ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA MAQUINA RECIPROCANTE DE ESFERA SOBRE PLACA.

El campo del diseño aplicado en la realización de un proyecto es tan basto, que para la ejecución de un prototipo de esta naturaleza se requiere un alto costo de inversión y de trabajo de investigación. Por ello, para acotar tiempos y áreas no prioritarias de estudio, se realiza una serie de análisis orientados a la aplicación de los valores tribológicos en el desarrollo óptimo de un puente de carga, cuyas particularidades le imprimen un carácter de originalidad. Esto significa, que el estudio de los análisis de esfuerzos, los efectos de las vibraciones mecánicas y la propagación de la fatiga, los análisis térmicos para el recipiente del lubricante, la selección adecuada de los sistemas eléctricos y electrónicos que controlan al mecanismo, etc., no se incluyen en esta tesis, pero se pueden resolver por trabajos futuros.

En esta sección, se plantea el diseño esquemático del conjunto de la máquina prototipo de esfera sobre placa. Para ello, se acude a la norma oficial mexicana sobre el dibujo técnico. Esta, define a los esquemas como: “aquellos dibujos técnicos que representan piezas aisladas o conjuntos de piezas ensambladas o relacionadas entre sí, para dar una idea clara del funcionamiento del conjunto, de la estructura del mismo o ambas cosas. En los esquemas, las piezas y los aparatos están representados en una forma muy simple, pero guardan cierta relación de forma, tamaño y ubicación, con las piezas y aparatos que constituyen el conjunto real.” [6].

Debido a la escasez de información sobre los detalles de sus componentes y a que se desconoce la existencia de estas máquinas en nuestro país. Se ha propuesto, con fundamento en la norma ASTM G 133-95, la representación de un modelo esquemático del prototipo. En la figura 5.1, se observan sus elementos mecánicos más importantes.

1 Motor

2 Generador de movimiento reciprocante 3 Guías

4 Sujetador de placa

5 Porta perno de punta esférica

8 Placa de prueba

10 Sensor de fuerza de fricción 9 Calentador de lubricante 6 Mecanismo de carga 7 Perno esférico

La visualización del puente de carga no es total; sin embargo, los módulos 5,6,7, constituyen parte de dicho mecanismo. Con la finalidad de comprenderlo mejor, a continuación se da una explicación más detallada sobre sus propiedades funcionales.

5.1.1. MOTOR.

El motor constituye el módulo generador de movimiento rotatorio. Una vez que se acopla al mecanismo de acción reciprocante, la rapidez del desplazamiento en el espécimen, disminuye y aumenta durante el ciclo, llegando a ser de cero en los extremos, mientras que a la mitad de la carrera tiene su valor máximo. Este efecto debe ser tomado muy en cuenta por los investigadores, ya que el cambio de velocidad produce un resultado diferente del que podría obtenerse de un régimen donde no haya variaciones de tipo senoidal. Sí se desea obtener un movimiento de aceleración y frenado instantáneo, el motor a pasos representa una opción viable, que por sus características de girar, parar e invertir la rotación, casi de manera instantánea, genera una onda de tipo cuadrática. Por otra parte, es necesario efectuar los cálculos pertinentes para la adecuada selección de la velocidad y potencia del motor. Es posible manipular la velocidad de rotación por medio de un variador de voltaje aplicado al estator, en caso de que se trate de un motor de corriente continua, o por medio de un controlador para un motor a pasos.

5.1.2. GENERADOR DE MOVIMIENTO RECIPROCANTE.

Este sistema convierte el movimiento rotatorio en deslizamiento de vaivén, constituyendo el sistema acoplador entre el motor y el porta perno de punta esférica. Existen diferentes mecanismos que pueden cumplir con esta función, entre los más importantes se cuentan el sistema de manivela-biela-corredera, el sistema de yugo Escocés, o un sistema electromecánico que utiliza el principio de atracción-repulsión electromagnética.

5.1.3. GUIAS.

Las guías permiten que la conducción del mecanismo se ejecute sin problemas de pegamientos o que se mueva en otra dirección que no sea la reciprocante; su diseño y construcción debe ser de tal forma que no se produzcan vibraciones o calentamientos excesivos en las zonas de contacto. Pueden ser de diversas formas; con secciones cilíndricas, cuadradas, o cola de milano.

5.1.4. SUJETADOR DE PLACA.

Este elemento debe fijar en forma horizontal al espécimen plano de tal manera que no se desplace durante la interacción.

5.1.5. PORTAPERNO DE PUNTA ESFERICA.

Este componente garantiza la sujeción del perno esférico, debe evitar que éste se suelte durante la prueba, o que por una inadecuada sujeción, se presente un ligera inclinación en el plano de contacto, que conforman la esfera y la placa. Entre las máquinas comerciales existe un arreglo de portaespécimen esférico que permite el intercambio de diversas probetas, como las descritas en la sección 4.4.

5.1.6. MECANISMO DE CARGA.

Este mecanismo puede presentar diversas formas; su objetivo fundamental es transmitir, la carga a través del perno hacia la placa. Este elemento se conoce como puente carga.

5.1.7. PERNO ESFERICO.

Constituye el material en estudio. Puede sufrir diversas formas de desgaste; pero sí, durante las condiciones de operación desarrolla una mayor dureza que la de la placa puede producir

un acanalado en esta. Su daño tribológico puede observarse por su pérdida de masa o por una deformación plástica.

5.1.8. PLACA DE PRUEBA.

La placa es el elemento que junto con el perno esférico conforman el par tribológico. Pueden ser de diversos materiales, con cualquier tipo de recubrimiento o tratamiento térmico. Su caracterización es fundamental para entender los fenómenos tribológicos surgidos de la prueba. A través de su material se disipa gran parte de la energía producida en forma de calor. Junto con el perno esférico constituyen el par tribológico

5.1.9. RECIPIENTE DE LUBRICANTE.

Está constituido por un recipiente metálico, donde se deposita el lubricante, sus paredes están cubiertas por un sistema calefactor, constituido por resistencias eléctricas. Por medio de un control de temperatura puede alcanzar valores cercanos a los 160ºC. Constituye una parte clave para el estudio de las propiedades de los lubricantes. Con respecto a este punto, cabe indicar que la prueba permite caracterizar la naturaleza del lubricante cuando se somete a altas temperaturas, grandes velocidades y elevadas presiones. Todo ello, puede aportar importantes valores sobre el comportamiento del tribosistema. El control de temperatura debe ser preciso, ya que según un requerimiento de la prueba ASTM G133-95, la temperatura no debe oscilar más de 2ºC.

5.1.10. SENSOR DE FUERZA DE FRICCION.

La cuantificación de las fuerzas de fricción que se originan durante la prueba, sin duda representan uno de los valores más importantes dentro de las investigaciones tribológicas, ya que a partir de dicho parámetro es posible encontrar los coeficientes de fricción de cada par metálico. Para ello, se requiere de la utilización de un sensor de carga que registre los valores de adhesión que ocurren en la interfase, interpretándosele como la fuerza de fricción del par. Registrando, dicha fuerza en ambos sentidos del movimiento.

El estudio y análisis para la selección y adquisición de la celda de carga, así como su montaje en la máquina, debe hacerse con demasiada cautela, ya que, sí bien, no es de gran tamaño, si es el más costoso y sensible a los daños que pueda sufrir la máquina. Otro de los factores que se debe tener en consideración para la selección de dicho piezoeléctrico es que se someta a excesivos esfuerzos de tensión y compresión. Esto genera un colosal proceso de fatiga que puede mermar su vida útil, incluso desde la primera prueba. En una prueba, que dura 34 minutos se desarrollan, aproximadamente, 20,000 ciclos.

Como se ha observado, las características de los diversos sistemas que constituyen la máquina, representan un gran reto para la ingeniería de diseño, es importante destacar que la apreciación de esta descripción solo es parte de una serie de observaciones a priori. Sin embargo, el desarrollo de una etapa de diseño más profunda puede aportar mayores y mejores recomendaciones. Aunque hasta aquí sólo se han descrito algunas cuestiones relacionadas con el funcionamiento, es importante aclarar que: el grado de precisión y la confiabilidad en la lectura de los valores tiene una importancia preponderante para la evaluación de los resultados. Se recomienda, por lo tanto, que los valores registrados por tribómetro puedan ser analizados y registrados por algún sistema de computo.