El desgaste abrasivo en los elementos de trabajo de las maquinas agrícolas en cuba

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Indice
1.
Introducción.
2. Desarrollo.
3. Conclusiones

4.
Bibliografía

Por ser Cuba un país eminentemente
agrícola, se le ha dedicado una muy especial atención al desarrollo de
esta rama. El incremento de la productividad del
suelo, el uso
adecuado de fertilizantes, el crecimiento de los rendimientos, el
empleo
racional de nuevas técnicas y
el aumento cada vez mayor de la mecanización, representan
aspectos donde se han alcanzado logros incuestionables. Aparejado
a esto, se ha desarrollado en todo el país la industria de
la construcción de maquinarias, necesaria para
lograr muchos de los aspectos antes planteados, lográndose
la sustitución de algunas importaciones por
producciones nacionales de calidad.

A pesar del desarrollo de
esta rama industrial, la maquinaria agrícola tiene un
enemigo que atenta contra su durabilidad y conservación:
el desgaste.

El desgaste genera considerables pérdidas de
materiales,
recursos y
tiempo, con la
consiguiente disminución de la producción, conlleva a la pérdida de
gran cantidad de medios para su
reparación, así como en la elaboración o
adquisición de nuevos elementos.

Si a estos factores se une la tendencia a incrementar
las velocidades de trabajo, se tienen elementos suficientes para
entender por qué el incremento de la vida útil de
los órganos de trabajo de las máquinas
agrícolas se ha convertido en un problema básico de
la práctica de la ingeniería en los últimos
años.

Los órganos de trabajo de las máquinas
agrícolas tienen además, particularidades en cuanto
a su uso, como son presentar períodos de trabajo
relativamente cortos y largos períodos de almacenamiento.
En estos últimos, varían las dimensiones y
propiedades de los materiales
debido a los procesos de
oxidación corrosión, y posibilidades de deformaciones
permanentes, en ocasiones, debido a la acción del propio
peso de los elementos, cuando éstos tienen dimensiones
considerables.
En Cuba, los períodos de explotación de las
máquinas agrícolas son más intensos al igual
que las condiciones climáticas.
La problemática de la vida útil y la fiabilidad de
los órganos de trabajo de estas máquinas
está relacionada con el estudio de las leyes y
mecanismos del desgaste que sufren durante sus períodos de
explotación.

La necesidad del estudio de esta problemática es
de vital importancia. Poder
recomendar una estructura
óptima, en cuanto al material y tratamiento térmico
seleccionado (teniendo en cuenta a la hora de seleccionar estos
materiales las diferentes exigencias económicas,
tecnológicas, explotativas e higiénicas) es de gran
consideración para lograr un incremento en la vida
útil de los órganos de trabajo de las
máquinas agrícolas y por tanto para la economía del
país.

Por lo anteriormente expuesto, el presente trabajo tiene
la finalidad de hacer una valoración teórica sobre
el desgaste abrasivo en los elementos de trabajo de las
máquinas agrícolas en Cuba, fundamentalmente en
máquinas de labranza y cosecha, teniendo en cuenta
el estado
actual y nuevas concepciones del desgaste, las especificidades y
métodos de
protección.

2.
Desarrollo.

Factores que influyen en el desgaste abrasivo de las
máquinas agrícolas:
Dentro de los factores que influyen positivamente en el desgaste
abrasivo de las máquinas agrícolas en Cuba, se
tiene:
1.- Condiciones climáticas:

Precipitaciones atmosféricas: son abundantes y
regulares con promedio anual de 1 360 mm.
Humedad relativa: nuestro país se caracteriza
por tener una humedad relativa alta con valores
promedios de: noviembre-abril del 77% (época seca),
mayo-octubre del 81% (época húmeda), para una
media anual de 79%
Temperatura: oscilan entre 10oC y
35oC dando una media anual de 24oC, en
invierno de 21oC y en verano de 27
oC.

2.- Contacto con las plantas y
frutos:
Diversas son las plantas y frutos
que están en contacto directo con los órganos de
trabajo de las máquinas agrícolas. Dentro de este
amplio grupo las hay
que poseen características y composiciones
físicas y químicas muy perjudiciales en
relación con el deterioro progresivo por
desgaste.

3.- Contacto con el suelo:
El suelo puede concebirse como un sistema de tres
fases: fase sólida (materia
mineral y orgánica), fase líquida (agua o
solución del suelo) y fase gaseosa (aire del
suelo).
Existen, sin embargo, ciertos tipos de constituyentes presentes
en todos los suelos: la
materia
mineral, 45%; la materia orgánica, 5%; el aire, 25% y
el agua,
25%.
Por los minerales
constituir el 45% de los constituyentes del suelo reviste vital
importancia su estudio. Dentro de las propiedades
físico-mecánicas de los mismos encontramos la
dureza y tenacidad; aspectos estos que influyen considerablemente
en la intensidad del desgaste de los elementos de máquinas
que están en contacto con ellos.
A continuación se relacionan los principales elementos de
trabajo de las máquinas agrícolas que sufren
desgaste abrasivo, producidos por los factores antes
mencionados:

Arados: vertedera, cuchilla rotatoria, anterreja,
costanera, reja y discos.
Cultivadores: escardillos, púas, rejas,
surcadoras, machetes.
Gradas: púas, discos.
Escarificadores: rejas de cincel.
Fresas: cuchillas, ganchos.
Rodillos: discos, anillos.
Multiarado: rejas, cuchillas.
Multilabradora: rejas, cuchillas y
surcadores.
Cosechadoras de cereales: segmentos de corte, dedos
del molinete, cóncavo, cribas de limpieza,
transportadores sinfín.
Cosechadoras de caña: segmentos de corte
inferior, transportadores, aparato trozador,
patín.
Cosechadora de papa: rejas, elevadores.
Silocosechadoras: cuchillas, tambor de
cuchillas.

Definiciones y clasificación acerca del
desgaste.
El desgaste es un proceso
complejo que se produce en las superficies de los cuerpos debido
a la fricción de otro cuerpo o medio, trayendo por
consecuencia la variación de la micro y
macrogeometría superficial; la estructura y
las propiedades mecánicas y físicas del material
con o sin pérdida de material. Es el resultado de una
interacción superficial de naturaleza dual,
y de atracción molecular en los límites de
la adhesión y deformación mecánica en los límites
del microcorte.

Tipos de desgaste.
Uno de los problemas no
resuelto en la temática del desgaste es la
designación y clasificación del mismo en las
superficies de los cuerpos sólidos; a continuación,
se darán los conceptos más utilizados:

Desgaste adhesivo.- También llamado desgaste
por fricción o deslizante, se produce debido a la
adhesión molecular entre los cuerpos en
contacto.
Desgaste por fatiga. Desgaste debido a causas
mecánicas producto de
tensiones variables y
repetidas.
Desgaste abrasivo.- Desgaste mecánico como
resultado de la acción de corte o rayado de asperezas de
alta dureza o de partículas abrasivas.
Desgaste mecánico-corrosivo.- desgaste
mecánico acelerado por la acción corrosiva del
medio.

Además de los tipos antes mencionados
también se incluye con frecuencia los siguientes tipos:
desgaste erosivo; oxidación dinámica (fretting) y
cavitación.
Es necesario aclarar que en la práctica se ponen de
manifiesto dos o más tipo de desgaste a la vez, y en
determinados momentos uno se transforma en otro.

En la definición del tipo de desgaste y su
magnitud inciden una serie de factores que se pueden agrupar de
la siguiente forma:

Condiciones de explotación o de
operación: carga aplicada, velocidad,
temperatura,
tipos de movimiento,
tipo de fricción, recorrido de fricción, tiempo de
trabajo, etc.
Características de los cuerpos en contacto:
materiales, composición química, dureza,
dimensiones y forma, microgeometría superficial,
microestructura, etc.
Características del medio: humedad, atmósfera corrosiva, presencia de
partículas abrasivas, propiedades de los lubricantes,
etc.

Como se puede apreciar, la identificación de un
tipo de desgaste no es tarea fácil.

Desgaste abrasivo.
La causa de la sustitución del 50% de los elementos de
máquinas en la industria y el
transporte es
el desgaste abrasivo, pudiendo llegar al 85% en caso de la
maquinaria agrícola; pero a la vez es la base sobre la
cual se sustenta varios métodos de
elaboración de materiales, como son: el pulido,
esmerilado, el lapeado, etc.
Como desgaste abrasivo se entiende la modificación de las
capas superficiales de los cuerpos sólidos producto de la
acción de asperezas o partículas libres de alta
dureza al deslizarse sobre otra superficie de menor resistencia
mecánica.

Causas y mecanismos del desgaste abrasivo.
Los causas del desgaste abrasivo son:

La penetración de las asperezas de alta dureza
en las capas superficiales de la otra superficie en
contacto.
La acción y/o penetración de
partículas libres de alta dureza; producto del medio o
del mismo proceso de
desgaste; en las capas superficiales de los elementos de
máquina.

Bajos la acción de asperezas o partículas
y dependiendo de la forma y dimensiones de las mismas; así
como de la relación de dureza, resistencia a la
rotura y fluencia, módulo de elasticidad; de
las condiciones del medio y de trabajo, de la carga aplicada y
del tipo de elemento de máquinas se pueden presentar
diferentes mecanismos del desgaste abrasivo:

Mecanismo de microcorte.- Si la penetración de
la partícula abrasiva o aspereza sobrepasa cierto
valor; si la
partícula presenta cantos vivos; si la dureza del
abrasivo es superior a la del material y si se sobrepasa el
límite de rotura del material. Se produce el microcorte
de las superficies, generándose partículas de
desgaste en forma de limallas o virutas.
Mecanismo de deformación plástica.- Si
las partículas son pulidas (sin cantos vivos), tensiones
por debajo del límite de rotura del material, bajo
grados de penetración, se produce la deformación
plástica de las capas superficiales, trayendo como
consecuencia la ralladura, arrugado de la superficie con poca
generación de partículas de desgaste.

Tipos de desgaste abrasivo.
En dependencia del grado de libertad del
grano abrasivo se distinguen dos tipos fundamentales de desgaste
abrasivo.

Desgaste contacto-abrasivo.- Producido por las
asperezas o microirregularidades superficiales al penetrar y
deslizarse sobre el otro cuerpo; conocidos también como
desgaste por partículas fijas.
Producto de la carga normal y en dependencia de las
propiedades mecánicas de los cuerpos sólidos en
contacto se produce la penetración de las asperezas
del cuerpo más duro o resistente en las capas
superficiales del cuerpo menos duro o resistente. Al
producirse el movimiento
relativo, y debido a que las tensiones producto de la carga
normal sobrepasan el límite de resistencia del
material menos resistente, se produce el microcorte de la
superficie.
La magnitud del desgaste contactos – abrasivo
depende de la rugosidad superficial del cuerpo duro y de las
propiedades mecánicas del cuerpo blando.
Desgaste contaminante-abrasivo.- Producido por la
acción de partículas libres, proveniente de
diferentes medios; las
cuales deforman plásticamente y/o cortan las capas
superficiales.

Al desgaste contaminante abrasivo se le denomina
simplemente desgaste abrasivo por ser la forma más
difundida de designarlo.
En dependencia del mecanismo de acción de las
partículas abrasiva se distingue:

Forma mecánico-química de
destrucción de las superficies: se caracteriza por
deformaciones plásticas de las capas superficiales; su
oxidación producto de la acción del medio y
posterior destrucción de la capa; siendo un proceso
ininterrumpido de formación y destrucción de la
capa de óxido.
Forma mecánica de destrucción de las
superficies; se caracteriza por la penetración de la
partícula abrasiva en la capa superficial y
destrucción de ésta con o sin separación
de partículas de desgaste del material base.

En dependencia del medio en que se produce el desgaste
abrasivo este se clasifica en:

Desgaste en masa abrasiva.
Desgaste en uniones de rozamiento.
Desgaste hidroabrasivo.

Desgaste en masa abrasiva.
El desgaste en masa abrasiva es el más extendido y
estudiado, debido a su incidencia en un gran número de
máquinas agrícolas, de la construcción civil y de la industria.
Por lo general la forma de destrucción de las superficies
es la mecánica química; debido a que las
partículas abrasivas ejercen bajas tensiones en las capas
superficiales.
La dureza de las superficies minimiza el desgaste de los
elementos de máquinas, la magnitud máxima de
ésta la definen las condiciones de impacto a que
esté sometido el elemento.
La resistencia al desgaste se incrementa con el aumento del
contenido de carbono y de
la dureza, la inclusión de pequeñas cantidades de
elementos aleantes (níquel, cromo, silicio, magnesio,
etc). Se establece que el contenido de carbono hasta
un valor de 0,8%
influye en la resistencia al desgaste; para mayores contenidos
ésta comienza a disminuir. Los aceros con una alta
cantidad de austenita retenida presentan una considerable
resistencia al desgaste en masa abrasiva.

Se establece que para partículas abrasivas con
tamaños superiores a 1 mm se produce el desgaste abrasivo;
lo que significa la existencia de éste en la
mayoría de los casos. Otro factor de importancia es la
relación dureza de las partículas abrasivas (Ha) y
dureza del material (Hm); así cuando Hm/Ha < 0,5 se
produce el desgaste mecánico por microcorte y cuando Hm/Ha
> 0,7 se produce deformaciones plásticas y la
separación de material ocurre después de un gran
número de ciclos de trabajo (fatiga superficial).
Las partículas abrasivas de origen mineral se encuentran
en altas cantidades en los suelos;
así por ejemplo el óxido de sílice (arena de
cuarzo) con dureza H = 10000 /12500 MPa constituye entre el 40 –
60% de los suelos cubanos.
El incremento de la resistencia al desgaste en masa abrasiva si
Hm/Ha < 0,5 se logra aumentando la dureza del metal (Hm) hasta
valores que no
afecten el trabajo del
elemento de máquina desde el punto de vista de su
resistencia a la fragilidad o impacto. No es aconsejable que la
relación de dureza sea muy superior a 0,76; ya que no se
obtienen resultados satisfactorios.

Control del desgaste abrasivo.
Para el diagnóstico o identificación del
desgaste abrasivo se utilizaran los criterios dados anteriormente
y los factores que hacen disminuir el mismo son:

Aumento de la dureza de las capas superficiales de
los elementos de máquinas.
Incremento del contenido de carbono y de carburos
duros hasta un por ciento determinado en dependencia del
material.
Control de la relación de dureza
metal-abrasivo (Hm/Ha).
Disminución del tamaño de las
partículas abrasivas.
Evitar la entrada de partículas abrasivas
provenientes del medio.
Facilitar la salida de las partículas
abrasivas producto del desgaste.
Selección adecuada del ángulo de ataque
de las partículas en dependencia de los materiales
utilizados.
Disminución de las cargas y
velocidades.

Aplicación y desarrollo de nueva tecnología para
contrarrestar el desgaste.
Dentro de este campo, en el mundo se ha trabajado en dos
direcciones principales:

Búsqueda y experimentación de nuevos
materiales.
La aplicación y desarrollo de nuevas
tecnologías.

Ambas se relacionan mutuamente y en ocasiones se
complementan.
Una cuestión de vital importancia
en la construcción de máquinas es la
elección de materiales; en determinados casos no se le
presta a este asunto toda la atención que merece, y se ha de insistir en
tan fundamental tema recordando que, antes de decidirse por un
material determinado, por sencilla y poca importancia que se le
conceda a una pieza a construir, se elige el que reúna las
características más apropiadas, no
sólo por su resistencia, sino por su facilidad de
maquinado y tratamiento, y muy especialmente también por
el factor económico que puede influir notablemente en el
costo de
fabricación, por tanto, elíjase el más
apropiado con detenimiento.
En la composición del acero intervienen
varios componentes que a continuación se
detallan:

Hierro: elemento básico del acero.
Carbono: elemento determinativo.
Azufre: mina la resistencia (impureza).
Fósforo: debilita la unión
(impureza).
Oxígeno: destruye la resistencia.
Manganeso: proporciona resistencia.
Níquel: proporciona resistencia y
tenacidad.
Tungsteno: dureza y resistencia al calor.
Cromo: resistencia al impacto.
Vanadio: resistencia a la fatiga y
purifica.
Silicio: dureza e impureza.
Titanio: aleja el nitrógeno y oxígeno.
Molibdeno: dureza y resistencia al calor.
Aluminio: desoxida el acero

Dentro de las tecnologías que se han valorado en
estos últimos años para contrarrestar el desgaste
abrasivo en las máquinas agrícolas se destacan:
Temple isotérmico, Tratamientos termomecánicos,
Deposición electrolítica, Deposición por
fusión
de aleaciones
duras para formar elementos bimetálicos, Tratamientos
termoquímicos, Temple superficial (por corriente de alta
frecuencia y por láser),
tratamiento superficial por luz solar
concentrada, entre otros.

3.
Conclusiones

Los factores fundamentales que influyen en el
desgaste abrasivo de los órganos de trabajo de las
máquinas agrícolas son: condiciones
climáticas, contacto con las plantas y sus frutos y
contacto con el suelo; este último está compuesto
por constituyentes que aceleran considerablemente la intensidad
del desgaste.
El desgaste es el resultado de una interacción
superficial de naturaleza
dual, y de atracción molecular en los límites de
la adhesión y deformación mecánica en los
límites del microcorte.
A través de una correcta selección del acero y tecnología de tratamiento térmico
puede incrementarse significativamente la vida útil de
los elementos de maquinarias agrícolas, sometidos a
desgaste abrasivo.
La resistencia al desgaste aumenta con el contenido
de carbono hasta un límite en dependencia del material,
siendo los aceros más resistentes al desgaste aquellos
cuyo contenido de carbono se encuentran entre 0.6 y 0.8
%.
La mejor estructura, desde el punto de vista de la
resistencia al desgaste abrasivo es la martensítica o
bainítica, fortalecida en su matriz con
elementos tales como silicio, y disperso sobre ella carburo de
cromo y manganeso, los cuales se oponen a la deformación
plástica de la matriz,
deteniendo el movimiento de las dislocaciones.

74.
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Resumen:
El presente trabajo recoge los aspectos teóricos
fundamentales que intervienen en el desgaste abrasivo de los
elementos de trabajo de las máquinas agrícolas en
Cuba, fundamentalmente en máquinas de labranza y cosecha,
teniendo en cuenta el estado actual
y nuevas concepciones del desgaste, sus especificidades y
métodos de protección.
Abstract
This study deals with the main theoretical aspects related with
the abrasive wear of the working parts of agricultural machines,
specially of those used in Cuba for plowing and harvesting. New
conceptions about machine wear, as well as the present-day state
of the machinery, its peculiarities, and methods of protection,
were taken into account.
Palabras claves: desgaste, desgaste abrasivo, máquinas
agrícolas.
Key word: wear,
abrasive wear, far machines.

Autor:

M.Sc. Robell Raúl Ochoa Casal.

Ing. Idalberto Macías Socarrás.
Institución: Departamento de Mecanización. Facultad
de Ingeniería. Universidad de
Granma.
Dirección: Carretera Bayamo- Manzanillo km
17½. Apdo 21. Bayamo 85100. Cuba.