Design and manufacture of a team of
accelerated wear according to ASTM G-65 for applications of agricultural
machinery.
Víctor David Bravo Morocho.[1], Edison Marcelo Castillo Cárdenas. <=
/span>[2], Edgar Fabián Sánchez Carrión. [3], Edison Patricio Abarca Pérez. [4] , Paul Alejandro Montufar Paz. [5] <=
/sup>& Elvis Enrique Arguello. [6=
]
<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Toc440896899'>This work covers the
design of a tribological machine for dry abrasion tests that complies with =
the
parameters established by the ASTM G-65 standard. In such virtue the
geometrical dimensions, speed of rotation of the abrasive disc, uniform flo=
w of
abrasive and hardness of the rubber coating of the disc, must be within the
tolerances, these parameters are indispensable to fulfill the purpose of the
norm. The work methodology consists of a deterministic analysis for the
calculation and evaluation of the mechanical resistances, loads and stresse=
s in
order to determine the structural, physical and mechanical parameters that
establish the design of the machine. Next, the construction materials were
selected. And to validate the machine, its safety factor was obtained and t=
he
efforts and reactions were simulated according to the normal working
conditions, characteristics of the materials and loads applied, using
SolidWorks software. Finally, a machine was obtained with a square tube met=
al
structure 38.1x3mm, an abrasive curtain of 310 ą 10 g/min, a disk rotation =
of
192 ą 1 rpm, and a hardness of the rubber coating of Shore A-60, prototype =
that
meets the technical specifications of the standard.
Keywords<=
/span>: Wear, Machine,
Standard, Tribology, Abrasion.
Resumen.<=
/span>
<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Toc440896899'>Este trabajo abarca =
el
diseńo de una máquina tribológica para pruebas de abrasión seca que cumple =
con
los parámetros establecidas por la norma ASTM G-65. En tal virtud las
dimensiones geométricas, velocidad de rotación del disco abrasivo, caudal
uniforme de abrasivo y dureza del recubrimiento de goma del disco, deben es=
tar
dentro de las tolerancias, estos parámetros son indispensables para cumplir=
con
el propósito de la norma. La metodología de trabajo consiste en un análisis
determinístico para el cálculo y evaluación de las resistencias mecánicas,
cargas y esfuerzos a fin de determinar los parámetros estructurales, físico=
s y
mecánicos que establecen el diseńo de la máquina. Seguidamente, se seleccio=
nó
los materiales de construcción. Y para validar la maquina se obtuvo su fact=
or
seguridad y se simuló los esfuerzos y reacciones de acuerdo con las condici=
ones
de trabajo normales, características de los materiales y cargas aplicadas,
utilizando el software SolidWorks. Finalmente, se obtuvo una máquina de est=
ructura
metálica de tubo cuadrado de 38,1x3mm en su gran mayoría, cortina de abrasi=
vo
de 310ą10 g/min, rotación del disco de 192ą1 rpm, y dureza del recubrimient=
o de
goma Shore A-60, prototipo que cumple con las especificaciones técnicas de =
la
norma.
Palabras
Claves: Desgaste, Maquina, Norma,
Tribología, Abrasión.
Introducción.<= o:p>
La tribología es la ciencia y
tecnología que estudia la lubricación, la fricción y el desgaste de partes
móviles o estacionarias, y ayuda a resolver problemas en maquinaria, equipo=
s y
procesos industriales tales como: motores eléctricos y de combustión, turbi=
nas,
compresores, extrusión, rolado, fundición, forja, procesos de corte, elemen=
tos
de almacenamiento magnético y hasta prótesis articulares. El análisis del
desgaste es importante porque junto con la fatiga y a la corrosión son los
problemas que más fallas causan en las máquinas. De estos tres el menos
estudiado ha sido el desgaste. La predicción del desgaste es difícil porque=
no
es una propiedad intrínseca del material, sino que depende del tribosistema con el que interacciona el cuerpo que se
desgasta.
La máquina bajo la norma ASTM
G-65, es uno de los ensayos que se hacen a los materiales para conocer sus
propiedades frente al desgaste. En el gráfico 1, se observa el esquema de u=
na
máquina de desgaste según norma ASTM G-65.
Gráfi<=
/span>co 1. Esquema
de la máquina de ensayos de abrasión según norma ASTM G-65.
Fuente: Norma
ASTM G-65.
El principio básico es hacer
incidir un caudal de arena de sílice contra una probeta que es sometida a
contacto con una rueda mientras esta gira. Los cálculos para el diseńo del
prototipo contemplan las indicaciones de la norma, y las fórmulas extraídas=
de
libros de Diseńo en ingeniería mecánica.
El desgaste por abrasión se da
como la remoción del material de la superficie cuando permanecen atrapadas
partículas duras entre las dos superficies en contacto que provocan el
desprendimiento del material o la penetración en cualquiera de las superfic=
ies
que tenga menor dureza, este desgaste puede darse en estado seco o húmedo c=
omo
se puede ver en el gráfico 2, a continuación.
Gráfi<=
/span>co 2.
Superficie desgastada por
abrasión.
Fuente: ASTM Internactional Ha=
ndbook
Committe, 1990.
Importancia d=
el Problema.
Las maquinas son las herramie=
ntas
más fuertes creadas por los seres humanos, estas realizan trabajos que
requieren de exactitud, fuerza, entre otras muchas características que el s=
er
humano sin su ayuda no lograría, el continuo avance requiere maquinas que
tengan mejores cualidades en sus materiales, esto garantiza un mejor trabaj=
o y
una mayor durabilidad de las piezas que componen las maquinas, por esta raz=
ón,
es necesario el conocimiento de las características mecánicas y las condici=
ones
a las que van a estar sometidos los materiales.
Uno de los grandes problemas =
que
presentan las maquinas es el desgaste abrasivo, este factor se debe tener en
cuenta para el diseńo de una máquina, es decir, se debe conocer la resisten=
cia
a la ficción y al desgaste de los materiales a ser utilizados (tribología).
Para una correcta selección de estos, se deben realizar ensayos, con lo que=
se
pueden determinar los materiales óptimos a utilizar, y alargar la vida útil=
de
los elementos de máquinas.
Metodología.
Los diferentes materiales y
métodos que se utilizó para diseńar y construir una máquina de desgaste
acelerado se basan en la norma ASTM G-65, que permiten seguir un procedimie=
nto
estandarizado para adquirir resultados fiables y comparables con otras inve=
stigaciones
relacionadas; se emplea un software de dibujo y simulación (SolidWorks), y
equipos de laboratorio de materiales en general.
El diseńo de la maquina está
regida por la norma ASTM G-65, en cuanto a la arquitectura total sería difí=
cil
cambiar uno u otro componente ya que cada uno cumple una función específica=
en
la máquina de desgaste, como se ve en el gráfico 3 a continuación.
Gráfi<=
/span>co 3.
Esquema del equipo de abrasión
según norma ASTM G-65.
Fuente: ASTM G-65.
La fuerza normal
(FN), es la resultante de aplicar la carga P de 130N en el soporte de brazo=
de
palanca del equipo como se puede ver a continuación en el gráfico 4 a
continuación.
Gráfi<=
/span>co 4.
Soporte brazo palanca.
Fuente: Autores.
Por tanto:
∑M0 =3D0
P(0,508m)-Fx (0.203m) =3D0
Fx<=
span
lang=3DEN-US style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif;
mso-fareast-font-family:Garamond;mso-ansi-language:EN-US'> =3D(130N*0.503m)
/0.203m=3D325N
La fuerza de
rozamiento (FR), se opone al movimiento del disco giratorio y está dada por=
:
FR =3Dľ*N Ec. 2
Donde, ľ es el
coeficiente de fricción entre la goma y el material de la probeta el cual es
cercano al valor de 0,3 y N es la fuerza normal obtenida en el inciso anter=
ior.
El valor del
coeficiente de fricción entre caucho y acero se toma de la Tabla 1 a
continuación:
Tabla 1. Coeficiente de
fricción entre dos materiales.
|
Material de la banda de rodadura |
Material base |
Coeficiente de rozamiento |
|
Acero forjado |
Acero |
0.019 |
|
Hierro fundido |
Acero |
0.021 |
|
Caucho duro |
Acero |
0.303 |
|
Poliuretano |
Acero |
0.03-0.05=
7* |
|
Nylon |
Acero |
0.027 |
|
Fenólicos |
Acero |
0.026 |
|
El poliuretano tien=
e un
rango de valores de coeficientes dependiendo del material poli específico
seleccionado |
Fuente: HAMILTON (2014).=
Por tanto:
FR =3D 0.3*(325 N=
)
FR =3D 97,5 N
Siendo estos los
valores principales para el diseńo y cálculo de esfuerzos sobre la máquina =
y la
probeta; los valores del peso del abrasivo y del moto-reductor se los obtuv=
o en
una balanza siendo 490 y 147 N respectivamente.
Gráfi<=
/span>co 5.
Simulación de cargas sobre el brazo palanca.
Fuente: Autores.
El esfuerzo de Von
Mises resulta 4,098x106 N/m2 siendo muy inferior al
límite elástico, la deformación máxima resulta 1,144x10-2mm y da=
ndo
un factor de seguridad muy elevado (30).
Por tanto, la máq=
uina
de desgaste acelerado según norma se pude visualizar en la gráfica 6 a
continuación.
Gráfi<=
/span>co 6.
Máquina de desgaste acelerado.
Fuente: Autores.
Siendo: 1 bastido=
r, 2
brazo palanca, 3 recolector de abrasivo, 4 llave de paso de abrasivo, 5 tol=
va,
6 boquilla de abrasivo, 7 soporte de tolva, 8 disco abrasivo, 13 motor de 1=
Hp
y 3600 rpm, 14 caja de reducción de i=3D18.
Seguidamente se
diseńó la geometría de la estructura en un programa CAD, para insertar
posteriormente las cargas y simular los esfuerzos de trabajo, siendo el per=
fil
constructivo cuadrado de 2Plgx2mm de espesor. Se ingresan las cargas obteni=
das,
al pesar la tolva llena de abrasivo y del moto-reductor, siendo de 490N y 1=
00N
respectivamente como se observa en la gráfica 7 a continuación. El tipo de
empotramiento es fijo con 0 grados de libertad.
Fuente: Autores.
Resultados.
Se ha construido =
una
máquina de desgate acelerado empleando la norma ASTM G-65 como se visualiza=
en
la gráfica 8 a continuación, con las siguientes características:
Cortina de abrasivo uniforme y constante con un
caudal de 310ą10 g/min.
El dis=
co de
abrasión gira a 192 rpm estando dentro del rango permisible (200ą10 rpm)
El diá=
metro
del disco de abrasión es de 9 pulgadas acorde a la norma.
La dur=
eza
del recubrimiento de caucho del disco de abrasión es Shore A-60, estando de=
ntro
del rango permisible por la norma.
El abra=
sivo
debe ser secado a 1000 C por una hora en un horno y tamizada seg=
ún
ensayo AFS50, con una abertura de malla de 0.297 mm.
Gráfi<=
/span>co 8.
Maquina terminada.
Fuente: Autores.
Los elementos
constituyentes están recubiertos con una antioxidante azul, la tolva no
requiere un recubrimiento ya que está elaborada con láminas de metal
inoxidable, es necesario un recolector de abrasivo debajo del disco de
abrasión.
Discusión.
Al tener un factor de seguridad alto, producto de =
la
simulación en el software se puede decir que la maquina no perderá su
integridad estructural con el trabajo contino por un periodo muy prolongado=
, es
necesario mantener la maquina en un ambiente de trabajo adecuado para que la
oxidación no ataque los elementos constituyentes, sin embargo, se debe real=
izar
un mantenimiento de dichas partes cada seis meses.
El caudal de abrasivo, revoluciones del disco
abrasivo, dureza del recubrimiento de goma, etc., están dentro del rango
permisible en la norma, para tener un mejor entendimiento se detalla a
continuación en la tabla 2.
Tabla 2. Comparación de
variables a medir.
VARIABLES |
VALORES |
|
|
ASTM G-65 |
Obtenidos |
|
|
Velocidad del disco abrasivo |
200 ą 10 rpm |
192 rpm |
|
Dureza del recubrimiento de goma |
58 a 62 Shore A |
60,2 Shore A |
|
Diámetro del recubrimiento de goma |
9´´ concentricidad ≤ 0,002 |
9´´ concentricidad ≤ 0,001<= o:p> |
|
Humedad del abrasivo |
≤0,50% |
≤0,40% |
|
Tamańo de grano del abrasivo AFS 50/70<= o:p> |
Tamiz 50: 5% máx. Tamiz 70: 95% min. |
Tamiz 50: 4% máx. Tamiz 70: 96% min. |
|
Caudal de abrasivo |
250 350 g/min |
310 g/min |
|
Fuerza ejercida sobre la probeta |
130 N 45 N |
130 N 45 N |
|
NOTA: Los valores pueden variar con las
condiciones ambientales y altura sobre el nivel del mar. |
Fuente: Autores.
Los resultados en este trabajo concuerdan con
investigaciones similares pudiendo validar la maquina al comparar con el ar=
tículo
denominado: GUTIERRE W., OLAYA J., TORRES M.,
Construcción de un equipo para desgaste abrasivo según norma ASTM G65.
Tabla 3. Comparación de
variables a medir con la norma y trabajos similares.
VARIABLES |
VALORES |
||
|
ASTM G-65 |
Obtenidos |
ARTICULO |
|
|
Velocidad del disco abrasivo |
200 ą 10 rpm |
192 rpm |
202 rpm |
|
Dureza del recubrimiento de goma |
58 a 62 Shore A |
60 Shore A |
60,25 Sho=
re A |
|
Diámetro del recubrimiento de goma |
9´´ concentricidad ≤ 0,002 |
9´´ concentricidad ≤ 0,001 |
9´´
concentricidad ≤ 0,001 |
|
Humedad del abrasivo |
≤0,50% |
≤0,40% |
≤0,22% |
|
Tamańo de grano del abrasivo AFS 50/70 |
Tamiz 50: 5% máx. Tamiz 70: 95% min. |
Tamiz 50: 4% máx. Tamiz 70: 96% min. |
Tamiz 50: 3% má=
x. Tamiz 70: 97% m=
in. |
|
Caudal de abrasivo |
250 350 g/min |
310 g/min |
304,1 g/min |
|
Fuerza ejercida sobre la probeta |
130 N 45 N |
130 N 45 N |
130 N 45 N |
|
NOTA: Los valores pueden variar con las condicio=
nes
ambientales, humedad del abrasivo y altura sobre el nivel del mar. |
Fuente: Autores.
Los resultados son análogos en magnitud y unidad,
entre los valores de la norma ASTM G-65 y otros trabajos realizados con los
mismos objetivos, por tal razón se puede emplear la maquina construida en o=
tras
investigaciones donde se requiera el uso de este equipo, siempre consideran=
do
un error relativo intrínseco en las máquinas de desgaste acelerado.
Conclusiones.<= o:p>
ˇ
El equipo construido según la Norma ASTM G-65 cump=
le
con todos los parámetros estandarizados que abraca dicha norma, y tiene las
siguientes características: flujo de abrasivo es 310ą10 g/min, la velocidad=
de
rotación del disco abrasivo es 192 rpm, y la dureza del recubrimiento de ca=
ucho
del disco de abrasión es Shore A60.
ˇ
Los resultados obtenidos en la máquina de abrasión
pueden variar de 3 a 5%, dependiendo de la humedad del abrasivo y la
temperatura del recubrimiento de goma del disco.
ˇ
Después de cada ensayo en la maquina se debe parar=
por
al menos 5 minutos para que el recubrimiento de goma sobre el disco abrasiv=
o se
enfrié y no tener resultados errados.
Referencias
bibliográficas.
NORMA TÉCNICA ASTM
G-65/00. Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rub=
ber
Wheel Apparatus, American Society for Testing and Materials, 2000.
GUTIERRE W., OLAYA J., TORRES=
M.,
Construcción de un equipo para desgaste abrasivo según norma ASTM G65.
MARULANDA J., ZAPATA A., ESTR=
ADA
C., Construcción de una máquina para ensayo en desgaste abrasivo; según nor=
ma
técnica ASTM G-65. Scientia et Technica
Ańo XV, No 41, Mayo de 2009
BHUSHAN B. (2001). Modern
Tribology Handbook , Principles of tribology . <=
/span>Ohio:
CRC Press TORO A., MESA D., GUTIÉRREZ J.
Evaluación de la resistencia al desgaste abrasivo en recubrimientos duros p=
ara
aplicaciones en la industria minera. Revista Scientia<=
/span>
et Technica, Nş.25. agosto 2004. FAIRES, VIRGIL MORING. Diseń=
o de
elementos de máquinas. 4ta edición.
Argentina: Pomaire 1960. RABINOWICZ, E. Friction and =
wear
of materials, John Wiley, USA:1995 HAMILTON. (2014). Rolling
resistance and industrial wheels. Obtenido de: http://www.hamiltoncaster.com/Portals/0/blog/White%20Paper%20Rolling%20Res=
istance.pdf HUTCHINGS I. M. Tribology
Friction and wear of Engineering materials. Ed
Edward Arnold. Obtenido de: http://www.ingenierosdelubricacion.com/articulo.htm =
Para
citar el artículo indexado. =
Bravo v., Castillo E., Sánchez E., Abarca E., Mont=
ufar
P. & Arguello E. . (2018).
Diseńo y manufactura de un equipo de desgaste acelerado según norma =
ASTM
g-65 para aplicaciones de maquinaria agrícola. Revista electrónica Ciencia Digital 2(3), 148-159. Recu=
perado
desde: http://cienciadigital.org/revistacienciadigita=
l2/index.php/CienciaDigital/article/view/143/128 El
artículo que se publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no
necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Ciencia Digital. El
articulo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, victor.bravo@espoch.edu.ec
[2] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, edison.castillo@espoch.edu.ec
[3] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, esanchez_c@espoch.edu.ec
[4] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, edison.abarca@espoch.edu.ec
[5] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, paul.montufar@espoch.edu.ec
[6] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, earguello@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org
Vol. 2, N°3, p. 14=
8-159,
Julio - Septiembre, 2018