Introducción a la Tribología y la Lubricación

Denominamos Tribología a la ciencia que estudia los mecanismos de fricción, lubricación y desgaste entre dos superficies en movimiento relativo.

 Un Sistema Tribológico transforma unas variables de entrada, que son tipo de movimiento, carga, velocidad y temperatura, mediante unas variables de alteración como son material y geometría de las superficies y el medio de interacción entre ellas en variables de salida que son fuerza, par, velocidad y energía y unas pérdidas que son fricción y desgaste.

Podemos definir Fricción como la resistencia al movimiento de un cuerpo deslizando sobre otro, la fricción cumple con las siguientes leyes, enunciadas por Guillaume Amontons:

1ª Ley: La fuerza de fricción es proporcional a la carga aplicada.

2ª Ley: La fuerza de fricción es independiente al área aparente de contacto.

3ª Ley (o Ley de Coulomb): La fuerza de fricción es independiente a la velocidad de deslizamiento. 

De modo general, la fuerza de fricción F se define como el producto de la carga normal al plano N y el coeficiente de fricción m. El coeficiente de fricción estática puede ser superior al de la fricción cinemática.

Los mecanismos que están involucrados en la generación de fricción son los siguientes:

1.   Adhesión.

2.   Interacciones mecánicas entre las superficies.

3.   Formación de surcos en una superficie por asperezas de la otra.

4.   Deformación y/o fractura de capas superficiales.

5. Interferencias y deformaciones plásticas causadas por un tercer elemento, principalmente aglomeración de partículas de desgaste entre las superficies en movimiento.

Respecto al Desgaste, lo podemos definir como la sucesión de sucesos a través de los cuales los átomos, productos resultantes de la conversión química, fragmentos, etc. son inducidos a abandonar el sistema. 

  El desgaste se puede clasificar en estos tipos:

· Desgaste Abrasivo: por presencia de partículas duras sobre un objeto más blando.

· Desgaste Adhesivo: por formación de microsoldaduras inmediatamente seguidas de sus roturas, y transferencias de material de una superficie a otra, durante el movimiento de las superficies.

· Desgaste por Reacciones Químicas: Principalmente corrosión, herrumbre y oxidación, producidas por la reacción entre el material y un agente corrosivo, que puede ser un agente químico, un lubricante, agua o incluso el aire.

· Desgaste por Fatiga: Por deformaciones sostenidas en las capas superficiales de superficies opuestas, acompañadas por grandes tensiones locales muy repetitivas.

· Desgaste Erosivo: Producido por el impacto de pequeñas partículas sólidas o líquidas sobre un objeto.

· Desgaste Electro-Corrosivo: Producido por el paso de corriente eléctrica entre dos superficies a través del lubricante. También puede deberse a la formación de arco eléctrico, por elevación de voltaje, en la superficie metálica. 

· Desgaste por Fretting: Producidos por deslizamientos sucesivos, de baja amplitud, entre superficies de contacto durante un gran número de ciclos. También se denomina pulido si está acompañado de micropartículas. 

· Desgaste por Cavitación: Por la formación y colapso cíclico de burbujas sobre una superficie sólida en contacto con un fluido.

Cualquier procedimiento que reduzca esta fricción y el desgaste se denomina Lubricación y cualquier material utilizado para este propósito se denomina Lubricante.

La característica principal de un lubricante es la Viscosidad, que podemos definir como la resistencia a fluir, y es la relación entre la tensión de cortadura sobre un fluido y la tasa de variación de la velocidad del fluido con respecto a la altura del fluido. Esta relación se denomina viscosidad absoluta, o viscosidad dinámica (h); al dividir esta viscosidad entre la densidad del fluido se obtiene la viscosidad cinemática (u).

Las formas en que un lubricante líquido puede reducir la fricción se denominan Regímenes de Lubricación y vienen definidos por la Curva de Stribeck, descrita por Richard Stribeck, que relaciona el Coeficiente de Fricción con el resultado de un parámetro resultante de multiplicar la viscosidad dinámica por la velocidad relativa del fluido dividido entre la carga normal sobre el objeto.

 (Curva de Stribeck, tomado de Wang, J. Encyclopedia of Tribology, Springer US, York 2013)

a. Lubricación Límite. El parámetro es muy bajo, lo que da como resultado una película lubricante muy fina, inferior a la rugosidad media de las superficies en contacto, por lo tanto no evita el contacto entre metales. En esta zona la fricción alcanza valores máximos. 

b. Lubricación Mixta. El parámetro es superior, dando como resultado una película lubricante fina, aproximadamente del mismo grosor que la rugosidad media, por lo que no garantiza que en algunos casos no haya contacto entre metales. En esta zona la fricción disminuye hasta aproximarse a su valor mínimo.

  

c. Lubricación Elastohidrodinámica (EHL). Se produce cuando el valor del parámetro es ligeramente superior dando como resultado una película lubricante tiene un grosor ligeramente superior a la rugosidad media. En estas condiciones se producen presiones Hertzianas que deforman de forma elástica las superficies metálicas, produciendo presiones puntuales extremadamente elevadas en el lubricante que producen un comportamiento no-newtoniano. La fricción alcanza un mínimo en este régimen de lubricación, que queda definido con la Ecuación de Cheng.

d. Lubricación Hidrodinámica. Se produce cuando el parámetro es superior dando como resultado un grosor de película lubricante muy superior a la rugosidad media, de manera que se impide el contacto entre las superficies metálicas. En esta zona el coeficiente de fricción aumenta de forma progresiva, su comportamiento que da definido por la Ecuación de Reynolds.

Además de estos regímenes se puede añadir la Lubricación Hidrostática en el que las superficies están completamente separadas por una película de un lubricante líquido o gaseoso mantenido entre las superficies por una presión externa.

Lubrication Regimes Simulation Software

 Dear sirs, find attached this post by Lorenzo Asín, Mechanical Engineer, about his Undergraduate Project related to develop a Simulation Software of the Lubrication Regimes. You can know more about this project in this web.

Nowadays it is important to have precise control of the lubrication regimes in order to reduce costs (either reparations or an excessive energy consumption due to the usage of more lubricant than necessary) and to improve the useful life of mechanic components.

 This software has been developed with the idea of allowing the designers to obtain a clear and concise idea about the lubricants behavior under the variation of the most important parameters that take part during lubrication.

 In this software, created trough the MATLAB^TM programming language, the user can choose between a variety of different mechanical elements to simulate the lubrication in. These elements can be bearings (ball, cylindrical and spherical rollers), gears (parallel axis helical, spur, bevel and planetary gears) and cam-follower systems (sliding and roller systems). If the user knows it has also the option to introduce the contact area manually.

 A great database of mineral and synthetic lubricants of different trademarks (Repsol, Shell, Cepsa, bp and Exxon Mobil) has been added in order to facilitate the user the selection and comparison of different products. The manual introduction of the lubricant characteristics are also included, in case that the lubricant is not included in the database.

 Other data, as the surface of the mechanical element roughness, the mechanical elements materials or the speed and loads that these mechanisms suffer will be necessary to do a correct simulation.

 The software will execute a simulation obtaining the lubricant film thickness for the given parameters. Comparing these thicknesses with the surface roughness, the software will be able to determine the kind of lubrication regime that it is taking place (boundary, mixed or elastohydrodynamic) and to inform the user about it.

 The user can also choose between various graphic representations to observe the lubricant film thickness change as a function of the variation of the three main parameters that take part in lubrication: the relative speed, load, and temperature. The user will be able to use 2D (graphs relating one of the parameters with the thickness) and 3D graphs (relating two of the parameters with the thickness).

 For subsequent analysis of the results the user also will be able to save the generated graphs as images and to export the simulation data to an Excel file.

 This is a user-friendly software that allows the obtaining a great amount of data about lubrication and gives a potential save money and time for the user.

Lubrication Regimes

 Knowledge of the lubrication regimes in which our machines run is essential to choose the best viscosity and type of lubricant with the target to avoid wear and improve energy saving, that is why to know the Stribeck curve is needed.

 To choose the right viscosity for an application is of crucial importance to avoid wear in machines, for this we usually follow the manufacturer recommendations but rarely do we consider parameters as the surface relative speed or the real running temperature. If we are not sure usually we increase the ISO viscosity grade but this does not ensure the wear protection.

 In addition these criteria don’t consider the equipment energy saving which can get worse without to improve the reliability.

 The best way to solve this problem is to know the lubrication regime our machines run, that is why we need to know the Stribeck curve.

 Describe by Richard Stribeck during the first years of the XX century, this Curve provide us an idea of the friction coefficient variation between two surfaces in the function of the lubrication regime. This regime depends on a parameter related to the lubricant viscosity, the surfaces relative speed and the load.

 If we follow the abscissa axis, first we find the boundary lubrication regime in which the friction coefficient is too high due the film is too thin, lower than the surface roughness, so we cannot avoid the wear. If we cannot avoid running in this regime, due to the running temperature, very low relative speed and/or very high load, we must use solid lubricants and pastes. Another option is to increase the lubricant viscosity to move to the next lubrication regime.

 In the mixed lubrication regime, the film thickness is higher, around the surface roughness, so only there are isolated contacts. This regime provides a drastic friction coefficient decrease and we can find a curve minimum, it means is suitable for energy saving. To avoid wear to use anti-wear additives are needed. 

 Both regimes are considered unstable because the increase in the temperature reduces the viscosity and increases the friction, as a result of that the lubrication regime moves to the left of the curve, the area that generates more wear.

 If we increase the viscosity or the relative speed we move to the elastohydrodynamic and hydrodynamic regimes, where we avoid wear because the film thickness is higher than the roughness.

 In the elastohydrodynamic regime, described by Ertel and Grubin and developed by Cheng, Hertzian contacts are found due to very small contact surface and very high load, up to 3.0 GPa, that increase the viscosity of the lubricant, deform both surfaces and reduce the roughness. This lubrication regime is near the minimum of the Stribeck curve, in fact, some authors think the minimum is in this regime, so to keep in this regime increases the energy-saving and reduces wear. Gears, bearings and cams run in this regime.

 In the hydrodynamic regime, the film thickness is much higher than the roughness, due to the relative speed and the viscosity of the lubricant, this is why we avoid the contacts between the surfaces and eliminate wear. This regime is defined by the Reynolds equation. But the Stribeck curve indicates us that this regime increases the friction coefficient due the high viscosity so the energy-saving gets worse, mainly if the relative speed between the surfaces is too high, in this case, we must reduce the viscosity of the lubricant to move closer the minimum of the Stribeck curve. Journal bearings run in this regime.

 We can consider these regimes as stables because any variation of temperature produces a variation of the viscosity and the friction coefficient in the same direction so they stabilize themselves.

Regímenes de Lubricación

 Conocer los regímenes de lubricación en el que trabajan nuestras máquinas es fundamental para escoger la viscosidad y el tipo de lubricante adecuado con el objetivo de evitar desgastes y reducir el consumo energético, para ello es necesario conocer la curva de Stribeck.

 Escoger la viscosidad adecuada para cualquier aplicación resulta de vital importancia para evitar desgastes en las máquinas, esta elección suele realizarse teniendo en cuenta la recomendación del fabricante, pero raras veces se consideran parámetros como la velocidad relativa de las superficies o la temperatura real de trabajo. En caso de duda habitualmente aumentamos el grado de viscosidad ISO, pero esto no garantiza una mejor protección contra el desgaste.

 Además, con estos criterios no tenemos en cuenta el consumo energético del equipo, que se puede incrementar de forma importante sin que eso conlleve un aumento de fiabilidad.

 La mejor manera de solucionar este problema es conocer el régimen de lubricación en el que trabajamos y para ello necesitamos conocer la curva de Stribeck.

 Descrita por Richard Stribeck a principios del siglo XX, esta Curva nos proporciona una visión general de la variación del coeficiente de fricción entre dos superficies en función del régimen de lubricación. Este régimen depende de un parámetro que relaciona la viscosidad del lubricante, la velocidad relativa de las superficies y la carga a la que estas están sometidas.

 Si seguimos el eje horizontal, primero encontramos el denominado régimen de lubricación límite, en él el coeficiente de fricción es muy elevado debido a que la película lubricante es muy fina, inferior a la rugosidad de las superficies, por lo que no podemos evitar el contacto ni el desgaste. Si no podemos evitar trabajar en este régimen de lubricación, debido a las temperaturas de trabajo, velocidades relativas muy bajas y/o cargas muy elevadas, debemos utilizar lubricantes sólidos. La otra opción es aumentar la viscosidad del lubricante para desplazarnos al siguiente régimen de lubricación.

 Este lo denominamos lubricación mixta y en él el grosor de la película lubricante es mayor, aproximadamente igual a la rugosidad de las superficies, por lo que encontramos contactos puntuales. En este régimen se produce una disminución drástica del coeficiente de fricción y podemos encontrar un mínimo de la curva, eso significa que es el más adecuado en términos de eficiencia energética. Para evitar desgastes es necesario utilizar aditivos anti-desgaste adecuados a la aplicación. 

 Estos dos regímenes los consideramos inestables, ya que un aumento de la temperatura reduce la viscosidad y aumenta la fricción lo que multiplica este efecto desplazando el régimen de lubricación a la izquierda, la zona donde se genera mayor desgaste, de la curva.

 Si, por el contrario, aumentamos la viscosidad o la velocidad relativa de las superficies entramos en los regímenes de lubricación elastohidrodinámica e hidrodinámica, en estos casos tenemos garantizada la separación de las superficies debido a que el grosor de la película lubricante es superior a la rugosidad de las superficies, por lo que reducimos el desgaste al mínimo.

 El régimen de lubricación elastohidrodinámica, descrito por Ertel y Grubin y desarrollado por Cheng, se da entre superficies curvas entre las que se producen contacto Hertziano debido que encontramos unas superficies de contacto muy pequeñas y cargas muy elevadas, que traen como consecuencia una presión de contacto extremadamente elevada, alcanzando los 3.0 GPa, que incrementan drásticamente la viscosidad del lubricante y deforman ambas superficies reduciendo la rugosidad. Este régimen de lubricación está muy cerca del mínimo de la curva de Stribeck (algunos autores consideran que, de hecho, el mínimo se encuentra en este régimen) por lo que es interesante situarnos en esta zona para mejorar eficiencia energética a la vez que reducimos desgastes. Es el régimen de lubricación típico de engranajes, rodamientos y levas.

 En el régimen de lubricación hidrodinámica el grosor de la película lubricante es mucho mayor que la rugosidad, debido a la velocidad relativa de las superficies y la viscosidad del lubricante, por lo que evitamos completamente el contacto entre las superficies eliminando desgastes. Este régimen está definido por la ecuación de Reynolds. Sin embargo, la curva de Stribeck nos indica que en este régimen aumenta la fricción debido, precisamente, a la elevada viscosidad del fluido por lo que tiene un aspecto perjudicial para el consumo energético, sobre todo si la velocidad relativa de las superficies es muy elevada, en estos casos podemos reducir la viscosidad del lubricante para acercarnos al mínimo de la curva de Stribeck sin comprometer la protección al desgaste. Es el régimen de lubricación típico de cojinetes.

 Consideramos estos dos regímenes de lubricación estables ya que cualquier variación de temperatura varía la viscosidad y el coeficiente de fricción en el mismo sentido por lo que se estabiliza.