Espectropia De Absorcion Atomica

Análisis de la falla de un eje en un puente grúa

O.A. Zambrano *, J.J.Coronado, S.A.Rodrı´guez

Abstracto

Análisis de la falta de un eje utilizado en una grúa puente ha sido llevado a cabo. El eje se fracturó en la ranura de chaveta con pruebas de fatiga. El análisis químico, micro-estructural

caracterización, fractografía, mediciones de dureza, y la simulación de elementos finitos se utilizaron para el análisis. La microestructura se templó predominantemente martensita; se encontraron grandes cantidades de óxidos, microporos, y las inclusiones de sulfuro de manganeso. La geometría de la ranura también promovió la iniciación de grietas debido a la anchura y la altura fueron diseñados por error. Se concluyó que todos estos factores produjeron la rotura por fatiga. Se recomienda para garantizar primero la composición química y la microestructura del material. En segundo lugar, utilizar magnesio o adiciones de calcio en el proceso de fundición de acero para obtener un mejor control de la forma de las inclusiones y, finalmente, cumplir los parámetros geométricos recomendadas por el estándar para evitar altos factores de concentración de esfuerzos.

Introducción

Los ejes se utilizan para transmitir potencia a otros elementos mecánicos y en general están sometidos a cargas de torsión y de flexión. Uno de los mecanismos de fallo más comunes en los ejes es la fatiga. Las fallas por fatiga comienzan en puntos vulnerables donde existen defectos metalúrgicos y estructurales que favorecen alta localizada tensiones [1] . Normalmente, los puntos de concentración de tensiones en los ejes están presentes en los cambios bruscos de la zona de la sección transversal o en los chaveteros [2] .Además, cuando los defectos aparecen en estos sitios sensibles, la resistencia a la fatiga se ve gravemente comprometida.

Otros análisis de fallos se han realizado en los ejes, especialmente en relación con las esquinas de la ranura de chaveta, donde las causas predominantes de la aparición de fallo por fatiga eran debido a la baja radio de curvatura chavetero [3] , inclusiones [4] y [5] , correctos soldadura de reparación [6] , microestructuras frágiles [7] , y marcas de mecanizado [8] . Todos estos fracasos estuvieron presentes a través de toda la sección transversal de los ejes y comenzó en las esquinas de la chaveta. En este análisis de fallos, sólo un lado de la ranura de chaveta fue completamente fracturado por fatiga, no toda la sección transversal ; Además, este tipo de fallo ha sido recurrente en este elemento mecánico durante años.

El eje analizado (pieza de recambio) pertenece a una grúa puente fracturado después de un año de funcionamiento. Fundamentalmente, el sistema de grúa puente consiste en un motor eléctrico que transmite la potencia al eje y este eje transmite la potencia a una caja de engranajes reductor; una representación del sistema se muestra en la figura 1 . La ranura de chaveta se conecta de freno del sistema. De acuerdo con la especificación del material proporcionado por el fabricante, el material es un acero AISI 4340 normalizado y templado. La potencia del motor es de 3.73 kW y opera 600-1800 rpm.

La figura 1

Grúa puente y el eje analizado

El alcance de esta investigación fue determinar la causa del fallo que se produzca en este eje, un elemento de uso común en casi todas las industrias, para evitar fallas similares que podrían ser la causa de daños en el equipamiento completo y, no menos importante, para garantizar industrial seguridad para los trabajadores.

Procedimiento experimental

El análisis químico, inspección visual, fractografía, análisis metalográfico, mediciones de dureza, y la simulación de elementos finitos se utilizaron para el análisis. El análisis químico del eje se llevó a cabo a través de espectroscopia de emisión óptica (ARL 3460 Advantage espectrómetro); fractografía se realizó mediante el uso de un estereoscopio (Nikon SMZ1000) y microscopía electrónica de barrido (Jeol JSM-6490LV); para la metalografía, las muestras fueron pulido y grabado (2% de reactivo Nital durante 40 s), microindentación Vickers se utilizó con 10 g durante 15 s y 10 muescas para la determinación de la dureza.

Resultados y discusión

El examen visual y estereografía

Un borde de la ranura de chaveta se fracturó, una vista general se muestra en la figura. 2 (a) y (b), se muestran algunas de las características importantes de la fractura: marcas de mecanizado sobre la ranura de chaveta, crack origen, la fatiga zona de propagación, la deformación plástica en la zona de fractura final. Además, una marca longitudinal, podrán utilizar la ranura, con características de deformación plástica, cerca de la zona de fractura.

La figura. 2.

(A) Vista general de la ranura de chaveta fracturado y (b) vista de la superficie fracturada del eje fallado.

Laboreo marcas influyeron en la nucleación de grietas por fatiga. Además, una marca longitudinal en la ranura, posiblemente causada cuando se puso la llave en la ranura, produce un daño adicional en la esquina de la chaveta. Además la Fig. 3 muestra un patrón de playa y marcas de trinquete, pruebas de alta tensión local [8] , [9] , [10] y [11] .

La figura. 3.

Patrón Beach y marcas de trinquete en la superficie de fractura

La figura. 4 revela el crecimiento de una grieta secundaria en el otro lado de la ranura de chaveta, debido a la reversibilidad del par de torsión del eje debe soportar. Esta alternancia de par promovió el cambio de la tensión en cada esquina de la ranura de chaveta y, finalmente, indujo fallo por fatiga.

La figura. 4.

Vista transversal de la ranura, que muestra el crecimiento de una grieta secundaria, zona de la fractura, y la geometría chavetero.

El radio de ranura de chaveta se midió en 0,6 mm y el diámetro del eje es de 25,4 mm, por lo tanto, la r / dratio es 0.024. Usando esta relación, para un chavetero normalizado, se encontró que el factor de concentración de tensiones para un eje de torsión ( K TS ) es 2,52 [12] . El estándar de EE.UU. recomienda factores de concentración de esfuerzos máximos de hasta 2,6 cuando el par se transmite sin la clave. Sin embargo, la anchura de ranura de chaveta recomendado para el mismo estándar es de 6,3 mm, pero el eje tenía un valor de anchura de ranura 9,1 mm. Del mismo modo, la altura chavetero debe ser 3,2 mm, pero el eje tenía un valor de altura chavetero de 3,3 mm.

Fractografía

La fractografía

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