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.

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 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.

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.

Waddad¹⁸ 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.

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.

2. Metodología

La metodología empleada en el presente trabajo consta de los pasos mostrados en la Figura 1.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 1 Diagrama de flujo de la metodología empleada en el desarrollo de la máquina. 

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.

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  

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

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 SolidWorks³⁰, 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.

Tabla 3 Material, características y aplicaciones, del material usado en el disco de desgaste. 

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

Fuente: ⁽³⁴

El acero AISI D2 tiene un gran uso en la industria manufacturera especialmente en la fabricación de 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.

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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 2 Acoplamiento de los elementos de la máquina de desgaste. 

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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 3 Diseño en CAD del cople motor-disco. 

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 remoción de material, en la Figura 4 esta sección se enumera con el número 1.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 4 Mecanismo para la aplicación de carga y medición de la misma. 

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.

En la Figura 5, se muestra el modelado en CAD, en el que se incorporan todos los elementos mostrados previamente.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 5 Modelado CAD de la máquina de desgaste. 

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 permite configurar la frecuencia con la que se desea opere el motor y con base a esta, configurar las ^r / _min 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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 6 Conexión, celda de carga, amplificador Hx711 y Arduino. 

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.

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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 7 Conexión del Módulo Max6675 con el Arduino. 

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 ^r / _min , 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 de las variables de interés durante un ensayo de desgaste.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 8 Panel de Control desarrollado en LabView. 

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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 9 Panel de Control Físico. 

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 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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 10 Diagrama de cuerpo libre de las piezas sometidas a simulación. 

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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 11 Deformación total de la celda de carga utilizada. 

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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 12 Esfuerzo Equivalente Von Mises de la celda de carga utilizada. 

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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 13 Deformación total del eje del motor ABB m2va80c-4. 

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.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 14 Máquina de desgaste pin on ring desarrollada. 

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 ^r / _min 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