Paper Rectificcacion

7/23/2019 Paper Rectificcacion

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Ingeniera Mecnica 2 (2005) 23-28

Evaluacin de la fractura por fatiga del cigeal de unmotor Diesel.

R. A. Goytisolo Espinosa, J. G. Noa guila, N. Arzola de la Pea, L. Castellanos Gonzlez, H.Hernndez Herrera, L. Lpez !orres, A. "ernndez Caizares.Facultad de Mecnica. Universidad de Cienfuegos.Carretera a Rodas ! "# Cienfuegos.$el%fono& 22 '2. -!ail& rago*ti+f!ec.ucf.edu.cu

(Reci,ido el de ovie!,re de 200"# ace/tado el 5 de nero de 2005)

Resu#en.

n el $ra,ao se /resentan los resultados de una investigaci1n realiada /or el colectivo de Mecnica /licada de laFacultad de 4ngeniera Mecnica de 6a Universidad de Cienfuegos# con vistas a esclarecer la causa de la fractura delcig7eal de uno de los !otores de la Moto ave 9Mar del :ur; de le !/resa ete# /or donde se /roduo lafractura# dan inferiores a la unidad * la a/licaci1n de la Mecnica de la Fractura :u,crtica# confir!1 =ue la ?ida @tildel r,ol con dic>o !aterial# es !u* li!itada.

Pala$ras %la&es' Cig(eal diesel, )ra%tura por )atiga, #e%ni%a de la )ra%tura su$%r*ti%a.

+. Introduccin.

n una o/eraci1n de atra=ue /or ,a,or# se/roduo la fractura del cig7eal de uno de los!otores de una Moto ave. l !otor >a,asido reciente!ente re/arado /or la#colocndole un cig7eal nuevo# el cual tenasolo ' das de eA/lotaci1n des/u%s de lare/araci1n. s el segundo cig7eal =ue sero!/a des/u%s de una re/araci1n * a!,os/or la !is!a secci1n.

:e sos/ec>a,a =ue el !aterial de loscig7eales su!inistrado /or la Fir!acanadiense# no satisface los re=ueri!ientos deresistencia de dic>os !otores.

6a Facultad de 4ngeniera Mecnica de laUniversidad de Cienfuegos 9Carlos RafaelRodrgue; reali1 la investigaci1n /araesclarecer la causa de la avera * ela,orar uninfor!e =ue /udiera servir /ara resolver ellitigio entre la fir!a ete del eAtre!o de salida del

cig7eal en la ona de sola/e de los !uonesde a/o*o * de ,iela.

l anlisis =u!ico de una !uestra del !etal * laso,servaciones !etalogrficas confir!aron =ue setrata,a de un acero al car,ono rado 30 o si!ilar# conun trata!iento ter!o=u!ico su/erficial en la ona delos !uones# dada la durea DRC E "0 o,servada endic>a ona.

ara realiar el clculo de las fueras so,re elcig7eal es necesario conocer el diagra!a indicado# sine!,argo la infor!aci1n dis/oni,le del !otor era/rctica!ente nula /or lo se /rocedi1 a realiar elclculo t%r!ico del !is!o segGn la !etodologadescrita en H# 3# 5I# de donde se o,tuvo el diagra!aindicado.


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0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Presin en lacmara (kgf/cm^2)

40

60

80

fuerza tangencia Tt

fuerza radial Rt

Figura a.

J 2005 K diciones MC4C.

Figura ,.

Figura c.

Figura d.

n la Figura 2 se !uestra la variaci1n o,tenida de la/resi1n de los gases con el ngulo de giro del cig7eal

* en la Figura 3 los valores de las fueras tangencial $t* radial Rt so,re el codo en funci1n del ngulo de giro.

0 45 90 135 180 225 270 315 360

ngulo de giro del cigeal (grados)

Figura 2. resi1n de la c!ara v.s. ngulo de giro delcig7eal.

2" R. . o*tisolo s/inosa# L. . oa guila# . rola de la ea# 6. Castellanos onle#D.

Dernnde Derrera# 6. 61/e $orres# . Fernnde Caiares.


3/10

-20

20

50 100 150 250 300 350200 4000

25

0

-40 ngulo de giro del cigueal (grados)

Figura 3. Fueras $t * Rt v.s. ngulo de giro delcig7eal.

6a reacci1n i en el !u1n de a/o*o desalida se o,tuvo de la ecuaci1n de e=uili,riocorres/ondiente. Con todas estas fueras seconstru*eron los diagra!as de Mo!entosFlectores en el /lano del codo (lano ?ertical)#en el /lano /er/endicular al /lano del codo(lano Doriontal) * el Mo!ento $orsor en el

codo del cig7eal# o,tenidos en de/endenciade las cargas calculadas anterior!ente * seo,tuvieron las fueras internas =ue surgen enla ona del cac>ete H2I donde se /roduo lafractura. stas se o,tuvieron a/licando el!%todo de las secciones /or las siguienteseA/resiones&

N =Ai Pci kN () mx =Ai b kN cm

(2)

Tt !

M y =M t R Y kN cm (3)2

valuaci1n de la fractura /or fatiga del cig7eal de un!otor Biesel.

Tt

Q = kN (")2

Tt b

M t = kN cm (5)

26as fueras en funci1n del ngulo de giro del

cig7eal se dan en las Figuras " a) * ,)

a) Mo!entos internos en el cac>ete del cig7eal

-20

ngulo de giro del cigueal (grados)

,)Fueras nor!al * de cortante en el cac>ete del cig7eal.

Figura ". Fueras internas en le cac>ete del cig7eal.

6as tensiones /rovocadas /or estas fueras internas

son"&

N 2


4/10

"N = kN Ncm ()B S

M x 2

"mx=

2 kN Ncm (O)

B S

M x 2

"my=

2 kN Ncm (8)

B S

3Q 2

#Q = kN Ncm (')

2 B SM t 2

#Mt= 2 kN Ncm0) $B S

stas en funci1n del ngulo de giro del cig7eal se

dan en la Figuras .5 a) * 5 ,).

60


5/10

-10

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tensiones normales enel cacete!

%ig&a '

%ig&a ()

%ig&a (*

2O

0

ngulo de giro del cigueal (grados)

a) $ensiones nor!ales.


6/10

4000 50 100 150 200 250 300 350

Tensionesangencialesen el cacet

Tau +

Tau t

4

3

2

1

0

- 1

- 2

- 3 n g u lo d e g ir o c ig u e a l (g r a d o s )

$ensiones tangenciales.

Figura 5. $ensiones en el Cac>ete del cig7eal.

2 R. . o*tisolo s/inosa#L. . oa guila# . rola de la ea# 6.Castellanos onle# D.Dernnde Derrera# 6. 61/e $orres# . FernndeCaiares.

6a tensi1n nor!al en cada /unto se >allasu/er/oniendo las tensiones nor!ales originadas /or lasdiferentes fueras internas# o sea&

" ="N "mx ,"my kN Ncm2 ()

"2 ="mY "N kN Ncm2 (2) "3 ="N,"mx ,"my kN Ncm2 (3) "" = "N ,"mx kN Ncm2 (") "5 = "N ,"mx "my kN Ncm2

(5)

" = "N "my kN Ncm2 () "O ="N

"mx "my kNNcm2 (O)

"8 = "N "my kN Ncm2 (8)

n la Figura se !uestra la variaci1n de las tensionesnor!ales en funci1n del ngulo de giro del cig7eal.

n la Figura O se !uestra la variaci1n de las tensionestangenciales resultantes en funci1n del ngulo de giro del

cig7eal.


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2'

Figura . ?ariaci1n de las tensiones nor!ales en funci1n del ngulo de giro del cig7eal.

n g u l o d e g i r o d e l c i g u e a l (g r a d o s )

Figura. O. ?ariaci1n de las tensiones tangenciales resultantes en funci1n del ngulo de giro del cig7eal

valuaci1n de la fractura /or fatiga del cig7eal de un !otor Biesel.

$a,la o 2 ?alores de las tensiones * factores de seguridad /ara los /untos !s crticos del cac>ete.

Punto " mx " min " m " a n" ##- ##in ## #a n# n resel

%a%/ete 0N1%#2 0N1%#2 0N1%#2 0N1%#2 0N1%#2 0N1%#2 0N1%#2 0N1%#2

+ 2."5 -.O3 8.0' '.5' 0.' - - - - - 0.'

'.8 ".5" O." 2.32 3.2 2."2 -.8 0.0" 2.2 2.23 .'0

3 8.' 3.O5 .O2 O.22 .2 - - - - - .2

4 ".8" -3.'3 0.'3 '.3' 0.'" 2." -.0 0.03 .8O 2.53 0.88


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2&

%

d'

da/= 20!

22&

"N#$"N%#"&N '( $% )R"(T% P%R%F"*+

74

754

84

854

4 9

0 1 2 3 4 5

a &&!

citagrad4-!

/S =2a0!KI/KI , a2 0!KII/KI ,KI/KII !, a22 0!KII/KII , a33 0!KIII/KIII (')

6a !etodologa /ara el clculo del factor deseguridad a la fatiga en los !uones de ,iela#!uones de a/o*o * cac>etes de loscig7eales a/arecen descrita en la referenciaH2I. :iguiendo esta !etodologa se calcularonlos factores de seguridad en diferentes /untosdel cac>ete siguiendo el contorno del !is!o.n la $a,la 2 se dan los valores de %ste en loscuatro /untos !s crticos del cac>ete.

:e a/lic1 la $ecnologa de la Mecnica de laFractura utiliando el criterio conocido co!oFactor de Bensidad de nerga deBefor!aci1n# el cual /ara una carga cclica# secalcula /or la eA/resi1n (')& 6a ra1n decreci!iento de la grieta se relaciona con/:#/or la cuaci1n de aris.

Cs = C 2! ,!

(2)

C = .8'02

y m = 3

6a direcci1n en la cual crecer la grieta seesta,lece /or la siguiente condici1n&

S

2S = 0 para=0 (22)

Bonde 0 es la direcci1n en la cual ladensidad de energa de defor!aci1n es!ni!a * en la cual se /ro/aga la grieta. :eo,tuvieron las curvas de resistencia residual *las grficas de inclinaci1n de la grieta durantesu creci!iento

Figura 8. 4nclinaci1n de la grieta en el /untodonde se inici1 la fisura.

6os clculos confir!aron =ue la grieta se de,adesarrollar en for!a de conc>a tal co!o se o,serva en

la grfica de la Figura 8 * =ue se corres/onde con elas/ecto eAterno de la grieta o,servado en la Figura c).


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3

Utiliando un !odelo de grieta inicial se!icircularcentrada u,icada en la su/erficie# se o,tuvo =ue /ara el/unto 8# de e!/al!e del cac>ete con el !u1n dea/o*o# se /roduce la !a*or ra1n de creci!iento de lagrieta. 6a vida Gtil del cig7eal analiando este /unto es

de solo O3 >oras de tra,ao del cig7eal. Da* =ue teneren cuenta =ue los clculos fueron realiados /ara elcaso de =ue el !otor estuviera funcionando a /otencia!Ai!a durante todo el /erodo >asta =ue se /roduo lafractura# lo cual es la situaci1n !s crtica /ero !u*i!/ro,a,le. :e confir!a con este resultado =ue la vidaGtil del cig7eal /ara ese !aterial es eAtre!ada!enteli!itada.

3. Conclusiones.. 6a investigaci1n del !aterial del cig7eal arro1

=ue se trata de acero 30# sin e!,argo en laliteratura t%cnica H# 2# I no se reco!ienda este

ti/o de acero /ara r,oles * !uc>o !enos /aracig7eales# !as aun tratndose de un !otor derelativa gran

/otencia co!o es el !otor de la Moto ave 9Mar del:ur;.2. $al co!o se su/uso# la ca/acidad resistente de este

acero es insuficiente /ara so/ortar las tensiones=ue se desarrollan en el codo de salida delcig7eal.

3. l /unto !s crtico es el /unto del cac>ete =uee!/al!a con el !u1n de a/o*o# =ue es/recisa!ente donde el fen1!eno de concentraci1nde tensiones es !a*or * donde eAisten tantotensiones nor!ales co!o tensiones tangenciales.

". Bel clculo de creci!iento su,crtico /ara los dosti/os de grietas u,icadas en las /osiciones !scrticas# es decir# en el centro * en una es=uina dela secci1n# se o,tuvo co!o resultado =ue la grietade,i1 co!enar en el centro del cac>ete# dado elescaso tie!/o de /ro/agaci1n calculado (O3 >).

5. l surgi!iento * /ro/agaci1n de una grieta en unade las es=uinas resulta i!/ro,a,le co!o causa dela falla en estudio# *a =ue el tie!/o de creci!ientosu,crtico result1 ser !a*or =ue el transcurridodesde =ue se !ont1 el cig7eal nuevo >asta =ue

ocurri1 la avera.. Co!o resultado de la !odelaci1n del creci!ientosu,crtico realiada se deter!in1 la /osi,letra*ectoria de la grieta. :u inclinaci1n result1 serdistinta /ara los diferentes /untos de su v%rtice/ara la grieta se!icircular# /ose*endo for!a deconc>a.6a for!a final de la conc>a se constat1en la o,servaci1n de la falla durante laeta/a inicial de la investigaci1n de laavera. ara una grieta en la es=uina# ladirecci1n de /ro/agaci1n result1 sersie!/re /er/endicular a la secci1ntransversal del cac>ete del cig7eal.

4. i!liograf"a.. leAeev 4.# Fernnde . le!entos de

construcci1n * clculo de !otores deco!,usti1n interna. $o!o 444. 6a

Da,ana& ditorial ue,lo *ducaci1n#'8O.PO5 /.

2. Qirger 4.a.# :c>orr Q.F.# :c>neiderovic>R.M. Clculo de resistencia de /ieas de!=uinas. MoscG& ditorial

Mas>inostrenie# '.P /.3. C>o* R.# leAeev 4. le!entos de

construcci1n * clculo de los !otores deco!,usti1n interna. 6a Da,ana& ditorial:# ''0.P2" /.

". Feodosiev ?. 4. Resistencia de Materiales.MoscG& ditorial M4R# '85.P583 /.

5. Lova M. :. # Maslov .:. Motores deuto!1vil. 6a Da,ana& ditorial ue,lo* ducaci1n# '8O.P 53" /.

. isareno .:.# ovlev ..# Matv%ev?.?. Manual de Resistencia deMateriales. MoscG& ditorial M4R# '8'.

P'" /.

28 R. . o*tisolo s/inosa# L. . oa guila# . rola de la ea# 6. Castellanos onle# D.Dernnde Derrera# 6. 61/e $orres# . Fernnde Caiares.


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Evaluation of t#e cran$ s#aft fatigue failure of a !oat diesel engine.A$stra%t.

$>is researc> /a/er s>oSs t>e results of an investigation carried out ,* t>e //lied Mec>anics staff of t>e Mec>anicalngineering facult* of t>e Cienfuegos Universit*. 4t Sas develo/ed in order to deter!ine t>e crans>aft failure causes ofengines of a ,oat diesel engine.

$>e crans>aft !aterial investigation s>oSed t>at it Sas steel grade 30. $>e calculations s>oSed t>at t>e steel resistanceca/acit* is not enoug> to su//ort t>e stresses /roduced in t>e crans>aft out/ut el,oS. $>e fatigue securit* factors inso!e of t>e !ost critical areas of t>e c>ee# S>ere t>e failure too /lace# are loSer t>an unit*. $>e su,critical fracture!ec>anics a//lication confir!ed t>at t>e s>aft Soring life is =uite li!ited Sit> t>is steel.

5ey 6ords' iesel %ran0s/a)t, )atigue )ra%ture, su$%riti%al )ra%ture #e%/ani%s.

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