4.3.1 Analisis de falla en componentes hidráulicos

7/22/2019 4.3.1 Analisis de falla en componentes hidrulicos

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Gerencia de Capacitacin y Desarrollo AFA III

Finning Capacitacin LtdaMaterial del Estudiante

Nombre del

Estudiante:

ANLISIS DE FALLAS DESISTEMAS HIDRULICOS


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Gerencia de Capacitacin y Desarrollo AFAIII

Finning Capacitacin Ltda.Material del Estudiante

NOTA

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CONTENIDO

Descripcin del curso...04

MDULO 1 Lubricacin

Introduccin05Funcin del lubricante..06Tipos de lubricantes..07Modalidades de falla.10Contaminacin...17

MODULO 2 Bombas y Motores

Bomba de engranajes

Funcionamiento.30Diseo/fabricacin ....31

Apariencia normal.....34Condiciones anormales40

Bomba de paletas

Funcionamiento.49Diseo/fabricacin.51

Apariencia normal.62Condiciones anormales66

Bomba de pistones

Funcionamiento.83Diseo/fabricacin.84Condiciones anormales90

MODULO 3 Engranajes

Funcionamiento...104Estructura.108Diseo...110Nomenclatura ..117

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Fabricacin ..119

Operacin125Condiciones anormales132

MODULO 4 Rodamientos

Tipos de cojinetes..154Nomenclatura .155Funciones ... 158Cargas..159Fabricacin .170

Remocin/instalacin .............................................................................175Condiciones anormales185

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Descripcin del Curso

Anlisis de fallas en componentes Hidrulicos

2 das (16 hrs)

6 mximo

Las condiciones extremas de trabajo, de carga y medioambientalesa que estn sometidas las Maquinarias Caterpillar, son algunas delas diversas causas de fallas prematuras que sufren loscomponentes, es por eso que se disea este curso para el personatcnico de Minera Spence con el fin de analizar, identificar y evalua

las superficies de fracturas y desgaste, con el objetivo de encontracon exactitud la causa raz de falla, de manera de establecemedidas correctivas para evitar que se vuelvan a repetir los mismodaos en los componentes del sistema Hidrulico Caterpillar

Este curso est orientado a mecnicos, tcnicos y lderes demantencin de Equipo.

Al trmino del curso los participantes estarn en condiciones deidentificar, describir y definir los diferentes tipos de fallas (desgastes

y fracturas) de componentes mecnicos constituyentes de losSistemas Hidrulicos de mquinas Caterpillar.

Los asistentes debern tener conocimientos de los siguientes temas

Conocimientos de hidrulica bsica

Conocimientos bsicos de Resistencia de Materiales

El curso se realizar en forma terica, a travs de la metodologa

expositiva, en la que se utilizar como recurso didcticopresentacin Power Point, pizarrn y Laboratorios. Se privilegiar laparticipacin activa de los estudiantes conjuntamente con la entregade material de estudio de los participantes.

Titulo

Duracin

Participantes

FundamentacinTcnica

Quienes deben

participar

Objetivos

Pre-requisitos

Metodologa

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Gerencia de Capacitacin y Desarrollo AFA III2


Lubricacin

INTRODUCCIN

Es la ciencia de la reduccin de la friccin mediante la aplicacin de unmaterial para mejorar la suavidad del movimiento de una superficie conrespecto a otra.

Tribologa: es la ciencia y la tecnologa relacionada con la interaccin delas superficies en movimiento relativo, incluyendo friccin, lubricacin,desgaste y erosin.

El trmino Tribologa fue introducido por primera vez en 1966 por eldoctor Peter Jost.

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Funciones

Primarias ySecundarias

Primaria

Secund

FUNCIN DEL LUBRICANTE

Se espera que los lubricantes sean tiles en una cantidad creciente deaplicaciones.

Las funciones primarias de los lubricantes son separar las superficies(lubricar), enfriar y mantener limpios los componentes.

Las funciones secundarias son: sellar, aislar, proteger contra lacorrosin, controlar la oxidacin, evitar la formacin de espuma,dispersar los contaminantes, transmitir potencia, amortiguar choques,etc.

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Tipos delubricantes

- Gases- Slidos- Semislidos- Lquidos

TIPOS DE LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser gaseosos (usados en centrfugas develocidad alta y otras aplicaciones de RPM extremadamente altas),lquidos (aceites), semislidos (grasas) o slidos (revestimiento desuperficies que incluyen metales blandos como el plomo y el estao).

Debido a que en la lubricacin de los productos Caterpillar se usan pocolos lubricantes gaseosos y slidos, esta presentacin tratar acerca deellos brevemente y se concentrar en los lubricantes lquidos y

semislidos de uso ms comn.

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Aplicacioneslubricantesgaseosos

Las caractersticas de los lubricantes gaseosos son de utilidad en lasaplicaciones de cojinetes pequeos de velocidad alta, con cargas ligerasy a temperaturas altas y bajas.

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Ejemplos delubricantesgaseosos

Los lubricantes gaseosos se emplean en dispositivos para exploracinespacial, equipo dental, motores y turbinas de velocidad alta, giroscopiosy computadoras.

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Modalidades defalla de loslubricacin

MODALIDADES DE FALLA DE LOS LUBRICANTES

Actualmente, cuando fallan los lubricantes se debe fundamentalmente aluso de un lubricante incorrecto (composicin incorrecta para laaplicacin), a la degradacin del lubricante (rompimiento de la pelculadel aceite o agotamiento de los aditivos o ambos), o a la contaminacindel lubricante (con slidos, lquidos o gases).

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Factores queaumentan ladegradacin

Los factores que aumenta la degradacin pueden ser temperaturas bajaso altas, presencia de catalizadores no deseados, servicio extendido ypresencia de agua, barniz o sedimentos.

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La velocidad deoxidacinaumenta con latemperatura

A temperaturas mayores que 93C (200F), la velocidad de oxidacin delaceite se duplica aproximadamente cada 11C (20F) adicionales. Laoperacin a temperaturas elevadas agota los aditivos y acorta la vida tildel lubricante. Los depsitos de barniz (de color de alquitrn duros y demuy poco espesor) se forman generalmente en las piezas ms calientesexpuestas a los lubricantes despus de operaciones a temperaturasaltas.

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Productos de laCombustin

Oxidacin delaceite

CONTAMINACIN

La contaminacin puede ocurrir de varias maneras, incluyendo:

- Subproductos de la combustin que entran al sistema de lubricacin(holln, cidos, agua, barniz, laca, combustible sin quemar, etc.)

- Aceite oxidado

- Dilucin por refrigerante, combustible u otro lubricante

- Polvo, suciedad, partculas metlicas de desgaste

- Gases atrapados

Las temperaturas altas y bajas pueden actuar como aceleradores en laproduccin de contaminantes.

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El glicol puedeaumentar laviscos idad dellubricante

Cuando los refrigerantes contienen glicol y el agua entra a loslubricantes, la viscosidad aumenta y pueden comenzar a formarsedepsitos de sedimento. Las reacciones qumicas y el agotamiento delos aditivos se aceleran y frecuentemente aumentan la acidez dellubricante.

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Olor El olor de la muestra de lubricante revelar generalmente olorespenetrantes, o no agradables, lo cual indica la presencia de cidos,oxidacin avanzada, contaminacin con combustible, etc.

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Pruebas de SOS El Anlisis de Fluidos (SOS) puede tambin ayudar a determinar elmetal de desgaste y los niveles de holln en el aceite. El NBT, el nivel deglicol y el contenido de agua pueden revisarse tambin.

Es necesario efectuar estas pruebas regularmente con el fin deestablecer una tendencia y una lnea de tendencia de los metales dedesgaste.

Algunas pruebas tambin revelarn el tiempo y la severidad de laentrada de contaminantes

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Componentes

DISEO / FABRICACIN

Partes de una bomba de engranajes unidireccional de una seccin:

1.- Retn2.- Banda de sellado3.- Anillo de sellado4.- Plancha de aislamiento5.- Engranaje6.- Engranaje loco7.- caja8.- pestaa9.- sello anular10.- Anillo de soporte11.- Plancha de presin

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Sellos No deben aplanarse, deformarse ni rajarse los sellos y deben retener suflexibilidad

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DesgasteAbrasivo

Aireacin /Cavitacin

Falta delubricacin

Sobretemperatura

Sobrepresin

Partes

CONDICIONES ANORMALES

Los motores y bombas hidrulicas pueden operar en ambientes hostiles,como contaminacin por abrasin, aireacin, cavitacin, falta delubricacin, recalentamiento o presiones excesivas. Puede tambinhaber problemas de diseo, con los materiales, de proceso o armado dela bomba. Cuando existen condiciones inusuales que causen desgaste ofractura, necesitamos inspeccionar las piezas y determinar la causa delproblema.

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Segunda seccin Los engranajes y ejes de la segunda seccin de la bomba tienen lamisma decoloracin, indicando que se recalent la bomba entera.

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Las paletasinicialmente semantienen contrael anillo

Las paletas sebiselan (flecha)

Las paletas inicialmente se mantienen contra el anillo excntrico, graciasa la fuerza centrfuga producida por la rotacin del rotor. A medida que elflujo aumenta, la presin resultante, que se produce por la resistencia aese flujo, dirige el flujo a los conductos del rotor entre las paletas (1).

Este aceite presurizado bajo las paletas mantiene las puntas de laspaletas presionadas contra el anillo excntrico, y forman un sello. Laspaletas se biselan (flecha) para evitar que se presionen en exceso contrael anillo excntrico y para permitir as una presin compensadora atravs del extremo exterior

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Componentes

DISEO / FABRICACIN

Las bombas de paletas constan de una caja, un eje y un cartucho. Laspiezas del cartucho son de izquierda a derecha:

- Plancha de soporte de salida- Plancha de flexin (del lado de acero)- Anillo de levas y rotor- Paleta e inserto- Plancha de flexin (del lado de cobre)- Sellos- Plancha de soporte de entrada

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Conjunto de rotor

Dureza 62 Rc

El conjunto de rotor se fabrica de tres materiales: - El rotor mismo es dealeacin de acero con bajo contenido de carbono, endurecido ytemplado, el cual tiene las ranuras y los pasajes de lubricacin para laspaletas ya maquinado antes del tratamiento trmico. Despus deltratamiento trmico la dureza del rotor es de aproximadamente Rc60. Las paletas son de acero para herramientas, enfriado por aire a unadureza de aproximadamente RC62. - Los insertos son de aceroendurecido con alto contenido de carbono, al mismo ndice de durezaque el rotor y las paletas.

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Cargastorsionales

Los ejes reciben cargas torsionales por la resistencia al giro, as comoesfuerzos de doblamiento creados por el pin.

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Reconocer loscomponentesnormales

APARIENCIA NORMAL

El desgaste en las bombas de paletas ocurre entre las planchas deflexin y las ranuras del rotor, y entre el anillo de levas y las puntas delas paletas. Una inspeccin minuciosa de estas reas mostrar indiciosde desgaste normal o anormal.

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Paletas Las paletas sufren poco o nada de desgaste cuando operannormalmente.

Las puntas de las paletas sufren muy poco desgaste si la cantidad y lacalidad de los fluidos son adecuadas.

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Sellos Los sellos de caucho y los retenes de plstico no deben tener manchastrmicas, estar derretidos, agrietados ni quebradizos.

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Dao abrasivo


El desgaste abrasivo fino, pero anormal, en las bombas de paletas dejahuellas en las planchas de flexin, en las paletas y en los anillos de leva

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Acabado pul idoliso y brillante

Un acabado pulido, liso y brillante, como el que se ve en esta plancha deflexin, es un indicio de abrasivos en el sistema. Nuevamente esnecesario hacer una inspeccin visual y un anlisis del fluido paradeterminar el tipo de material responsable por la contaminacin delsistema. Un buen lugar donde buscar es en el lado de aleacin de cobrede la plancha de flexin, ya que las partculas se incrustan siempre en elmaterial blando. Una vez que hayamos encontrado e identificado laspartculas abrasivas, necesitamos determinar como entraron en labomba.

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Contaminacinsevera

Una contaminacin mas severa produce rayaduras que puedenextenderse sobre la superficie entera de la paleta. El mayor dao porabrasin ocurre en el lado de la paleta opuesto a la direccin de rotacin.

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Dao por materialextrao

De vez en cuando, grandes trozos de materia extraa entran en labomba. El dao que causan es serio y puede resultar en agarrotamientode la bomba o en rotura del eje. Es necesario buscar indicios de materiaextraa e identificar su origen.

Esta plancha de flexin se saco de una bomba de paletas que operababien y de repente se agarroto. El eje no giraba y se tuvo que sacar elcartucho. Mirando detenidamente la plancha de flexin, vemos ranurasprofundas en los bordes de la lumbrera de admisin y el borde inferior dela lumbrera de salida del lado derecho. Sea cual fuere la materia extraa,esta logro pasar por la bomba y da ambas planchas de flexin.

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Material extraoentre rotor ypaleta

Una inspeccin visual del rotor muestra daos en dos paletas, y unpedazo de materia extraa atrapado an entre el rotor y el anillo delevas.

Ms de cerca, vemos que la materia extraa es un pedazo grande demetal que qued atrapado en el espacio angosto entre el rotor y el anillode levas. Inspeccionando las dems piezas, quiz podemos determinarel origen de esta materia extraa.

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Dao porAi reacin

Es el trmino utilizado para describir burbujas en el fluido hidrulico,causadas por fugas de aire en el sistema, recalentamiento o turbulencia.Las fugas del sistema por sellos o acoplamientos de mangueras sonfuentes tpicas de aireacin, mientras que un nivel del fluido de retornoms alto que el nivel de aceite causar turbulencias.

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Picaduras en lacapa superficial

Determinar laentrada deburbujas alsistema

La aireacin o cavitacin con bombas de paletas causa picaduras en lacapa superficial de las planchas de flexin. Estas picaduras pueden sermuy agudas y brillar como si fuesen una fractura quebradiza. Ocurre, aveces, una leve erosin en agujeros o ranuras que pasa desapercibida.La erosin mas seria es bastante obvia, ya que se pierde material de lassuperficies normalmente planas.

Una vez determinado que aireacin o cavitacin es la causa de la falla,se deben repasar los datos obtenidos por la inspeccin de las piezas, delequipo, de los operadores y de los registros de mantenimiento. Se debenobtener los datos sobre la calidad y cantidad de aceite en el momento de

la falla, cualquier ruido inusual que hiciera la bomba, evidencia de fugasy del estado general del sistema hidrulico. Es especialmente importantedescubrir cualquier condicin que pudiera haber restringido el flujo delfluido a la entrada de la bomba o permitido la entrada de burbujas.

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Dao por falta delubricacin

La falta de lubricacin resulta en capa insuficiente de aceite para separarlas piezas mviles, causando el roce de metal con metal y desgaste poradherencia. Como no hay aceite all para mantener fras las piezas queentran en contacto, con frecuencia se produce recalentamientolocalizado, esmerilado y decoloracin. Los bujes y ejes, los rotores yplanchas de flexin, son por lo general, los componentes que muestranmayores daos.

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Examinar enforma general

Observemos cuidadosamente las piezas de esta bomba de paletas paraver si podemos encontrar indicios de la causa principal de la falla. Unexamen general muestra manchas trmicas y sellos derretidos.Necesitamos hacer una inspeccin minuciosa de cada componente paradeterminar porqu tienen la apariencia fsica que tienen.

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ManchasTrmicas

Manchas porAdherenc ia

La inspeccin de la plancha de flexin muestra muy poca evidencia deresiduo de ceniza, pero muestra, sin lugar a dudas, manchas poradherencia, manchas trmicas en la plancha de aleacin de cobre, ycortaduras por las paletas. Esto hace suponer que la bomba no reciba lacantidad adecuada de aceite para mantenerla lubricada y fra. La falta delubricacin puede hacer que las paletas se peguen en el rotor y corten laplancha de flexin, como vemos aqu.

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reas condecoloracin

La superficie de desgaste del anillo de levas est demasiado desgastaday tienen manchas trmicas. El frotamiento entre las paletas y el anilloprodujo recalentamiento que no enfri el fluido. Las reas expuestas enlos costados del anillo de levas muestran un descolorido, una indicacinde recalentamiento en donde la lubricacin, por lo general, enfra laspiezas.

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Dao porSobrepresin

Este anillo de levas de una bomba de paletas indica que no tiene indiciosde recalentamiento ni de desgaste, sin embargo, se fisur en la lumbrerade alta presin. La alta presin ejerce esfuerzos tractivos en la parteexterior del anillo de levas, en este punto. La combinacin de esfuerzos yel orificio crea una concentracin de esfuerzos que puede fisurar el anillode levas si se ejerce un exceso de presin. Nuevamente, se debe tratarde localizar y solucionar la causa del exceso de presin.

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Fractura de anillode levas

Este anillo de levas se quebr tambin en distintos lugares. El fisuradodonde no haba concentraciones de esfuerzos nos indica que hubo fatigatrmica. Necesitamos investigar el desgaste en el resto de las piezas dela bomba para tratar de identificar la fuente de calor. Es poco probableque se deba a exceso de presin porque el fisurado no ocurri slo enlos puntos de altos esfuerzos.

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Bomba de caudalvariable

BOMBA DE PISTONES

En la bomba de pistones axiales de caudal variable, el pistn puedepivotar atrs y adelante para cambiar su ngulo al del eje. El cambio delngulo hace que el flujo de salida vare entre los ajustes mximos ymnimos, aunque la velocidad del eje se mantiene constante.

En estas bombas, cuando un pistn se mueve hacia atrs, el aceite fluyehacia la entrada y llena el espacio dejado por el pistn en movimiento. Amedida que la bomba gira, el pistn se mueve hacia adelante, el aceitees empujado hacia afuera a travs del escape de salida y de all pasa alsistema.

Casi todas las bombas de pistones usadas en equipos mviles son depistones axiales.

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Tambor La superficie de la lumbrera del tambor puede tener rayaduras leves, endonde las bandas de sellado de la plancha de la lumbrera toca lasuperficie del tambor. Esto se debe a las minsculas partculas abrasivasque, por lo general, estn presentes en los fluidos hidrulicos.

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Plancha deretraccin

Las planchas de retraccin sufren un pulido ligero alrededor de losagujeros, causado por el desgaste entre los patines y la plancha deretraccin

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Eje de la bomba El eje de la bomba puede mostrar algo de desgaste en las estras, el cualdebe compararse con la gua de reutilizacin de partes. Los sellospulirn ranuras en la superficies de sellado, las cuales no deben excederlas recomendaciones de la gua. Hay veces que se astillan las muescas,pero no deben agrietarse.

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Dao abrasivo


Cuando la materia abrasiva entra en los motores o bombas de pistones,causa desgaste en las planchas de las lumbreras, en los tambores, enlos pistones, patines y en las planchas de retraccin.

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Desgastealrededor de lalumbrera

Las planchas de lumbreras y los tambores se desgastan mas alrededorde las lumbreras y de las bandas de sellado, cuando en contaminanteentra por el lado de admisin. Un buen lugar donde encontrar materiaextraa es en la superficie de empuje de la plancha de lumbrera, o en lasranuras y perforaciones del lado posterior de la plancha de lumbrera. Nose olvide de buscar materia extraa antes de limpiar las piezas.

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Desgaste en lacara del patn

Los patines de aleacin de cobre se desgastan fcilmente por laabrasin. La mayor parte del desgaste ocurre entre la cara del patn y laplancha de desgaste, pero tambin se produce algn desgaste adicionalentre la pestaa del patn y la plancha de retraccin.

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reas pul idasalrededor de losagujeros

Los patines pueden desgastar las planchas de retraccin, produciendoreas pulidas y brillantes alrededor de los agujeros y un ligeroabocardado de sus bordes.

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DesgasteAdhesivo

Puede ocurrir falta de lubricacin en motores y bombas de pistonesaxiales sin tener manchas trmicas, pero con algunos indicios defrotamiento, por lo general. A menudo ocurre una accin de fregadoentre el pistn y el tambor, el resultado es dao de los patines, de laplancha de retraccin y de la plancha de desgaste.

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Dao porarrastramientodel pistn

Cuando un pistn comienza a arrastrar o a causar friccin con el tambor,pueden ocurrir varias cosas. La plancha de retraccin se dobla por lassobrecargas que produce tirar del pistn hacia abajo. El patn puededeformarse o tirar demasiado, produciendo un problema serio en el platobasculante, o puede romperse la plancha de retraccin. Si se agarrota unpistn, la plancha de retraccin se puede romper rpidamente, dando laimpresin de haber un impacto de carga.

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Agarrotamiento Esta bomba de pistones muestra dao tpico a los patines de lospistones y de la plancha de retraccin causados por agarrotamiento. Unpistn se arrastr en el cilindro, sobrecargando la plancha de retraccin.

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Plancha delumbrera conadherencia

Cuando encontramos una plancha de lumbrera como esta,inmediatamente sospechamos que se recalent el aceite en todo elsistema. Noten que hay gran cantidad de ceniza en todas las superficies.

Un vistazo mas detenido indica que no ocurri desgaste por adherencia.Debemos tratar de identificar la causa de recalentamiento del aceite.

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reas generalesde causa raz

Por lo general, la causa principal de una falla de engranajes est en lasreas de aplicacin y mantenimiento. La siguiente causa ms probablepuede estar en la instalacin, seguida de problemas de fabricacin ydiseo. Noten que el diseo y la fabricacin representan un porcentajemuy pequeo en las fallas de engranajes. Nuestra tarea esta enidentificar la causa original y tomar las medidas necesarias paracorregirlas

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Cinco funcionesbsicas

FUNCIN

Los engranajes realizan cinco funciones bsicas:

1.- Transmiten fuerza2.- Cambian la direccin y/o el ngulo de movimiento3.- Cambian la velocidad de rotacin4.- Cambian el nivel de torsin5.- Transfieren fuerza a una lnea de centro de eje diferente

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Mayor velocidadmenor torque

Menor velocidadMayor torque

Cuando el engranaje motor es ms grande que el engranaje impulsado,este ltimo tendr mayor velocidad de rotacin, pero menor capacidadde torsin que el primero. Cuando el engranaje motor es ms pequeoque el impulsado, este ltimo tendr menor velocidad de rotacin, peromayor capacidad de torsin que el primero. Solamente invirtiendo larotacin de los engranajes se aplican cargas de flexin inversa en losdientes de una transmisin directa. Como los engranajes pequeos giranms veces que los ms grandes con los cuales engranan ygeneralmente transmiten esfuerzos mayores, con frecuencia se fabricancon materiales ms resistentes.

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Engranaje loco Cuando se necesita mantener la direccin de rotacin o cuando losengranajes impulsados estn apartados del engranaje motor, se utilizanengranajes locos. Por lo general, el tamao del engranaje loco no afectaa la relacin entre engranajes, capacidad de torsin o velocidad ydireccin de rotacin de los engranajes motores e impulsados. Losdientes de un engranaje loco hacen un ciclo completo de carga de flexininversa en cada revolucin.

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Flujo granularparalelo a lasuperficie

Los engranajes de acero forjado acabado tienen flujo granular paralelo ala superficie. Como las grietas no atraviesan fcilmente el flujo granular,este tipo de estructura aumenta la resistencia a las grietas por fatiga enlos concentradores de esfuerzos como giros, muescas, filetes, etc. Losengranajes tallados de piezas brutas forjadas tienen flujo granular lateral,pero tambin son muy fuertes y durables. Los engranajes de acerofundido, los troquelados de aleacin o los prensados de metal en polvo,se usan generalmente en accesorios, en sistemas hidrulicos o en otrasaplicaciones de carga baja. A veces se usa tratamiento trmico parareforzar el engranaje y aumentar su resistencia al desgaste.

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Rectos

Coronas

Helicoides

Sinfn

DISEO

Los diseos de engranajes comprenden: Rectos, Coronas, helicoidales ySinfn.

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Comnmentetransmiten fuerza

Los engranajes rectos se usan comnmente para transmitir fuerza entreejes paralelos. En muchos de los engranajes rectos actuales, un diente ala vez lleva la mayor parte de la carga. Esto produce con frecuencia unpequeo salto cuando la carga se transfiere de un diente al siguiente,haciendo un poco de ruido durante esta operacin.

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Coronas Las coronas rectas tienen dientes ahusados, espaciados uniformementeentre s. El extremo ms grueso y ms amplio del diente se llama taln,el extremo pequeo es llamado punta. Estos engranajes son similares alos engranajes rectos y son econmicos de fabricar.

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Corona recta Las coronas rectas se usan comnmente entre ejes que estn colocadosen ngulo. Generalmente, un diente soporta la mayor parte de la cargaen cualquier momento.

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Engranajeshelicoides

Otros diseos de coronas son: Dentado Ipoide, espiral y Helicoidal. Estosengranajes estn diseados de forma que dos o ms dientes compartenla carga, pero los dientes ya no son rectos y su ngulo hace queaumente el contacto de deslizamiento entre dientes. Tambin se produceempuje axial a causa del ngulo del diente, lo que requiere el uso decojinetes de tope. Estas coronas son de operacin ms silenciosa quelas coronas rectas y que los engranajes rectos.

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Engranajesinternos

Los dientes de un engranaje tambin pueden ir dentro del engranaje,permitiendo la reduccin de velocidad, el aumento de par y separacinms compacta entre dientes. El engranaje central que aparece de estaimagen tambin se denomina engranaje solar, los pequeos que giranalrededor del central se llaman planetarios y el engranaje exterior sedenomina anular o corona (tren epicicloidal).

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Punta

Raz

Lnea de paso

Cabeza

Pie

NOMENCLATURA

Cualquiera que sea el tipo del diente, la nomenclatura de sus partes essimilar. La parte superior del diente se llama punta, la parte inferior es laraz, la parte del diente donde se produce el contacto de rodamiento sedenomina lnea de paso y el crculo que une las lneas de paso se llamacrculo de paso. La seccin del diente sobre la lnea de paso se llamacabeza, la seccin del diente bajo la lnea de paso es el pie. Tanto eldeslizamiento como el rodamiento se producen en la cabeza y el pie. Elradio del filete entre dientes se denomina por lo general filete de raz ydebe estar suavemente integrado en el perfil del diente.

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Los dientes sonms gruesos enel centro

Los dientes de engranajes por lo general son ms gruesos en el centroque en los extremos para reducir la carga en los bordes del diente. Lasaliente del diente es una medida de la uniformidad de un dientealrededor de su eje. Por lo general, la saliente se verifica midiendo ladistancia del eje central del diente a su lnea de paso de un extremo deun diente a otro. La forma de la cara del diente es la envolvente. Unasaliente incorrecta puede cambiar la ubicacin de la corona y de laenvolvente, que a su vez, puede producir concentraciones de esfuerzos,desgaste anormal y fractura de dientes.

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Diferentes etapas Aqu vemos las distintas etapas de la fabricacin de un engranaje. Acontinuacin repasamos brevemente estas etapas para comprendermejor la estructura y propiedades de los engranajes.

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Engranajes Catde acero forjado

Los engranajes Caterpillar se hacen, por lo general, de acero forjado,pero se pueden tallar de una barra de acero o fabricar de una pieza defundicin o por compresin de metal de polvo. La mayora de losengranajes en bruto proceden de abastecedores.

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Apariencia de unengranaje confresado basto

El agujero central y la circunferencia exterior del engranaje son losprimeros que se fresan. Despus de este fresado basto, esta es laapariencia tpica de un engranaje.

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Deflexin deldiente

Si bien los dientes de un engranaje son fuertes, se deforman bajo carga,pero estn diseados para que esa deflexin este dentro de un lmite dedeformacin elstica. Si un diente est impulsado cclicamente en unasola direccin, las posibles grietas por fatiga progresan en una soladireccin y comienzan en un rea de gran concentracin de fuerzas detraccin, como el radio de un filete.

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Desgasteanormal

Cuando hay desgaste anormal en los dientes de los engranajes, eldesgaste mas visible esta generalmente sobre o bajo las lneas de pasoporque el deslizamiento se da en estas reas. Si solo hay rodamiento enlas lneas de paso, por lo general el desgaste es menor.

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Desgaste poradherencia El desgaste por adherencia, se produce cuando hay roce del metal delos dientes bajo carga. Puede empezar en los dientes de los engranajescuando la pelcula de lubricacin o la resistencia de la misma soninsuficientes, cuando hay exceso de carga o de revoluciones por minuto,cuando hay desalineacin entre dientes, etc. El roce del metal indica quehay asperezas que frotan y micro sueldan. Si este roce continua, sepueden producir macro soldaduras y mayor desgarramiento de metal.

Puntos a recordar:

Velocidad + Carga = Calor

Calor = Oxidacin, Evaporacin o Desaparicin de la pelcula deaceite

Problema pelcula de aceite = Roce de Metal y Alta Temperatura

Alta Temperatura = Macro soldadura y rayado

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Deformacinplstica

Rebordes y resaltos son otras formas de deformacin plstica. Seproducen cuando la superficie del engranaje se deformapermanentemente porque carece de la fuerza necesaria para soportarlas cargas que se le aplican. Si un engranaje esta cargado en ladireccin de avance y en la direccin de retroceso, se producen resaltosa ambos lados del diente del engranaje como se ve aqu. Recordemosque existe la posibilidad de que la carga sea excesiva, la lubricacin o latemperatura de la superficie sea inadecuada o que el engranaje seablando.

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Inspeccindetallada

La inspeccin mas detallada, revela con ms claridad el oleaje y lasmellas que empiezan en el diente. Estas mellas indican que ha habidoesfuerzos de flexin bastante grandes y que varias grietas empezaron aaliviar esos esfuerzos. Como los puntos de iniciacin estn en lasuperficie, sabemos que no se trata de inclusiones o pregrietas.Debemos anotar hechos sobre carga y aplicaciones antes de pensar queel engranaje es dbil.

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Fractura frgilesdctiles

Muchas fracturas de engranajes son el resultado de carga por impacto.Debemos recordar que las fracturas quebradizas son brillantes,cristalinas y speras al tacto. Las fracturas dctiles son oscuras,speras, leosas y, por lo general, la fractura final tiene labios cortantes.Las fracturas dctiles se producen cuando la sobrecarga basta parafracturar un diente del engranaje en un ciclo de carga. Las caras de lafractura sern leosas en apariencia y normalmente oscuras y speras.

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Fuerte impacto Cuando los dientes de un engranaje saltan como resultado de un fuerteimpacto, se producen fracturas quebradizas con caractersticas propias.El lado donde comienza la grieta tiene generalmente aparienciacristalina, mientras que la ultima parte del diente en romperse, fracturafinal, esta casi siempre cortada.

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Cojinetes:

De Bolas

De Rodillos

Hay dos categoras generales de cojinetes antifriccin, de bola y derodillos. Dentro de estas categoras, los dos tipos principales que seencuentran en los productos Caterpillar son:

De Bolas: Contacto radialContacto angular

De Rodillos: Cilndricos (rectos)CnicosEsfricosAxiales

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Cojinete derodilloscilndricos

A.- Anillo exteriorB.- Pista de anillo exteriorC.- Superficie del anillo exterior (D.E)D.- CanastilloE.- RodillosF.- Anillo interiorG.- Pista del anillo interiorH.- Superficie del anillo interior (D.I)I.- Cara de los anillosJ.- Pestaas

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Cojinete derodillos cnicos

A.- Cubeta o anillo exteriorB.- Pista de cubeta o anillo exteriorC.- Superficie del anillo exterior (D.E)D.- Cara frontal del anillo exteriorE.- Cara posterior de anillo exteriorF.- Porta rodillosG.- RodillosH.- Cono o anillo interiorI.- Pista o cono de anillo interiorJ.- Superficie del anillo interior (D.I)K.- Cara frontal del anillo interior

L.- Pestaa de cara frontal, anillo interiorM.- Cara posterior del anillo interiorN.- Pestaa en cara posterior de anillo interior

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Cojinete deagujas

El cojinete de agujas es un tipo especial de cojinetes de rodilloscilndricos que tienen rodillos con una relacin de longitud / dimetromayor de 4:1. Se usan para soportar cargas radiales en ejes en los quese debe mantener las dimensiones radiales al mnimo. Este conjunto deporta rodillos y rodillos es un tipo de cojinete de agujas que se usa, aveces, para soportar los engranajes planetarios de las servotransmisiones.

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Cojinete deagujas depista exterior

Otro tipo de cojinete de agujas, su caracterstica particular es la pistaexterior, la cual se forma estampando un anillo de acero endurecidorelativamente delgado alrededor de los rodillos. Este tipo de cojinetesnecesita de un cuidado especial al ser instalados.

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Cojinetes derodillos cnicos

Los cojinetes de rodillos cnicos sirven especialmente para soportarcargas radiales y axiales. Esto es posible porque los rodillos y las pistasforman un ngulo con el eje de giro de los ejes. Estos cojinetes sontambin tiles para mantener una posicin axial precisa de los ejes y delas cajas.

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Contacto angularsimple

Contacto angulardoble

Los cojinetes de contacto angular simple a la izquierda, estn diseadospara soportar tanto cargas radiales como considerables cargas axiales.Se usan tambin cuando se requiere una ubicacin axial precisa de losejes. Estos cojinetes pueden recibir cargas axiales solo en una direccin.Sin embargo, cuando se montan en pares opuestos, los cojinetes decontacto angular simple pueden soportar cargas en ambas direcciones.

Los cojinetes de contacto angular dobles a la derecha, son bsicamentedos cojinetes simples fabricados en una sola unidad, pueden soportarcargas axiales en ambas direcciones y permite una ubicacin axialprecisa de los ejes.

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Contacto radial

Contacto angular

En cojinetes de contacto radial sometidos solo a cargas radiales, losesfuerzos se concentran en el centro de las pistas. El anillo fijo soportarun esfuerzo constante en la seccin que esta en la direccin de la carga(zona de carga). El anillo rotatorio soportar los esfuerzos alrededor detoda su circunferencia.

En los cojinetes de contacto angular sometidos a cargas radiales mascargas axiales significativas, los esfuerzos se concentran hacia un ladode las pistas y todo alrededor de ambos anillos.

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Rodilloscilndricos

Rodillos cnicos

Esfuerzos normales en los cojinetes de rodillos cilndricos se presentarna lo largo de toda la pista rotatoria, a medida que pasa por el rea decarga, y solo parcialmente en la pista estacionaria, en la zona de carga.

Los esfuerzos en cojinetes de rodillos cnicos sometidos a altas cargasaxiales o precargas se presentarn alrededor de toda la superficie deambas pistas. Existirn adems fuerzas de flexin, deslizamiento ycompresin, debido al contacto entre la pestaa posterior del anillointerior y el extremo de mayor dimetro de los rodillos (fuerza deasentamiento).

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Las pistas secortan de tubos

FABRICACIN

Los cojinetes se fabrican de aleaciones de acero de alta calidad, algunosse funden al vaco y la mayora se desgasifican al vaco para obtenermxima limpieza. Las pistas se cortan de tubos (cojinetes pequeos) ose forjan (cojinetes grandes) de acero de alta calidad y luego semaquinan a la dimensin especificada.

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Durezasuperficial 60 RC

Los rodillos tambin se someten a endurecimiento superficial, durezamnima de 60 RC, y despus se rectifican a la dimensin final.

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Cojinetes debolas y rodillosesfricos

Los cojinetes de bolas y de rodillos esfricos se fabrican de manerasimilar, excepto que las pistas y los elementos rodantes sonendurecidos totalmente. Es por esto que no se observa endurecimientosuperficial en los cortes transversales de la bola y de las pistas que semuestran en esta ilustracin.

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Indicaciones parala remocin einstalacin

REMOCIN / INSTALACIN

Es muy importante usar los cojinetes apropiados a cada aplicacin yseguir los procedimientos correctos de remocin e instalacin.

1.- Asegrese de ordenar cojinetes por medio del sistema de piezasCaterpillar.2.- Los cojinetes, ejes y alojamiento de las cajas deben estar limpios ylibres de polvo o suciedad.3.- Se deben utilizar herramientas y procedimientos adecuados paraevitar ejercer fuerzas excesivas entre las pistas y los elementos rodantesy para evitar daar las pistas, cajas y ejes.4.- La alineacin de los ejes y de las cajas debe ser exacta.5.- Los cojinetes deben encajar correctamente en los ejes o en losalojamientos de las cajas.6.- El ajuste de los cojinetes, si es requerido, debe ser exacto.

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Operacin ydesgaste normal

La velocidad del cojinete es el principal factor para determinar el espesordel lubricante, otros factores incluyen cargas, acabado superficial,viscosidad del aceite y temperatura. Durante la operacin normal a altavelocidad, los elementos rodantes giran con la velocidad suficiente paraproducir una capa fina de aceite (elastohidrodinmica, EHD) que separalos elementos rodantes de las superficies de las piezas.

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Velocidadesbajas

En aplicaciones de velocidades mas bajas, la pelcula de lubricantepuede no ser suficiente para mantener completamente separadas lassuperficies de las pistas y de los elementos rodantes, en estascondiciones alguna partcula puede penetrar la pelcula de lubricanteacortando la vida til del cojinete, en trminos de nmero derevoluciones. Este hecho se toma en consideracin cuando se diseanlos cojinetes, por lo que se consigue la vida til normal en trminos dehoras de operacin.

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Carga radialanillo interiorgira, anilloexterior detenido

Esta ilustracin muestra un patrn de desgaste normal de una pista enun cojinete de bolas cargado radialmente, la flecha indica la direccin dela carga en la pista interior. En esta aplicacin el eje (anillo interior) giramientras que la caja (anillo exterior) esta estacionaria. El desgaste seproduce en todo alrededor del centro de la pista interior rotatoria y soloen la porcin de la zona de carga de la pista estacionaria.

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Cargas axiales Si un cojinete de bolas soporta siempre cargas axiales en una soladireccin, el patrn de desgaste de las pistas ser similar al de estailustracin.

Nota: cargas axiales puras producen desgaste alrededor y hacia un ladoen las dos pistas.

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Cargas radiales yaxiales

Estas pistas son de un cojinete de bolas sometido a ambas cargas, axialy radial. La pista exterior estacionaria tiene mayor desgaste (hacia abajo)en la direccin a la carga radial.

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Rodilloscilndricosanillo internogira, anilloexterno detenido

Los cojinetes de rodillos cilndricos estn diseados fundamentalmentepara soportar cargas radiales, por lo que sus patrones de desgastenormal sern similares a los de cojinetes de bolas en aplicaciones decarga radial. El desgaste se producir alrededor de toda la pista rotatoriay solo parcialmente en la pista estacionaria en la zona de carga.

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Rodillos cnicosbaja precarga

Los patrones de desgaste en cojinetes de rodillos cnicos variarandependiendo del ajuste y de las cargas axiales a que se sometan.Mientras mas suelto sea el ajuste y mas ligeras las cargas axiales, mayorser la tendencia de la pista estacionaria a desgastarse solo en unaporcin de su circunferencia.

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Precarga alta Cuanto ms apretado sea el ajuste y mayores sean las cargas axiales,mayor ser el desgaste en toda la circunferencia de la pista estacionaria.

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Los tipos mscomunes dedaos decojinetes


1.- Fatiga por esfuerzo de contacto

2.- Deformacin plstica

3.- Desgaste adhesivo

4.- Desgaste abrasivo

5.- Corrosin

6.- Corrosin por frotacin

7.- Picaduras y estras causadas por electricidad

8.- Daos por manejo e instalacin inapropiados

9.- Fracturas

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Los puntosclaves a recordarcuando seanalizan fallas

La mayora de las condiciones anormales causarn altas cargas y/otemperaturas en la pista y en los elementos rodantes, lo cual afectar lapelcula de aceite, causando desgaste anormal, descascaramiento odeformacin plstica y finalmente falla.

Tambin debemos reconocer que cuando ocurre un tipo de dao, estepuede producir otro tipo de dao en la misma superficie de la pieza. Porlo tanto en el momento de investigar se pueden encontrar dos o mstipos de daos, con el dao secundario sobrepuesto sobre el dao inicial.

Por ello es deseable investigar una falla en la etapa ms tempranaposible, para determinar con mayor exactitud la raz del problema.

Tambin debemos asegurarnos de considerar todos los hechos yposibles condiciones durante nuestro anlisis para no saltar a ideaspreconcebidas acerca de la causa de la falla.

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Fatiga poresfuerzo decontacto

Si existe sobrecarga y hay suficiente aceite fresco para evitar elablandamiento del cojinete por alta temperatura, las pistas y loselementos rodantes pueden fallar de forma prematura debido a fatiga poresfuerzo de contacto al rodar. Altos esfuerzos de rodadura causanflexin cclica de las superficies de las pistas y elementos rodantes, loscuales inician pequeas fracturas por fatiga debajo de la superficie, lasque pueden crecer hacia la superficie, quebrando eventualmentegrandes pedazos de material, llamado descascaramiento.

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Causas de fatigapor tensin decontacto

Existen varias causas posibles de fatiga prematura por esfuerzo decontacto como:

- Exceso de cargas aplicadas

- Cojinetes de rodillos cnicos ajustados muy sueltos

- Cojinetes de rodillos cnicos ajustados muy sueltos

- Eje muy grande o caja muy pequea

- Eje o caja ovalados

- Eje o caja cnicos

- Mala alineacin

- Lubricacin de baja viscosidad

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Cojinetescnicos sueltos

El ajuste correcto de los cojinetes de rodillos cnicos es esencial, si elcojinete se deja muy suelto (mucho juego axial), puede ocurrir desgastey descascaramiento debido a sobrecarga, por no haber el suficientenumero de rodillos soportando la carga.

En aplicaciones de ejes horizontales, principalmente carga radial, estopuede resultar en:

- Desgaste y descascaramiento alrededor de la pista rotatoria, pero soloen una pequea porcin de la pista estacionaria.

- Los rodillos pueden mostrar desgaste y descascaramiento desigual enlos extremos. Las pistas tambin pueden mostrar ms desgaste ydescascaramiento en una cara que la otra.

- Las ventanas del porta rodillos en los cojinetes en cualquier extremo deleje pueden mostrar un patrn de desgaste (llamado reloj de arena) yformacin de labios.

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Perdida de ajusteaxial

Rodillos condesportillamiento

Desgaste de relojde arena

Este anillo estacionario (foto izquierda) fue sobrecargado debido a laperdida del ajuste del cojinete (juego axial). Vea el rea estrecha dedescascaramiento, el cojinete tena tanto juego axial que los rodillos nohacan contacto con el ancho total de la superficie de la pista.

Los rodillos cnicos de este mismo cojinete (foto derecha) muestrandescascaramiento en el extremo de menor dimetro lo que indica malaalineacin por excesivo juego axial. Note tambin la formacin de labiosy el patrn de desgaste de reloj de arena de las ventanas del portarodillos. Esto se debe a que se permiti que los rodillos se atravesaran yrozaran con mayor fuerza que la normal contra las ventanas del portarodillos, debido a que no se mantuvieron alineados con un ajustecorrecto y fuerza de asentamiento adecuada contra la pestaa posteriordel anillo interior.

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Cojinetescnicos muyapretados

Si la precarga es excesiva, los elementos de rodadura y las pistaspueden sobrecargarse en el sentido axial, causando fatiga prematura desus superficies, descascaramiento y falla final.

- Desgaste / descascaramiento en una gran porcin de la circunferenciade ambas pistas la rotatoria y la estacionaria.

- Rodillos y pistas se desgastan / descascaran uniformemente de cara acara.

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Cargas axialesexcesivas

Ajuste muyapretado

Esta pista de cojinete de rodillos cnicos (foto izquierda) tiene los indiciostpicos de haber sido sometida a cargas axiales excesivas, posiblementepor un ajuste muy apretado.

Los rodillos y el anillo exterior (foto derecha) muestran el mismo patrnde descascaramiento uniforme, indicando que estas piezas tambinoperaron apretadas y fueron sometidas a sobrecarga durante su vida til.

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Fuera deredondez(ovalado)

Otro problema dimensional que puede acortar la vida til es un eje o unacaja fuera de redondez, en este caso, el patrn de desgaste de la pistainstalada en o sobre la pieza fuera de redondez, mostrar dos o mszonas de carga.

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Mala alineacinLa mala alineacin tambin puede causar desgaste anormal, fatiga poresfuerzo de contacto y descascaramiento. Esta pista de un cojinete derodillos cnicos muestra un patrn de desgaste causado por un eje malalineado debido a la prdida de apoyo en el otro extremo. Si se dejaoperar por ms tiempo y las temperaturas no son excesivas, la superficiepuede desarrollar fatiga por esfuerzo de contacto y descascaramiento.

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Apariencia seca /caliente

DEFORMACIN PLSTICA

Si la causa principal es la falta de aceite o grasa, las superficies delcojinete y los componentes contiguos sern, generalmente, ablandadospor la alta temperatura, mostraran decoloracin por el calor y tendrnuna apariencia mas bien seca con poco aceite quemado o recocido.

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Indicios deseverorecalentamiento

El porta rodillos y los rodillos tambin muestran indicios de severorecalentamiento. Los rodillos se ablandaron, como lo indica ladeformacin plstica de ellos. El porta rodillos se deformo, permitiendoque los rodillos se atravesaran, dejaran de rodar, patinaran, causarandesgaste adhesivo y generaran ms calor.

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Decoloracin porcalor

La pista exterior tambin muestra signos de decoloracin por calor,desgaste adhesivo, depsitos del porta rodillos fundido y una aparienciaseca y caliente.

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Las superficiesvidriosas puedentambin mostrardecoloracintrmica

Los elementos rodantes y las pistas pueden tener tambin unaapariencia vidriosa, debido a un aplanado plstico y del pulido de unacapa muy fina de la superficie, las superficies vidriosas pueden tambinmostrar algo de decoloracin trmica si las temperaturas superficialesfueron altas. Despus comenzaran a desprenderse pequeos trozos dematerial de los elementos rodantes o de las superficies de las pistasformando picaduras, estas picaduras pueden tener una apariencia deescarcha.

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Depsitos deaceite quemado ocarbonizado

Si se genera una gran cantidad de calor las superficies del cojinete y lassuperficies contiguas aparecern decoloradas y hmedas, con depsitosde aceite quemado, cocido o carbonizado. El aceite quemado ocarbonizado es evidencia que haba aceite en el cojinete, pero el calorgenerado es muy grande para ser controlado por el lubricante.

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Posibles causas El desafo para el analista ante una situacin de un cojinete recalentado,pero no completamente seco, es determinar:

- Si la cantidad de aceite o grasa era marginal.- Si la viscosidad del aceite era muy baja por:- Uso de un lubricante inapropiado.- Altas temperaturas de operacin (T ambiente o demasiado aceite)- Si la pelcula del lubricante se alter debido a altas cargas aplicadas,ajustes errneos, mala alineacin, ajuste dimensional incorrecto,acabado superficial spero, etc.

Como puede ver, existen varias condiciones que pueden causar elmismo dao a los cojinetes. Es por eso que es muy importante analizarlas fallas de los cojinetes lo antes posible y obtener todos losantecedentes, tales como calidad del aceite, cantidad, cargas,temperaturas de operacin, antes de determinar la causa principal msposible.

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Brinelado Otro tipo de deformacin plstica que no esta acompaada normalmentede signos de alta temperatura es el denominado mellado o brinelado. Lasmarcas Brinell son indentaciones en la superficie de las pistas productode cargas excesivas transferidas a estas por los elementos de rodadura.Se pueden producir durante el armado al presionar fuertemente una pistaen posicin a travs de la otra y los elementos de rodadura.

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Magullado Partculas grandes en el lubricante, tales como restos metlicos de lafalla de un engranaje o de otro cojinete, pueden causar deformacinplstica de la superficie o indentacin fragmentada, llamada magullado,de las pistas y elementos rodantes. Las partculas rodantes producirnindentaciones angulares agudas, mientras que las partculas msblandas causaran indentaciones ms suaves y menos profundas.

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Desgasteadhesivo

Estas pistas son un ejemplo tpico de desgaste adhesivo superficialcausado por esa condicin. Note que el desgaste no creo excesivo calorni abland el acero, ya que la decoloracin trmica y deformacinplstica es muy pequea o nula. Esto indica que hubo suficiente cantidadde aceite para evacuar el calor generado por el desgaste adhesivo. Eldesafo es saber porque los rodillos dejaron de girar.

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Contaminacinexcesiva

Si la contaminacin es excesiva, los cojinetes pueden trabarse,causando el deslizamiento de rodillos o bolas, generando desgasteadhesivo y causando que las pistas se muevan en los alojamientos delas cajas o sobre los ejes.

Una contaminacin severa puede causar el desgaste de los elementosrodantes y de las pistas, lo que puede incrementar el juego axial encojinetes de rodillos cnicos y producir desgaste anormal del portarodillos, rodillos girando atravesados, fractura del porta rodillos y daoextensivo.

Si los abrasivos hacen que el desgaste de los cojinetes se torne endesgaste adhesivo o descascaramiento, ser difcil determinar la causaprincipal examinado solamente el cojinete daado, sin embargo, laobservacin cuidadosa de otras partes integrantes del mismo sistema delubricacin dar por lo general evidencia de la contaminacin delsistema.

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Corrosin Los cojinetes

4.3.1 Analisis de falla en componentes hidráulicos

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