Metodología y Análisis

- Dec 03, 2019-

Metodologia y analisis

Se probaron varias grasas disponibles en el mercado, elegidas para representar una amplia gama de aplicaciones reales de rodamientos y condiciones de operación, y por lo tanto hechas de varios sistemas de aceite base / espesante. El estudio no se limitó a grasas nominalmente de baja fricción, sino que intencionalmente cubrió grasas de composiciones y aplicaciones de rodamientos muy diferentes para identificar tendencias significativas en el comportamiento de fricción. En un intento por aislar la influencia del espesante y el aceite, también se estudió el rendimiento de los aceites sangrados obtenidos de cada grasa. Además, se realizaron mediciones de espesor de película para ayudar a la interpretación de los datos de fricción.

2.1. Lubricantes de prueba

La Tabla 1 enumera las propiedades de todas las grasas de prueba utilizadas en el estudio. También se especifican las aplicaciones típicas de rodamientos donde se emplean estas grasas. La nomenclatura de denominación de grasas, que se muestra en la columna 1, refleja la composición de la grasa; por ejemplo, 'LiMi' indica una grasa espesante de litio con aceite base mineral. Como es evidente, estas grasas cubren un amplio espectro de propiedades químicas, físicas y reológicas. Los aceites base varían de mineral a PAO, éster y aceites minerales / sintéticos mixtos, mientras que los espesantes incluyen litio, complejo de litio, poliurea y complejo de sulfonato de calcio. Cuatro grasas se basan en 12-hidroxiestearato de litio, y una es una grasa espesada de complejo de litio. Esto es ampliamente representativo del mercado global de grasas lubricantes, el 70% de las cuales se basan actualmente en jabones de litio [20]. Dos de las grasas seleccionadas, LiEs y LiPAO, se clasifican como grasas de 'baja fricción'. Además de los datos en la Tabla 1, también se obtuvo aceite desangrado de cada grasa por centrifugación, y se probó su comportamiento de fricción para la comparación.

Tabla 1 . Lista de grasas de prueba.

Grasa Petróleo Espesante Viscosidad del aceite a 40 ° C [cSt] Viscosidad del aceite a 100 ° C [cSt] Solicitud
LiMi Mineral Litio 74 8.5 Grasa de referencia
LiMi2 Mineral Litio 200 dieciséis Alta carga extrema presión
Mentiras Ester Litio 25,1 4.9 Baja fricción
LiPAO PAO Litio 18 años 4.5 4.5 Baja fricción
LiCPAO PAO Complejo de litio 191 42 Amplio rango de temperatura
PoE Ester Poliurea 70 9.5 Alta temperatura
CaSMi Mineral Complejo de sulfonato de calcio 420 26,5 Trabajo pesado de alta temperatura
CaSMix Mezcla mineral / sintética Complejo de sulfonato de calcio 80 8.6 Servicio pesado a baja temperatura

2.2. Equipo y procedimiento experimental.

La fricción y el grosor de la película se midieron en experimentos separados en tribómetros de bola sobre disco para caracterizar las propiedades de las películas lubricantes en un rango de velocidades y temperaturas de arrastre. La repetibilidad de los resultados se confirmó realizando cada prueba de fricción y espesor de película para cada grasa y condición de prueba al menos dos veces.

El equipo MTM (Mini Traction Machine) fue empleado para las pruebas de fricción. Este equipo utiliza una configuración de bola sobre disco, ilustrada esquemáticamente en la Fig. 1 (a), donde las muestras de bola y disco están hechas de acero para cojinetes estándar AISI 52100. La bola y el disco se mantienen en un recinto de acero con temperatura controlada y se accionan de manera independiente para que se pueda obtener un rango de velocidades y relaciones de balanceo deslizante. El equipo de prueba se ha utilizado previamente para medir la fricción en la lubricación con grasa [9], [6]. Las pruebas de fricción consistieron en 4 pasos de medición. En el primer paso, se aplicó una pequeña carga de bola en el disco, a una velocidad constante de 5 mm s −1 , durante 5 minutos y en condiciones de rodamiento puro. Este paso preliminar se introdujo con el propósito de precortar la grasa, de manera equivalente a los protocolos comunes utilizados para examinar el flujo de grasas y la viscoelasticidad en un reómetro [21], y asegurar la misma condición inicial para cada prueba. Los datos de fricción se obtuvieron en 3 pasos consecutivos de barrido de velocidad, donde la velocidad se incrementó de 10 mm s −1 a 1000 mm s −1 para generar curvas similares a Stribeck. Este procedimiento permitió el monitoreo de la repetibilidad de los pasos dentro de la misma prueba y el análisis del efecto de la dependencia del tiempo en la evolución del coeficiente de fricción después de cada paso. Las pruebas de fricción se llevaron a cabo a 40 ° C, 60 ° C y 80 ° C. Se utilizó el mismo perfil de prueba para estudiar el comportamiento de los aceites sangrados. La repetibilidad de los resultados de fricción para todas las grasas de prueba dentro del rango especificado de condiciones fue excelente. Sin embargo, todos los resultados de fricción en este documento se trazan como un promedio de los dos últimos pasos de Stribeck de cada prueba y su repetición.

Figura 1

Fig. 1 Representación esquemática de la configuración de pruebas de fricción (a) y espesor de película (b), y cuchara de grasa (c).

Las mediciones del espesor de la película se realizaron utilizando un equipo de interferometría óptica de película delgada [18], [22] ilustrado esquemáticamente en la Fig. 1 (b). Esto también utiliza una geometría de bola sobre disco, pero en este caso la superficie superior del disco está hecha de vidrio para permitir mediciones de interferometría óptica. El procedimiento de prueba de espesor de película consistió en 3 pasos, donde el primer paso es equivalente al de las pruebas de fricción y su función es garantizar condiciones consistentes en cada prueba. Las mediciones del espesor de la película se tomaron durante los siguientes pasos de Stribeck, donde la velocidad se aumentó primero de 5 mm s −1 a 1000 mm s −1 y luego se redujo nuevamente a 5 mm s −1 . Como fue el caso de las mediciones de fricción, los resultados del espesor de la película en este documento se representan como un promedio de pasos de disminución de velocidad de cada prueba y su repetición.

Las pruebas de espesor de película se realizaron solo a 40 ° C.

El perfil de prueba y las condiciones para las mediciones de la fricción y el espesor de la película se resumen en la Tabla 2. Antes de comenzar cada prueba, todas las muestras se limpiaron en tolueno e isopropanol en un baño ultrasónico y luego se secaron al aire antes del ensamblaje.

Tabla 2 . Condiciones de ensayo de fricción y espesor de película.

Prueba Fricción Espesor de la película
Especimenes de prueba Disco de acero 52100; Disco de vidrio recubierto de cromo con capa espaciadora;
Bola de acero AISI 52100 de 19.05 mm de diámetro Bola de acero AISI 52100 de 19.05 mm de diámetro
Rugosidad compuesta Rq [nm] 18,5 <>
Presión hertziana máxima [GPa] 0,96 0,52
Temperaturas [° C] 40, 60 y 80 40
Relación diapositiva / rollo [%] 10 0 0
Rango de velocidad de arrastre [mm s −1 ] 10–1000 5–1000

Con el fin de mantener un suministro continuo de lubricante al contacto, se colocó una pequeña cuchara delante de la entrada para canalizar la grasa hacia la pista en las pruebas de fricción y espesor de película, como se ilustra en la Fig. 1 (c). Esto aseguró que la zona de contacto se inundara completamente con lubricante en todo el rango de velocidad. En las pruebas de fricción de aceites sangrados esto era innecesario, ya que en este caso las condiciones completamente inundadas se lograron simplemente llenando la maceta donde está unido el disco, hasta su superficie de contacto.

Las mediciones de espesor de película y fricción se realizaron en instrumentos separados con diferentes relaciones de deslizamiento, materiales y cargas. Se ha demostrado que la presencia de deslizamiento moderado tiene una influencia insignificante en el espesor de la película de grasa en los contactos EHL en condiciones de inundación total. Por lo tanto, solo deben tenerse en cuenta las influencias de la carga diferente y las propiedades elásticas del material. Dada la teoría EHD, estos son mínimos, pero sin embargo se han tenido en cuenta utilizando la ecuación de espesor de película Hamrock-Dowson EHL que conduce a la siguiente relación: hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">h hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">MTM hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">h hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">mi hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">H hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">re hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">= hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">( hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">mi hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">mi hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">H hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">re hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">`` hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">mi hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">METRO hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">T hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">METRO hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">`` hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">) hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">0 0 hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">. hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">073 hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">* * hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">( hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">W hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">mi hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">H hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">re hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">W hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">METRO hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">T hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">METRO hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">) hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">0 0 hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">. hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">067 hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">= hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">~ hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">0 0 hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">. hMTMhEHD=(EEHD`EMTM`)0.073*(WEHDWMTM)0.067=~0.92">92

donde h es el espesor central de la película, E ׳ el módulo reducido de Young, W la carga y los sufijos MTM y EHD se refieren a las pruebas de fricción y espesor de película, respectivamente. Este factor se usó para proyectar las mediciones del espesor de la película del equipo EHD en el equipo MTM, lo que permite crear gráficos individuales que relacionan el espesor de la película y las tendencias de fricción en los contactos lubricados con grasa.

Finalmente, cuando se comparan los espesores de película de grasa medidos con los valores de aceite base correspondientes en este estudio, este último también se calculó utilizando la fórmula de espesor de película de Hamrock-Dowson . En estos cálculos, las viscosidades cinemáticas del aceite base fueron las proporcionadas por los proveedores y mostradas , mientras que se supuso que la densidad era de 850 kg m −3 para todos los aceites base ya que no había cifras exactas disponibles. Los coeficientes de presión-viscosidad se calcularon utilizando un procedimiento descrito por Khonsari y Booser.

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