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1. entre otras Las principales fallas evidenciadas en el dentado de los pi ones de ataque en son desgaste normal y excesivo rayado ligero picado destructivo rotura est tica y rotura por sobrecarga Los dos motores de arranque empleados en conjunto poseen suficiencia para suministrar el torque necesario para vencer la resistencia de la m quina de combusti n durante el arranque Se calcularon los esfuerzos para un pi n con dientes corregidos empleando las normas GOST Se observ un ligero incremento en los factores de seguridad al compararlos con los factores de seguridad obtenidos por dise o bajo criterio AGMA 342 Scientia et Technica A o XIII No 36 Septiembre 2007 Universidad Tecnol gica de Pereira Dentro del trabajo de campo se encontr que la red de aire presenta ingreso de mezcla agua aceite a los arrancadores Esto se debe a la inoportuna eliminaci n del condensado en el tanque pulm n por medio del purgador manual existente en cada tanque ALTERNATIVAS DE SOLUCI N Fabricaci n nacional de las piezas con nuevas propiedades mec nicas a fin de aumentar sus esfuerzos admisibles Concienciar al personal para llevar a cabo las actividades de desarme cambio de partes y posterior armado del arrancador de acuerdo con los procedimientos establecidos para ello Realizar un detallado seguimiento de cada uno de los arrancadores a fin de identificar cuales presentan una determinada falla en particular Ev2. n b sica y de relaciones entre el ngulo de manivela t y el ngulo de biela DB Ver figura 7 se derivaron expresiones para la velocidad aceleraci n y momento de torsi n entregado al cigie al por la fuerza de los gases como sigue X ro Sen Wt Sen2 r x ra Sen wt y Senan ra cos wt Cos2an A T Pr Senot a Coso k Para aproximar el an lisis al caso real se efectu una disposici n de la masa de la biela din micamente equivalente a la biela original Torque de Inercia Se define la posici n del pasador de manivela A mediante el siguiente vector posici n A A R rCosot i rSenat j Derivando dos veces se obtiene la aceleraci n A A raSenat rw Cosar i raCosat ro Senat J Rescribiendo la expresi n que define la aceleraci n en las partes con movimiento alternativo se tiene que A A ral ser at A Sener ra Cos wt Cos2ar i Como F m a La fuerza de inercia de las partes giratorias ser M A M r aSenmt a Cosat i mr aCosat w Senat j Por su parte la expresi n para las fuerzas de inercia en las partes con movimiento alternativo es mral senor y Senan My Ay E nro Coso Cos2an Momento de torsi n de inercia Se considera la componente tangencial de la fuerza de inercia en el punto A y la componente de fuerza perpendicular a la superficie de deslizamiento de la corredera Ver figura 7 El momento de
3. de esfuerzos este no exhibe claramente la zona de altos esfuerzos en la ra z del diente Adem s se obtuvieron valores ligeramente superiores a los valores te ricos calculados El esfuerzo por contacto presentado es aproximadamente 2 0 x10 Pa y el esfuerzo por flexi n es 0 58 x 107 Pa Finalmente con los resultados obtenidos con el software de elementos finitos COSMOS 2 85 se comprobaron y compararon los valores obtenidos tanto por el modelo matem tico como por el programado en Matlab 7 1176E5 007 5 3480E 007 3 8924E 006 Figura 12 Simulaci n de esfuerzos en diente del pi n COSMOS En la figura 12 se observa la simulaci n de esfuerzos de deformaci n obtenidos en el diente del pi n Se aprecian claramente las zonas de mayor concentraci n de esfuerzo El valor del esfuerzo por contacto es de aproximadamente 1420 6 MPa que es mucho m s cercano al valor calculado con el modelo te rico 3 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Se determinaron importantes caracter sticas del material de fabricaci n del pi n Tipo de material tratamiento t rmico dureza superficial entre otras Estas toman relevancia si se considera la fabricaci n nacional de dichas piezas Los pi ones de ataque en su gran mayor a presentan la acci n combinada de diferentes fallas que se originan b sicamente debido a condiciones inapropiadas de operaci n tales como desalineamiento ausencia total de lubricaci n en la transmisi n
4. licos y laminillas de martensita Un ensayo de espectrofotometr a ayud a identificar el material de fabricaci n Ver Tabla 1 Tabla 1 Resultados del ensayo de espectrofotometr a Los resultados son comparados con las normas europeas para aceros aleados pues de acuerdo al fabricante el pi n fue elaborado en un acero 40NiCrMo6 1 6565 seg n norma DIN 17210 17200 Ver tabla 2 0 38 0 43 0 15 0 35 0 60 0 80 1 65 2 00 0 20 0 30 0 70 0 90 Tabla 1 Composici n qu mica del acero DIN 40NiCrMo6 Por sus propiedades mec nicas y composici n qu mica el acero es similar a un AISI SAE 4340 bonificado 2 2 Descripci n del sistema Motor de combusti n interna W rtsil con 18 cilindros en V a gas natural que emplea dos arrancadores neum ticos id nticos tipo turbomotor Ver figuras 4 y 5 SISTEMA EMBRAGUE id In PI ON DE ATAQUE TURBINA Figura 4 Esquema general del arrancador neum tico Figura 5 Circuito neum tico principal del sistema de arranque Fuente Manual de Instalaci n y Mantenimiento para los Arrancadores Tipo Turbina Serie ST750 Una vez los dos pi ones de ataque entran en contacto con el volante de la m quina el aire llega a la v lvula de arranque 8 esta conmuta y pone en funcionamiento los arrancadores para vencer el torque resistivo del motor de combusti n interna Cuando la m quina alcanza las 150 r p m en su cigie al el sistema de cont
5. torsi n de inercia de masa es expresado mediante la siguiente ecuaci n m Tang y k L z E mraos j m ra Senot i k T masa movimientoalternatiw masa en A Realizando las respectivas sustituciones y aplicando algunas identidades trigonom tricas finalmente se obtiene la ecuaci n que define el momento de torsi n de inercia de masa que se ejerce sobre el cigie al m r a Senot Senot a Sen 20t mr a r D F Sent Sen 201 A N m k ge Sen 30wt 2l A l mr Cosaty mr a Senor N m k 41 553 N m 94 937 N m En la ecuaci n anterior est n impl citos los efectos de los principales elementos que constituyen el conjunto m vil principal de la m quina como son el pist n biela manivela eje de levas y cig e al los cuales por su masa no pueden ser despreciados dentro del an lisis Las constantes que aparecen al final de la ecuaci n 340 Scientia et Technica A o XIII No 36 Septiembre 2007 Universidad Tecnol gica de Pereira corresponden al efecto del momento de inercia del cigie al y eje de levas respectivamente Al realizar la superposici n de torque en todos los cilindros se incluye el efecto del d mper y del acople Con las ecuaciones anteriores y considerando el ngulo de desfase entre cilindros 40 se tabularon los valores del torque de gases ver figura 8 y torques de inercia ver figura 9 para los 18 cilindros a 30 r p m del cig e al y se graficaron super
6. Scientia et Technica A o XIII No 36 Septiembre 2007 Universidad Tecnol gica de Pereira ISSN 0122 1701 337 AN LISIS DE FALLA EN ARRANCADOR INGERSOLL RAND ST750 EMPLEADO EN MOTORES DE COMBUSTI N W RTSIL 18V34SG Analysis of failure in starter Ingersoll Rand ST750 employee in engines of combustion W rtsil 18V 348G RESUMEN Este trabajo busca identificar causas de falla frecuente en pi ones de ataque del arrancador neum tico Ingersoll Rand ST750 Se realizaron pruebas qu micas metalogr ficas y mec nicas c lculos para comprobaci n geom trica de operaci n y comportamiento mec nico validados con el software Cosmos Efectos asociados con las fallas son desgaste rayado picado corrosi n rotura est tica originados por inapropiada operaci n como desalineamiento lubricaci n deficiente humedad en red de aire Se comprobaron adecuados dise o y factores de seguridad sin embargo se recomiendan nuevo dise o del sistema de transmisi n buenas pr cticas de montaje operaci n y mantenimiento para prolongar la vida til de sus elementos PALABRAS CLAVES An lisis de falla fallas en pi ones ABSTRACT This work looks for to identify causes of frequent failure in drive pinions of the pneumatic starter Ingersoll Rand ST750 Were made chemical metallographyc and mechanical tests calculations for geometric confirmation of operation and mechanical behavior validated with the software Cosmos Effects associated with
7. abular y graficar anteriormente el torque entregado por este es de 6 59 KN m ver figura 11 Los dos arrancadores en conjunto suministran 13 18 KN m es decir superan en un 20 78 el torque requerido por la maquina de combusti n Torque Transmitido a la M quina de Combusti n Torque KN m Velocidad de Giro Volante rpm Figura 11 Torque suministrado por el arrancador en funci n de la velocidad de rotaci n del cig e al 2 5 An lisis de esfuerzos Para calcular los esfuerzos por flexi n y contacto se sigui la norma AGMA Se establecieron la resistencia ltima 1720 MPa y a la fluencia 1590 MPa en funci n de la dureza Determinaci n de esfuerzos por flexi n y contacto Esfuerzo por flexi n W K 10 K K O e K F m J v La determinaci n de cada uno de los factores se realiz usando gr ficos y tablas del libro de Shigley Dise o en Ingenier a Mec nica Sustituyendo valores en la ecuaci n anterior se obtiene el valor correspondiente del esfuerzo por flexi n 6860 N 1 1 0 f 087 Of 467 67 MPa 1 2 0 28 1 mm 4mm 0 30 Esfuerzo por contacto 1 WC C CC Y O C t a S 1 C Fd I Una vez determinados los valores correspondientes a cada una de los factores son sustituidos en la ecuaci n anterior y se obtiene el valor del esfuerzo por contacto 6860 N 1 1 2 0 1 de 0 87 28 1 56 0 15 o 1561 19 MPa O 091 SHIGLEY Jos
8. eph Edward y MISCHKE Charles R Dise o en Ingenier a Mec nica Quinta edici n M xico Mc Graw Hill 1990 p 860 Scientia et Technica A o XIII No 36 Septiembre 2007 Universidad Tecnol gica de Pereira 341 Esfuerzo admisible por flexi n S K Otam K T Kp Para un acero bonificado con dureza superficial 555 HB S 500 MPa Sustituyendo valores se obtiene 500 MPAA Or adm T 100 Os adm 500 MPa Esfuerzo admisible por contacto O S C Cy c adm Cr Co Sustituyendo valores se obtiene 1500 1 0 1 0 O adm TEP 1 0 1 0 o 1500 MPa c adm Factores de seguridad debido a la flexi n y al debilitamiento superficial del pi n pya a pjs ma O O 500 MPa 1500 MPa 467 67 MPa 1561 19 MPa F S 1 07 F S 0 96 1 00 Se observa que los factores de seguridad est n muy cercanos al umbral inseguro de operaci n de la pieza Esto se evidencia en el picado superficial del diente y la fractura s bita del mismo En el desarrollo del trabajo se demostr que al usar una correcci n positiva del dentado del pi n de acuerdo a las normas GOST los factores de seguridad incrementan Simulaci n de esfuerzos y deformaciones por elementos finitos Primero se simul con el software Matlab 6 5 La soluci n obtenida permiti determinar y visualizar una deformaci n localizada en la zona de aplicaci n de la carga y en las reas aleda as a la ra z del diente sin embargo en el resultado de simulaci n
9. itar el funcionamiento del arrancador con pi ones de ataque que presenten un desgaste excesivo p rdida del perfil original del diente Utilizar la t cnica de mantenimiento predictivo por vibraciones en cada uno de los arrancadores para corroborar fallas como el desalineamiento en la transmisi n pi n cremallera presente ya sea en el eje o en la carcaza del motor neum tico siendo la desalineaci n de la carcaza el problema mas viable debido al desmonte frecuente de los arrancadores de su sitio de Operaci n Lubricar de la transmisi n pi n cremallera con un lubricante Mobilgear OGL 007 comercializado por la empresa Exxon Mobil de Colombia con una frecuencia inicial de 5 a 10 arranques que posteriormente ser ajustada de acuerdo al comportamiento que presente el lubricante Corregir el dentado en la transmisi n tallando con correcci n positiva el pi n y con correcci n negativa la cremallera a fin de conservar la distancia entre centros y la geometr a del alojamiento de las ruedas Instalar un purgador autom tico tipo boya en cada uno de los tanques pulm n 4 BIBLIOGRAF A 1 SHIGLEY Joseph E y MISCHKE Charles R Dise o en Ingenier a Mec nica Quinta Edici n M xico Mc Graw Hill 1990 2 SHIGLEY Joseph E Teor a de m quinas y mecanismos Segunda Edici n M xico Mc Graw Hill 1986 3 BEER Ferdinand P y JOHNSTON E Russell Mec nica de Materiales Segunda Edici n Bogot Mc G
10. liz un an lisis de falla que involucr aspectos dimensionales metal rgicos y mec nicos 2 CONTENIDO 2 1 Material y Ensayos Se recibi un conjunto de pi ones fallados en servicio Ver figura 1 A uno de estos se le caracteriz y adem s se le comprob su dise o Tambi n fue suministrado por la empresa el hist rico de fallos datos t cnicos del arrancador neum tico y algunos datos t cnicos y de operaci n del motor de combusti n interna requeridos m s no suficientes para el estudio contemplado Fecha de Recepci n 18 Abril de 2007 Fecha de Aceptaci n 7 Agosto de 2007 Se midi una dureza superficial de 555 HB y una en el n cleo de 285 HB Con el an lisis metalogr fico se evidenci la formaci n de una microgrieta al borde del diente que nucle posteriormente en una macrogrieta que dio inicio a la falla del material Ver figura 2 GRIETA HUCLEADA EN EL DORDE DEL BIENTE 197 027706 LAB SENA TOLIMA Figura 2 Microgrieta nucleada en el borde del diente 250 X 338 Scientia et Technica A o XIII No 36 Septiembre 2007 Universidad Tecnol gica de Pereira Se evidencia que se trata de un acero de medio carbono y media aleaci n con tratamientos t rmicos de bonificado esto debido a la formaci n de la cementita globulizada y la presencia de laminillas de martensita Ver figura 3 AA e r3 i MARTENS ITA Y CENEWT 1TA ELOBULAR J isare LAR RECIOMAL TOLIMA T Figura 3 Carburos intermet
11. poni ndolos sin embargo como no se tiene una posici n de manivela espec fica en la cual se identifique el torque m ximo se hace necesario establecer un torque promedio de gases 8 383 KN m y un torque promedio de inercia 2 058 KN m Torque Total Gases 7 600 Y 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Torque de Gas kN m Angulo de Manivela Figura 8 Torque de gases total en un ciclo completo Torque Total de Inercia N e Or N E zZ z 4 o 2 m o u N e 1 t rq 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720 ngulo Manivela grados Figura 9 Torque de inercia total en un ciclo completo El torque resistivo total a vencer por los motores de arranque es la suma del torque de gas y del torque de inercia de partes m viles 10 441 KN m Ver figura 10 TORQUE RESISTIVO TOTAL DE LA MAQUINA 12 00 11 00 10 00 gt Torque Gases 9 00 Total Kn m 8 00 g 7 00 Torque Inercia o 600 KN m 500 4 00 Torque 3 00 Resistivo Total 2 00 KN m 1 00 0 00 O 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Angulo de Manivela Figura 10 Torque resistivo total en la m quina de combusti n Con las especificaciones t cnicas del motor de arranque se ha podido establecer que a una velocidad de giro en el cigie al de 50 r p m la misma que se emple para t
12. raw Hill 1993 4 NORTON Robert L Dise o de Maquinaria M xico Mc Graw Hill 1995 5 SMITH William F Fundamentos de la Ciencia e Ingenier a de materiales Tercera edici n Madrid Mc Graw Hill 1998 6 AVNER Sydney H Introducci n a la metalurgia f sica Segunda Edici n M xico Mc Graw Hill 1988 7 MATAIX Claudio Mec nica de Fluidos y M quinas hidr ulicas Segunda edici n M xico Harla 1982 8 CARNICER Enrique Aire Comprimido Teor a y C lculo de las Instalaciones Madrid Paraninfo 1991 9 ALBARRACIN Pedro Tribolog a y Lubricaci n Industrial y Automotriz Fallas en dientes de engranajes Segunda Edici n Bucaramanga Litochoa 1993 10 FANDI O Jes s A Confrontaci n de m todos para el dise o y c lculo de engranes cil ndricos con perfil de evolvente Trabajo de Grado Ingeniero Mec nico Universidad de Ibagu Programa de Ingenier a Mec nica Ibagu 2001 883 p 11 Informe de An lisis y Ensayo Metalogr fico de Materiales N 2013 realizado en el laboratorio de ensayo de materiales del Sena Regional Tolima 12 Manual de Instalaci n y Mantenimiento para los Arrancadores Tipo Turbina Serie ST750 13 Manual de operaci n y mantenimiento de los motores de combusti n interna WARTSILA 18V345G 14 http www ingersollrand com engine start systems 10 10 2005
13. rol env a una se al a la v lvula solenoide 4 para interrumpir el suministro de aire que inactiva los arrancadores neum ticos retorn ndolos a su posici n inicial mediante la acci n de un resorte dispuesto para tal fin 2 3 Desarrollos Preliminares Se debi realizar el modelamiento en Solid Edge 11 de algunas piezas uno de estos se muestra en la figura 6 para hallar sus masas centros de gravedad y momentos de inercia y se usaron los resultados de un an lisis experimental de presi n en cilindros necesarios para determinar el torque resistivo que deben vencer los arrancadores Figura 6 Modelamiento del conjunto biela en Solid Edge 11 Realizado por SINGESI empresa nacional dedicada al desarrollo de t cnicas de mantenimiento predictivo Scientia et Technica A o XIII No 36 Septiembre 2007 Universidad Tecnol gica de Pereira 339 2 4 C lculo del torque resistivo El par de inercia o resistivo a vencer por los arrancadores est compuesto por el torque de gas y el torque de inercia Inicialmente se plantea el an lisis para un solo cilindro y luego se incluye el efecto de los 18 cilindros en V tomando como referencia el ngulo de desfase entre 1igniciones 405 Torque de gas Inicialmente se estudia el efecto de la presi n del gas desde el pist n hacia el cigie al suponiendo que las partes m viles carecen de peso Figura 7 Relaciones geom tricas entre biela y manivela A partir de la configuraci
14. the failure are wear away lined dive corrosion plows static originated by inappropriate operation like non alignment faulty lubrication moisture in net of air Were proven appropriate design and factors of security however new design of the transmission system good assembly operation and maintenance practices are recommended to prolong the useful life of its elements KEYWORDS Failure analysis failures in pinions 1 INTRODUCCI N Para la empresa Colombia Energy Operators dedicada a la generaci n de energ a el ctrica resulta fundamental disminuir al m ximo las paradas por ejecuci n de acciones correctivas de mantenimiento Los arrancadores neum ticos de las m quinas W rtsil 18V34SG generan problemas debido principalmente a la destrucci n peri dica de algunas de sus partes como es el caso del pi n de ataque Para determinar las causas probables de Figura 1 Pi n con pica CARLOS ANDR S P REZ T Ingeniero Mec nico Candidato a M Sc Prof del Depto de Ing Mec nica Universidad de Ibagu Colombia carlos perezunibague edu co EVER ANDR S OSPINA E Ingeniero Mec nico Planeador de mantenimiento centralizado zona caribe Wartsil Colombia S A Colombia ever ospinaO wartsila com GERM N ALBERTO JOVEL R Ingeniero Mec nico Ingeniero de control en montajes industriales HL Ingenieros S A Colombia german_jovel yahoo com f 4 do superficial y diente fracturado ocurrencia se rea
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