Estudio de modelos termoelastohidrodinámicos no newtonianos

Sádaba de Salcedo, Javier (2017). Estudio de modelos termoelastohidrodinámicos no newtonianos. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Estudio de modelos termoelastohidrodinámicos no newtonianos
Autor/es:
  • Sádaba de Salcedo, Javier
Director/es:
  • Echávarri Otero, Javier
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Septiembre 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: Lubricación termo-elastohidrodinámica, viscosidad, espesor de película, coeficiente de fricción, fluido no-newtoniano, efecto pseudoplástico, velocidad de corte, contacto puntual, contacto lineal, reología
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La necesidad creciente de producción en masa en la industria y de reducción de costes de amortización y mantenimiento de maquinaria, hacen que sea necesario optimizar cada vez más el diseño de la misma. Así, como muchas de las máquinas que se utilizan a nivel industrial están sometidas a condiciones de trabajo severas, tales como cargas muy altas y elevado número de ciclos, éstas tienden a sufrir fallos por desgaste y por fatiga. Todo ello fomenta un trabajo de investigación orientado a mejorar las condiciones de funcionamiento de los dispositivos usados, y uno de los campos de mejora es el estudio de contactos lubricados en elementos como cojinetes, rodamientos, embragues, etc. Así pues, este Trabajo Fin de Grado trata de buscar un modelo que sea capaz de predecir de manera satisfactoria, con un cierto grado de precisión, las condiciones de funcionamiento de contactos lubricados altamente cargados (fricción, temperatura, presión, espesor de película, etc.) de tal manera que en un futuro deje de ser necesario hacer medidas in situ con la ayuda de un tribómetro. El proyecto se deriva de otras investigaciones realizadas con anterioridad en la División de Ingeniería de Máquinas de la ETSII-UPM. Este proyecto emplea conocimientos de varias disciplinas (como la resistencia y elasticidad de materiales, la mecánica de fluidos y la transmisión de calor) para desarrollar un modelo analítico de predicción en contactos lubricados en condiciones de lubricación termo-elastohidrodinámica (TEHL). Como bien se sabe, hay varios tipos de lubricación, en función del grado de contacto entre las piezas a lubricar, que son: lubricación límite, cuando prácticamiente no hay película de lubricante y los sólidos están casi en contacto directo entre sí (la rugosidad superficial media o RMS de las piezas es igual o mayor que el espesor de película de lubricante); lubricación mixta, cuando el espesor de película es reducido y hay un cierto grado de contacto entre las piezas, y lubricación hidrodinámica, cuando el espesor de película es mucho mayor que la RMS de los cuerpos y no hay ningún contacto entre ellos. Así, este trabajo se centra en una variante concreta de lubricación hidrodinámica. Si, estando en condiciones de lubricación hidrodinámica, se tiene en cuenta el efecto de la deformación elástica de los materiales, se trabaja con la teoría de lubricación elasto-hidrodinámica (EHL). Si, además de eso, se tiene en cuenta el efecto de la temperatura de ensayo sobre las propiedades reológicas del lubricante, entonces se entra en lubricación termo-elastohidrodinámica (TEHL). Por lo tanto, el modelo aquí desarrollado se centrará en este último tipo de lubricación, ya que la teoría de TEHL suple algunas carencias de la teoría EHL, y por consiguiente, permite hacer predicciones mucho más precisas que ésta. Como ya se ha indicado, se ha optado por un modelo analítico. Evidentemente, los modelos numéricos son más exactos, pero la gran ventaja de los modelos analíticos es que son mucho más sencillos y proporcionan un nivel de precisión razonable para estimar presiones de contacto, espesores de película e incluso coeficientes de fricción entre piezas lubricadas. Para realizar el modelo buscado, se ha utilizado Microsoft Excel, ya que proporciona una capacidad de cálculo más que suficiente para el alcance de este proyecto y es de fácil manejo. El objetivo primordial del modelo desarrollado es el cálculo del coeficiente de fricción en el contacto. Derivados de este cálculo se obtienen otros parámetros, como el espesor de película o la temperatura del lubricante. En el modelo se toma un contacto de dos piezas metálicas, que pueden ser de diferentes materiales. Hay dos tipos de contacto empleados principalmente, en función de la geometría de las piezas: el contacto puntual, en el que la huella de contacto es circular, y el contacto lineal, en el que dicha huella tiene forma rectangular. Estos son los tipos de contacto que se utilizaron para realizar las mediciones que servirán para validar la eficacia del modelo. Se toman como datos de partida las condiciones del experimento concreto y las propiedades intrínsecas de las piezas y del lubricante. En segundo lugar, se elige una expresión analítica que represente la distribución de presiones en el contacto. En este caso, se hace la hipótesis de que dicha distribución es de tipo parabólico, tal como fue propuesto por el alemán Hertz (1896). Después, se tiene en cuenta el efecto de la presión sobre la viscosidad del lubricante, mediante la ecuación que propuso Barus (1893). El coeficiente viscosidad-presión que aparece en la ecuación de Barus se ajustará debidamente en consonancia con las condiciones de ensayo en cada caso. En tercer lugar, hay que tener en cuenta que los lubricantes empleados, en las condiciones de trabajo en las que se encuentran, se comportan como fluidos no-newtonianos, es decir, son aceites cuya viscosidad no es independiente de la velocidad de corte aplicada (también conocida como gradiente de velocidades). En lo que a este modelo respecta, los lubricantes utilizados pertenecen a un tipo particular de fluidos no newtonianos: son fluidos pseudoplásticos, lo cual quiere decir que su viscosidad disminuye para valores altos de la velocidad de corte. Esto se tiene en cuenta mediante la ecuación 18 (Carreau, 1972), que permite relacionar la viscosidad con el gradiente de velocidades. Al valor calculado con dicha ecuación se le conoce con el nombre de viscosidad generalizada. A continuación, suponiendo que la tensión cortante en el seno del lubricante se puede expresar como el producto de la viscosidad generalizada por la velocidad de corte, se integra su valor a lo largo de la huella de contacto, obteniendo así la expresión del coeficiente de fricción, que era lo que se buscaba desde un principio. Otro parámetro a calcular es el espesor de película, que se aproxima como una constante en toda la huella de contacto, e igual al valor central del mismo. Para ello, se calcula primero el valor del espesor de película newtoniano mediante una correlación experimental y después se corrige térmicamente mediante un parámetro, que tiene en cuenta el efecto de la temperatura a la entrada del contacto. Por último, el valor obtenido del espesor de película se corrige para tener en cuenta el efecto pseudoplástico, obteniendo el valor buscado. Finalmente, la temperatura en la película de lubricante se calcula como suma de tres términos, a saber: la temperatura a la entrada del contacto, el incremento de temperatura ‘flash’, y el incremento de temperatura debido al calentamiento interno de la película. La metodología de cálculo en hoja Excel se realiza de la siguiente forma: una vez calculados la temperatura a la entrada y el espesor de película newtoniano, se corrige el último teniendo en cuenta el efecto pseudoplástico, obteniendo así el coeficiente de película no-newtoniano. A continuación, se pone en práctica un proceso iterativo: se hace una hipótesis para la temperatura media del lubricante en el contacto; después se calculan las propiedades del lubricante a esa temperatura; con dichas propiedades se calcula el valor del coeficiente de fricción; finalmente, se calcula el valor de temperatura correspondiente a dicho valor del coeficiente de fricción. Si este valor de temperatura es igual al supuesto, entonces se considera que se ha terminado. Si no es así, se ha de hacer una nueva hipótesis para el valor de temperatura y repetir el proceso tantas veces como sea necesario, hasta que el valor supuesto y el calculado sean iguales. Todo este proceso se describe en detalle en este texto. El procedimiento ha sido aplicado a varios lubricantes diferentes, tanto de origen sintético como de origen natural, y para diversas condiciones de funcionamiento (carga aplicada, velocidad media de las piezas, etc). Para poder validar el modelo, los resultados obtenidos se han cotejado debidamente con datos experimentales obtenidos de la bibliografía disponible, de tal modo y manera que se ha comprobado que el modelo funciona y que tiene cierta versatilidad (al ser aplicable a aceites de diferente idiosincrasia). A modo de ejemplo, se muestra a continuación un gráfico que compara la curva de coeficiente de fricción calculada por el modelo con los valores obtenidos empíricamente, para un lubricante concreto (PAO-6) y unas condiciones de operación determinadas. Todo ello implica que el objetivo de este Trabajo Fin de Grado se cumple y que se el esfuerzo realizado ha sido fructífero, con lo que se podrán emplear los resultados de este proyecto en futuras investigaciones.

Más información

ID de Registro: 48142
Identificador DC: http://oa.upm.es/48142/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48142
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 16 Oct 2017 14:40
Ultima Modificación: 16 Oct 2017 14:42
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