia, está abriendo nuevos horizontes en la investigación tribológica.

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Datos

INSA Lyon
Creado en 1957, INSA Lyon (Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas) es una de las escuelas técnicas de posgrado más importantes de Francia. Se caracteriza por dar prioridad total a la educación, investigación e innovación. Situado en el campus de LyonTech, INSA Lyon otorga anualmente más de 1.400 licenciaturas de ingeniería, másters y doctorados. INSA Lyon colabora con otras universidades de renombre alrededor del mundo y fomenta relaciones sólidas con empresas industriales. Forma parte del Grupo INSA (hay 5 INSAs en Francia) y goza de un gran prestigio como centro de formación e investigación en ingeniería.

El Laboratorio de Contactos y Mecánica Estructural, LaMCoS, es un laboratorio de investigación multidisciplinar con 240 empleados, financiado conjuntamente por el INSA de Lyon y el CNRS (Centro Nacional de Investigación Científica) francés. Ofrece un amplio espectro de competencias en tribología, dinámica, transmisiones mecánicas y procesos de conformación. Una de esas competencias es el análisis multiescalar de contactos lubricados. Su investigación se centra en el diseño de equipos para estudiar contactos lubricados y el desarrollo de modelos teóricos validados por resultados prácticos.

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Guillermo Morales, Guillermo.Morales@skf.com

Instalado en su propia sala climatizada, apoyado en rodamientos hidrostáticos de dos metros de diámetro para aislarlo de la vibración exterior, se trata de un complejo aparato de seis toneladas de aleaciones metálicas, sensores y ordenadores. Estamos hablando de la Tribogyr, la máquina de pruebas más grande y más sofisticada jamás construida para medir la fricción y el grosor de películas lubricantes en contactos giratorios sometidos a grandes cargas.

La máquina ha sido diseñada por el Laboratorio de Contactos y Mecánica Estructural (LaMCoS) del Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Lyon (INSA), Francia. En funcionamiento desde 2005, la Tribogyr es la culminación de un largo proceso de desarrollo y colaboración con SKF. Aporta nuevos conocimientos sobre el comportamiento de la fricción en elementos rodantes, conocimientos  importantes para dar respuesta a tendencias comerciales hacia una mayor densidad de potencia y una reducción de la fricción en los rodamientos.

El LaMCoS es un referente mundial en el desarrollo de máquinas experimentales y modelos numéricos para estudiar la fricción en contactos lubricados sometidos a grandes cargas. Antes de emprender la ingente tarea de desarrollar una máquina que está abriendo nuevos horizontes en la investigación tribológica, el laboratorio ya había construido varias máquinas más sencillas.

 Philippe Vergne, investigador superior del LaMCoS, trabaja en el proyecto desde 2002. Explica que comprender mejor la fricción “puede ayudar a mejorar la eficiencia de los grandes rodamientos”. La Tribogyr simula el comportamiento a escala real, lo que significa que puede tolerar fuerzas hasta 3.000 N y girar a velocidades de hasta 22.000 rpm. Al haber sido diseñada para aplicar y medir una amplia variedad de parámetros, hacen falta dos personas para montar el equipo, dice Nicolas Devaux, ingeniero asociado, responsable del funcionamiento de la Tribogyr. Dice que hay una herramienta para cada uno de los muchos ajustes posibles de la máquina. Se puede tardar un día y medio en configurar la Tribogyr para una prueba que a lo mejor sólo dura una hora.

La Tribogyr puede medir fuerzas y momentos de fricción en distintas direcciones generados independientemente por las dos superficies en contacto, el elemento rodante y la brida. El diámetro del contacto puede ser del orden de 5 milímetros, que es un diámetro enorme para contactos lubricados sometidos a grandes cargas. “Cuando funciona a plena potencia, el contacto puede generar más de 10 kW de disipación térmica, comparado con tan sólo 0,9 kW de una máquina de pruebas comercial grande”, explica Guillermo Morales-Espejel, profesor invitado del INSA Lyon e investigador superior del Centro de Ingeniería e Investigación de SKF (SKF ERC) en Holanda.

“Los contactos giratorios de gran tamaño no se comportan como los contactos giratorios de pequeño tamaño: se trata de entidades realmente únicas”, dice Morales-Espejel. “Cuanto más grande es el contacto, mayor es la asimetría de las velocidades de superficie. El grosor de película y la fricción quedan determinados en gran medida por la velocidad local de las superficies. Por ello, una asimetría en la velocidad significa una asimetría en el grosor de la película y la fricción, y no es fácil calcularla”.

La Tribogyr permite medir la fricción. Nuevas investigaciones realizadas por el estudiante de posgrado Thomas Doki-Thonon también miden el grosor de película. Doki-Thonon explica que sus últimos estudios de toma de imágenes en el interior de la máquina muestran el flujo de lubricante, aportando datos, tanto cualitativos como cuantitativos, sobre el comportamiento del lubricante.

Doki-Thonon complementa las mediciones prácticas y los estudios de toma de imágenes con maquetas generadas por ordenador del contacto en la Tribogyr, que posteriormente se verifican mediante pruebas. Cada seis meses, presenta sus resultados a SKF. “SKF tiene necesidades industriales reales y eso me motiva mucho para presentar mis resultados y sugerir mejoras”, dice Doki-Thonon. Además, el estudio resultante del LaMCoS supone una gran contribución a la comunidad tribológica en este campo. Existen pocos estudios de calidad sobre los contactos giratorios en condiciones de lubricación. La Tribogyr y los estudios de maquetas del INSA están empezando a revelar cómo podrían optimizarse los contactos con brida en los rodamientos para soportar cargas mayores con menos fricción.

 Como profesor invitado del LaMCoS, Morales-Espejel pasa una semana al mes en Lyon. Ello permite a SKF guiar las actividades diarias de diferentes proyectos de investigación. “Sin embargo, desde un punto de vista estratégico, hemos desarrollado una colaboración muy sólida con INSA centrada en comprender la fricción en condiciones con y sin lubricación”, dice. “Hemos realizado varios proyectos con la Tribogyr pero también en otras áreas relacionadas por fenómenos multiescalares como corrosión de contacto, películas lubricantes de grosor molecular y maquetas macroscópicas de la lubricación”. El trabajo con la Tribogyr ha permitido becar a un estudiante de posgrado desde 2005 y, cuando Doki-Thonon acabe su tesis el año que viene, otro estudiante tendrá la oportunidad de estudiar otro tema relacionado con la Tribogyr y la fricción en modelos de contactos lubricados giratorios de gran tamaño.

Trabajar con el LaMCoS ofrece claros beneficios a SKF. Dice Morales-Espejel: “SKF tiene acceso a una comprensión global en contactos giratorios de gran tamaño. Podemos simular y medir la fricción y el grosor de película y también podemos hacer pruebas con gran precisión de las distribuciones de temperatura en y alrededor del contacto. Así, los ingenieros de diseño de SKF disfrutan de una posición privilegiada para mejorar continuamente el diseño de nuestros rodamientos y asegurar que sean los más fiables y más eficientes del mercado”.

Esta relación estrecha entre el LaMCoS y SKF continuará, explica Vergne. Se realizan mejoras contínuas en la Tribogyr, lo que abre nuevas oportunidades para pruebas y simulaciones. Se trata de una colaboración única y de una máquina única que aporta una nueva comprensión del comportamiento de los rodamientos grandes.