Analisis de falla en un tornillo sin fin transportador (página 2)

La prueba metalógrafica se obtuvo con el fin de
analizar la estructura del material y de determinar impurezas
debidas en el proceso de fabricación del eje que pudieran
originar la falla. Las muestras fueron tomadas del eje en
cuestión y se obtuvieron los siguientes
resultados.

Fig. 7 zona de
cementación

Fig. 8 Zona de
impurezas

• Observando la fotografía expuesta en la
  figura 7, puede notarse que el material ha sido sometido a un
  tratamiento térmico de cementación, fase
  martensitica.

• Puede notarse en la figura 8, que se presentan en la
  zona de análisis del material, imperfecciones tales
  como porosidades e impurezas, que pueden dar origen a
  concentraciones de esfuerzos.

3.3 ANALISIS DE DUREZA.

Esta prueba mide la resistencia de la superficie de un
material a ser penetrado por un objeto duro, se llevo a cabo con
el fin de corroborar las propiedades mecánicas del acero
AISI (8615), y determinar si realmente el material fue sometido a
un tratamiento térmico, como pudo observarse
macroscópicamente.

Tabla 1 ensayo
dureza.

Dureza núcleo (AISI 8615)
=24.58HRC

Dureza superficial (AISI 8615)=
46HRC

Con base en el análisis anterior puede notarse
que la dureza en el núcleo es menor que la dureza
superficial, lo que indica un tratamiento térmico de
cementación, el cual proporciona un endurecimiento
superficial.

3.4 ANALISIS QUIMICO (Acero AISI 8615)
.

Este análisis se llevo a cabo en un
espectrómetro, el cual arrojo los siguientes resultados de
composición química del material.

• Según la composición química
  obtenida por medio de la espectrometría, se puede
  comprobar con los datos estandarizados según la norma
  AISI-SAE que se trata de un acero (8615).

• Notamos que el acero en cuestión posee un
  porcentaje de cobre de un 0.206%, es un porcentaje
  considerable para modificar las propiedades mecánicas
  del material, ya que este funciona como un factor de
  concentración de esfuerzos.

Análisis
mecánico (Determinación factor
seguridad)

El análisis estático se realizo al eje
central de acople que se muestra, y se obtuvieron los siguientes
resultados.

4.1 Diagramas de corte y momento
flector.

En el punto de falla se obtuvieron los siguientes
resultados para los distintos esfuerzos presentes debidos a
torsión, corte, flexión y carga axial.

4.2 Estado de esfuerzo
triaxial.

sx = 52.57MPa

?xz = 60.2MPa

?yz = 24.4MPa

4.3 Esfuerzos principales.

La determinación de los esfuerzos principales se
obtuvo a partir de la matriz de esfuerzos, para el caso de un
esfuerzo triaxial. (1)

s 1 = 93.939MPa ? max =71.10MPa

s 2 = 6.902Mpa s 3 = -48.72MPa

4.4 Teoría de
falla

Por medio de la teoría de falla del máximo
esfuerzo cortante (Treska), determinamos el factor de seguridad
para el sistema analizado.

s y = 500MPa

? max =71.10MPa

F.S= 3.5

Este valor del factor de seguridad indica que el sistema
no presenta falla alguna, para las cargas analizadas en el eje de
acople central. Por consiguiente el análisis se enfoco
hacia un posible falla del eje central de acople por la fatiga
del material, obteniendo los siguientes resultados.

S´n=(Cm)(Cst)(Cr)(s) donde S´n
es la resistencia real a la fatiga.

S´n=152.361MPa

Analizando el criterio de falla que tiene en cuenta la
fatiga del material, debido a cargas torsiónales y
flexionantes donde:

Kt smax < sd=S´n / N

Se obtuvo el valor aproximado de N=0.81, siendo N el
factor de seguridad, lo que indica un falla por fatiga del
material. Este valor encontrado se corroboro por la siguiente
teoría de falla que afirma que:

Kt ? max < ? d=S´n / N =0.5 S´n /
N

Se encontró un valor de para el factor de
seguridad de N=1, que indica que el material falla por fatiga, ya
que para el diseño de estos elementos el factor de
seguridad debe estar en un rango de 2.5 a 4.0, estos valores
encontrados son el resultado de un mal diseño del acople
,que si no se mejora por parte de la empresa puede seguir
ocasionando perdidas en su producción.

Conclusiones de
resultados (análisis posibles soluciones)

• Bajo condiciones normales de
  funcionamiento, los cálculos realizados a partir de la
  teoría de máximo esfuerzo cortante (Treska), se
  determino que el sistema no presenta falla alguna.

• La determinación del tipo de
  falla se enfoco hacia la fatiga del eje central de acople, en
  la cual se determino la máxima resistencia real a la
  fatiga correspondiente a este material, siendo esta menor a
  la encontrada por la teoría de falla para cargas
  flexionantes y torsiónales, que induce a una fractura
  por fatiga.

• El contenido de cobre (Cu) presente
  como inclusiones en el acero es considerable 0.206 %, lo cual
  nos lleva a considerar su influencia como concentrador de
  esfuerzos y por lo tanto una notable disminución de
  las propiedades mecánicas del material, que aumentaran
  la tendencia a agrietarse y generar la falla del
  material.

• El desalineamiento en los ejes y
  rodamientos incrementa los esfuerzos, siendo así un
  factor causante de falla.

• Tomando como referencia el texto
  "Diseño de Maquinas de Mott", para elementos de
  maquinas bajo cargas dinámicas, con in certidumbre
  acerca de las cargas, propiedades de los materiales,
  análisis de esfuerzos o ambiente se encontró un
  factor de seguridad que esta en el rango 2.5 = F.S. = 4, por
  consiguiente por el teorema de falla que relaciona la
  máxima resistencia real a la fatiga ,con las cargas
  torsiónales y flexiónantes se encontró
  un factor de seguridad de 1.0, lo que indica una falla
  inminente del sistema.

• Para reducir esfuerzos en el acople,
  podemos recomendar un sistema el cual nos disminuya el
  desalineamiento entre los ejes.

• Se recomienda un estudio por elementos
  finitos, ya que la concentración real de esfuerzos que
  se presenta en la unión a 90°, no es posible
  determinarla por métodos tabulados, por consiguiente
  en los cálculos realizados solo se toma en cuenta la
  concentración esfuerzos debidos a cargas
  flexiónantes y torsiónales

• Los resultados obtenidos que demuestran
  de manera clara que el material presenta un falla por fatiga
  del material del eje de acople central, fueron realizados con
  el fin de dar una visión objetiva a las personas
  encargadas del mantenimiento en la planta de
  producción.

Bibliografía

• Calculo de transportadores de tornillo sin fin
  según norma UNE. Articulo revist. LM Cárcel,
  Nevares y L.M Navas, Escuela técnica superior de
  ingenierías agrarias , Universidad de Valladolid
  (España).

• J.M. Gere, Mecánica de materiales. 5
  Ed.

• Principios de Metalurgia física. Robert F.
  Reed Hill

• H. Albañil, Mecánica de fractura y
  análisis de falla. UNAL

• Donalk askeland (ciencia e ingenieria
  de los materiales)

• NORTON, Robert L. Machine Design an
  integrated approach. New Jersey,
  Prentice-Hall,1996

• Diseño de maquinas
  MOOT

• ASHBY, Michael. Material selection in
  mechanical design, 2nd ed. Cambridge, Cambridge University
  Press, 1999.

Autor:

Edwin Andres Correa

Estudiante ing. mecánica
UdeA