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
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
 Página anterior | Volver al principio del trabajo | Página siguiente  |