Análisis de la influencia de los diferentes parámetros de diseño en la aparición de fatiga superficial en contactos mecánicos

La fatiga superficial es uno de los principales problemas en las transmisiones mecánicas y es uno de los focos de atención de las investigaciones de los últimos anos en Tribología. La disminución de viscosidad de los lubricantes para la mejora de la eficiencia, el aumento de las potencias a transmitir, el aumento de la vida de los componentes o la mejora de su fiabilidad han supuesto que los fenómenos de fatiga superficial hayan cobrado especial relevancia, especialmente los fenómenos de pitting y micropitting en cajas multiplicadoras/reductoras de grandes potencias de aplicación, por ejemplo, en el sector eólico. Como todo fenómeno de fatiga, el pitting y micropitting son debidos a la aplicación de cargas ciclicas. Su aparición depende de las presiones y tensiones cortantes en el contacto entre dos superficies que al encontrarse en rodadura y deslizamiento varian con el tiempo. La principal consecuencia de la fatiga superficial es la aparición de hoyuelos de diferente magnitud segun la escala del fenómeno (pitting o micropitting) en la superficie del material. La aparición de estos hoyuelos provoca la perdida de material, induce vibraciones y sobrecargas en el elemento que finalmente acaba fallando. Debido a la influencia de la presión y tensión cortante en el contacto, la aparición de fatiga depende fuertemente del lubricante que se encuentre entre las dos superficies y de las condiciones de funcionamiento en las cuales este trabajando. Cuando el contacto trabaja en condiciones de lubricacion mixta-elastohidrodinamica tiende a aparecer micropitting debido a las altas tensiones localizadas en las proximidades de las asperezas, mientras que si el régimen es de lubricación completa el tipo de fatiga superficial suele ser pitting debido a las tensiones mas suavizadas y menos concentradas. En esta Tesis Doctoral se han analizado todos estos factores de influencia que controlan el pitting y el micropitting prestando especial atención al efecto del lubricante. Para ello, se ha dado un enfoque conjunto a ambos fenómenos resolviendo las ecuaciones involucradas en el contacto elastohidrodinamico no-Newtoniano (la ecuación de Reynolds, la deformación elástica de los sólidos y la reologia del lubricante) para conocer la presión y la tensión cortante en el contacto. Conocidas estas, se resuelve el campo de tensiones en el interior del material y, finalmente, se aplican criterios de fatiga multiaxial (Crossland, Dang Van y Liu-Mahadevan) para conocer si el material falla o no falla. Con la metodología desarrollada se ha analizado el efecto sobre las tensiones y la aparición de la fatiga superficial del coeficiente viscosidad-presion, de la compresibilidad, del espesor especifico de película y de la fricción así como de la influencia de las propiedades a fatiga del material y de las condiciones de funcionamiento (radios de contacto, velocidad, deslizamiento, carga y temperatura). Para la validación de los resultados se han utilizado resultados teóricos y experimentales de otros autores junto con normas internacionales de amplia utilización en el mundo industrial, entre otras, para el diseño y calculo de engranajes. A parte del trabajo realizado por simulación y cálculo de los diferentes modelos desarrollados, se ha realizado un importante trabajo experimental que ha servido no solo para validar la herramienta desarrollada sino que además ha permitido incorporar al estudio factores no considerados en los modelos, como los aditivos del lubricante. Se han realizado ensayos de medida del coeficiente de fricción en una maquina de ensayo puntual con la que se ha validado el cálculo del coeficiente de fricción y se ha desarrollado un proceso de mejora del coeficiente de fricción mediante texturizado superficial en contactos puntuales elastohidrodinamicos mediante fotolitografia y ataque quimico. Junto con los ensayos de medida de fricción en contacto puntual se han realizado ensayos de fricción y fatiga superficial en contacto lineal mediante una maquina de discos que ha permitido evaluar la influencia de diferentes aditivos (modificadores de fricción, antidesgaste y extrema-presion) en la aparición de fatiga superficial (pitting y micropitting) y la fricción en el contacto. Abstract Surface fatigue is one of the most important problems of mechanical transmissions and therefore has been one of the main research topics on Tribology during the last years. On the one hand, industrial demand on fuel economy has led to reduce lubricant viscosity in order to improve efficiency. On the other hand, the requirements of power and life of machine elements are continuously increasing, together with the improvements in reliability. As a consequence, surface fatigue phenomena have become critical in machinery, in particular pitting and micropitting in high power gearboxes of every kind of machines, e.g., wind turbines or cranes. In line with every fatigue phenomena, pitting and micropitting are caused by cyclic loads. Their appearance depends on the evolution of pressures and shear stresses with time, throughout the contact between surfaces under rolling and sliding conditions. The main consequence of surface fatigue is the appearance of pits on the surface. The size of the pits is related to the scale of the fatigue: pitting or micropitting. These pits cause material loss, vibrations and overloads until the final failure is reached. Due to the great influence of the pressures and shear stresses in surface fatigue, the appearance of pits depends directly on the lubricant and the operating conditions. When the contact works under mixed regime (or under elastohydrodynamic but close to mixed regime) the main fatigue failure is micropitting because of the high pressures located near the asperities. In contrast, when the contact works under elastohydrodynamic fully flooded conditions the typical fatigue failure is pitting. In this Ph.D. Thesis, the main factors with influence on pitting and micropitting phenomena are analyzed, with special attention to the effect of the lubricant. For this purpose, pitting and micropitting are studied together by solving the equations involved in the non-Newtonian elastohydrodynamic contact. Thus, pressure and shear stress distributions are found by taking into account Reynolds equation, elastic deflection of the solids and lubricant rheology. Subsequently, the stress field inside the material can be calculated and different multiaxial fatigue criteria (Crossland, Dang Van and Liu- Mahadevan) can be applied to predict whether fatigue failure is reached. The influences of the main parameters on pressure and surface fatigue have been studied, taking into account the lubricant compressibility and its viscosity-pressure coefficient, the specific film thickness, the friction coefficient and the fatigue properties of the contacting materials, together with the operating conditions (contact radius, mean velocity, sliding velocity, load and temperature). Several theoretical and experimental studies of different authors have been used to validate all the results obtained, together with international standards used worldwide in gear design industry. Moreover, an experimental stage has been carried out in order to validate the calculation methods and introduce additional influences not included previously, e.g., lubricant additives. The experimentation includes different friction tests in point contacts performed with a tribological equipment in order to validate the results given by the calculations. Furthermore, the reduction and optimization of the friction coefficient is analyzed by means of textured surfaces, obtained combining photolithography and chemical etching techniques. Besides the friction tests with point contact, friction and surface fatigue tests have also been performed with line contact in a tribological test rig. This equipment is also used to study the influence of different types of additives (friction modifiers, anti-wear and extreme-pressure additives) on surface fatigue (pitting and micropitting).

Wind intermittency and CO2 reductions: the case of the spanish power system

Renewable energy sources are believed to reduce drastically greenhouse gas emissions that would otherwise be generated from fossil fuels used to generate electricity. This implies that a unit of renewable energy will replace a unit of fossil-fuel, with its CO2 emissions, on an equivalent basis (with no other effects on the grid). But, the fuel economy and emissions in the existing power systems are not proportional with the electricity production of intermittent sources due to cycling of the fossil fuel plants that make up the balance of the grid (i.e. changing the power output makes thermal units to operate less efficiently). This study focuses in the interactions between wind generation and thermal plants cycling, by establishing the levels of extra fuel use caused by decreased efficiencies of fossil back-up for wind electricity in Spain. We analyze the production of all thermal plants in 2011, studying different scenarios where wind penetration causes major deviations in programming, while we define a procedure for quantifying the carbon reductions by using emission factors and efficiency curves from the existing installations. The objectives are to discuss the real contributions of renewable energies to the environmental targets as well as suggest alternatives that would improve the reliability of future power systems.

The impact of the economic crisis and policy actions on GHG emissions from road transport in Spain

Road traffic is the greatest contributor to the carbon footprint of the transport sector and reducing it has become one of the main targets of sustainable transport policies. An analysis of the main factors influencing greenhouse gas (GHG) emissions is essential for designing new energy- and environmentally efficient strategies for the road transport. This paper addresses this need by (i) identifying factors which influence the carbon footprint, including traffic activity, fuel economy and socioeconomic development; and (ii) proposing a methodological framework which uses Modified Laspeyres Index decomposition to analyze the effect of important drivers on the changes in emissions of road transport in Spain during the period from 1990 to 2010. The results demonstrate that the country׳s economic growth has been closely linked to the rise in GHG emissions. The innovative contribution of this paper is the special analysis of the changes in mobility patterns and GHG emissions during the economic crisis, when, for the first time, Spanish road traffic emissions decreased. The reduction of road transport and improved energy efficiency has been powerful contributors to this decrease, demonstrating the effectiveness of energy-saving measures. On the basis of this analysis, several tailored policy recommendations have been suggested for future implementation.

Implications of biofuel support policies in Europe - a quantitative analysis in an open economy

EU biofuels support Biofuels modelling with CAPRI Scenario setting Main results Concluding remarks Biofuels production and use will remain mainly driven by public support Strong links of biofuels to agricultural markets Development of second generation technologies would ease food-fuel links

Adapting micro-economy of energy corporations to macroeconomy policies aiming at a sustainable economy

Esta Tesis surgió ante la intensidad y verosimilitud de varias señales o “warnings” asociadas a políticas dirigidas a reducir el peso del petróleo en el sector energético, tanto por razones económicas, como geopolíticas, como ambientales. Como tal Tesis se consolidó al ir incorporando elementos novedosos pero esenciales en el mundo petrolífero, particularmente las “tecnologías habilitantes”, tanto de incidencia directa, como el “fracking” como indirecta, del cual es un gran ejemplo el Vehículo Eléctrico (puro). La Tesis se definió y estructuró para elaborar una serie de indagaciones y disquisiciones, que comportaran un conjunto de conclusiones que fueran útiles para las corporaciones energéticas. También para la comprensión de la propia evolución del sector y de sus prestaciones técnicas y económicas, de cara a dar el servicio que los usuarios finales piden. Dentro de las tareas analíticas y reflexivas de la Tesis, se acuñaron ciertos términos conceptuales para explicar más certeramente la realidad del sector, y tal es el caso del “Investment burden”, que pondera la inversión específica (€/W) requerida por una instalación, con la duración del período de construcción y los riesgos tanto tangibles como regulatorios. Junto a ello la Tesis propone una herramienta de estudio y prognosis, denominada “Market integrated energy efficiency”, especialmente aplicable a dicotomías. Tal es el caso del coche térmico, versus coche eléctrico. El objetivo es optimizar una determinada actividad energética, o la productividad total del sector. Esta Tesis propone varias innovaciones, que se pueden agrupar en dos niveles: el primero dentro del campo de la Energía, y el segundo dentro del campo de las corporaciones, y de manera especial de las corporaciones del sector hidrocarburos. A nivel corporativo, la adaptación a la nueva realidad será función directa de la capacidad de cada corporación para desarrollar y/o comprar las tecnologías que permitan mantener o aumentar cuota de mercado. Las conclusiones de la Tesis apuntan a tres opciones principalmente para un replanteamiento corporativo: - Diversificación energética - Desplazamiento geográfico - Beneficiándose de posibles nuevos nichos tecnológicos, como son: • En upstream: Recuperación estimulada de petróleo mediante uso de energías renovables • En downstream: Aditivos orientados a reducir emisiones • En gestión del cambio: Almacenamiento energético con fines operativos Algunas políticas energéticas siguen la tendencia de crecimiento cero de algunos países de la OCDE. No obstante, la realidad mundial es muy diferente a la de esos países. Por ejemplo, según diversas estimaciones (basadas en bancos de datos solventes, referenciados en la Tesis) el número de vehículos aumentará desde aproximadamente mil millones en la actualidad hasta el doble en 2035; mientras que la producción de petróleo sólo aumentará de 95 a 145 millones de barriles al día. Un aumento del 50% frente a un aumento del 100%. Esto generará un curioso desajuste, que se empezará a sentir en unos pocos años. Las empresas y corporaciones del sector hidrocarburos pueden perder el monopolio que atesoran actualmente en el sector transporte frente a todas las demás fuentes energéticas. Esa pérdida puede quedar compensada por una mejor gestión de todas sus capacidades y una participación más integrada en el mundo de la energía, buscando sinergias donde hasta ahora no había sino distanciamiento. Los productos petrolíferos pueden alimentar cualquier tipo de maquina térmica, como las turbinas Brayton, o alimentar reformadores para la producción masiva de H2 para su posterior uso en pilas combustible. El almacenamiento de productos derivados del petróleo no es ningún reto ni plantea problema alguno; y sin embargo este almacenamiento es la llave para resolver muchos problemas. Es posible que el comercio de petróleo se haga menos volátil debido a los efectos asociados al almacenamiento; pero lo que es seguro es que la eficiencia energética de los usos de ese petróleo será más elevada. La Tesis partía de ciertas amenazas sobre el futuro del petróleo, pero tras el análisis realizado se puede vislumbrar un futuro prometedor en la fusión de políticas medioambientales coercitivas y las nuevas tecnologías emergentes del actual portafolio de oportunidades técnicas. ABSTRACT This Thesis rises from the force and the credibility of a number of warning signs linked to policies aimed at reducing the role of petroleum in the energy industry due to economical, geopolitical and environmental drives. As such Thesis, it grew up based on aggregating new but essentials elements into the petroleum sector. This is the case of “enabling technologies” that have a direct impact on the petroleum industry (such as fracking), or an indirect but deep impact (such as the full electrical vehicle). The Thesis was defined and structured in such a way that could convey useful conclusions for energy corporations through a series of inquiries and treatises. In addition to this, the Thesis also aims at understating la evolution of the energy industry and its capabilities both technical and economical, towards delivering the services required by end users. Within the analytical task performed in the Thesis, new terms were coined. They depict concepts that aid at explaining the facts of the energy industry. This is the case for “Investment burden”, it weights the specific capital investment (€/W) required to build a facility with the time that takes to build it, as well as other tangible risks as those posed by regulation. In addition to this, the Thesis puts forward an application designed for reviewing and predicting: the so called “Market integrated energy efficiency”, especially well-suited for dichotomies, very appealing for the case of the thermal car versus the electric car. The aim is to optimize energy related activity; or even the overall productivity of the system. The innovations proposed in this Thesis can be classified in two tiers. Tier one, within the energy sector; and tier two, related to Energy Corporation in general, but with oil and gas corporations at heart. From a corporate level, the adaptation to new energy era will be linked with the corporation capability to develop or acquire those technologies that will yield to retaining or enhancing market share. The Thesis highlights three options for corporate evolution: - diversification within Energy - geographic displacement - profiting new technologies relevant to important niches of work for the future, as: o Upstream: enhanced oil recovery using renewable energy sources (for upstream companies in the petroleum business) o Downstream: additives for reducing combustion emissions o Management of Change: operational energy storage Some energy policies tend to follow the zero-growth of some OECD countries, but the real thing could be very different. For instance, and according to estimates the number of vehicles in use will grow from 1 billion to more than double this figure 2035; but oil production will only grow from 95 million barrel/day to 145 (a 50% rise of versus an intensification of over a 100%). Hydrocarbon Corporation can lose the monopoly they currently hold over the supply of energy to transportation. This lose can be mitigated through an enhanced used of their capabilities and a higher degree of integration in the world of energy, exploring for synergies in those places were gaps were present. Petroleum products can be used to feed any type of thermal machine, as Brayton turbines, or steam reformers to produce H2 to be exploited in fuel cells. Storing petroleum products does not present any problem, but very many problems can be solved with them. Petroleum trading will likely be less volatile because of the smoothing effects of distributed storage, and indeed the efficiency in petroleum consumption will be much higher. The Thesis kicked off with a menace on the future of petroleum. However, at the end of the analysis, a bright future can be foreseen in the merging between highly demanding environmental policies and the relevant technologies of the currently emerging technical portfolio.