Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 5 (1): e179. Enero-Marzo, 2022. https://doi.org/10.37636/recit.v5n1e179
ISSN: 2594-1925
1
Articulo de Investigación
Diseño y desarrollo de máquina de desgaste tipo pin on
ring
Design and development of pin on ring type wearing machine
Jesús Ángel Campuzano García , Mariano Braulio-Sánchez , José Eli Eduardo González-Durán ,
José David Díaz-Medina , Pedro Durán-Reséndiz
Instituto Tecnologico Superior del Sur de Guanajuato, Educación Superior 2000, Benito Juárez, 38980
Uriangato, Guanajuato, México
Autor de correspondencia: Jesús Ángel Campuzano García, Instituto Tecnologico Superior del Sur de Guanajuato,
Educación Superior 2000, Benito Juárez, 38980 Uriangato, Guanajuato, México. E-mail: jesus2acg@gmail.com.
ORCID: 0000-0002-1860-8589.
Recibido: 17 de septiembre del 2021 Aceptado: 18 de enero del 2022 Publicado: 10 de febrero del 2022
Resumen. - Se desarrolló una máquina de desgaste del tipo Pin On Ring, bajo la norma ASTM G99-17 (ASTM Int',
2018), que permite realizar ensayos mediante un procedimiento de laboratorio para determinar el desgaste de
materiales. Las máquinas de desgaste tipo Pin On Ring requieren realizar pruebas a la pieza bajo ciertas
condiciones como lo son: la velocidad de giro y la carga aplicada. En la máquina presentada se pueden manipular
y controlar la velocidad de giro y la carga aplicada, gracias a que se incorporan los elementos necesarios para
variar la velocidad del giro del motor, esto se logra a través de un variador de frecuencia, además se desarrolló
un mecanismo de aplicación de carga que permite aplicar la carga deseada durante el ensayo, esta carga es medida
gracias a una celda de carga que cuantifica la cantidad aplicada durante la prueba. Durante el ensayo se genera
un incremento de temperatura entre las superficies, el cual se puede medir y observar su comportamiento en el
panel de control de la máquina de desgaste mediante un sensor tipo k. Es posible obtener la tasa de desgaste de
los materiales en contacto de manera automática, debido a que la instrumentación incorporada en la maquina
permite calcular la distancia recorrida, con lo que se obtiene una idea del comportamiento del material bajo ciertas
condiciones de trabajo.
Palabras clave: Pin on ring; Ensayos de desgaste; Tasa de desgaste.
Abstract. - A Pin on Ring type wear machine was developed, under the ASTM G99-17 (ASTM Int ', 2018) standard,
which allows tests to be carried out using a laboratory procedure to determine the wear of materials. This machine
allows tests to be carried out using a laboratory procedure to determine the wear of materials. Pin On Ring type
wear machines require testing the part under certain conditions such as: rotation speed and applied load. In the
presented machine, the speed of rotation and the applied load can be manipulated and controlled, thanks to the
incorporation of the necessary elements to vary the speed of the motor rotation, this is achieved through a frequency
variator, it was also developed a load application mechanism that allows applying the desired load during the test,
this load is measured thanks to a load cell that measures the amount applied during the test. During the test, an
increase in temperature is generated between the surfaces, which can be measured and its behavior observed on
the control panel of the wear machine by means of a type k sensor. It is possible to obtain the wear rate of the
materials in contact automatically, because the instrumentation incorporated in the machine allows calculating the
distance traveled, thereby obtaining an idea of the behavior of the material under certain working conditions.
Keywords: Pin on ring; Wear tests; Wear rate.
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1. Introducción
Los ensayos de desgaste por deslizamiento
permiten obtener información sobre el
comportamiento tribológico de los materiales
con el fin de diseñar, sintetizar y emplear el
material que mejor satisfaga las necesidades de la
aplicación en la cual será usado. Para esto es
necesario analizar la respuesta del material bajo
ciertas condiciones de carga, velocidad y
distancia de deslizamiento a fin, de conocer la
funcionalidad del material para determinada
aplicación y así obtener las mejores propiedades
tribológicas específicas deseadas [1].
Un tribómetro es el equipo mediante el cual es
posible determinar la resistencia al desgaste de
un material cuando se encuentra en contacto con
otro y entre ellos existe movimiento relativo, en
un determinado tiempo, bajo diferentes
condiciones de carga, velocidad y distancia de
deslizamiento.
Mediante un tribómetro es posible llevar a cabo
distintas pruebas, por lo que los fenómenos de
fricción, desgaste y lubricación son objeto de
estudio de la tribología [2].
Una de las principales causas que limitan el uso
de estos equipos, es su elevado costo, como
prueba de ello se realizó la cotización de un
Tribómetro tipo Pin-on-Disk (perno en disco) de
la marca Anton Paar [3], cuyo costo asciende a
$1,200,000.00 MXN más IVA, cabe mencionar
que se realizó la cotización de este tipo de
tribómetro, porque los ensayos que se realizan
con este equipo, también se rigen bajo la norma
ASTM G99. Por lo tanto, si se compara con el
costo de la máquina desarrollada se obtiene un
ahorro del 78% aproximadamente, tal como se
muestra el desglose de los costos en la Tabla 1.
Otro aspecto a considerar son las normas que
rigen los ensayos y el tipo de muestras para las
que fueron diseñados, ya que, también
corresponden a algunas de las limitaciones de los
tribómetros. Por ejemplo, la Máquina de Disco
sobre bloque ASTM G-77, en la cual, este
método de ensayo cubre el procedimiento
necesario para determinar la resistencia al
desgaste ocurrido por el deslizamiento en
diversos materiales.
Tabla 1. Cotización de la máquina Pin on Ring
desarrollada. Fuente: Elaboración propia.
PRODUCTO O
SERVICIO
No.
PRECIO
UNITARIO
PRECIO
TOTAL
Motor Eléctrico
1
$19800
$19800
Variador de
frecuencia
1
$20000
$20000
Perfil Bosch 45 x
45 mm
2
$5224
$10448
Perfil Bosch 45 x
90 mm
1
$4800
$9600
Mano de obra
384
hrs
$500
$192000
Celda de carga +
Amplificador
Hx711
1
$220
$220
Broquero para
taladro de banco
1
$1250
$1250
Encoder rotatorio
incremental
1
$420
$420
Termopar tipo K+
módulo Max6675
1
$260
$260
Varillas roscadas
2
$235
$470
Tornillos y tuercas
40
$10
$400
Escuadras
16
$20
$320
Guías de
deslizamiento
4
$110
$440
Total
$255628
Esta prueba utiliza un equipo de ensayo del tipo
bloque sobre anillo para clasificar los pares de
materiales de acuerdo con sus características de
desgaste por deslizamiento. Una muestra
colocada sobre un bloque estacionario es
presionada con una fuerza constante contra un
anillo giratorio a 90° del eje del anillo de giro. La
fricción presente entre las superficies de
deslizamiento bloque y anillo, resulta en la
perdida de material (volumen en milímetros
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cúbicos), tanto para el anillo y el bloque. Los
materiales con mayor resistencia al desgaste
tendrán menor pérdida de material [4].
Por esta razón se vuelve complicado conseguir
un equipo que se ajuste a ciertas necesidades
específicas y en la mayoría de los casos al contar
con un equipo de fabricación extranjera, no
garantiza la ausencia de fallas, y tampoco que se
cuenten con refacciones disponibles o personal
capacitado para solucionar el problema en un
corto tiempo [1].
Una de las alternativas a esta problemática es el
diseño y fabricación mediante el uso de recursos
propios. González Hernández et al. [2], diseñaron
una máquina que consiste en una estructura, un
mecanismo de fuerza y otro de movimiento. Con
el desarrollo de esta máquina se permite estudiar
las aplicaciones de la tribología para el desarrollo
de nuevos materiales. En el trabajo realizado por
Niebles Núñez et al. [5] diseñaron y construyeron
una máquina de desgaste abrasivo basado en la
norma ASTM G65, formulando cada una de las
especificaciones requeridas para el diseño
funcional. Las alternativas de diseño fueron
evaluadas por el método de criterios ponderados
permitiendo así establecer una alternativa de
diseño conceptual y funcional.
Los ensayos tribológicos pueden realizarse en
una gran variedad de formas las cuales no solo
depende del par de materiales que se someten a
estudio, sino que también dependen en gran
medida del sistema mecánico en las que serán
utilizados.
Es conveniente clasificar el comportamiento
tribológico de los materiales dependiendo el
grado de realismo, las propiedades del material,
las condiciones reales de operación, tiempo y
costo ya que para algunas pruebas o en algunos
ensayos tribológicos la simulación no es una
prioridad [1].
Los resultados de los ensayos tribológicos y los
análisis de superficies ayudan a estimar y/o
predecir el rendimiento tribológico de los
materiales basados en diversos factores que
influyen en ellos como la fricción, el desgaste,
mecanismos de falla, la cinética de películas de
transferencia, etc.
Para realizar las pruebas tribológicas
mencionadas existen normas que se deben seguir,
para que el ensayo tenga el alcance deseado y
que, garantice su repetitividad en cualquier parte
del mundo. La construcción de la máquina de
desgaste de tipo Pin On Ring presentada en este
trabajo se realizó bajo la norma ASTM G99-17
[2]. Esta norma establece que la cantidad de
desgaste en cualquier sistema dependerá en
general de la cantidad de factores del sistema,
tales como la carga aplicada, las características
de la máquina, la velocidad de deslizamiento, la
distancia de deslizamiento, el entorno y las
propiedades del material.
La norma ASTM G99-17 se ha utilizado en
diversas investigaciones por ejemplo
Asawthnarayan [6], para estudiar el efecto de
variar la presión de abrasión en materiales
compuestos. En el trabajo de Dairo et al. [7],
analizan los materiales de ruedas y rieles que
están expuestos a una gran cantidad de factores
que afectan su desempeño, donde las pruebas de
desgaste se llevaron a cabo utilizando un
tribómetro de clavija sobre disco.
Otros ejemplos de aplicacion es con Badheka [8],
donde se estudió el comportamiento de desgaste
de compuestos de superficie de aluminio
reforzado con carburo de Boro. Una aplicación
más es el de Heuberger, donde se investigó la
viabilidad de utilizar poli-éter-éter-cetona
(PEEK) en lugar de CoCrMo para los cóndilos
femorales de las prótesis de rodilla [9].
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Las aplicaciones de la norma ASTM G99-17 no
solo se limita a una rama en específico, por
ejemplo, los resultados de Maculotti [10],
muestran que los métodos topográficos mejoran
la confiabilidad de la caracterización Pin On
Disk.
En el trabajo de Shahroozi [11], se estudiaron la
microestructura, la evolución de fase, la
microdureza y la resistencia al desgaste de las
capas de revestimiento mediante diferentes
exámenes.
Otra aplicación es el trabajo de Arunkumar [12],
donde realizó una prueba de desgaste por
deslizamiento en seco utilizando un aparato de
clavija sobre disco. Se siguió la norma ASTM
G99 para el rendimiento óptimo de la prueba Pin
On Disk.
Un trabajo de investigación que tuvo como
objetivo la investigación experimental de las
propiedades de corrosión y desgaste como
resultado de un porcentaje variado de refuerzo
según ASTM G99 para la prueba de desgaste por
deslizamiento es el de Ravikumar [13].
Otro trabajo en el que se empleó la norma
utilizada en el desarrollo de este trabajo fue el de
Singh [14], donde las pruebas tribológicas se
realizaron utilizando una configuración de pin en
disco de acuerdo con la norma ASTM G99-17.
Por otra parte, Khuengpukheiw [15], estudió las
propiedades mecánicas y los comportamientos de
desgaste de los recubrimientos de NiSiCrFeB,
WC-Co / NiSiCrFeB y WC-Co sobre acero AISI
1095.
En la investigación de Heuberger [16]. Las
pruebas de desgaste de pasador sobre disco se
realizaron utilizando pasadores hechos de
UHMWPE articulados contra discos hechos de
una aleación de CoCrMo. Las pruebas de
desgaste se realizaron utilizando dos fluidos de
prueba diferentes: un líquido de prueba estándar
utilizado para pruebas de simulador de cadera y
un líquido sinovial sintético que contiene ácido
hialurónico, albúmina, inmunoglobulina G, la
lecitina fosfolípida y, además, azida sódico para
combatir el crecimiento bacteriano.
En el trabajo de Thirugnanasambantham [17], se
llevó a cabo el comportamiento de fricción y
desgaste de las superficies de trabajo en contacto
para examinar su tendencia durante el uso de una
lubricación alternativa en el aceite mineral.
Waddad [18] presenta una estrategia multiescala
para la simulación termo mecánica de sistemas
de fricción, como frenos.
Por otra parte, los experimentos de Pin On Disc
(PoD) se utilizan ampliamente para cuantificar y
clasificar el desgaste de diferentes pares de
materiales para cojinetes de implantes protésicos
de cadera, tal es el caso de Borjali [19], donde se
realizó con este fin.
En el artículo de Alvarez-Vera [20], se estudió el
efecto del comportamiento tribológico de los
polvos de relleno metálico a base de Ni con
diferentes cantidades de nanopartículas de TiN o
AlTiN. Se utilizó un tribómetro de clavija sobre
disco para evaluar el comportamiento de
desgaste y fricción del revestimiento duro en
condiciones de revestimiento seco.
Un estudio realizado donde cuyo propósito ha
sido investigar los efectos de los recubrimientos
funcionales de TiAlN en experimentos crio-
tribológicos Pin On Disc fue el de Rizzo [21]. En
la actualidad, la introducción de nuevas
tecnologías de mecanizado para el arranque de
viruta, tanto a alta velocidad como en
condiciones criogénicas, plantea nuevos retos y
abre nuevos horizontes a la investigación.
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Como se puede observar las aplicaciones de la
norma ASTM G99 y el uso de los tribometros
Pin-on-Disk son amplios y para diferentes
aplicaciones.
Es importante mencionar que el método de
prueba Pin On Ring no intenta duplicar todas las
condiciones que se pueden experimentar en
servicio, por lo que no hay garantía de que la
prueba predecirá la tasa de desgaste de un
material dado en condiciones diferentes a las de
la prueba que pueden experimentar en servicio.
El objetivo del presente proyecto es diseñar y
fabricar una máquina para determinar el
comportamiento al desgaste por deslizamiento de
distintos materiales aplicados en la industria
automotriz.
Un ejemplo de investigación en el ámbito
automotriz es el Federici [22], donde argumentan
que durante la conducción sin frenos, puede
producirse algún contacto no deseado entre las
pastillas de freno y los discos giratorios, lo que
induce un uso ineficiente de combustible y una
contaminación ambiental adicional. Este artículo
aborda el comportamiento de fricción de 5
materiales comerciales de fricción NAO y de
bajo contenido de metal que se deslizan en seco
contra un disco de contracara de hierro fundido,
bajo presiones de contacto bajas, típicas de la
conducción sin freno.
De igual manera, el trabajo de Pacana [23], es un
trabajo de investigación orientado a la industria
automotriz, en el cual se desarrolló un método
que permita presentar una combinación original
de métodos que permitan determinar con
precisión las principales causas de los problemas
en los sistemas automotrices. El método se probó
para detectar incompatibilidades de productos
utilizados en la industria automotriz. El problema
fue una grieta en los discos de conexión del
pasador en el engranaje del motor al rectificar.
Después de utilizar el método combinado
propuesto, se concluyó que la principal causa de
este problema era el mal asentamiento de la
muela sobre el producto [23].
La máquina de desgaste desarrollada es de bajo
presupuesto en comparación con las existentes en
el mercado, esto se debe en gran medida a que en
la instrumentación de la maquina se incorporó el
uso de LabView y Arduino. Entonces, con base a
estas plataformas se eligieron los sensores
capaces de cumplir con el objetivo de la máquina,
esto con el fin de demostrar que con componentes
de bajo costo se pueden realizar cosas
interesantes y funcionales.
Algo que distingue la máquina desarrollada con
lo existente en la literatura y/o mercado es su
mecanismo de aplicación de carga, el cual
permite tener incrementos de carga muy
pequeños, simplemente girando las varillas
roscadas que se encuentran en el mecanismo y en
la mayoría de las otras máquinas la aplicación de
la carga se realiza con la aplicación de pesas de
cantidades comerciales, lo que hace más
complicado aplicar una cantidad específica de
carga, por ejemplo, hablando en términos de
carga aplicada, comparando las cargas
permisibles en otras máquinas ya desarrolladas y
la máquina desarrollada en este trabajo se obtiene
que, en el trabajo de Imani [24], se usaron cargas
de 2.5 hasta 10 N, intervalo que cubre la maquina
desarrollada en este trabajo por la celda de carga
seleccionada.
De igual manera en el trabajo de Singh [25]
donde la carga se elevó hasta 20 N, utilizando la
misma norma ASTM G99-17 para estudiar el
comportamiento de desgaste por deslizamiento
en seco de un recubrimiento.
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2. Metodología
La metodología empleada en el presente trabajo
consta de los pasos mostrados en la Figura 1.
Figura 1. Diagrama de flujo de la metodología empleada
en el desarrollo de la máquina. Fuente: Elaboración propia.
2.1 Diseño y desarrollo
Como primer paso se determinó el tipo de
ensayos de desgaste que se quieren realizar, una
vez definidos se investigó que norma rige estos
tipos de ensayos y también las posibles máquinas
de desgaste que cumplen con dichas
especificaciones, por lo que se optó por el diseño
y construcción de una máquina de desgaste del
tipo Pin on Ring, bajo la norma ASTM G99-17
[26].
El segundo paso fue realizar una investigación
documental en la que se estudiaron las variables
que influyen directamente en la realización del
ensayo, por lo que estas se deben de considerar
en el diseño y desarrollo de la máquina. Además,
se estudiaron los tipos de máquinas de desgaste
Pin on Ring existentes en el mercado y se analizó
su funcionamiento.
Del análisis realizado se observó que algunas
personas, instituciones educativas y/o compañías
optan por desarrollar máquinas de degaste Pin
On Disc que se rige bajo la norma ASTM G99,
pero cambia la configuración del perno sobre
disco. Por ejemplo, David Teodoro Grau diseñó
y desarrollo una máquina de desgaste Pin On
Disc para la UNIVERSITAT POLITÈCNICA
DE VALÉNCIA, en la cual utilizo como unidad
de control un Arduino Leonardo, para el
movimiento tanto del disk, como de la mesa, uso
dos tipos de motores, un motor a pasos y un
servomotor, este último encargado de hacer girar
el pin a altas revoluciones para someter a la
probeta a las condiciones tribológicas adecuadas,
este servomotor está controlado por un driver
Lexium 28, que se encarga de controlar todas las
señales del motor, pulsos, velocidad, par y de
mostrar a través de un software específico [27].
El motor paso a paso se encarga de desplazar la
mesa de trabajo a través de un husillo de bolas,
este le permite girar a velocidades muy lentas,
controladas y de forma precisa para que el
desplazamiento de la mesa sea lo más preciso y
silencioso posible. El motor paso a paso está
controlado mediante un driver que recibe señales
de Arduino y le da la tensión necesaria [27].
Además, fabricó en acero un soporte para sujetar
el pin que ejerce la fuerza y para medir la
aplicación de carga de igual manera utilizó una
celda de carga [27].
Otro ejemplo correspondiente a los análisis de
desgaste con discos Pin On Disc es el de Presin
[28], donde estudiaron las propiedades de
desgaste sobre un material compuesto de
polímero reforzado.
Planteamiento del
problema
Revisión de la literatura
Generación de hipótesis,
ideas y Soluciones
Análisis y evaluación de
las propuestas de solución
Integración de la máquina
Diseño y desarrollo de la
propuesta seleccionada
Evaluación de la máquina
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Del estudio del análisis de las máquinas
reportadas en la literatura y de acuerdo a la norma
ASTM G99-17, se procedió a la selección de los
componentes eléctricos, electrónicos y
mecánicos para el desarrollo de la máquina.
En la Tabla 2 se presentan las especificaciones
del motor eléctrico de CA trifásico, de la marca
ABB, modelo m2va80c-4, que se seleccionó para
poder variar la velocidad de giro sin
comprometer el torque. Dentro de las
características se mencionan los tipos de
conexión (Conn) que se pueden realizar, la
frecuencia (Freq) y el voltaje (Voltage) que
maneja el motor dependiendo de la conexión
realizada, a su vez la potencia (Power) y
velocidad (Speed) que genera el motor, la
corriente máxima (Current) y el torque (Torque)
que genera.
Tabla 2. Especificaciones del motor eléctrico. Fuente: [29].
Para controlar la velocidad del motor eléctrico se
determinó utilizar un variador de velocidad,
capaz de cubrir la velocidad máxima deseada y
poder trabajar con la cantidad de corriente
demandada por el motor, el variador de velocidad
es el Variador de Velocidad Mitsubishi Electric
FR-E720-050.
Una vez seleccionados los componentes
eléctricos que ayudarán a cumplir con las
especificaciones deseadas, se realizó el
modelado mediante el uso de SolidWorks [30],
que consiste en el desarrollo de una base o mesa
para la máquina de desgaste, usando perfil
Bosch. Durante su desarrollo se fabricaron
escuadras a la medida del perfil y se usaron
tornillos cabeza de gota, lo que generó un ahorro
económico considerable si se compara con los
costos de las escuadras y los tornillos para el
perfil, realizando la misma función de sujeción y
soporte.
En busca de garantizar la seguridad del usuario
de la máquina de desgaste se diseñó una
protección con perfil Bosch y acrílico que
permita tener visibilidad hacia la parte interior,
con el fin de poder monitorear el ensayo que se
esté realizando, además de generar un ambiente
seguro alrededor de la máquina, cabe mencionar
que esta base es removible.
El motor previamente mencionado se encuentra
anclado a la mesa, para garantizar una correcta
sujeción, además cuenta con un material entre la
base y motor que ayuda a la absorción de
vibraciones generadas por el motor. Para poder
completar la máquina de desgaste es necesario el
uso de un disco metálico con determinadas
especificaciones de dureza, con el fin de que este
sea el elemento que desgaste al Pin muestra del
material que se desea ensayar.
La contraparte consiste en un disco de acero AISI
D2 tratado térmicamente cuya composición
química en peso: 1.5% C, 0.45% Mn, 0.3% Si,
12% Cr, 0.9% Mo, 0.03% P, 0.03 % S, 1.0% V,
83.79% Fe [31], la dureza del disco para desgaste
se determinó mediante el uso de un durómetro
Mitutoyo Mod MIC-963-210-100 obteniendo un
valor promedio de 95 HRC, del cual algunas
características se indican en la Tabla 3.
El acero AISI D2 tiene un gran uso en la industria
manufacturera especialmente en la fabricación de
Conn
Freq
(Hz)
Voltage
(V)
Potencia
(kW)
Velocidad
(r/min)
Corriente
(A)
Torque
(N·m)
Y
60
440-480
0.90
1690
1.90
5.08
D
60
250-280
0.90
1690
3.30
5.08
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matrices debido a su alta dureza, resistencia y
propiedades de desgaste [32], otras
características y aplicaciones son mencionadas
en la Tabla 3.
La dureza alcanzada se consideró como
suficiente, debido a que en el Centro de Mecánica
del Instituto Nacional de Tecnología Industrial
de la Facultad de Ingeniería de la Universidad
Nacional de Lomas de Zamora diseñaron y
construyeron una máquina Pin On Disc bajo
criterios de la norma ASTM G99, con el fin de la
determinación de coeficientes de fricción y
ejemplos de aplicación, en la que utilizaron un
disco de acero SAE H13 templado y revenido a
45HRC, material empleado con esa dureza en la
fabricación de matrices de forja, y pines
mecanizados en tres aceros. Dicha máquina fue
aplicada con éxito para determinar coeficientes
de fricción, que fueron usados en la simulación
de procesos de forjado en caliente [33].
Tabla 3. Material, características y aplicaciones, del
material usado en el disco de desgaste. Fuente: [34].
Material
Características
Aplicaciones
Acero
D2
Acero al alto
carbón y alto
cromo.
Dimensionalmente
estable de excelente
rendimiento al
corte y resistencia
al desgaste.
Especialmente apto
para temple al aire.
Matrices y
Punzones
Herramientas de
Roscado
Partes de
Desgaste
Cuchillas, Slitters
y Cizallas
La manera de acoplar el disco al eje del motor
eléctrico consta del desarrollo de un cople,
maquinado con las dimensiones adecuadas. Para
garantizar el acoplamiento y la correcta rotación
del disco para el ensayo debido a que la carga
aplicada durante el ensayo de desgaste será
directamente en el eje del motor.
En la Figura 2 se presenta el diseño CAD que
muestra la ubicación de los tres elementos
previamente mencionados.
Figura 2. Acoplamiento de los elementos de la máquina de
desgaste. Fuente: Elaboración propia.
Para el proceso de fabricación del cople se utilizó
una barra de aluminio de un diámetro de 65 mm,
esta barra de aluminio se maquinó en un torno
Pinacho ST 285 X 1500 con el que se obtuvo el
modelo mostrado en la Figura 3.
Figura 3. Diseño en CAD del cople motor-disco. Fuente:
Elaboración propia.
El modelo CAD consta de dos etapas de
maquinado en torno, como se observa en la
Figura 3, por lo que la generación del código
también se dividió en etapas. Por motivos de
simplicidad en el proceso de maquinado, se inicia
con la parte donde se requiere de una mayor
1
2
1
2
3
Descripción:
1. Motor eléctrico
2. Cople
3. Disco
Descripción:
1. Primera etapa de Maquinado
2. Segunda etapa de maquinado.
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remoción de material, en la Figura 4 esta sección
se enumera con el número 1.
Por otro lado, se requiere sujetar el Pin muestra,
por lo que se decidió usar un broquero de 1/32" a
5/8" con Árbol Cónico para Taladro de Banco
Morse # 3 Montaje JT3, ya que este garantiza la
sujeción de la muestra debido a que permite la
apertura y cierre necesarios de acuerdo a las
dimensiones de la muestra, este elemento se
puede identificar en la Figura 4.
Para el mecanismo de aplicación de carga entre
el Pin muestra y el disco, se cuenta con unos
tornillos, que hacen la función de un tornillo
sinfín para subir y bajar la base que sujeta a la
porta muestra y a su vez aplicar la carga sobre el
disco, además de que en este mecanismo se
incorporan sensores que ayudan a la
instrumentación de la máquina, que son: un
sensor para medir la carga aplicada, así como un
termopar tipo k que permite medir la temperatura
que se tiene entre el disco y la muestra, al
momento de realizar el ensayo. Estos elementos
se visualizan en la Figura 4.
Figura 4. Mecanismo para la aplicación de carga y
medición de la misma. Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 5, se muestra el modelado en CAD,
en el que se incorporan todos los elementos
mostrados previamente.
Figura 5. Modelado CAD de la máquina de desgaste.
Fuente: Elaboración propia.
2.2 Instrumentación
Para la instrumentación de la máquina de
desgaste se optó por usar el Arduino Genuino
Uno, con base a esta plataforma se eligieron los
sensores y se desarrolló la programación, así
como la conexión de los mismos.
La máquina requiere de un sensor capaz de medir
la carga aplicada y para esta aplicación se eligió
una celda de carga de 20kg con Amplificador
Hx711, con una resolución de 1±0.15mv/v.
Por otra parte, es necesario conocer la
temperatura que se tiene entre las superficies en
contacto, esto se logra gracias al uso de un
termopar del tipo K y un Módulo Max6675.
Para medir la velocidad de giro del motor se
cuenta con un variador de velocidad, el cual
1
2
3
4
Descripción:
1.
Varilla roscada de ½”
2.
Guías de deslizamiento
3.
Base para la celda de carga
4. Broquero de 1/32" a 5/8" con Árbol
Cónico para Taladro de Banco Morse
# 3 Montaje JT3
2
3
5
1
4
Descripción:
1.
Motor eléctrico
2.
Protección
3. Mecanismo de la aplicación de
carga
4. Disco y cople
5. Base de la máquina
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permite configurar la frecuencia con la que se
desea opere el motor y con base a esta, configurar
las 𝑟𝑚𝑖𝑛
⁄ deseadas durante el ensayo de
desgaste. Esto se logra debido a la
implementación de un encoder con su sensor
infrarrojo ubicado en el disco de desgaste,
obteniendo así la velocidad a la que gira el disco
y por ende el eje del motor.
El panel de control donde se visualizan los
valores medidos por los sensores se desarrolló en
LabView, en el que se muestra la velocidad a la
que está girando el motor, la carga aplicada y la
temperatura en las superficies en contacto.
Para poder establecer comunicación entre ambas
plataformas se utilizaron las librerías
LVIFA_Base.
Es necesario proceder a realizar la conexión de la
celda de carga, amplificador y Arduino, como se
muestra en la Figura 6.
Para que las señales generadas por la celda de
carga puedan ser leídas por el Arduino, se
requiere del uso del amplificador Hx711, gracias
a que este amplifica la señal hasta el rango de
valores necesarios para que el Arduino sea capaz
de leerlo y sea posible tenerlo visible en el panel
de control de la máquina de desgaste, este
circuito permite saber la carga aplicada durante
el ensayo.
Figura 6. Conexión, celda de carga, amplificador Hx711 y
Arduino. Fuente: Elaboración propia.
En el panel de control se puede visualizar la
temperatura que se tiene entre las superficies en
contacto, esto es posible gracias al uso de un
termopar compatible con Arduino y al módulo
Max6675, en el cual se conectan las terminales
del termopar a la entrada del módulo y a la salida
de este se realiza la conexión a los pines del
Arduino, como se ve en la Figura 7.
Figura 7. Conexión del Módulo Max6675 con el
Arduino. Fuente: Elaboración propia.
Dentro de la etapa de instrumentación se generó
un programa en Arduino donde, es necesario
descargar y llamar la librería “max6675.h” la
cual es encargada de interpretar los datos leídos
por el módulo, seguido de esto se definen las
variables necesarias para el funcionamiento del
programa.
Dentro del Void setup se inicia el puerto serial
9600 en el cual mostrara los datos obtenidos y
ayudara para la comunicación serial con
LabView, además se configuran los pines que se
usaran en el Arduino.
Posteriormente se generó el programa en
LabView, en el cual, se agregaron en el panel
frontal 3 gráficos para la representación de las
variables de interés, como las 𝑟𝑚𝑖𝑛
⁄,
temperatura y la carga aplicada, también se
encuentra el botón de “Stop” para detener el
programa y el selector del puerto “COM” al que
pertenece el microcontrolador a utilizar.
De manera paralela, al desarrollar la
programación se generó el panel de control
mostrado en la Figura 8, en el cual se cuenta con
los indicadores correspondientes para cada
sensor, de esta manera se satisface el monitoreo
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de las variables de interés durante un ensayo de
desgaste.
Figura 8. Panel de Control desarrollado en LabView.
Fuente: Elaboración propia.
2.3 Integración de la Maquina
Ahora en la máquina se integran todos los
elementos mencionados previamente,
comenzando por los elementos estructurales,
como lo son la base de la máquina y la protección
para el usuario, adicionalmente se incorporan en
un panel de control físico, los elementos
eléctricos y/o electrónicos, para poder encender
el motor eléctrico. Al ser un motor trifásico, se
requiere del uso de 3 pastillas ubicadas dentro de
un centro de carga, cada una de estas pastillas
controla una fase del motor.
Del centro de carga sale un cable con una
conexión trifásica que debe alimentarse a 250-
280 V, debido a que el motor está configurado en
D (delta), especificaciones mostradas en la Tabla
1.
Para poder integrar y encender el variador de
velocidad se debe de realizar la conexión
pertinente entre el variador de velocidad y el
motor eléctrico, de igual manera se debe agregar
una clavija que permita tomar la tierra física, ya
que, es necesaria para poder encender el variador
de velocidad.
En el mecanismo de aplicación de carga se
agregan sensores como la celda de carga y el
termopar, posteriormente se instala el disco sobre
el eje del motor y se coloca el encoder encargado
de realizar la medición de la velocidad a la que
gira el motor.
Dentro del panel de control físico desarrollado se
encuentra un Arduino Genuino Uno, en el cual,
se realiza la conexión de los diversos sensores
incorporados en la máquina.
Para poder alimentar los positivos (5V) de los
sensores, así como, tomar las tierras (GND)
necesarias para el funcionamiento de los sensores
se incorporó un Protoboard para lograr ese fin.
El panel de control físico mencionado se muestra
en la Figura 9.
Figura 9. Panel de Control Físico. Fuente: Elaboración
propia.
Finalmente con todos los elementos de la
máquina integrados, se procede a realizar la
calibración de los sensores, así como corroborar
su correcto funcionamiento, realizando pruebas
sencillas, como son girar el motor a una
velocidad deseada y comprobar que la medición
del encoder sea igual o cercana a esta, además se
pude complementar con el uso de una muestra
Descripción:
1. Centro de Carga
2. Variador de frecuencia
3. Arduino Genuino Uno
4. Protoboard
1
2
4
3
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cualquiera y ejercer un poco de fuerza sobre el
disco de desgaste y observar si la celda de carga
mide de manera correcta la fuerza aplicada.
Una vez hecho esto, la maquina esta lista para
realizar un ensayo de desgaste en forma, con base
en la norma ASTM G99 [26].
3. Resultados y Discusiones
A lo largo del desarrollo de la máquina se
hicieron cálculos y simulaciones sobre elementos
de la máquina, tal es el caso de la celda de carga
en la cual, su diseño y correcto funcionamiento
se basa en el de una viga en voladizo, por lo
tanto, al ejercer una fuerza en uno de sus
extremos y al tener la contraparte fija o anclada,
esta debería sufrir una deformación, así que, se
realizó una simulación en software calculando
los valores correspondientes para una
deformación total, en la cual, se seleccionó y
sometió a análisis una pieza de material
Aluminio y agrego una condición de fija o
anclada en una de sus caras, del mismo modo, en
la otra cara se aplicó una carga de -392.4 N, ya
que se consideró el momento en sentido horario,
las magnitudes utilizadas y su punto de
aplicación se muestran en la Figura 10.
Figura 10. Diagrama de cuerpo libre de las piezas
sometidas a simulación. Fuente: Elaboración propia.
Cabe mencionar que la celda de carga tiene una
capacidad máxima de 20 Kg, por lo que se
decidió aplicar el doble de esta magnitud (40
Kg), que a su vez, convertida en “N” da la
cantidad de 392.4 N, con el fin de analizar el
elemento de la máquina en condiciones extremas
si se toma en cuenta su capacidad de carga,
obteniendo el resultado mostrado en la Figura 11.
Figura 11. Deformación total de la celda de carga
utilizada. Fuente: Elaboración propia.
Como se observa en la Figura 11, la fuerza
aplicada está dentro de un rango seguro;
adicionalmente se realizó una simulación de la
misma pieza, con las mismas magnitudes, pero
con otra variable de interés, que es el esfuerzo
equivalente de Von Mises, ilustrado en la Figura
12.
Figura 12. Esfuerzo Equivalente Von Mises de la celda de
carga utilizada. Fuente: Elaboración propia.
Otro elemento que se somete a flexión debido a
la naturaleza del diseño de la máquina es el eje
del motor eléctrico, por lo tanto, se realizó la
simulación correspondiente para calcular la
deformación total en el eje del motor, en la que
se consideró la misma magnitud de carga
ilustrada en la Figura 10 (-392.4 N) y de igual
manera con un extremo fijo, pero en este caso,
lo que cambia con respecto al cálculo realizado
para la celda de carga, es el material del cual se
constituye el eje del motor, que en este caso es un
acero AISI 1045 [35], el resultado se visualiza en
la Figura 13.
-394
N
13 ISSN: 2594-1925
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Figura 13. Deformación total del eje del motor ABB
m2va80c-4. Fuente: Elaboración propia.
Llevando a cabo las etapas de diseño, desarrollo
e instrumentación mencionadas en la
metodología, se terminó la etapa de integración
de la máquina, obteniendo como resultado un
panel de control físico y el desarrollado en
LabView, el resultado se visualiza en la Figura
14.
Figura 14. Máquina de desgaste pin on ring desarrollada.
Fuente: Elaboración propia.
Se evaluó el funcionamiento de la máquina
mediante la alimentación del motor eléctrico con
un voltaje de 250-280 V y se configuró en el
variador de velocidad una frecuencia de 30 Hz,
alcanzando aproximadamente 1650 𝑟𝑚𝑖𝑛
⁄
visibles en el panel de control en LabView,
posteriormente se comenzó a aplicar
gradualmente carga sobre el disco de desgaste
mediante el mecanismo desarrollado,
deteniéndose en un valor cercano a 12 kg, el
resultado se visualizó en el panel de control en
LabView, como reacción al giro del motor y la
carga aplicada, el termopar tipo K realizo la
medición de temperatura cercana a 45° C en el
Pin muestra utilizado, la prueba tuvo una
duración de 15 minutos y se utilizó como Pin un
taquete de madera para ajustes y puesta a punto
de la máquina.
4. Conclusiones
4.1. Principales resultados
Se diseñó y fabricó una máquina de desgaste del
tipo Pin On Ring con un sistema de control e
instrumentación a través de un lenguaje de
programación visual en LabView, con la
implementación de Solidworks para el modelado
CAD.
Se desarrollaron los elementos mecánicos y
estructurales necesarios, como lo son la base de
la máquina, una protección para el usuario, el
anclaje del motor eléctrico. Se maquinó el cople
en el torno CNC, el cual servirá para acoplarse al
motor y fijar el disco de desgaste con el motor.
Se seleccionó el material del disco con las
características requeridas de acuerdo a la
literatura para poder realizar análisis
tribológicos.
Se creó un panel en LabView, en el cual, es
posible monitorear la velocidad a la que gira el
motor eléctrico, además de que se puede ver la
carga aplicada durante el ensayo de desgaste y
una aproximación de la temperatura de las
superficies en contacto.
4.1 Alcance y limitaciones
Se evaluó el funcionamiento de la máquina
mediante un ensayo con fines de puesta a punto
la instrumentación y funcionamiento de la
máquina, para el correcto funcionamiento de la
misma.
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4.2 Trabajo a futuro
Como trabajo futuro se tiene el objetivo de
realizar ensayos de desgaste, y comparar los
resultados con los reportados en la literatura.
Como etapa final del desarrollo de la máquina se
planteó la idea de implementar un sistema de
visión artificial, con el objetivo de optimizar la
realización de ensayos de desgaste, gracias a la
obtención de imágenes en tiempo real y poder
calcular la tasa de desgaste sin necesidad de
quitar la muestra del ensayo.
5. Agradecimientos
Agradecemos al Instituto Tecnológico Superior
del Sur de Guanajuato y a la Coordinación de
Ingeniería en Sistemas Automotrices por todas
las facilidades otorgadas para la realización de
dicho proyecto, de igual manera, agradecer al
encargado de laboratorio del Instituto
Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato,
Cuauhtémoc Durán Alvarado, por el apoyo
brindado y a todas las demás personas
involucradas directa o indirectamente en la
realización de este proyecto.
6. Agradecimiento de autoria
Jesús Ángel Campuzano García:
Conceptualización; Recursos; Ideas;
Metodología; Análisis formal; Investigación;
Recursos; Análisis de datos; Borrador original.
Mariano Braulio-Sánchez: Conceptualización;
Ideas; Investigación; Análisis de datos; Escritura.
José Eli Eduardo González-Durán:
Conceptualización; Ideas; Metodología; Análisis
formal. José David Díaz-Medina: Investigación;
Análisis de datos; Escritura; Borrador original.
Pedro Duran-Reséndiz: Revisión y edición;
Administración de proyecto.
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González-Durán, Pedro Durán-Reséndiz
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