estudio del coeficiente de friccion en asfalto con presencia de hielo y arena empleando el péndulo

57 Pages·2017·1.52 MB·Spanish

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPÉZ MATEOS
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN.
“ESTUDIO DEL COEFICIENTE DE FRICCION EN ASFALTO CON

PRESENCIA DE HIELO Y ARENA EMPLEANDO EL PÉNDULO
DESLIZANTE”

TESIS

PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA

Presenta:

Ing. Abel Hurtado Mayen

Directores:

Dr. Ezequiel Alberto Gallardo Hernández
Dra. Marisa Moreno Ríos

31/05/2017.
1
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

SECRETARIA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO.

CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS.

En la ciudad de México, el día 31 del mes de Mayo del año 2017, el que suscribe
Abel Hurtado Mayen, alumno del Programa de Maestría en Ciencias en Ingeniería
Mecánica, con número de registro B151069, adscrito a la Sección de Estudios de
Posgrado en Investigación de la ESIME-Zacatenco manifiesta que es el autor
intelectual del presente trabajo bajo la dirección del Doctor Ezequiel Alberto
Gallardo Hernández y la Doctora Marisa Moreno Ríos, cede los derechos del
trabajo titulado “ESTUDIO DEL COEFICIENTE DE FRICCIÓN EN ASFALTO CON
PRESENCIA DE HIELO Y ARENA EMPLEANDO EL PÉNDULO DESLIZANTE”, al
Instituto Politécnico Nacional para difusión, con fines académicos y de
investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o
datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este
puede ser obtenido escribiendo a las siguientes direcciones
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mismo.

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RESUMEN.
En este trabajo se presenta la Metodología experimental desarrollada y los
resultados obtenidos mediante el quipo tipo péndulo para evaluar el coeficiente de
fricción (CoF.) en una probeta de pavimento en presencia de hielo, así como
también del uso de modificadores de fricción dispersados en la superficie del hielo.
Para las condiciones de las pruebas en hielo limpio se tomaron en cuenta
temperaturas bajas registradas en México tratando de replicar la capa de hielo
sobre la probeta de asfalto y a cuatro diferentes temperaturas. Las pruebas fueron
realizadas en laboratorio a temperatura y humedad del ambiente.
Por último para las pruebas con modificadores de fricción se tomó en cuenta las
condiciones de prueba de las iniciales, sin embargo para estas pruebas se
utilizaron dos diferentes tamaños de grano de arena.

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ABSTRACT.
In this paper we present the developed experimental methodology and the results
obtained by the pendulum skid resistance to evaluate the coefficient of friction
(CoF) in asphalt specimen in the presence of ice, as well as the use of friction
modifiers dispersed in the Ice surface.
For the conditions of the tests in clean ice were taken into account low
temperatures recorded in Mexico trying to replicate the ice sheet on the asphalt
specimen and at four different temperatures. The tests were performed in
laboratory at room temperature and humidity.
Finally for the tests with friction modifiers the test conditions of the initials were
taken into account however for these tests two different sizes of sand grain were
used.

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AGRADECIMIENTOS.

Este trabajo es resultado del apoyo de las siguientes personas e instituciones.
Responsables del grupo de tribología:
Dr. Eezequiel Alberto Gallardo Hernandez.
Dr. Manuel Vite Torres.
A la Dra. Marisa Moreno Ríos.
Compañeros que conforman parte del grupo de Tribología
INSTITUTO POLITÉCNCO NACIONAL.
Profesores , personal administrativo, tecnicos de:
SEPI-ESIME-Zacatenco
Instituto de Física, UNAM.
Universidad Politécnica de Pachuca

CONACYT por el apoyo económico.

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TABLA DE CONTENIDO.
INDICE DE FIGURAS. ........................................................................................... 9
OBJETIVO GENERAL. ........................................................................................ 11
OBJETIVOS PARTICULARES. ............................................................................ 11
JUSTIFICACION. ................................................................................................. 12
INTRODUCCION. ................................................................................................ 13
CAPITULO1. Planteamiento del problema. .......................................................... 14
CAPITULO 2. Marco Teórico. .............................................................................. 16
2.1 Contacto mecánico entre neumático y pista solida rígida. ........................... 17
2.2 Resistencia al deslizamiento. ...................................................................... 17
2.2. Coeficiente de Fricción............................................................................... 18
2.3.1. Tipos de coeficiente de fricción. .............................................................. 19
2.3.1.1 Coeficiente de Friccion Transversal.. .................................................... 19
2.3.1.2 Coeficiente de Fricción Longitudinal. ..................................................... 20
2.4 . Componentes del Coeficiente de Friccion. ............................................ 20
2.4.1. Adhesión. ................................................................................................ 20
2.4.2. Deformación o Histéresis. ....................................................................... 21
2.5. Factores que Afectan el Valor del Coeficiente de Fricción. ........................ 22
2.5.1. Adherencia del Pavimento. ..................................................................... 22
2.5.2. Presencia de Agua en la Superficie. ....................................................... 22
2.5.3. Naturaleza del agregado que constituye la naturaleza de la calzada. ..... 23
2.5.4. Naturaleza del ligante utilizado. (Cemento, asfalto). ............................... 23
2.5.5. Estacionalidad......................................................................................... 23
2.5.6. Presión de inflado de los neumáticos. ..................................................... 24
2.5.7. Velocidad del vehículo. ........................................................................... 24
2.5.8. Importancia del tráfico. ............................................................................ 24
2.6 Revisión de trabajos de friccion sobre hielo. .................................................. 25
2.6.1 Evaluación de mecanismos de fricción y tasas de desgaste en neumáticos
de goma en laboratorio. .................................................................................... 25
2.6.2 Desarrollo de pruebas y medición de fricción de neumáticos en asfalto con
hielo. ................................................................................................................. 26

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2.6.3 Comparación entre la fricción del caucho-hielo y arena-hielo con el efecto
de contaminación de nieve suelta. .................................................................... 28
2.6.4 Investigación experimental del comportamiento de los neumáticos en el
hielo. ................................................................................................................. 29
2.6.5 Medición de la fricción de Neumáticos con clavo sobre hielo en
condiciones de laboratorio. ............................................................................... 32
2.6.6 Estudio preliminar de arena fina sobre la fricción del hielo lijado. ............. 33
2.6.7 Métodos para medir fricción en campo. ................................................... 34
CAPITULO 3. Metodología Experimental. ........................................................... 36
3.1. Aparato de prueba. .................................................................................... 36
3.2. Probeta de Asfalto. .................................................................................... 36
3.2.1 Medición de la rugosidad de la probeta de asfalto. .................................. 36
3.3Análisis de arena silica................................................................................. 38
3.4. Análisis de Deslizadores de Goma............................................................. 39
3.4.1. Peso del Deslizador. ............................................................................... 39
3.4.2. Medición de Dureza del Deslizador. ........................................................ 39
3.5. Condiciones de la Prueba. ......................................................................... 40
3.6. Procedimiento de la Prueba. ...................................................................... 41
CAPITULO 4. Resultados. ................................................................................... 44
4.1 Resultados del Coeficiente de Fricción. ...................................................... 44
4.2. Resultados de Mecanismos de interacción. ............................................... 45
CAPTIULO 5. Análisis y discusión. ...................................................................... 47
5.1. Pruebas en hielo limpio. ............................................................................. 47
5.2. Pruebas con partículas de arena. .............................................................. 48
5.2.1. Pruebas con arena de 176μm. ................................................................ 48
5.2.2. Pruebas con arena de 1000μm. .............................................................. 49
5.3 Mecanismo de Rayado en el deslizador de Goma. ..................................... 51
Conclusiones. ...................................................................................................... 52
Trabajos futuros. .................................................................................................. 53
Referencia. .......................................................................................................... 54

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ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Diferencia entre coeficiente de Fricción, coeficiente de Adhesión y
coeficiente de Tracción. ....................................................................................... 24
Tabla 2. Resultados coeficiente de fricción [18] ................................................... 26
Tabla 3. Clasificación de equipos en carretera para medir textura [22] ................ 34
Tabla 4. Clasificación de equipos para medir fricción en carretera. ...................... 35
Tabla 5. Clasificación de la textura superficial del pavimento [25] ........................ 38
Tabla 6. Dureza de partículas de Arena ............................................................... 38
Tabla 7 Características del Deslizador [28] .......................................................... 40
Tabla 8 Parámetros de prueba ............................................................................. 43

INDICE DE ECUACIONES.
Ecuación 1(a) y 1(b) dimensiones de huella de contacto del neumático……….. ..13
Ecuación 2 fuerza de fricción en conducción dinámica relativa…………………..14
Ecuación 3 coeficiente de fricción transversal………………………………………..15
Ecuación 4 coeficiente de fricción longitudinal………….…………………………..16
Ecuación 5 fuerza de fricción total……………………………………………………..17
Ecuación 6 altura equivalente de la textura superficial....…………………………..33

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INDICE DE FIGURAS.
Figura. 1 Carretera México-Puebla [8].................................................................. 14
Figura. 2 Carreta México-Toluca [9]. .................................................................... 14
Figura. 3Huella de contacto del neumático [15]. ................................................... 17
Figura. 4 Coeficiente de Fricción Transversal. [17] .............................................. 20
Figura. 5 Coeficiente de Fricción Longitudinal. [17] .............................................. 20
Figura. 6 Componentes de la Friccion (adhesión e histéresis). [17] ..................... 21
Figura. 7 Micro y macro textura [17]. .................................................................... 22
Figura. 8 Zonas de interacción con pavimento mojado. [17]................................. 23
Figura. 9 Arreglo general del equipo [19] ............................................................. 27
Figura. 10. Comportamiento de los niveles de friccion [5] .................................... 29
Figura. 11 a Esquema de arreglo experimental, 11b Equipo de prueba [3] .......... 30
Figura. 12 Fuerza de tracción vs % de deslizamiento [3] ..................................... 31
Figura. 13 a Maquina de fricción lineal. 13 b Probetas de caucho con clavos [20] 32
Figura. 14. Coeficiente de fricción entre probetas de caucho con clavos y hielo [20]
............................................................................................................................. 32
Figura. 15. Mesa de fricción [21] .......................................................................... 33
Figura. 16. Resultados Arenas Normalizadas [21] ............................................... 33
Figura. 17 a Péndulo de Resistencia al Deslizamiento, 17 b Diagrama de arreglo
experimental. ....................................................................................................... 36
Figura. 18 Técnica de Mancha de Arena [25]. ...................................................... 37
Figura. 19, a Forma de partículas de arena de 176μm, 19 b forma de partículas de
arena de 1000μm. ................................................................................................ 38
Figura. 20 a tamaño de partícula arena 1000μm, 20 b tamaño de partícula arena
176μm .................................................................................................................. 39
Figura. 21 Peso del Deslizador ............................................................................ 39
Figura. 22 Dureza del deslizador.......................................................................... 40
Fig. 23, Medición de capa de hielo ....................................................................... 41
Figura. 24 Dimensiones del deslizador [29] .......................................................... 42
Figura. 25 a Probeta de asfalto con hielo limpio, b con arena de 1000μm, c con
arena de 176μm ................................................................................................... 42
Figura. 26 Resultados coeficiente de fricción. Con dos tipos de arena y hielo limpio
............................................................................................................................. 44
Fig. 27. Resultados de Coeficiente de fricción. Con dos tipos de arena y hielo .... 44
Figura. 28 a b hielo y arena 1000μm a -10°, 27 c d hielo y arena de 1000μm a
1.2°C, 27 e f hielo y arena de 176μm a -10°C, 27 g h hielo y arena de 176μm a
1.2°C. ................................................................................................................... 46
Figura. 29. Protuberancia en la capa de hielo ...................................................... 47
Figura. 30. Escarcha en superficie del hielo ......................................................... 48
Figura 31 Rayado en superficie del hielo ............................................................. 49

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