Monografias | Aspectos teóricos sobre el desgaste abrasivo en los elementos de trabajo de las maquinas agrícolas en Cuba

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.

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 10^oC y 35^oC dando una media anual de 24^oC, en invierno de 21^oC 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:

1. Condiciones de explotación o de operación: carga aplicada, velocidad, temperatura, tipos de movimiento, tipo de fricción, recorrido de fricción, tiempo de trabajo, etc.
2. Características de los cuerpos en contacto: materiales, composición química, dureza, dimensiones y forma, microgeometría superficial, microestructura, etc.
3. 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.

1. 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.

2. 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:

1. Búsqueda y experimentación de nuevos materiales.
2. 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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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 %.
5. 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.

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.