Análisis experimental de emisiones acústicas generadas por fricción deslizante y rodante

Abstract

En el área productiva es importante tener máquinas y procesos confiables para evitar pérdidas humanas y económicas, es por esto que se atribuyen recursos al estudio y desarrollo de técnicas de ensayo no destructivo como lo es el análisis de vibraciones, el cual actualmente es el mejor implementado y utilizado en la industria. Las emisiones acústicas son ondas elásticas transitorias generadas por deformación elástica y plástica, su aplicabilidad para monitorización de maquinaria rotativa lleva años estudiándose y se ha demostrado su efectividad en la detección de fallas bajo condiciones de laboratorio e industriales. El desarrollo de técnicas capaces de medir emisiones acústicas se encuentra en auge de desarrollo a partir de finales del siglo pasado debido a importantes características como la localización/detección temprana de fallas y una alta sensibilidad a fenómenos basados en el contacto de asperezas como el desgaste. Estudios en cajas de transmisión de engranajes rectos han presentado ráfagas periódicas a tiempo de engrane. La fuente de este tipo de emisiones es principalmente el contacto entre asperezas, sin embargo, el mecanismo que origina los transiente no es del todo evidente. Las principales hipótesis encontradas en la literatura es el cambio de condición de fricción en el punto de paso, la resonancia dental y los picos de presión del lubricante, de las cuales, la segunda fue descartada al medir la frecuencia natural del diente y la tercera no aplica en contacto seco. Desde el conocimiento que en la superficie de contacto entre dientes engranados existen condiciones de deslizamiento y rodadura, se presenta una metodología para caracterizar las señales acústicas de la rodadura y el deslizamiento de manera independiente mediante un banco de ensayos simple que simule el contacto interdental. La caracterización permite corroborar modelos teóricos posteriores desarrollados para el análisis tribológico global en el estudio de la interconexión existente entre parámetros. Experimentalmente se obtiene para condiciones de deslizamiento una correlación positiva del valor RMS con la velocidad de traslación del cilindro, por otro lado, no se evidencia un efecto de la carga sobre este parámetro. Por otro lado, la magnitud de las cargas verticales aplicadas en rodadura, no son lo suficientemente importantes como para visualizarse en un efecto sobre el valor RMS, mientras que la velocidad no tiene efecto debido a la velocidad relativa nula existente en el centro instantáneo de rotación. Las frecuencias excitadas sugieren que para ambas fricciones predomina el desgaste abrasivo siendo este la fuente principal de emisiones acústicas.

In the productive area it is of high importance to have reliable machines and processes to avoid human and economic losses, therefore, resources are attributed to the study and development of non-destructive testing techniques such as vibration analysis, which is currently the best implemented and used in the industry. Acoustic emissions are transient elastic waves generated by elastic and plastic deformation, its applicability for monitoring rotating machinery has been studied for years and its effectiveness has been demonstrated in the detection of failures under laboratory and industrial conditions. The development of techniques capable of measuring acoustic emissions has been booming since the end of the last century due to important features such as early localization/detection of faults and high sensitivity to phenomena based on asperity contact such as wear. Studies on spur gear transmission cases have shown periodic bursts at meshing time. The source of this type of emissions is mainly the contact between asperities, however, the mechanism that originates the transients is not entirely clear. The main hypotheses found in the literature are the change of friction condition at the passing point, tooth resonance and lubricant pressure peaks, of which the second one was discarded when measuring the natural frequency of the tooth and the third one does not apply in dry contact. Based on the knowledge that sliding conditions exist on the contact surface between meshed teeth, this work presents a methodology to characterize the acoustic signals of rolling and sliding independently by means of a simple test bench that simulates interdental contact. The characterization allows corroborating further theoretical models developed for global tribological analysis in the study of the interconnection between parameters. Studies on spur gear transmission cases have shown periodic bursts at meshing time. The source of this type of emissions is mainly the contact between asperities, however, the mechanism that originates the transients is not entirely clear. The main hypotheses found in the literature are the change of friction condition at the passing point, tooth resonance and lubricant pressure peaks, of which the second one was discarded when measuring the natural frequency of the tooth and the third one does not apply in dry contact. Based on the knowledge that sliding conditions exist on the contact surface between meshed teeth, this work presents a methodology to characterize the acoustic signals of rolling and sliding independently by means of a simple test bench that simulates interdental contact. The characterization allows corroborating further theoretical models developed for global tribological analysis in the study of the interconnection between parameters.