Modelamiento de la dinámica termo-mecánica presente en un par deslizante con fines de predecir desgaste

Abstract

Resumen: El daño progresivo que se produce en la superficie de un componente como resultado de su movimiento relativo a las partes adyacentes de trabajo, tiene profundas consecuencias económicas que implican no sólo los costes de sustitución, sino también los gastos relacionados con la inactividad de la máquina y pérdida de producción, haciéndose necesario estudiar, analizar y modelar el proceso de deslizamiento entre sólidos. Se tiene conocimiento del desarrollado de diferentes modelos estáticos que correlacionan algunas propiedades mecánicas con el fin predecir la tasa de desgaste en procesos de deslizamiento entre sólidos, o de modelos dinámicos que describen los cambios térmicos y su influencia directa en el desgaste progresivo de uno o de ambos sólidos de un par mecánico. También se ha aplicado el potencial de las leyes de la termodinámica para analizar la fricción en sistemas de ingeniería, consolidando estudios en el desarrollo de modelos que representan y explican el comportamiento energético de dichos sistemas, logrando obtener modelos capaces de relacionar variables termodinámicas con variables mecánicas y así predecir el comportamiento de pares deslizantes. Sin embargo no se encuentra en la literatura un consenso de cuáles son las variables que representan, describen y explican el proceso de desgaste en deslizamiento entre sólidos, donde se relacione tanto las variables clásicas del proceso como el coeficiente de fricción, la carga y la velocidad, sino también la temperatura, con el aumento en la tasa de desgaste de un proceso de deslizamiento. En este trabajo se planteó desarrollar un modelo que relacionara las dinámicas térmicas y mecánicas con el fin de predecir el aumento y/o disminución de la tasa de desgaste en un par deslizante. Para el desarrollo del modelo se debió: Primero modelar la generación y transferencia térmica, donde se halló la “flash temperature” y, Segundo, modelar los fenómenos disipativos de degradación, donde se cuantifica la tasa de desgaste. El Modelado de la “flash temperature” se logró con el desarrollo de una ecuación constitutiva que representa el calor generado por el contacto entre microasperezas. Esta ecuación sirvió como entrada de energía para el modelo térmico desarrollado, con el cual se obtuvo un modelo finito dimensional, capaz de representar la dinámica de la llamada “Flash Temperature”. Esta variable ha sido difícil de estudiar por lo intrincado de los conceptos fenomenológicos que la componen (dinámica instantánea, relación en el aumento en el flujo entrópico, posibles cambios en las propiedades de los materiales, entre otros). En este trabajo se logra determinar y cuantificar la influencia directa que tiene la “Flash Temperature” sobre el aumento y/o disminución de la tasa de desgaste en un proceso de deslizamiento entre sólidos. Paralelamente se desarrolló un segundo modelo acoplado al anterior, modelo de los fenómenos disipativos de degradación, tomando como base la segunda Ley de la Termodinámica en el cual se calculó el aumento de la entropía del sistema mediante un balance de diferentes mecanismos de disipación en intercaras tribológicas con el fin de predecir la tasa de desgaste presente en el proceso de deslizamiento. En la utilización de algunos de estos mecanismos de degradación se realizaron cambios a los postulados originales y, además, se propone una ecuación que relaciona el cambio entrópico con la pérdida de masa por unidad de tiempo en el mecanismo de abrasión, específicamente para el proceso de microcorte. La validación del modelo se realizó mediante la comparación de los resultados obtenidos en la simulación con: a) Los resultados obtenidos en el desarrollo de ensayos de desgaste realizados en el Laboratorio de Tribología y Superficies de la Universidad Nacional (R. Arrubla and C. Ochoa, 2011) y b) con los resultados publicados por el autor (H. A. Abdel-aal, 2003). Finalmente, es importante considerar que el modelo propuesto se rige por la fenomenología que representa el sistema, sin embargo está delimitado por los supuestos que se tienen en cuenta para el desarrollo del modelo. La gran cantidad de variables y parámetros que pueden ser incluidos en un posible modelo haría que este aumente su nivel de precisión. Pero teniendo en cuenta las variables incluidas y supuestos propuestos se tiene que el modelo desarrollado realiza estimaciones precisas y predicciones certeras

Abstract: The progressive damage that occurs at the surface of a component as a result of its motion relative to a counterbody has significant consequences which involve not only the costs of replacement but also the expenses related to machine downtime and production losses. This makes necessary to study, analyze and model the entropy balance associated with sliding solids. Such study requires the development of stationary models that correlate some mechanical properties to predict the wear rate of a rubbing pair, as well as dynamic models that describe the thermal changes and their direct influence on the progressive wear of one or both solids involved. It is also needed to apply the thermodynamics laws to analyze the friction in engineering systems in order to develop models that represent the energy balance of these systems. A deep literature survey showed that no consensus has been reached regarding the variables needed to accurately describe and explain the wear process of a sliding pair, since a number of process variables such as the coefficient of friction, load and relative speed have to be combined with thermal factors such as temperature-dependence of mechanical properties, thermal conductivity, among others. In this work, a thermo-mechanical model was developed to predict the wear rate of a WC/Co--Ti6Al4V sliding pair. The model was composed of 2 main functional blocks: First, modeling of the process of generation and transfer of heat, which allowed finding the flash temperature variations. Secondly, modeling of the dissipative phenomena of degradation allowed obtaining the wear rate. The dynamics of the flash temperature was studied thanks to a finite dimensional model, whose data input was obtained through the development of a constitutive equation that represents the heat generated by the contact between micro-asperities. In parallel, a second model based on the second law of thermodynamics was developed and coupled to the previous model. This second model calculated the increase of entropy of the tribological system by proposing a balance among the different dissipation mechanisms present in order to predict the wear rate of the sliding pair. As a consequence, an equation that relates the entropy change with the mass loss per unit time was obtained, with the main assumption that abrasion is the dominant wear mechanism. The validation model was performed by comparing the results obtained in the simulation to: a) The experimental data from wear tests performed at the Laboratory of Tribology and Surfaces National University (R. Arrubla and C. Ochoa, 2011) and b) the results published by H. A. Abdel-aal, 2003. It is worth noticing that the large number of variables and parameters that can be included in a model like the one developed in this work makes its level of precision quite difficult to increase. In spite of this limitation, the results of the present work showed that the assumptions made led to accurate estimates and reasonably good predictions