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: administracion@ctcomponentes.com

2LADICIM, ETSICC y P, Universidad de Cantabria, Avda. Los Castros s/n, 39005 Santander, Espaa.

E-mail: ladicim@unican.es

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

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