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ANLISIS DE FALLO MECNICO EN EJE DE SALIDA DE REDUCTOR DE
VELOCIDAD PARA MQUINA DE SECADO DE CAUCHO
Roberto Bscones1, Iaki Gorrochategui1, Jos Alberto lvarez2
1Fundacin Centro Tecnolgico de Componentes (CTC), Avda. Los
Castros s/n, 39005 Santander, Espaa.
E-mail: [email protected]
2LADICIM, ETSICC y P, Universidad de Cantabria, Avda. Los
Castros s/n, 39005 Santander, Espaa.
E-mail: [email protected]
RESUMEN
El anlisis tiene por objeto identificar y estudiar los fenmenos
que han producido la rotura del eje de salida del reductor de
velocidad de una mquina de secado de caucho. La mquina ha sufrido
diversas roturas a lo largo de su vida y se han probado diferentes
materiales para el mismo eje. En el momento de inicio del anlisis
no existan evidencias de que un cambio de material o un cambio de
geometra pudieran evitar el problema aparecido.
A partir del conocimiento de las condiciones de operacin de la
mquina se ha realizado un anlisis experimental y un estudio terico
justificativo. Las observaciones del laboratorio han determinado
los mecanismos que han provocado la fractura del eje y han
verificado la calidad del material utilizado. Mediante esa
identificacin, se ha realizado posteriormente el estudio que
justifica la rotura en relacin a los fenmenos de iniciacin y
propagacin implicados en la fractura. El anlisis de laboratorio ha
consistido en ensayos de dureza, microscopa ptica y microscopa
electrnica. El estudio terico se ha basado en modelos de fatiga y
fractura formulados recientemente por European Fitness-for-Service
Network.
El anlisis de laboratorio y el estudio terico estn en
concordancia y ambos demuestran las causas del fallo y la duracin
del ciclo de vida del eje sometido a las condiciones de operacin
observadas.
ABSTRACT
The aim of this analysis is to identify and study the phenomena
which have produced the failure of an speed reducer output shaft of
a rubber drying machine. The machine has suffered several failures
during its operating life and different materials for the same
shaft have been tested. At the time of initiation of the analysis
there was no evidence that a change of material or a change of
geometry could avoid the appeared problem.
An experimental analysis and a theoretical study have been made
from the knowledge of the machine operating conditions. The
observations of the laboratory have identified the mechanisms which
have produced the fracture of shaft and they have verified the
quality of the used material. Through this identification, the
study which justifies the failure in regards to the initiation and
propagation phenomena implied in the fracture has been performed.
The analysis of laboratory has consisted in hardness tests, optical
microscopy and SEM. The theoretical study has been based in fatigue
and fracture analysis which have been developed recently by
European Fitness-for-Service Network.
The analysis of laboratory and the theoretical study are
consistent and both demonstrate the causes of the failure and the
life cycle of the shaft subjected to the observed operation
conditions.
PALABRAS CLAVE: Fatiga, Fractura.
1. INTRODUCCIN
El eje de salida de un reductor de velocidad de una mquina
secadora de caucho ha sufrido varias roturas sbitas. El fallo
ocurrido implic detener la produccin de la mquina y realizar su
reparacin. El ltimo eje de salida roto se haba fabricado con acero
F-127 pero otros ejes probados estaban constituidos de acero
inoxidable 316 y 17-4 PH. Los ejes de acero inoxidable tambin
sufrieron roturas y esto descartaba a la
corrosin como causa nica del fallo. Por esa razn, se consideraba
oportuno realizar un estudio de fallo que determinara las causas
del ltimo desperfecto y permitiera prevenir roturas en el futuro.
El mecanismo del que forma parte el eje puede ser resumido en el
conjunto de cuatro componentes: motor, reductor, eje y
acoplamiento. El acoplamiento conecta el eje del reductor con el
eje de la mquina de secado de caucho. Este mecanismo acta en un
ambiente hmedo en el que se presenta agua y vapor entre 100C y
146C. Adems,
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el agua contiene CaCl2, que provoca un ambiente corrosivo.
European Fitness-for-Service Network ha desarrollado
procedimientos de evaluacin de daos debidos a fractura, fatiga,
fluencia y corrosin en componentes metlicos [1]. Estos
procedimientos han sido utilizados para el estudio.
2. PUNTO DE PARTIDA
Para realizar el anlisis y el estudio se ha partido de dos
muestras correspondientes a las secciones que descubri la rotura.
El eje tiene un dimetro de 196.85 mm. La seccin de rotura se
encuentra en una zona mecanizada de forma toroidal que reduce el
dimetro a 188.13 mm. La inspeccin visual ha permitido detectar
distintas fisuras que avanzan segn las marcas de playa que se
observan en las figuras 1 y 2. Las marcas de playa han mostrado
distintos orgenes en el contorno de la seccin. Las diferentes
marcas de playa han confluido hasta formar un frente comn y han
llegado hasta la zona en la que el eje ha roto por un proceso de
propagacin dctil. La superficie del eje muestra picaduras
producidas por corrosin.
Figura 1.Muestra correspondiente a lado reductor.
Figura 2.Muestra correspondiente a lado acoplamiento.
La tabla 1 muestra datos de la especificacin de fabricacin del
material y caractersticas del eje que son determinantes para
realizar el estudio [2, 3].
Tabla 1. Especificacin de fabricacin y caractersticas del
material del eje
Denominacin F-127 Tipo Acero al Cr, Ni, Mo Carga de rotura ~1000
MPa Resiliencia, Cv 50 J Mdulo de Young, E 210 GPa Mdulo de
Poisson, 0.3 Tenacidad mnima, KImat 101 MPam1/2 Tratamiento
superficial Shot Peening
3. ANLISIS
Se ha llevado a cabo un anlisis de laboratorio que ha
determinado que el avance de fisuras se haba debido a fatiga y que
las tensiones dominantes en las secciones de rotura son
caractersticas de esfuerzos axiales. Los anlisis han constatado que
las fisuras tenan su origen en los defectos superficiales
provocados por corrosin. Los defectos superficiales son numerosos.
Solo algunas de las picaduras de la superficie han llegado a crear
fisuras.
3.1. Anlisis fractogrfico
El anlisis fractogrfico se ha realizado con la muestra
correspondiente al lado del acoplamiento. El anlisis se ha
realizado en puntos que corresponden a diferentes profundidades
medidas desde la superficie exterior del eje. La tabla 2 muestra
las profundidades de las que se ha realizado cada una de las
imgenes de microscopa.
Tabla 2. Profundidad de realizacin de imgenes de microscopa.
Zona Profundidad Figuras 0 0 mm 3 1 19.54 mm 4,5 2 43.87 mm 6 3
90.81 mm 7
Figura 3. Defecto superficial de 1 mm provocado por
corrosin.
En la zona 0 se han localizado los defectos provocados por la
corrosin, que han sido iniciadores del proceso de propagacin de
fisuras. En la zona 1 se aprecian lneas de fatiga. A esta misma
profundidad, existen lneas de
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fatiga con diferentes direcciones. En la zona 2 aparecen lneas
de fatiga pero en este caso, las lneas muestran una nica direccin
de propagacin. Los frentes de propagacin localizados en la zona 1,
han convergido y han formado el nico frente observado en la zona
2.
Figura 4. Lneas de propagacin en zona 1.
Figura 5. Lneas de propagacin en zona 1.
Figura 6. Lneas de propagacin en zona 2.
En la zona 3 se ha apreciado la presencia de microhuecos, que
indica un cambio de fenmeno de rotura respecto a las zonas 1 y 2.
La forma de los microhuecos se asocia a tensiones normales al plano
de propagacin de la fisura.
Figura 7. Microhuecos en zona 3.
3.2. Ensayo mediante lquidos penetrantes
Para apreciar mejor el efecto de la corrosin sobre la superficie
del eje se ha realizado un ensayo por lquidos penetrantes. Este
ensayo ha permitido descubrir que en toda la superficie del eje
alrededor de la seccin de rotura hay una gran cantidad de poros y
otras grietas que detuvieron su avance.
3.3. Caracterizacin microestructural
Se han realizado micrografas a profundidades similares a las
zonas 0, 1, 2 y 3 sealadas en la tabla 2. Las micrografas han
mostrado una microestructura caracterstica de ferrita y perlita con
una ligera diferencia de proporcin entre periferia e interior
asociada a velocidades de enfriamiento diferentes. La
microestructura corresponde a un estado normalizado.
Figura 8. Micrografa en zona 2
3.4. Caracterizacin mecnica
Mediante ensayos se ha obtenido un valor medio de dureza de
271.17 HV para profundidades entre 0 y 10mm. La dureza corresponde
al estado normalizado del acero. Para el interior del eje se ha
obtenido una dureza menor, de 230 HV. En zonas cercanas a la seccin
de rotura se han realizado ensayos de dureza hasta una profundidad
de 0.16 mm. Los valores de dureza
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obtenidos no muestran un incremento significativo en la
superficie. Esto indica que en la zona en la que se realizado este
ensayo de dureza, no se ha aplicado Shot Peening. Debe tenerse en
cuenta que los ensayos de dureza se han realizado en una seccin
situada a unos 30 mm de la seccin de rotura. El eje, segn
especificacin de fabricacin, deba haber sido tratado mediante Shot
Peening en la superficie de mecanizado toroidal, que es
precisamente donde se localiza la rotura. Este tratamiento no ha
sido localizado por ensayos de dureza en una seccin cercana a la de
rotura. El tratamiento no ha sido aplicado o ha sido aplicado a una
zona reducida.
4. ESTUDIO DE FATIGA Y FRACTURA
El anlisis fractogrfico ha descartado los esfuerzos de torsin
como causa del fallo. Los tcnicos y responsables del mantenimiento
de la mquina han facilitado una curva de carga y datos del motor
que impulsa al eje. De la geometra del eje, la curva de carga y los
datos del motor, se ha calculado que los esfuerzos cortantes del
eje producen en la seccin de rotura una intensidad de tensin media
de 59 MPa con fluctuaciones de 11 MPa. Se trata de una intensidad
de tensiones muy baja en comparacin con el lmite de rotura del
material. La observacin del laboratorio y los valores calculados
coinciden en descartar los esfuerzos de torsin como motivo del
fallo.
De la observacin del funcionamiento de la mquina se intuye que
puede existir una falta de alineacin entre el eje de la mquina y el
eje de salida del reductor. Esta falta de alineacin y la deteccin
de microhuecos producidos por esfuerzo axial motivan una hiptesis
de flexin. Esta hiptesis supone una flecha forzada en el eje en el
punto donde se encuadra el acoplamiento.
Un clculo realizado por el mtodo de elementos finitos ha
permitido calcular la tensin axial en la seccin de rotura. El
modelo de elementos finitos se muestra en la figura 9 y ha
consistido en un nico eje que considera la longitud del eje de la
mquina ms el eje de salida del reductor. El modelo de elementos
finitos se ha realizado con una superficie toroidal que representa
el mecanizado donde se localiza la seccin de fallo. En el extremo
del eje de la mquina se encuentra un rodamiento autoalineable. Este
extremo del eje de mquina se considera una articulacin. El eje del
reductor tiene su extremo en un rodamiento que no permite
oscilaciones del eje. Este punto del eje se considera un
empotramiento. En una zona intermedia, el eje de salida del
reductor est sujeto por un rodamiento de rodillo a rtula. Este
punto se considera una articulacin. La seccin donde se encuentra el
acoplamiento se someter a desplazamiento forzado. Diferentes
niveles de desplazamientos tienen asociados diferentes tensiones
axiales de forma proporcional. La figura 10 muestra la tensin axial
producida en la seccin de rotura por un desplazamiento forzado de 1
mm. El valor mximo de la tensin axial en esa seccin es de 189 MPa.
Este valor es muy bajo comparado con la tensin de lmite de rotura
del material. Esta tensin,
por si sola, no debe ser motivo de rotura. Por ello se ha
procedido al estudio de fatiga y al estudio de propagacin de la
fisura.
Se considera que las tensiones axiales calculadas por el mtodo
de elementos finitos son alternantes y de valor medio nulo. Esta
hiptesis sostiene que el giro del eje provoca la inversin de
tensiones ya que la posicin angular relativa del eje respecto a la
direccin de la flecha realiza un giro completo por cada perodo de
giro.
Figura 9. Modelo de elementos finitos.
Figura 10. Tensin axial en seccin de rotura.
4.1. Estudio de fatiga tradicional
Para realizar una evaluacin de fatiga, el procedimiento FITNET
[1] propone una expresin logartmica que relaciona la amplitud de
tensin total frente al lmite de ciclos. Esta relacin se muestra en
la expresin (1).
( ) ,loglogloglog DWKa NNm = (1)
a Amplitud de tensin local [MPa].
N Nmero de ciclos para lmite de vida a fatiga.
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ND, Nmero de ciclos para lmite de vida a fatiga para WK, 106
ciclos.
m Pendiente de la recta de la grfica en escala logartmica.
WK Amplitud lmite de fatiga [MPa] que se calcula a partir del
lmite de tensin a rotura y de factores geomtricos [1].
Con los datos geomtricos del eje y las caractersticas de
materiales, la expresin (1) se transforma en la (2).
La frmula (2) permite calcular diferentes lmites de vida til del
eje sometido a diferentes desplazamientos forzados y considerando
que fallar en la seccin de estudio, como lo que muestra la tabla
3.
749.3log51
10+
=
N
a (2)
Tabla 3. Lmite de vida a fatiga en funcin del desplazamiento
forzado . [mm] a [MPa] N [ciclos] Lmite [meses]
0.5 94 7.57108 21.62 0.64 121 2.31108 6
1 189 2.31107 0.66 1.3 245 6.30106 0.18
4.1. Estudio de propagacin de la fisura
La ley de Paris define la velocidad de propagacin de la fisura.
Esta ley se muestra en la expresin (3).
m
IKCdNda = 0 (3)
da/dN Avance de fisura por cada ciclo, [mm/ciclo].
C0 y m Constantes del material. Se han utilizado las facilitadas
por la referencia [2]. Estos valores, recogidos en [2], no
consideran el efecto amplificador de la corrosin en la velocidad de
propagacin por fatiga.
KI Amplitud del factor de intensidad de tensiones [MPam1/2].
Para la geometra y condiciones de carga del caso en estudio, la
amplitud de intensidad de tensiones se calcula mediante la expresin
(4) [1].
( )
=
+=
=
Ra
Ra
Ra
tg
g
Ra
sengM
aMK
b
xbI
4
cos
4
4
84.1
41199.0923.0
5.0
pi
pi
pi
pi
pi
pi
(4)
x Tensin axial (= Qb) [MPa].
Mb Factor de amplificacin de tensiones de flexin,
adimensional.
g Factor de clculo, adimensional.
a Profundidad de fisura [m].
R Radio de la seccin [m].
La figura 11 muestra el factor de intensidad de tensiones en
funcin de la profundidad de la fisura para un desplazamiento
forzado = 1 mm. Obsrvese que una fisura de 100 mm de profundidad
est sometida a un factor de intensidad de tensiones equivalente a
la tenacidad del material mostrada en la tabla 1. Las ltimas marcas
de playa se han encontrado a una profundidad de 80 mm y es en esta
profundidad donde empieza la zona de rotura dctil. La expresin (4)
aplicada a un defecto inicial de tamao a0 equivalente a 1 mm se
muestra de forma grfica en la figura 12.
Conociendo la velocidad de giro del eje, se puede transformar la
cantidad de ciclos en tiempo. Se ha calculado el nmero de ciclos y
la vida til del eje para varias combinaciones de deformacin forzada
y profundidad de defecto inicial. Los resultados se muestran en las
tablas 4 y 5. Se considera que se llega al final de la vida til
cuando la fisura tiene una profundidad tal que el factor de
intensidad de tensiones iguala la tenacidad mnima, es decir,
KImax=KImax. De las combinaciones de y a0 consideradas en este
anlisis de Mecnica de la Fractura Elstico Lineal, dos muestran
vidas tiles parecidas a la experimentada en el eje de la mquina. De
estas dos, una supone = 0.5 mm y a
0 = 1 mm. La otra combinacin supone =0.64
mm y a0 = 0.5 mm.
La actividad del eje produjo el fallo aproximadamente 6 meses
despus de la instalacin del eje en la mquina. El anlisis de
laboratorio ha descubierto defectos iniciales de profundidad entre
0.5 y 1 mm. La falta de alineacin experimentada por los tcnicos de
mantenimiento de la
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mquina tiene magnitudes parecidas a los desplazamientos forzados
de esas dos combinaciones.
Los resultados calculados segn el estudio de fatiga tradicional
y el realizado segn Mecnica de la Fractura Elstico Lineal coinciden
con el ciclo de vida mostrado por el eje durante la experiencia
operativa en la fbrica.
El modelo de propagacin de fractura para el eje estudiado es
coherente con la experiencia real y muestra que la falta de
alineacin es la causa de la rotura del eje favorecida por los
efectos de la corrosin. Tal como se observa en la tabla 5, la falta
de alineacin reduce la vida til del eje de forma ms acusada que los
efectos de corrosin. Por lo tanto, en este caso es ms importante
prevenir la falta de alineacin que prevenir la corrosin.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100 120 140
Profundidad a [mm]
KI [M
Pam
^0.
5]
Figura 11. Factor de intensidad de tensiones en funcin de la
profundidad de la fisura para =1mm.
Figura 12. Propagacin de fisura respecto a nmero de ciclos para
=1mm a partir de defecto inicial de
profundidad a0=1mm.
Tabla 4. Lmite de ciclos por Mecnica de la Fractura Elstico
Lineal en funcin del desplazamiento forzado y la profundidad de
defecto inicial a0.
[mm] 0.5 0.64 1 1.3
a (KImax=KImax) [mm] 130 125 100 85
0.5 8.4107 1.9107 1.4106 3105 a0 [mm] 1 2.2107 5.1106 3.8105
9.2104
Tabla 5. Lmite de vida por Mecnica de la Fractura Elstico Lineal
en funcin del desplazamiento forzado y la profundidad de defecto
inicial a0.
[mm] 0.5 0.64 1 1.3
a (KImax=KImax) [mm] 130 125 100 85
0.5 24 meses 5 meses 12 das 42 horas a0 [mm] 1 6 meses 42 das 3
das 13 horas
5. CONCLUSIONES
Las caractersticas fractogrficas de la superficie de rotura y
los estudios tericos llevados a cabo mediante dos mtodos distintos
confirman que el mecanismo que ha producido el fallo del eje es la
fatiga.
Los defectos iniciadores del proceso de fatiga son producidos
por efecto de la corrosin. Estos defectos tienen un tamao del orden
de 1 mm y estn repartidos por toda la superficie exterior del
eje.
El anlisis de fallo mecnico sugiere que la falta de alineacin es
la causa principal de la rotura del eje.
El estudio terico realizado segn mtodos de fatiga tradicional y
segn Mecnica de la Fractura Elstico Lineal confirma las
observaciones del anlisis de laboratorio. Adems, los resultados del
estudio terico se ajustan a la experiencia en la fbrica.
Los procedimientos propuestos por FITNET ofrecen una novedosa
herramienta para el estudio de fallos de componentes sometidos a
fatiga.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer la colaboracin de los tcnicos y
responsables de mantenimiento mecnico de la fbrica de Dynasol
Elastmeros (Repsol YPF) en Gajano (Cantabria).
REFERENCIAS
[1] European Fitness-for-service Network. FITNET.
FITNESS-FOR-SERVICE PROCEDURE. Revision MK8. January 2008.
[2] ASME. Article A-4300, Fatigue crack growth rate.
[3] Stahlschlssel. Aufflage 2007
Anales de Mecnica de la Fractura 26, Vol. 2 (2009)
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