Determinación de las causas de fallas detectadas en equipamientos industriales mediante el método de elementos finitos

Introducción

En ocasiones frecuentes se producen fallas en componentes de maquinarias industriales debidas a diferentes causas : fatiga del material , defectos del proceso de fabricación, sobrecargas , situaciones de operación no contempladas en el diseño, etc. El conocimiento del tipo de causa específica resulta imprescindible para lograr una adecuada reparación que asegure la imposibilidad de reiteración de la misma falla. Incluso una mala interpretación del fenómeno de la falla puede llevar a medidas correctivas equivocadas que agraven aún más la situación.

Por dicha razón los métodos teóricos y computacionales adquieren un papel preponderante para determinar con precisión las causas de una falla determinada.

En el presente artículo se describe brevemente un estudio realizado por el Grupo de Análisis de Sistemas Mecánicos conjuntamente con el estudio J. L. Piña para identificar claramente la naturaleza de fallas ocurridas en un equipo de la empresa siderúrgica SIDOR C.A – Puerto Ordáz – Estado Matanzas – Venezuela.

Se trata de un tren de laminación de planchones, de origen Alemán, que fuera puesto en operación a mediados de 1970. Está compuesto por seis columnas de laminación, siendo las tres primeras las de desbaste. En la Figura 1 se muestra un esquema que representa la cadena cinemática típica de estas tres columnas de laminación o stand. La consulta se originó debido a la aparición de fisuras registradas en la bancada Lado Motor del Cuerpo Intermedio «H» de las Cajas Desdobladoras. Las fisuras fueron detectadas en la sección más delgada entre ambos alojamientos de los rodamientos Lado Motor. (Ver Figura 2). Las mismas reaparecieron luego de haber sido reparadas en reiteradas ocasiones.

Estudio Realizado

Para determinar fehacientemente la razón de dicha falla se decidió realizar un análisis computacional mediante el método de los elementos finitos con el propósito de determinar el estado real de tensiones y deformaciones actuantes.

La condición de laminación más desfavorable a la que está sometido cada bastidor, fue obtenida a partir de los parámetros característicos informados por el usuario, tales como:

• Velocidad de laminación.
• Intensidad instantánea de corriente de armadura real.
• Intensidad instantánea de corriente de armadura efectiva.
• Fuerza separatriz en los cilindros de laminación.
• Datos del producto final laminado:
  – Espesor [mm]: 2.40
  – Ancho [mm]: 1250
  – Tipo de Acero: AISI 1010

La cupla máxima de laminación se indica en la Figura 1. A partir de ésta, se determinaron los esfuerzos de engrane y las reacciones en los apoyos, definiendo una distribución de la presión de contacto entre las fajas dentadas contemplando los siguientes aspectos:

• Desviaciones de fabricación los engranajes.
• Limitación en el reglaje del Reductor.

A partir de las consideraciones previas se definieron las solicitaciones estructurales. El análisis estructural fue realizado mediante un modelo elástico tridimensional de elementos finitos (ver Fig. 3) implementado en el programa COSMOS/M.

Entre las principales variables mecánicas se determinaron las tensiones de Von Mises y los desplazamientos.

El análisis computacional reprodujo el patrón de falla detectado in situ. A partir del mismo pudo concluirse que las fallas fueron provocadas por un elevado nivel tensional asociado a la fatiga del material.

Adicionalmente se detectaron altos niveles de desplazamientos que podrían originar problemas de desalineación de los árboles.

El análisis descripto permitió delinear las posibles alternativas a los efectos de encontrar una solución integral a la falla mencionada.

Conclusiones

Se ha intentado mostrar la creciente utilidad de los métodos computacionales en problemas de ingeniería práctica, en particular en la explicación de los fenómenos de falla, como una ayuda para el diseño de estrategias para una reparación adecuada.

Un hecho de hacer notar es que, en el estudio descripto, ha participado activamente el Sr. Juan García, alumno de quinto año de Ingeniería Mecánica y becario del GASM.

Dr. Víctor H. Cortinez
GASM | Director
Ing. José L. Piña
Asistencia técnica en trasnmisiones mecánicas