02_LUIS_FERNANDEZ_RUIZ_MORON.pdf - UNIVERSIDAD POLITCNICA...

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Unformatted text preview: UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DESARROLLO DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE LA FUERZA DE FRICCIÓN EN UN CONTACTO EHD. VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DEL PROCEDIMIENTO TESIS DOCTORAL Autor: D. Luis Fernández Ruiz-Morón Ingeniero Industrial por la Universidad Politécnica de Madrid 2012 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y FABRICACIÓN ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID TESIS DOCTORAL DESARROLLO DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE LA FUERZA DE FRICCIÓN EN UN CONTACTO EHD. VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DEL PROCEDIMIENTO Autor: D. Luis Fernández Ruiz-Morón Ingeniero Industrial por la Universidad Politécnica de Madrid Directores de Tesis: Dña. Pilar Lafont Morgado Dra. Ingeniera Industrial por la Universidad Politécnica de Madrid D. Javier Echavarri Otero Dr. Ingeniero Industrial por la Universidad Politécnica de Madrid 2012 A mi madre, quien me trasmitió la curiosidad del porqué de las cosas y el espíritu científico. Me animó cuando yo no me veía capaz, me enseñó a afrontar los retos y perseverar. A mi familia: Pilu, Lucas, Marta, Jaime y Paloma. Agradecimientos La realización de esta Tesis Doctoral no hubiera sido posible sin la ayuda de mis directores de tesis, Pilar y Javier, a quien quiero expresar mi más sincera gratitud. Pilar, porque hace diez años apostaste por esto y gracias a tu tesón y esfuerzo has conducido al equipo y convertido al DIMF en un grupo de referencia en conocimiento de modelos de lubricación. Javier, porque de no haber sido por tu dedicación y generosidad no habría podido finalizar mi tesis. Jorge Insa, por tu insistencia, el apoyo técnico y porque a través de REPSOL facilitaste los medios para la realización de los trabajos. Almudena, Juan, Quique, Eduardo, Pipo, David, con vuestro entusiasmo y esfuerzo hemos ido dando forma a una idea que hace unos años era todo un sueño. DESARROLLO DE UN PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE LA FUERZA DE FRICCIÓN EN UN CONTACTO EHD. VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DEL PROCEDIMIENTO ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ....................................................................... 1 1.1. Objetivos de la tesis ................................................................................ 1 Importancia industrial ............................................................................. 2 1.2. Consideraciones económicas ............................................................ 2 1.2.1.Aspectos energéticos ........................................................................ 3 1.2.2.1.2.3.Aspectos medioambientales ............................................................. 4 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. Antecedentes. .......................................................................................... 6 Alcance de la tesis ................................................................................... 8 Marco de desarrollo de la investigación ................................................. 9 Resumen del contenido ......................................................................... 10 CAPÍTULO 2: PRECEDENTES ........................................................................ 13 2.1. Lubricación en sistemas mecánicos ...................................................... 13 Perspectiva histórica ....................................................................... 13 2.1.1.2.1.2.Antecedentes de la curva de Stribeck ............................................. 15 2.1.3.La curva de Stribeck ....................................................................... 17 2.1.4.Regímenes de lubricación............................................................... 19 2.2. Lubricación hidrodinámica ................................................................... 29 2.3. Lubricación elastohidrodinámica .......................................................... 35 2.3.1.Introducción a la teoría EHD: Límites de la lubricación HD. ........ 35 2.3.2.Desarrollo histórico ........................................................................ 35 2.3.3.Formulación del problema elastohidrodinámico ............................ 40 2.3.4.Zona de trabajo. Ecuaciones aplicables. ......................................... 47 2.4. Caracterización de lubricantes. ............................................................. 57 2.4.1.Propiedades ..................................................................................... 58 2.4.2.Equipos de medida de viscosidad ................................................... 74 2.4.3.Equipos de medida de fricción y desgaste ...................................... 78 CAPÍTULO 3: ESTUDIOS INICIALES ............................................................ 86 3.1. Distinción de regímenes de lubricación ................................................ 86 I 3.1.1.3.1.2.3.1.3.3.1.4.3.1.5.3.1.6.- Resultados obtenidos en equipo de ensayo MTM .......................... 87 Archard y Kirk ................................................................................ 88 Archard y Cowking ........................................................................ 94 Gohar .............................................................................................. 97 Hamrock-Dowson ......................................................................... 100 Comparación de resultados entre autores ..................................... 103 CAPÍTULO 4: PLANTEAMIENTO ................................................................ 105 Necesidades detectadas ....................................................................... 105 4.1. Definición de las diferentes fases del modelo..................................... 106 4.2. 4.2.1.Modelo analítico ........................................................................... 106 4.2.2.Fases del modelo numérico .......................................................... 106 Diferentes Modelos de comportamiento reológico de los lubricantes 108 4.3. 4.3.1.Modelo newtoniano ...................................................................... 108 4.3.2.Tensión cortante límite ................................................................. 108 4.3.3.Modelo de Carreau ....................................................................... 109 Ensayos de caracterización de lubricantes y validación de los resultados 4.4. del modelo 110 4.4.1.Planteamiento de los ensayos ....................................................... 110 4.4.2.Ensayos complementarios y alternativos. ..................................... 111 CAPÍTULO 5: DESARROLLO DEL MODELO ANALÍTICO...................... 112 5.1. Modelos de predicción de la fricción. ................................................. 112 5.1.1.Hipótesis simplificadoras de base................................................. 112 5.1.2.Modelos analíticos isotérmicos para contacto puntual ................. 114 5.1.3.Modelos termoelastohidrodinámicos simplificados para contactos puntuales y lineales ..................................................................................................... 116 5.2. Incorporación de nuevos modelos reológicos ..................................... 120 5.2.1.Primera aproximación................................................................... 120 5.2.2.Segunda aproximación ................................................................. 123 5.2.3.Comportamiento no newtoniano del lubricante............................ 126 CAPÍTULO 6: DESARROLLO DEL MODELO NUMÉRICO ...................... 131 6.1. Fases seguidas ..................................................................................... 131 6.1.1.Programa Isotermo ....................................................................... 131 Programa Térmico ........................................................................ 138 6.1.3.6.2. Resolución de la elastohidrodinámica ................................................ 140 6.2.1.Preprocesado de datos. Adimensionalización .............................. 140 6.2.2.Resolución de la ecuación elastohidrodinámica. Sistema Multigrid 143 6.2.3.Postprocesado. Dimensionalización y diferentes módulos .......... 153 Modelos de predicción de la fricción .................................................. 154 Cálculo del campo de velocidades del lubricante en el contacto puntual EHD 156 6.5. Resolución del problema térmico ....................................................... 161 6.5.1.Introducción .................................................................................. 161 6.5.2.Calor generado por compresión .................................................... 162 6.3. 6.4. II 6.5.3.6.5.4.- Calor generado por fricción .......................................................... 163 Modelo de resistencias térmicas ................................................... 164 CAPÍTULO 7: PLANIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS ................................. 178 7.1. Tipos de ensayos a realizar ................................................................. 178 7.2. Descripción del equipo MTM ............................................................. 178 Descripción general ...................................................................... 178 7.2.1.7.2.2.Descripción de los testigos y elementos accesorios ..................... 182 Procedimientos de ensayo ............................................................ 183 7.2.3.Parámetros de ajuste y sistema de toma de datos ......................... 187 7.2.4.7.3. Cálculos relativos al equipo de ensayo ............................................... 192 7.3.1.Selección del modelo de sólidos en contacto ............................... 192 Cálculo de la presión y semianchura de contacto ......................... 195 7.3.2.7.3.3.Cálculo de la rugosidad superficial de los testigos ....................... 197 7.4. Lubricantes ensayados ........................................................................ 197 Base 1: Base mineral .................................................................... 199 7.4.1.Base 2:Polialfaolefina ................................................................... 200 7.4.2.7.4.3.Base 3: Base de hidrocracking...................................................... 202 7.4.4.Base 4: Éster sintético .................................................................. 203 7.4.5.Base 5: Base re-refinada ............................................................... 204 7.4.6.Propiedades físicas de las bases de ensayo ................................... 205 7.5. Materiales empleados ......................................................................... 208 Perfiles de ensayo ............................................................................... 210 7.6. 7.6.1.Perfil diseñado para observar la influencia de la temperatura ...... 210 7.6.2.Perfil diseñado para observar la influencia de la carga ................ 210 7.6.3.Perfil diseñado para observar la influencia de la relación rodaduradeslizamiento (SRR) ................................................................................................... 211 7.6.4.Localización sobre el Mapa de Hamrock-Dowson ...................... 212 CAPÍTULO 8: RESULTADOS DE LOS ENSAYOS. VALIDACIÓN DEL MODELO Y DISCUSIÓN ........................................................................................... 214 8.1. Parámetros de influencia sobre el coeficiente de fricción .................. 214 8.1.1.Influencia de la temperatura sobre el coeficiente de fricción ....... 214 8.1.2.Influencia de la carga sobre el coeficiente de fricción ................. 219 8.1.3.Influencia del material sobre el coeficiente de fricción ................ 223 8.1.4.Influencia de la relación rodadura-deslizamiento (SRR) sobre el coeficiente de fricción................................................................................................. 228 8.1.5.Influencia del lubricante sobre el coeficiente de fricción ............. 232 8.1.6.Influencia de la interacción entre el lubricante y los materiales... 243 8.2. Caracterización y predicción a través del modelo analítico ............... 245 8.2.1.Modelo newtoniano ...................................................................... 246 8.2.2.Modelo de tensión cortante límite ................................................ 247 8.2.3.Modelo de Carreau isotermo ........................................................ 264 8.2.4.Modelo de Carreau Térmico ......................................................... 280 8.3. Caracterización y predicción a través del modelo numérico .............. 283 8.3.1.Modelo de Carreau isotermo ........................................................ 283 8.3.2.Modelo de Carreau térmico .......................................................... 288 III 8.4. Ventajas e inconvenientes de cada modelo ......................................... 305 8.4.1.Modelo de tensión cortante límite ................................................ 308 8.4.2.Modelo de Carreau ....................................................................... 309 CAPÍTULO 9: CONCLUSIONES ................................................................... 311 9.1. 9.2. Aportaciones de la tesis ...................................................................... 311 Líneas de investigación futuras........................................................... 312 CAPÍTULO 10: BIBLIOGRAFÍA ................................................................... 314 BIBLIOGRAFÍA Y DIRECCIONES WEB CITADAS EN EL TEXTO 314 10.2. BIBLIOGRAFÍA Y DIRECCIONES WEB POR CAPÍTULOS ....... 323 Capítulo 1. Introducción ............................................................... 323 10.2.1.Capítulo 2. Precedentes ................................................................ 324 10.2.2.10.2.3.Capítulo 3. Estudios Iniciales ....................................................... 326 10.2.4.Capítulo 4. Planteamiento ............................................................ 329 10.2.5.Capítulo 5. Desarrollo del Modelo Analítico ............................... 329 10.2.6.Capítulo 6. Desarrollo del modelo numérico................................ 330 Capítulo 7. Planificación de los ensayos ...................................... 331 10.2.7.Capítulo 8. Resultados de los ensayos y discusión ....................... 332 10.2.8.10.2.9.Capitulo 9. Líneas de investigación futuras.................................. 333 10.1. CAPÍTULO 11: ANEXOS ............................................................................... 335 11.1. Cálculo de la fricción en la zona elastohidrodinámica ....................... 335 11.1.1.Primera Aproximación ................................................................. 335 11.1.2.Segunda Aproximación ................................................................ 335 11.1.3.Modelo de la tensión cortante límite ............................................ 336 11.1.4.Modelo de Carreau ....................................................................... 338 11.2. Desarrollo de la Ecuación de Reynolds .............................................. 341 CAPÍTULO 12: SIMBOLOGÍA....................................................................... 348 IV Resumen Con objeto de minimizar la fricción y desgaste, la industria diseña sus máquinas para que estas funcionen en régimen elastohidrodinámico durante el mayor tiempo posible. Científicos de todos los tiempos han dedicado sus vidas al estudio de la lubricación en régimen de película gruesa. Con especial interés, Ingenieros del último siglo y medio han realizado multitud de experimentos y, con los medios disponibles en su momento, han analizado y tabulado resultados, con objeto de disponer de herramientas que permitieran calcular la fuerza de fricción en contactos EHD. En el presente trabajo de tesis se ha elaborado un modelo propio de lubricación en régimen elastohidrodinámico. Este modelo permite la resolución del problema EHD por dos vías. En primer lugar la resolución analítica del problema EHD permite obtener de forma rápida valores aproximados de coeficiente de fricción y espesor de película, comprobar las hipótesis de cada modelo, y estudiar la influencia de los parámetros. En segundo lugar es posible resolver el problema EHD de forma numérica, realizándose un cálculo totalmente paramétrico de coeficiente de fricción y de la película lubricante. El cálculo se realiza de forma interactiva y a través de una herramienta informática. El objetivo del trabajo es disponer de una herramienta que aplicada a cualquier contacto tribológico (engranajes, rodamientos, etc), permita estudiar su eficiencia, predecir flash de temperatura, posibilidad de fallo por desgaste o gripado. Para el ajuste del modelo ha sido necesaria la realización de unos experimentos previos de ajuste de los equipos de ensayo. Los equipos de ensayo de laboratorio nos ofrecen unos resultados de coeficiente de fricción. Estos valores son introducidos en los modelos de la teoría elastohidrodinámica clásica disponibles en la literatura. Los modelos nos permiten estimar valores teóricos de coeficiente de fricción y espesor de película, que son contrastados con los valores de coeficiente de fricción obtenidos experimentalmente. Por repetición de experiencias ha sido posible ajustar los parámetros de material y lubricante que definen los modelos, hasta ajustar los resultados calculados con los obtenidos por vía experimental. Este ajuste ha permitido comprobar los cálculos y validar las hipótesis de los regímenes y condiciones de operación de los equipos de ensayo. Finalmente se han empleado los parámetros de material y lubricante obtenidos, para formar el modelo EHD propio. Introduciendo en el modelo los resultados obtenidos, es posible calcular el espesor de película y el coeficiente de fricción, para cualquier condición de velocidad, temperatura y carga. V Para la elaboración de este modelo se ha partido de las ecuaciones de estado de la hidrodinámica (Ley de Continuidad de Reynols). Este modelo predice el comportamiento ideal en régimen hidrodinámico. Para aproximarnos al régimen elastohidrodinámico no es posible considerar a los cuerpos en contacto como sólidos rígidos que mantienen su geometría inalterada, y por tanto se introducen en este modelo las leyes que consideran la deformación elástica de los materiales. Por último es necesario tener en cuenta que sólo cuando el fluido lubricante está sometido a bajas velocidades de deformación y las condiciones de carga no son elevadas, es posible considerar su comportamiento ideal newtoniano, según el cual la tensión tangencial que ofrece es proporcional al gradiente de velocidad al que se encuentra sometido. Para el ajuste del modelo y adecuada predicción de la película lubricante es necesario introducir modelos de comportamiento del lubricante más complejos que tienen en cuenta las propiedades viscoelásticas de este, tales como Newton/Barus, Tensión Cortante Límite y Carreau. Para ello se han tomado medidas reológicas de los fluidos a distintas presiones y temperaturas. Se ha demostrado que los modelos isotermos no predicen adecuadamente el coeficiente de fricción en condiciones de funcionamiento con deslizamientos elevados, debido al calentamiento del aceite por compresión y cizalla. Es estos casos es necesario emplear un modelo termoelastohidrodinámico. Madrid, Octubre de 2012 VI Abstract In order to minimize friction and wear, machines are designed with the purpose of making them work in the elastohydrodynamic regime for as long as possible. Over the years scientists have dedicated their lives to the study of thick film lubrication. In particular, engineers of the last century and a half have made many experiments. They have analyzed and tabulated results with the means available at the time, with the aim of developing tools that allow the calculation of the force of friction on EHD contacts. In this research study, an in-house lubrication model of the elastohydrodynamic regimen has been de...
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