Repositorio Institucional de Documentos

PROYECTO FIN DE CARRERA ANÁLISIS DEL ESLABÓN DE CADENA DEL SISTEMA DE TRANSPORTE DE LÍNEA DE PRODUCCIÓN AUTOR ÁLVARO CORTÉS SANCHÓN DIRECTOR CARLOS AMEZAGA PALOMARES PONENTE/DIRECTOR UNIVERSIDAD DAVID GONZALEZ IBAÑEZ FACULTAD/ESCUELA ESCUELA DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA ESPECIALIDAD: MECÁNICA CONVOCATORIA SEPTIEMBRE 2013 2 | Página RESUMEN DEL PROYECTO. El presente proyecto “Análisis del eslabón de cadena del sistema de transporte de línea de producción”, se centra, como objetivo principal, en el modelado y análisis de un eslabón de cadena de transporte de la línea de producción del vehículo Opel Meriva, en la planta de General Motors (Figueruelas) empleando los software Pro/ENGINEER y ANSYS con el fin de avanzar en el estudio de los fallos a fatiga causados por el marcaje en los eslabones. El presente proyecto está estructurado en 4 capítulos junto con los anexos y la bibliografía. En el capítulo 1 se explican las motivaciones para la realización del proyecto, el objetivo principal sobre el que trata y las etapas en las que se divide el proyecto. En el capítulo 2 se lleva a cabo el diseño y análisis del eslabón: Diseño en 3D de los dos modelos de estudio mediante PRO ENGINEER, definición condiciones de contorno, cálculos de las cargas a soportar por la cadena, cálculos estáticos del eslabón mediante el software ANSYS… En el capítulo 3 se realiza el cálculo analítico a fatiga del eslabón, obteniendo la vida a fatiga del eslabón para ambos casos (con y sin marcado), en el cual nos basaremos para la conclusión del estudio realizado. En el capítulo 4 se encuentran los resultados y las conclusiones obtenidas del proyecto, se realizan propuestas para posibles proyectos futuros y por último se presenta el presupuesto para la realización del proyecto. 3 | Página ABSTRACT This project " Análisis del eslabón de cadena del sistema de transporte de línea de producción" focuses, as its main objective, the modeling and analysis of a transport chain link of Opel Meriva’s vehicle production line in the General Motors plant of Figueruelas. For this purpose, the using the software Pro / ENGINEER and ANSYS was required in order to advance the study of fatigue failures caused by the marks placed on the links. This project is divided into 4 chapters with annexes and bibliography. In chapter 1 it is explained the motivation for the project, the main objective of it and the stages in which the project is disclosed. In chapter 2 the design and analysis of the link is carried out by 3D designing of the two studied models by PRO ENGINEER , defining boundary conditions, calculations of the loads to be supported by the chain, static studies about the chain using the software ANSYS… In chapter 3 fatigue analysis are made, obtaining the link’s fatigue lifespan for both cases (with and without marks), which will be used for the conclusion of the study. In chapter 4 the results and conclusions of the project are presented; proposals are made for possible future projects and finally the budget for the project is shown. 4 | Página 5 | Página Índice CAPÍTULO 1 OBJETIVOS Y PLANTEAMINETO DEL PROYECTO................................................................... 11 1.1.Introducción. ..................................................................................................................................... 12 1.2.Objetivos del proyecto. ..................................................................................................................... 13 1.3.Etapas del proyecto. ......................................................................................................................... 14 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y ANÁLISIS DEL ESLABÓN .......................................................................................... 16 2.1. Descripción del problema. ............................................................................................................... 17 2.2. Diseño eslabón ................................................................................................................................. 18 2.2.1 Herramientas a utilizar ............................................................................................................... 18 2.2.2 Simplificaciones aplicadas. ......................................................................................................... 18 2.2.3 Modelado de los elementos. .................................................................................................... 19 2.3 Condiciones de contorno .................................................................................................................. 23 2.4 Cálculo carga acumulada en cadena ................................................................................................. 25 2.4.1 Enumeración de las secciones ................................................................................................... 25 2.4.2 Cálculo de cargas ........................................................................................................................ 27 2.4.3 Cálculo ángulo de aplicación ...................................................................................................... 32 2.5 análisis estático del eslabón .............................................................................................................. 36 2.5.1 Definición del material. .............................................................................................................. 36 2.5.2 Importación del modelo a ANSYS .............................................................................................. 36 2.5.3 Cargas y restricciones................................................................................................................. 38 2.5.4 Cálculo estático .......................................................................................................................... 47 CAPÍTULO 3 ANÁLISIS Y CÁLCULO A FATIGA ............................................................................................... 61 3.1. Introducción. .................................................................................................................................... 62 3.2. Historia del análisis de fatiga. .......................................................................................................... 63 3.3. Estado del arte. ................................................................................................................................ 65 3.4 Planteamineto análisis a fatiga ......................................................................................................... 67 3.5 Cálculo LÍMITE de fatiga infinito ....................................................................................................... 67 3.6 Cálculo de vida a fatiga, nº de ciclos ................................................................................................. 73 3.6.1 Nº ciclos de vida, curvas verticales ............................................................................................ 74 3.6.2 Nº ciclos de vida, curvas horizontales. ....................................................................................... 78 CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ..................................................................................... 80 4.1 Conclusiones ..................................................................................................................................... 81 6 | Página 4.2 Propuestas de mejora y trabajos futuros. ........................................................................................ 82 4.3. Presupuesto general. ....................................................................................................................... 83 4.3.1 Costes imputables. ..................................................................................................................... 83 ANEXO I MECÁNICA DE LA FATIGA Y LA FRACTURA ................................................................................... 85 1.1 Fundamentos de la fractura. ............................................................................................................. 86 1.1.1. Introducción. ............................................................................................................................. 86 1.1.2. Análisis de fallos. ....................................................................................................................... 86 1.1.3. Clasificación de fallos. ............................................................................................................... 86 1.1.4. Tipos de fractura. ...................................................................................................................... 87 1.1.5. Grietas por fatiga. ..................................................................................................................... 90 1.2. Defectos y concentración de tensiones. .......................................................................................... 93 1.2.1. Concentración de tensiones. .................................................................................................... 93 1.3. Mecánica de la fractura. .................................................................................................................. 95 1.3.1. Criterios de diseño. ................................................................................................................... 95 1.3.2. Criterio de falla por fractura bajo conceptos de mecánica de fractura elástica lineal. ............ 98 1.3.3. Modos de fractura. ................................................................................................................... 99 1.4. Fundamentos de la fatiga. ............................................................................................................. 100 1.4.1. Características de la rotura por fatiga. ................................................................................... 100 1.4.2. Estadios de fatiga. ................................................................................................................... 102 1.5. Curva S – N (Stress – Number of cycles). ....................................................................................... 104 1.5.1. Curvas S – N para distintos tipos de esfuerzos. ...................................................................... 109 1.6 Coeficientes modificativos del límite de fatiga o coeficientes de Marin. ....................................... 109 1.6.1 Factor de acabado superficial .................................................................................................. 111 1.6.2 Factor de tamaño Kb................................................................................................................. 112 1.6.3 Factor de confiabilidad Kc ........................................................................................................ 114 1.6.4 Factor de temperatura Kd ........................................................................................................ 114 1.6.5 Factor de concentración de tensiones Ke. ................................................................................ 115 1.6.6 Factor de efectos diversos Kf ................................................................................................... 118 1.7 Esfuerzos fluctuantes. ..................................................................................................................... 120 1.7.1 Métodos de análisis de fatiga con esfuerzo medio no nulo. ................................................... 121 1.7.2. Línea de carga. ........................................................................................................................ 123 1.8. Daño acumulativo. ......................................................................................................................... 125 7 | Página 1.8.1. Modelos de acumulación de daños de fatiga. ........................................................................ 126 1.9. Influencia del medio ambiente en la fatiga. .................................................................................. 128 ANEXO II TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO, INSPECCIÓN NO DESTRUCTIVA .................................................. 129 2.1. Introducción. .................................................................................................................................. 130 2.2. Ensayos de materiales. ................................................................................................................... 130 2.3. Inspección no destructiva en materiales. ...................................................................................... 131 2.4. Principales métodos de inspección no destructiva. ....................................................................... 132 2.4.1. Técnicas de inspección superficial. ......................................................................................... 132 2.5 Selección del método de análisis. ................................................................................................... 140 ANEXO III SISTEMAS DE TRANSPORTE POR CADENA Y SUS COMPONENTES ........................................... 141 3.1. Introducción. .................................................................................................................................. 142 3.2 Principales componentes del sistema de transporte por cadena: ................................................. 142 3.2.1 Cadena. .................................................................................................................................... 142 3.2.2 Dientes de empuje (conocidos como “patos”). ....................................................................... 146 3.2.3 Ruedas de carro (TrolleyWheels). ............................................................................................ 147 3.2.4 Vigas guía. ................................................................................................................................ 148 3.2.5 Juntas expansión. ..................................................................................................................... 149 3.2.6 Curvas verticales ...................................................................................................................... 150 3.2.7 Sistema o dispositivo anti-backup ........................................................................................... 151 3.2.8 Sistemas o dispositivos “Anti-Runaway”. ................................................................................ 152 3.2.9 Curvas de tracción a ruedas “Traction Wheel Turn”. .............................................................. 153 3.2.10 Rodillos de giro. ...................................................................................................................... 154 3.2.11 Caterpillar ............................................................................................................................... 155 ANEXO IV HERREMIENTAS UTILIZADAS ANSYS-PRO/ENGINEER .......................................................... 157 4.1 ANSYS .............................................................................................................................................. 158 4.1.1. Desventajas de ANSYS ............................................................................................................. 159 4.1.2. Proceso de realización de un cálculo. ..................................................................................... 159 4.2 Pro/ENGINEER. ................................................................................................................................ 160 4.2.1. Características de Pro/ENGINEER ........................................................................................... 160 4.2.2. Ventajas de Pro/ENGINEER ..................................................................................................... 161 4.2.3. Funciones y especificaciones. ................................................................................................. 161 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 162 8 | Página Índice de imágenes Imagen 1: Carrier o “Pulpo” de transporte sobre cadena. ......................................................................... 12 Imagen 2: Rotura en eslabón de cadena. ................................................................................................... 14 Imagen 3: Eslabón de cadena X-678 ........................................................................................................... 17 Imagen 4: Perfil de eslabón para extrusión ................................................................................................ 19 Imagen 5: Eslabón tras la extrusión inicial del perfil .................................................................................. 20 Imagen 6:Esbozo eslabón agujero interior ................................................................................................. 20 Imagen 7:Eslabón tras la 2ª extrusión del perfil ......................................................................................... 21 Imagen 8: Eslabón tras redondeo de bordes (vista 3D). ............................................................................. 21 Imagen 9: Esbozo perfil eslabón con codificación. ..................................................................................... 22 Imagen 10: Eslabón con y sin codificación (vista 3D) ................................................................................. 23 Imagen 11: Diseño de bulones. ................................................................................................................... 23 Imagen 12:Diseño rodillo curvas horizontales. ........................................................................................... 24 Imagen 13 :Diseño trolleys curvas verticales. ............................................................................................. 24 Imagen 14: Piezas montaje para medida real. ............................................................................................ 33 Imagen 15:Ejemplo cálculo ángulo de carga curva horizontal. .................................................................. 33 Imagen 16:Ejemplo cálculo ángulo de carga curva vertical. ....................................................................... 34 Imagen 17:Máximo ángulo de carga curva vertical. ................................................................................... 35 Imagen 18:Selección modelo static structural en ANSYS Workbench ........................................................ 37 Imagen 19: Importación modelo de Pro/Engineer a ANSYS Workbench. .................................................. 37 Imagen 20: Definición propiedades del material ........................................................................................ 38 Imagen 21:Representación de cargas y restricciones eslabón curva horizontal ........................................ 39 Imagen 22: Representación de cargas y restricciones eslabón curva vertical. ........................................... 40 Imagen 23: Identificación zona crítica de estudio ...................................................................................... 42 Imagen 24: Tensiones y desplazamientos sin refinamiento de malla. ....................................................... 43 Imagen 25: Tensiones y desplazamientos con refinamiento de malla ....................................................... 44 Imagen 26:Refinado de malla ..................................................................................................................... 45 Imagen 27: Refinado de malla (detalles). ................................................................................................... 45 Imagen 28: Uniones entre elementos. ....................................................................................................... 46 Imagen 29: Distribución de tensiones en curva horizontal 1, con y sin codificación en eslabón. .............. 48 Imagen 30: Desplazamientos en curva horizontal 1, con y sin codificación en eslabón. ........................... 49 Imagen 31: Distribución de tensiones en curva horizontal 9, con y sin codificación en eslabón. .............. 50 Imagen 32: Desplazamientos en curva horizontal 9, con y sin codificación en eslabón. ........................... 51 Imagen 33: Distribución de tensiones en curva vertical 6, con y sin codificación en eslabón. .................. 54 Imagen 34: Desplazamientos en curva vertical 6, con y sin codificación en eslabón. ................................ 55 Imagen 35: Distribución de tensiones en curva vertical 1, con y sin codificación en eslabón. .................. 56 Imagen 36: Desplazamientos en curva vertical 1, con y sin codificación en eslabón. ................................ 57 Imagen 37 :Sistema detección rotura cadena (GM Opel, línea 1) .............................................................. 66 9 | Página Imagen 38: Diagrama factor de concentración Kt. ...................................................................................... 67 Imagen 39: Diagrama para el cálculo del factor de sensibilidad a las ranuras para cargas de flexión y axiales alternantes. ..................................................................................................................................... 68 Imagen 40: Fractura Dúctil .......................................................................................................................... 88 Imagen 41: Superficies dejadas por diferentes tipos de fractura. a) Fractura dúctil,b) Fractura moderadamente dúctil, c) Fractura frágil sin deformación plástica ........................................................... 89 Imagen 42: (a) Geometría de grietas superficiales (b) Perfil esquemático de la tensión a lo largo de la línea X-X´. .................................................................................................................................................... 94 Imagen 43: Localización de la tensión máxima en la grieta. ....................................................................... 94 Imagen 44: Criterio de diseño en un componente sin defectos. ................................................................ 96 Imagen 45: Criterio de diseño en un componente fisurado. ...................................................................... 97 Imagen 46: Tipos de geometría de las grietas. ........................................................................................... 99 Imagen 47: Modos de propagación de grieta: (a) Modo I, (b) Modo II, (c) Modo III. ................................. 99 Imagen 48: Representación de los estados de tensiones alternantes que producen las fallas a fatiga correspondientes ...................................................................................................................................... 101 Imagen 49: Reorientación de la grieta en el estadio II de fatiga según el modo I. ................................... 103 Imagen 50: Representación a escala logarítmica de la relación entre la velocidad y la propagación de la grieta a fatiga (da/dN) y la amplitud del factor de intensidad de tensiones (ΔK). ................................... 104 Imagen 51: Curvas S/N. ............................................................................................................................. 106 Imagen 52: Zonas del diagrama S/N ......................................................................................................... 107 Imagen 53: Curvas S/N. La curva roja representa comportamiento a fatiga material no ferroso. ......... 108 Imagen 54: Gráficas S-N para los distintos tipos de esfuerzos. ................................................................ 109 Imagen 55: Diagrama de fatiga que representa el límite de fatiga corregido. ......................................... 110 Imagen 56: Pieza de sección rectangular. ................................................................................................. 113 Imagen 57: Gráficas cálculo concentración tensiones teóricas en función de cambios de geometría. ... 115 Imagen 58: gráficas cálculo factor de concentración tensiones teóricas según tipo de discontinuidad. 116 Imagen 59: Gráfica cálculo factor de sensibilidad ranuras para cargas de flexión y axiales alternantes. 116 Imagen 60: Gráfica cálculo factor de sensibilidad a las ranuras para cargas de torsión alternantes. ...... 117 Imagen 61: Pieza con temple superficial en flexión o torsión. ................................................................. 118 Imagen 62: Diagrama de fatiga de los diferentes criterios. ...................................................................... 123 Imagen 63: Línea de carga en el diagrama de Goodman para vida infinita. ............................................ 124 Imagen 64: Curvas de daño correspondientes a dos niveles de tensión aplicada. .................................. 127 Imagen 65: Fases del análisis por líquidos penetrantes. .......................................................................... 136 Imagen 66: Defectos obtenidos mediante partículas magnéticas............................................................ 138 Imagen 67: peso y medidas de la cadena. ................................................................................................ 142 Imagen 68: peso y medidas elementos de unión (pernos) de la cadena. ................................................ 145 Imagen 69: Pato de unión entre cadena y carriers. .................................................................................. 146 Imagen 71: Modelos de rodamiento, retención y de complemento. ....................................................... 148 Imagen 72: Viga guía y dimensiones. ........................................................................................................ 148 Imagen 73: Juntas de expansión y dimensiones. ..................................................................................... 149 Imagen 74: Curvas verticales, dimensiones y fórmulas de cálculo. .......................................................... 150 Imagen 75: Sistema o dispositivo anti-backup. ........................................................................................ 151 16 | Página 2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 2.2 DISEÑO ESLABÓN (PRO/ENGINEER) 2.3 CONDICIONES DE CONTORNO 2.4 CÁLCULO CARGA TOTAL ACUMULADA CADENA 2.5 ANÁLISIS ESTÁTICO DEL ESLABÓN (ANSYS) CAPÍTULO 2 DISEÑO Y ANÁLISIS DEL ESLABÓN 17 | Página 2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. En el presente proyecto, se realiza el diseño de un eslabón (véase imagen 2) de cadena de transporte, con y sin codificación en él, para su posterior estudio a fatiga. Mediante el análisis del eslabón a fatiga, lo que se pretende conocer es la variación de vida del eslabón y la variación en cuanto a la tensión soportada por el eslabón cuando este lleva codificación y cuando no la lleva, hasta el momento en el que se produce la rotura en la sección más crítica de dicho eslabón. Imagen 3: Eslabón de cadena X-678 Mediante su diseño se podrá comprobar cómo la codificación presente en el primer modelo de cadena actuaba como concentrador de tensiones (caso real ocurrido en GM mencionado anteriormente), haciendo que el eslabón partiera por zonas diferentes a la supuesta sección critica, además de hacerlo en un periodo de tiempo muy inferior al teóricamente debido. Todas las características y descripciones tanto del eslabón como del resto de componentes de la cadena pueden encontrarse en el anexo II de la presente memoria. Para el diseño y análisis a fatiga del eslabón, se va a hacer uso de dos software de diseño, ANSYS y Pro ENGINEER, válidos para el modelado 3D, para analizar el comportamiento a fatiga, en este caso, de un eslabón de cadena, así como de la presencia de fisuras durante la vida en servicio del mismo. Para el diseño de la pieza se empleará Pro ENGINEER, y para el cálculo de tensiones a fatiga se utilizará ANSYS. Además, mediante la introducción de determinadas condiciones de contorno, se intentará reproducir lo más aproximado posible al caso verídico en el que se basa este estudio. Para ello, se ha seleccionado el mismo tipo de acero utilizado para la fabricación de los eslabones de dicha cadena, cuyas condiciones se detallan en los posteriores apartados del proyecto. 18 | Página Los análisis estáticos y análisis a fatiga a los que va a estar sometido el eslabón, se van a realizar en la sección crítica del mismo, donde serán mayores los esfuerzos producidos. 2.2. DISEÑO ESLABÓN El objetivo principal de este trabajo es realizar el diseño del eslabón mediante el software Pro/engineer y el análisis mediante el software ANSYS, utilizando este último para el análisis estático del eslabón de cadena descrito anteriormente. 2.2.1 Herramientas a utilizar En el presente apartado del proyecto que se estudia, se realiza una descripción inicial básica de las herramientas informáticas mencionadas para, posteriormente, explicar de manera clara y detallada las herramientas que se han usado para el análisis del eslabón de cadena. Dicha explicación se incluye en el anexo IV de la memoria. 2.2.1.1 ANSYS ANSYS es un software de simulación ingenieril. Está desarrollado para funcionar bajo la teoría de elemento finito para estructuras y volúmenes finitos para fluidos. Más información sobre ANSYS puede verse en el anexo IV, “Herramientas a utilizar”. 2.2.1.2Pro/ENGINEER. Para el diseño se utilizará el software Pro/ENGINEER. Pro/ENGINEER es un software de diseño paramétrico de potentes prestaciones integradas en diseño 3D, análisis y fabricación. Una de sus principales ventajas es que las aplicaciones integradas permiten desarrollar todo el proceso desde la concepción hasta la fabricación de una pieza o componente. Pro/ENGINEER ofrece amplias prestaciones en diseño y análisis, con la finalidad de reducir los errores, ahorrar tiempo y reducir costes debidos al uso de distintas herramientas sin conexión entre sí. Más información sobre Pro/ENGINEER puede verse en el anexo IV, “Herramientas a utilizar”. 2.2.2 Simplificaciones aplicadas. Para los estudios comentados previamente, se han realizado las siguientes simplificaciones: • Se supondrá una velocidad de avance constante de la cadena para el estudio de fatiga. De esta forma se desprecian los efectos de aceleración y frenado y también se desprecian los esfuerzos en la dirección del avance. • No se considerará el efecto de la temperatura en el eslabón. • El material utilizado para el estudio del eslabón es acero AISI/SAE 8642. Se trata de un tipo de acero utilizado en la fabricación de eslabones de cadena para sistemas de transporte. 19 | Página • En cuanto al sistema de cargas empleado en los análisis, se ha realizado una adaptación del eslabón. Esto se debe a que cuando se analizaba el modelo completo, se aplicaban las restricciones en una pequeña porción del área de rodadura y unión con el trolley, sin embargo, si se desea analizar el eslabón individualmente resulta inviable, ya que habría que restringir en cierto grado los desplazamientos del eslabón en la zona de unión con el rodillo y el trolley. Por tanto se ha realizado una suposición en la que; las zonas de contacto entre eslabón-rodillo y eslabón-trolley, serán representadas por elementos genéricos, limitando los desplazamientos en las zonas de contacto de manera indirecta, ya que la restricción no se aplica en si al eslabón, sino a las representaciones de bulones, rodillos y trolleys. Además, el estado de cargas que se introducirá será un estado tensional lo más similar posible al obtenido previamente para el análisis estático del conjunto completo especialmente preciso en las zonas de estudio de fatiga. 2.2.3 Modelado de los elementos. En el presente apartado se explica el desarrollo en Pro/ENGINEER del eslabón de cadena. 2.2.3.1. Modelado del eslabón de partida. Primero, en el módulo Estándar, se realiza el perfil de extrusión. Se comienza realizando, mediante la función esbozo, la sección en el plano deseado que se quiere extrusionar. La siguiente figura muestra el esbozo de la sección del eslabón con sus correspondientes cotas. Imagen 4: Perfil de eslabón para extrusión 20 | Página A continuación se realiza la extrusión de la pieza, dándole un valor de 51mm de profundidad (eje z). Imagen 5: Eslabón tras la extrusión inicial del perfil Tras la primera extrusión, se realizan los esbozos y posteriores extrusiones de los agujeros interiores. Imagen 6: Esbozo eslabón agujero interior 21 | Página Se procede a una nueva extrusión, esta vez en el eje Y, de eliminación de material. Imagen 7: Eslabón tras la 2ª extrusión del perfil Después, realizamos el redondeo de los bordes exteriores del eslabón con un radio de 25,5mm, así como del redondeo de los dos bordes internos, (zonas de contacto con bulones) para que quede una correcta superficie de contacto. Imagen 8: Eslabón tras redondeo de bordes (vista 3D). Todo este proceso se repetirá para el modelado del eslabón con codificación inscrita, con un paso extra en el que dicha codificación será añadida al eslabón. 22 | Página Imagen 9: Esbozo perfil eslabón con codificación. En última instancia se aplicará un reborde alrededor de la pieza, tanto interior como exterior, de 2mm de altura y 0,8 mm del borde, ya que los eslabones originales también lo tenían. Ambos modelos se representan a continuación: 23 | Página Imagen 10: Eslabón con y sin codificación (vista 3D) 2.3 CONDICIONES DE CONTORNO Terminados los modelos del eslabón, procedemos a diseñar y representar el resto de elementos necesarios para los cálculos a realizar: Para ambos modelos, se dibujan dos cilindros de diámetro 22mm en el borde interior del eslabón, los cuales representan los bulones sobre los que la carga es aplicada. La carga solicitada al eslabón no se aplica directamente sobre él, sino que se transmite a través de dos bulones, los cuales forman parte del “trolley” (elemento de unión entre el eslabón y la guía). Imagen 11: Diseño de bulones. 24 | Página Habrá que diferenciar a continuación entre curvas verticales y horizontales, ya que las condiciones de contorno varían entre ellas. Para curvas horizontales, creamos un modelo en el cual se incluye un cilindro de diámetro 50mm, que represente un rodillo. Imagen 12:Diseño rodillo curvas horizontales. Para curvas verticales, representamos cuatro elementos, que actúen como los trolleys, de esa manera restringirán el desplazamiento del modelo. Además, se aplicará un redondeo de 1,5mm a los bordes de las aristas de dichos rectángulos, para evitar un efecto de enclave en la pieza. Imagen 13 : Diseño trolleys curvas verticales. 25 | Página Todas las condiciones de contorno citadas anteriormente (rodillo, bulones, trolley) se diseñaran a una distancia de 0.001mm del eslabón, es decir, sin estar en contacto directamente, ya que si no se deja una distancia entre ellos, cuando se importe el modelo a ANSYS, producirá problemas de identificación y correlación, dando como resultado un análisis erróneo del eslabón. Además el modelo se guardará con formato IGES, reconocido por ANSYS. Las condiciones de contorno establecidas permitirán una mayor adecuación y semejanza del modelo con el caso real, puesto que permitirán aplicar una serie de restricciones en el eslabón, necesarias a la hora de realizar los análisis estáticos sobre él. 2.4 CÁLCULO CARGA ACUMULADA EN CADENA Previamente al cálculo estático, debemos calcular las cargas a las cuales se somete al eslabón. Dichas cargas se agruparán en una carga acumulada total, diferente en cada tramo y curva (ya sea vertical u horizontal) del recorrido de la cadena, la cual podrá ser calculada mediante las fórmulas y métodos dados por el fabricante de la cadena, WEBB-STILES. Para su cálculo, se dividió el recorrido de la cadena en varias secciones enumeradas, y mediante las ya mencionadas fórmulas se fue calculando la fuerza acumulada. Todos estos cálculos y valores quedan representados en el siguiente apartado. El cálculo de carga acumulada en cadena puede ser considerado una simulación empleada para conocer si es necesario el cambio de cadenas o la modificación de las empleadas en el momento. Los cálculos matemáticos a realizar son cálculos de fricción de poca complejidad, siendo muy importante la labor del ingeniero que los realiza ya que el resultado depende de su la correcta aplicación de factores de fricción y otros datos por parte del ingeniero. 2.4.1 Enumeración de las secciones El recorrido de la cadena es dividido en diferentes secciones, eligiendo los puntos de mayor relevancia, (véase página 21).  Salida de cada curva horizontal  Zonas de catenarias.  Zonas donde el peso de la cadena varíe.  Salida de curvas verticales.  Salida y entrada del Caterpillar. 32 | Página Gráfica 3  Tensión acumulada cadena según distancia al Caterpillar. 2.4.3 Cálculo ángulo de aplicación Una vez calculadas las cargas a soportar por el eslabón, se debe saber el ángulo con el cual son aplicadas sobre el eslabón en las distintas curvas de estudio. Para su cálculo, se utilizaron la representación virtual para su cálculo y la medida del máximo ángulo real para su comprobación. • Representación virtual: Mediante Pro/Engineer y AutoCad, se representó las diferentes curvas tanto verticales como horizontales, así como los eslabones unidos unos a otros, y se midió el ángulo sobre el bulón de unión. • Medida real: Se escogieron un conjunto reducido de la cadena (eslabones, trolleys…) y se estableció la situación de mayor ángulo posible, para así poder compararlo con el obtenido en la representación virtual y poder confirmar el resultado. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 5,25 19,829 26,776 189,22 204,189 217,528 244,478 299,34 316,293 336,944 377,409 382,863 389,772 Tensión acumulada Distancia cadena desde Caterpillar Series2 33 | Página Imagen 14: Piezas montaje para medida real. Los resultados obtenidos así como un ejemplo de su representación virtual se incluyen a continuación.  Curvas Horizontales: Imagen 15: Ejemplo cálculo ángulo de carga curva horizontal. 34 | Página Radio de curva(º) Ángulo de aplicación carga Máximo ángulo posible 90 9,93 14 180 8,24 13 30 11 13  Curvas verticales Imagen 16: Ejemplo cálculo ángulo de carga curva vertical. 35 | Página Imagen 17: Máximo ángulo de carga curva vertical. Radio de curva(º) Ángulo de aplicación carga Máximo ángulo posible 20 9 15 16 10 14 15 10 14 36 | Página 2.5 ANÁLISIS ESTÁTICO DEL ESLABÓN En el presente apartado se procederá a desarrollar el análisis estático del eslabón por medio del software ANSYS, en concreto mediante la aplicación de ANSYS Workbench, una herramienta eficaz e intuitiva la cual permite cumplir nuestro objetivo. En primero lugar definiremos el tipo de material elegido así como el sistema de cargas diseñado al cual estará sometido el eslabón. 2.5.1 Definición del material. Se decidió emplear el acero AISI/SAE 8642. Resistencia a tracción última = 1097.53MPa. Límite elástico = 986MPa. Módulo de Young = 205 GPa. Radio de Poisson = 0.29 Densidad = 7850 kg/m3 2.5.2 Importación del modelo a ANSYS Una vez realizado el cálculo de la carga acumulada en cada sección del recorrido, y habiendo previamente llevado a cabo el diseño en Pro/Engineer del eslabón (ambos modelos), se procede a la importación del eslabón a ANSYS para su análisis estático. Para ello se deben seguir los siguientes pasos:  Abrir Workbench y seleccionar nuevo modelo. A continuación se elige la opción de “staticstructural”, como muestra la imagen 18. 37 | Página Imagen 18: Selección modelo static structural en ANSYS Workbench  En la ventana desplegable, se importa la geometría de Pro/Engineer (imagen 19) Imagen 19: Importación modelo de Pro/Engineer a ANSYS Workbench. 38 | Página  En la pestaña de “Engineering Data” se especifican las propiedades del material seleccionado (véase imagen 20). Imagen 20: Definición propiedades del material  Por último, se selecciona editar modelo, que es donde se realizará el análisis estático. 2.5.3 Cargas y restricciones Como se ha explicado anteriormente en el apartado “simplificaciones aplicadas”, se ha realizado una adaptación del eslabón para el sistema de cargas empleado en los análisis. Por tanto se ha realizado una suposición en la que; las zonas de contacto entre eslabón-rodillo y eslabón-trolley, serán representadas por elementos genéricos, limitando los desplazamientos en las zonas de contacto de manera indirecta. Para la aplicación y representación de cargas, se ha de tener en cuenta una serie de factores que se enumeran a continuación: 1Ángulos de las curvas verticales y horizontales: Dependiendo del ángulo de la curva la carga acumulada se aplicara con un ángulo específico. 2Si se trata de una curva vertical o de una horizontal. 39 | Página A continuación se representan para cada caso (curva vertical o curva horizontal), las cargas y restricciones aplicadas. Ambos casos son idénticos para los dos modelos de estudio (eslabón con y sin codificación). 2.5.3.1 Eslabón en curva horizontal En una curva horizontal, las cargas y restricciones a tener en cuenta son: Imagen 21: Representación de cargas y restricciones eslabón curva horizontal Carga 1: fuerza total acumulada en cadena por sección (en ambos bulones). Carga 2: Restricción de movimiento por rodillo en zona central (limitados todos los desplazamientos y giros). Carga 3: Restricción bulones, elementos sólidos con desplazamiento eje Y restringido y giros también restringidos. 40 | Página 2.5.3.2 Eslabón en curva vertical En una curva vertical, las cargas y restricciones a tener en cuenta son: Imagen 22: Representación de cargas y restricciones eslabón curva vertical. Carga 1: fuerza total acumulada en cadena por sección (en ambos bulones). Carga 2: Restricción de movimiento por trolley en zona central (limitación de desplazamientos y giros en todos los ejes) Carga 3: Restricción bulones, elementos sólidos con desplazamiento eje Y restringido y giros también restringidos. Tanto en curvas verticales como horizontales, habrá que tener en cuenta el ángulo de inclinación y el ángulo o radio de giro, puesto que la aplicación de la carga no será la misma. 41 | Página Dichos ángulos, son los explicados anteriormente y han sido obtenidos de los planos originales de la cadena Línea 1. Los ángulos calculados son los siguientes: • CURVAS HORIZONTALES: • CURVAS VERTICALES: Restricciones: Como ya se ha comentado, se llevarán a cabo una serie de restricciones, no sobre el eslabón en sí, sino sobre las representaciones de rodillos y bulones, los cuales serán objetos de carácter rígido, con desplazamientos y giros delimitados. A la hora de obtener resultados, hay que tener cuidado con lo que se denomina singularidades. Se conocen como singularidades las zonas de tensión o flujos de temperatura teóricamente infinitos, siendo no deseables en el estudio, ya que pueden sesgar los resultados de los análisis. En caso de existir singularidades, la solución de los análisis puede reflejar concentraciones de tensiones originadas por dichas cargas, lo que dificulta su capacidad para centrarse en los comportamientos de tensión en general, que a priori es de mayor interés. 48 | Página Imagen 29: Distribución de tensiones en curva horizontal 1, con y sin codificación en eslabón. 49 | Página Imagen 30: Desplazamientos en curva horizontal 1, con y sin codificación en eslabón. 50 | Página Imagen 31: Distribución de tensiones en curva horizontal 9, con y sin codificación en eslabón. 51 | Página Imagen 32: Desplazamientos en curva horizontal 9, con y sin codificación en eslabón. 52 | Página Tras los ejemplos mostrados, se puede apreciar que las tensiones soportadas por el eslabón en curvas horizontales no se ven afectadas en absoluto por la codificación. Se adjunta una tabla donde se reflejan las tensiones y desplazamientos máximos obtenidos mediante ANSYS en las diferentes curvas horizontales para los dos modelos estudiados. 2.5.4.1 Tabla tensiones-desplazamientos, Curvas horizontales Nº CURVA PUNTO DE TRAMO 1 B 2 B 3 C 4 D 5 F 6 F 7 G 8 N 9 P Ahora se podrán ver las gráficas 4 Y 5 que se obtuvieron a partir de los resultados anteriores, las cuales representan la relación carga aplicada-tensión originada y carga aplicadadeformación producida. Z X 11436,8555 2006,84472 11436,8555 2006,84472 11752,7236 1710,12081 12119,0831 2126,01785 12761,5123 2246,31585 12761,5123 2246,31585 13539,8719 2610,47831 28613,8606 4163,55902 30001,571 3944,12223 0,205695172 0,187839265 0,191636811 0,198744965 0,198744965 0,184 ESLABÓN CON Y SIN CODIFICACIÓN Nº CURVA CARGA ACUMULADA (N) TENSIÓN MAX SECC CRIT (VON MISES) DEFORMACIÓNDESPLAZAMIENTO MPa mm 1 156,150 0,184 2 156,150 3 160,462 4 165,464 5 174,236 6 7 8 174,236 184,862 311,798 0,362615513 9 326,920 0,377 53 | Página Gráfica 4 Gráfica carga aplicada frente a la máxima tensión que aparece, eslabón en curva horizontal. Gráfica 5 Gráfica carga aplicada frente a la máxima deformación que aparece, eslabón en curva horizontal. Como se puede observar, la zona crítica en curvas horizontales no es la sección con codificación, sino la zona central de una de las mallas. Aun así, se llevará a cabo su estudio completo. 54 | Página Imagen 33: Distribución de tensiones en curva vertical 6, con y sin codificación en eslabón. 55 | Página Imagen 34: Desplazamientos en curva vertical 6, con y sin codificación en eslabón. 56 | Página Imagen 35: Distribución de tensiones en curva vertical 1, con y sin codificación en eslabón. 57 | Página Imagen 36: Desplazamientos en curva vertical 1, con y sin codificación en eslabón. 64 | Página Aun cuando la teoría de Ewings y Humphrey supone un notable avance respecto a lo que hasta entonces se conocía sobre la fatiga, presenta algunas lagunas. Por ejemplo la falta de explicación de la ausencia de rotura de las probetas y piezas por debajo de un cierto umbral de tensión, como observó Wöhler. Durante la primera mitad del siglo XX se obtuvieron gran cantidad de datos experimentales relacionando la resistencia a fatiga con factores tales como la geometría y tamaño de las piezas, condiciones ambientales, acabado superficial, estructura metalográfica, etc. Las investigaciones en este periodo permitieron el desarrollo de los modelos de daño acumulado para predecir el fallo por fatiga. Es importante destacar a Palmgren y a Miner. Por el año 1957 Irwin mostró en sus estudios que la amplitud de la singularidad en tensiones delante de una grieta podía ser expresada en términos de una cantidad conocida como factor de intensidad de tensiones, K. Con el desarrollo de la mecánica de la fractura elástica lineal se intentó caracterizar el crecimiento de las grietas de fatiga también en términos del factor de intensidad de tensiones. Paris y Erdogan, fueron los primeros en sugerir que el incremento de longitud de grieta por ciclo, da /dN, podía relacionarse con el rango del factor de intensidad de tensiones, K, bajo cargas de amplitud constante. Con la aplicación de los conceptos de mecánica de fractura al fallo por fatiga, tomaron un interés creciente el estudio de los mecanismos de crecimiento subcrítico de grieta. Modelos conceptuales y cuantitativos fueron desarrollados para obtener la resistencia de los materiales al crecimiento de grietas. Junto con estos estudios, creció el interés por comprender el proceso por el que el factor de intensidad de tensiones podía verse alterado con el avance de la grieta. En este aspecto, cabe destacar a Elber, quien en 1970, mostró que la grieta puede permanecer cerrada incluso cuando está sometida a tensiones cíclicas de tracción debido a la plastificación producida en el borde de la grieta. En las últimas décadas, con el desarrollo y creación de máquinas más sofisticadas, comienza la realización de ensayos con cargas complejas (amplitud variable). Durante el crecimiento de una grieta con cargas de amplitud variable se produce lo que se denomina efecto de secuencia o de interacción debido a la irregularidad de la carga, el cual fue puesto de manifiesto en la década de los 60. Por tanto, se puede concluir que, a pesar del enorme esfuerzo invertido durante los últimos 180 años, la disponibilidad de máquinas cada vez más complejas, de técnicas de medición y detección de grietas cada vez más pequeñas y procedimientos de cálculo más avanzados, aún no se posee un conocimiento completo del fenómeno de la fatiga de los metales. Sin embargo, a pesar no poseer el conocimiento completo sobre el fenómeno, se puede afirmar que se ha conseguido obtener un gran desarrollo en el cálculo de la vida a fatiga de elementos mecánicos y un aumento de la fiabilidad de los mismos. 65 | Página 3.3. ESTADO DEL ARTE. En transportes de componentes materiales, la cadena es un componente crítico en cuanto a seguridad se refiere. Es uno de los primeros elementos sujetos a alto número de ciclos de carga repetitiva, sometido a estados de tracción de elevada magnitud. Los fallos debido a fatiga en eslabones de este tipo de cadenas son muy poco comunes. A pesar de que los eslabones de la cadena son muy seguros estadísticamente, se inspeccionan a frecuencias regulares usando métodos de inspección no destructiva, tales como inspección por ultrasonidos o partículas magnéticas. Las inspecciones por ultrasonidos se emplean con relativa frecuencia y esto implica pasar una onda de ultrasonidos por el eslabón y después medir las reflexiones. Los resultados se comparan con una norma de reflexión estándar de un eslabón en plenas condiciones y se evalúan las desviaciones. El procedimiento a seguir para determinar la frecuencia de inspección implica calcular el tiempo que transcurre desde que se detecta una posible fisura hasta que crece y se produce el fallo del componente. El intervalo de inspección debe ser menor que éste y usualmente suele ser una fracción de este tiempo que permite detectar la fisura en la siguiente inspección, la cual podría haber sido omitida previamente. La probabilidad de que en un lote de eslabones exista, aunque sólo sea un eslabón defectuoso, es bastante baja, debido a la naturaleza del problema. Los operadores de los equipos de detección presentan un gran número de eslabones examinados con un porcentaje muy bajo de defectos. Existen factores humanos añadidos que deben tenerse en cuenta y que ponen en duda la seguridad de las inspecciones de ultrasonidos. Estos factores cobran un interés especial cuando se trata de determinar los intervalos de inspección. Debido a todo esto, el beneficio de la seguridad de las inspecciones de ultrasonidos puede ser contrarrestado por el riesgo adicional introducido por los procedimientos explicados durante la inspección. Las inspecciones más sensibles se realizan mediante partículas magnéticas. Actualmente en GM, la inspección de rotura de eslabón se realiza principalmente mediante inspección visual y el uso de un sensor automatizado, encargado de revisar constantemente que no se produce rotura en ningún eslabón. Dicho sensor funciona de la siguiente manera: El sensor se sitúa en puntos de tensión acumulada máxima, como en curvas verticales y horizontales, a una distancia del eslabón de aproximadamente 10cm.Midiendo la distancia hasta el eslabón, puede saber si algún punto de este se encuentra a menor o mayor distancia de la mencionada, lo que indicaría una rotura del eslabón (ver imagen 9). 66 | Página Como resumen, se puede concretar, que debido a que los eslabones de cadena tienen un carácter crítico en la seguridad, se ha desarrollado una considerable experiencia durante los años en el diseño, gestión y operación de cadenas. A pesar de la alta fiabilidad que se ha obtenido en las cadenas, sigue existiendo un continuo aunque pequeño número de fallos, por tanto es necesario comprender bien los factores que afectan a la probabilidad de fallo de la cadena. Imagen 37 : Sistema detección rotura cadena (GM Opel, línea 1) 67 | Página 3.4 PLANTEAMINETO ANÁLISIS A FATIGA Una vez realizado el cálculo en ANSYS, se lleva a cabo el cálculo analítico de la vida del eslabón (nº de ciclos). Dicho cálculo se dividirá en dos sub-conjuntos, curvas horizontales y curvas verticales. Previamente al cálculo de los ciclos de vida del eslabón realizaremos los cálculos del límite a fatiga infinito. Aunque el valor del factor de concentración de tensiones se obtiene directamente mediante ANSYS, se hará un estudió analítico sobre él, obteniendo su valor por medio de diagramas y funciones. 3.5 CÁLCULO LÍMITE DE FATIGA INFINITO Definida la sección crítica a tener en cuenta, se realizará el cálculo del factor de concentración de tensiones teórico, (Kt), para los dos casos de estudio del proyecto: eslabón con y sin codificación. Dichos valores los obtendremos por medio del software ANSYS, pero también los obtendremos mediante gráficas, aproximando a una geometría rectangular, en la cual la codificación equivaldrá a una ranura de radio 0,4 mm. Dichas gráficas se exponen en el anexo I, “Mecánica de la fractura y la fatiga”. Para el caso del eslabón sin codificación, al no tener ningún elemento que actúe como concentrador de tensiones, Kt tendrá como valor 1, al igual que Ke. En cuanto al eslabón codificado, para curvas horizontales también tendrá valor unidad, puesto que la zona crítica no será aquella con codificación, sino una diferente. En el caso de curvas verticales con eslabón codificado, si que obtendremos un valor de Kt diferente a la unidad. Para su aproximación analítica emplearemos el siguiente diagrama: Imagen 38: Diagrama factor de concentración Kt. 68 | Página La codificación se representara como una ranura de 0.4mm de profundidad. Siendo: • w/d= 1,02 • r/d = 0,019 Por tanto obtendremos un valor de Kt= 3,34 (aproximación mediante ampliación de la gráfica) Una vez obtenido el factor de concentrador de tensiones, se procederá a calcular el factor de sensibilidad a las ranuras (q) (pag.244, Mischke) entrando en la gráfica de la siguiente figura con los valores de la tensión última a tracción y con los radios de las ranuras. Imagen 39: Diagrama para el cálculo del factor de sensibilidad a las ranuras para cargas de flexión y axiales alternantes. 69 | Página Dado que el radio de la sección es menor a 1 mm, el factor de sensibilidad a las ranuras será el mismo, como se puede observar en la gráfica. r<1mm q= 0,64 Sult= 1097,53MPa A continuación se calculará el factor de la resistencia a fatiga para la sección mediante la ecuación: Kf = q(Kt -1) + 1 • Para eslabón sin codificar: Kf1= 0,64(1-1)+1= 1 • Para eslabón codificado curvas horizontales: Kf2= 0,64(1-1) +1= 1 • Para eslabón codificado curvas horizontales: Kf2= 0,64(1-1) +1= 1 • Para eslabón codificado curvas verticales: Kf3= 0,64(3,34 -1) +1= 2,17 Finalmente, como el factor de concentración de tensiones Ke, se define como la inversa de Kf, tenemos que el factor de concentraciones para el eslabón codificado en curvas verticales es: Ke= 0,4608 Este factor, junto con los factores unidad, serán empleados para realizar los análisis de fatiga, cada uno para su modelo de eslabón correspondiente. 70 | Página El factor de acabado superficial Ka, se define también en las propiedades del material, sin tener la opción de introducir directamente el valor, pero con la posibilidad de variar el tipo de acabado, por tanto variando así su valor de manera indirecta. Nuestro modelo es forjado. Su valor calculado analíticamente es: Para forjado Ka= 272*1097,53-0,995= 0,256 Existen otros factores como puede ser el factor de confiabilidad Kc, el cual definiremos como 1. Esto indica que el 50% de las pruebas realizadas bajo las mismas condiciones de modelo definidas, tendrán vidas superiores a la que el programa predice. Además de estos coeficientes, que junto con el resto de teoría sobre la fatiga y la fractura se encuentran detallados en su correspondiente anexo I, “mecánica de la fatiga y la fractura”, hay otros factores que también afectan de manera destacable al límite de fatiga de un componente. Estos pueden ser el tratamiento superficial, la existencia de cambios de sección o muescas y el tamaño del propio componente. El factor de tamaño (Kb) lo calcularemos según la siguiente fórmula: Esta fórmula es empleada para casos de torsión o flexión. 𝑲𝑲𝒃𝒃=𝟎𝟎,𝟖𝟖𝟎𝟎𝟖𝟖(𝟐𝟐𝟐𝟐∗𝟐𝟐𝟏𝟏)−𝟎𝟎.𝟐𝟐𝟐𝟐𝟏𝟏𝟏𝟏 𝟐𝟐𝒂𝒂 =𝟎𝟎,𝟗𝟗𝟏𝟏𝟖𝟖 (Simplificado a área rectangular) El factor de temperatura (Kd), será despreciado puesto que una de las simplificaciones aplicadas era el no tener en cuenta la temperatura. A continuación se obtiene el límite de fatiga corregido (Se ), que se define como el valor de la tensión alternante máxima que permite conseguir una vida infinita del mismo en las condiciones de funcionamiento. 71 | Página Para nuestro caso, la ecuación para el cálculo de Se es: 𝑆𝑆𝑒𝑒= 0,504 × 𝜎𝜎𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢 Siendo: o 𝜎𝜎𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢= 1097,53 MPa o 𝑆𝑆𝑒𝑒 = 0,504 ×1097,53 =𝟓𝟓𝟓𝟓𝟏𝟏,𝟐𝟐𝟓𝟓𝟓𝟓𝟏𝟏𝟏𝟏𝒂𝒂 Este resultado nos confirma que el eslabón supera el límite de fatiga corregido, por lo que tendrá una vida determinada de ciclos de vida menor a 1e06 ciclos. En resumen los valores obtenidos son:  Ka= 0,256  Kb= 0,938  Kc= 1  Ke1= 1  Ke2= 1  Ke3= 0,4608  Kt1= 1  Kt2= 1  Kt3= 3,34  Kf1= 1  Kf2= 1  Kf3= 2,16  q= 0,64  Se= 553,155 MPa Una vez obtenidos todos estos valores, se calcula 𝑆𝑆′𝑒𝑒, (límite de resistencia a la fatiga), mediante la ecuación: 𝑆𝑆′𝑒𝑒=𝑆𝑆𝑒𝑒𝑥𝑥𝐾𝐾𝑏𝑏𝑥𝑥𝐾𝐾𝑏𝑏𝑥𝑥𝐾𝐾𝑐𝑐𝑥𝑥𝐾𝐾𝑒𝑒 72 | Página Obtenemos unos valores de S’e para los diferentes casos estudiados. o Eslabón sin codificación curvas horizontales  132,828 MPa o Eslabón sin codificación curvas verticales  132,828 MPa o Eslabón con codificación curvas horizontales  132,828 MPa o Eslabón con codificación curvas verticales  61,207 MPa Con estos resultados se puede afirmar que la vida del eslabón no será infinita y será menor de 1e06 ciclos. ANSYS ya toma en cuenta el valor de Ke a la hora de dar los resultados, por lo cual en el caso del eslabón codificado en curvas verticales, habrá dos formas de actuación: Si tenemos en cuenta el factor Ke para el cálculo de Se y posteriormente para el cálculo de a y b, debemos emplear las tensiones sin tener en cuenta su factor de concentración de tensiones. Si elegimos emplear las tensiones obtenidas con el valor de concentración de tensiones, entonces no se aplicara Ke en el cálculo de a y b. En el siguiente apartado se procederá al cálculo del número de ciclos de vida para cada modelo del estudio. 73 | Página 3.6 CÁLCULO DE VIDA A FATIGA, Nº DE CICLOS Para el cálculo de número de ciclos, se ha estudiado y aplicado los modelos y estudios de Basquin. Las fórmulas aplicadas se detallan a continuación: 𝑁𝑁= (𝜎𝜎𝑏𝑏 a) 1 𝑏𝑏 Dónde: 𝑏𝑏=(0,9𝜎𝜎𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢)2 𝑆𝑆′𝑒𝑒 𝑏𝑏=−1 3log (0,9𝜎𝜎𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢) 𝑆𝑆′𝑒𝑒 𝜎𝜎𝑏𝑏  Tensión equivalente alternante Con los valores obtenidos previamente, sustituimos y obtenemos a y b. 𝑏𝑏1=(0,9𝜎𝜎𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢)2 𝑆𝑆′𝑒𝑒=(0,9 × 1097,53)2 132,828 =7346,057 𝑏𝑏2=(0,9𝜎𝜎𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢)2 𝑆𝑆′𝑒𝑒=(0,9 × 1097,53)2 61,207 =15940,7822 b1=−1 3log (0,9𝜎𝜎𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢) 𝑆𝑆′𝑒𝑒=−1 3log (0,9×1097,53) 132.828 =−0,2904 b2=−1 3log (0,9𝜎𝜎𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢𝑢) 𝑆𝑆′𝑒𝑒 =−1 3log (0,9 × 1097,53) 61,207 =−0,405 80 | Página 4.1 CONCLUSIONES 4.2 PROPUESTAS DE MEJORA Y TRABAJOS FUTUROS 4.3 PRESUPUESTO CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO 81 | Página 4.1 CONCLUSIONES Llegados al final de este proyecto de fin de carrera, se puede afirmar que el objetivo principal de analizar la influencia que supone la codificación en un eslabón de cadena como factor de concentración de tensiones y en los ciclos de vida del mismo, se ha cumplido con plena satisfacción. Cabe señalar que este proyecto de fin de carrera se ha centrado sólo en el comportamiento del eslabón con y sin codificación frente a las cargas aplicadas, desde un estado inicial, considerado el normal, hasta el estado donde se produciría el fallo a fatiga, es decir, la aparición de una fractura o grieta. El estudio desde la aparición de una grieta y su desarrollo así como el comportamiento de ambos modelos frente a esa progresión no se ha tratado en este proyecto de fin de carrera. Tras los estudios realizados se obtuvieron las siguientes conclusiones: • Del estudio de las tensiones sufridas por el eslabón se vio que las tensiones sufridas iban aumentando conforme aumentaba el recorrido de la cadena. • Cabe destacar que dependiendo del tipo de curva, vertical u horizontal, se producía un cambio en la distribución y magnitud de las tensiones sufridas por el eslabón. • Se observa que la influencia de la codificación en el eslabón no es significativa en curvas horizontales, al contrario que en curvas verticales, donde actúa como factor de concentrador de tensiones de valor Ke =0,4608. • En el caso de curvas verticales, dicho factor de concentración de tensiones, provocaba una reducción de la vida de la cadena de un 69,72% respecto al eslabón sin codificación. • La codificación suponía una reducción de un 40,56% de la vida del eslabón. Observando todos los resultados, comparándolos con la literatura empleada para la realización de los estudios y discutiendo los mismos con el personal especializado en la materia, se puede concluir que los resultados obtenidos en este proyecto de fin de carrera se asemejan a los registrados en condiciones reales (caso verídico ocurrido en GM). Por tanto, los resultados son aceptables. Con esto se puede decir que se ha conseguido el objetivo principal de manera muy satisfactoria. Se ha conseguido estudiar por medio del software ANSYS, bajo condiciones reales de operación, la evolución sufrida en el eslabón por las tensiones sufridas frente a un cambio entre un eslabón con y sin codificación en él. 82 | Página 4.2 PROPUESTAS DE MEJORA Y TRABAJOS FUTUROS. Como sucede en la mayoría de los casos, todo puede ser mejorado, algo que se tiene presente y que se demuestra con una serie de mejoras para el modelo estudiado. Una de las propuestas que se formula es intentar realizar un estudio más detallado respecto a las restricciones establecidas, representando de manera adecuada los demás elementos en contacto con el eslabón (trolleys, rodillos…) para que los resultados sean más precisos. Otra propuesta para futuros proyectos es la profundización en la fatiga acumulada, ya que en este proyecto, se ha realizado por primera vez esta teoría de análisis y se trata de un factor muy importante en el estudio de eslabones de cadena, el conocer la fatiga acumulada del eslabón para saber si está cerca de que se produzca una fisura o de que falle el componente. Por ello, se recomienda que se profundice acerca de esta teoría en futuros proyectos y ensayos. Se propone para futuros proyectos que se tenga especial cuidado al refinar la malla, y que se busque el menor tamaño del elemento para poder refinarlo, ya que así se podrán obtener mejores resultados en los análisis. Visto el sobredimensionamiento de la cadena para esfuerzos a tracción, podría realizarse un estudio sobre ello y ver si bastaría con un modelo de cadena inferior al empleado actualmente, aunque esta propuesta no es probable que se llevara a cabo por el gran impacto económico que supondría, ya que la inversión inicial sería muy elevada, por ello otra propuesta sería realizar un estudio de costes y beneficios sobre la implantación de dicho modelo. Como última modificación se propone tener en cuenta otros factores a la hora de realizar el estudio, como pueden ser factor medioambiental, factores varios como son operarios, herramientas empleadas en posibles reparaciones, adecuado engrase de la cadena, posibles cambios en el recorrido de la cadena, variación de ángulos en curvas tanto horizontales como verticales… 83 | Página 4.3. PRESUPUESTO GENERAL. La realización y consecución del presente proyecto ha transcurrido durante un proceso cronológico de 12 semanas (3 meses), parte del tiempo que ha durado mi periodo de prácticas en la empresa General Motors. En dicho proceso, se han seguido las siguientes etapas explicadas en apartados anteriores. 1. Planteamiento de los objetivos del Proyecto. 2. Estudio de la teoría y manuales relacionados con los objetivos del Proyecto. 3. Estudio y aprendizaje del software de diseño Pro/ENGINEER y ANSYS. 4. Modelado del eslabón. 5. Diseño de la metodología de los análisis. 6. Realización de las simulaciones con el software ANSYS. 7. Interpretación de los resultados. 8. Realización de la memoria teórica. 4.3.1 Costes imputables. A este proyecto se le imputan unos costes económicos. Para ello se calcularán las horas empleadas en las etapas descritas y, posteriormente, se les aplicará un coste por hora. Todos los costes están exentos de IVA, el cual se aplicara al final del presupuesto. También se considerará el coste anual del software ANSYS, la cual es de 7500€/año y el coste anual de la licencia del software Pro/ENGINEER que asciende a 6000€/año. En cuanto el coste del software de diseño mecánico Pro/ENGINEER y ANSYS, se tendrá en cuenta que la amortización en este caso es 1/6, por tanto el coste imputable será para la licencia: (Coste Imputable) Pro/Engineer 6000[€] x (1/6) [1/año] = 1000€ (Coste Imputable) ANSYS V.13  7500[€] x (1/6) [1/año] = 1250€ A continuación, se detallan los costes correspondientes a los trabajos realizados para la consecución del presente proyecto 84 | Página Tabla 7  Presupuesto general para la realización del proyecto 9.350 € TOTAL (SIN IVA) PORCENTAJE DE IVA 21% TOTAL GENERAL (CON IVA) 11.313,50 € OTROS CONCEPTOS Descripción Gastos de impresión, encuadernación… Gasto transportes (desplazamientos…) 200 Descripción Coste (€ ) Coste imputable(€) Licencia Pro/ Engineer Licencia ANSYS Coste imputable(€) 100 7500 1250 Redacción de la memoria 20 25 500 6000 1000 SOFTWARE Coste imputable(€) Documentación 20 25 500 Modelado de elementos 20 50 1000 Ingeniería: Simulación y análisis 60 80 4800 PERSONAL Descripción H oras (h) Coste por hora (€) 85 | Página 1.1 FUNDAMENTOS DE LA FRACTURA 1.2 DEFECTOS Y CONCENTRACIÓN DE TENSIONES 1.3 MECÁNICA DE LA FRACTURA 1.4 FUNDAMENTOS DE LA FATIGA 1.5 DIAGRAMA DE FATIGA S-N 1.6 COEF. MODIFICATIVOS DEL LÍMITE DE FATIGA O COEF. DE MARIN 1.7 ESFUERZOS FLUCTUANTES 1.8 DAÑO ACUMULATIVO 1.9 INFLUENCIA DEL MEDIO AMBIENTE EN LA FATIGA ANEXO I MECÁNICA DE LA FATIGA Y LA FRACTURA 86 | Página 1.1 FUNDAMENTOS DE LA FRACTURA. 1.1.1. Introducción. La rotura de un material, en las condiciones más simples, es la separación de un cuerpo en dos o más partes en respuesta a una tensión máxima aplicada (es decir, constante o cambiando ligeramente con el tiempo) y a temperaturas que son relativamente bajas en comparación con la temperatura de fusión del material. La forma más sencilla de tensión aplicada sería una tracción uniaxial y uniforme. La fractura se inicia siempre en defectos presentes en el material. Dichos defectos pueden ser de dimensiones y formas muy diferentes de un material a otro. 1.1.2. Análisis de fallos. El análisis de fallos en servicio tiene gran importancia, ya que permite alcanzar un conocimiento real de las posibilidades que presenta cada material para alcanzar determinadas aplicaciones. Analizar los fallos en servicio es muy complejo, pues en muchos casos las circunstancias por las que se producen son ajenas al componente en el que ha tenido lugar el fallo. 1.1.3. Clasificación de fallos. Existe una amplia gama de clasificaciones de fallo, de manera que todos entren dentro de algún grupo y eso ayude a analizarlos correctamente. A continuación se presentan los que tienen que ver con los distintos tipos de solicitaciones mecánicas que se dan durante el tiempo en servicio y con el tipo de fractura que se observa en el componente. 1.1.3.1. Según la solicitación. Los fallos se pueden clasificar según el modo de aplicación de la carga y el tipo de solicitación que los provocan. La carga puede ser estática o variable principalmente: • En caso de carga estática, el componente puede encontrarse bajo tracción, torsión, cizalladura o cualquiera de las posibles combinaciones entre ellas. Las fracturas que se producen con este tipo de cargas también son estáticas, viéndose muy afectadas por la temperatura alcanzada y por el tiempo de servicio. No podrá estar sometido a compresión puesto que la cadena nunca trabaja de dicha forma. • En el caso de carga variable, si además esta se repite cíclicamente, la fractura será dinámica y se medirá el número de ciclos en el que varían las cargas. Si secombinan de manera necesaria la carga, el tiempo y la temperatura, se puede llegar a producir la fluencia del material. 87 | Página 1.1.3.2. Según el tipo de fractura. Otra posible clasificación corresponde al tipo de fractura, que puede presentar órdenes de magnitud diferentes: nivel atómico, nivel microscópico y nivel macroscópico. • A nivel microscópico, las fracturas se pueden clasificar en dos grandes grupos: transcristalinas e intercristalinas. La fractura intercristalina consiste básicamente en la descohesión entre granos a través de sus bordes; previamente a la fractura, además, los granos pueden experimentar microdeformación plástica en sus superficies. Las fracturas transcristalinas, por su parte, se pueden dividir en una serie de grupos que dependen de los distintos mecanismos de fractura o del aspecto morfológico que presenta la propia superficie de rotura que, a su vez, también depende del tipo de esfuerzos experimentados o de las características intrínsecas del material. • Finalmente, a nivel macroscópico, se pueden distinguir los siguientes grupos de fracturas: o Dúctil por carga estática: Este tipo de fractura implica deformación plástica por deslizamiento, produciéndose gran absorción de energía y elevado alargamiento. En función del tipo de carga puede ser de tracción, de flexión, de cizalladura o de torsión. o Frágil por carga estática: Se produce por el crecimiento de frietas en planos normales a la dirección de la carga caracterizándose por presentar escasa deformación plástica. o Frágil por carga estática mantenida: Se distingue entre corrosión-tensión, fragilización por hidrógeno, fragilización por metal líquido y fragilización por irradiación neutrónica. o Fatiga: Se dividen en alto y bajo número de ciclos cuando sólo se tiene en cuenta el efecto mecánico; y en fatiga-corrosión y fatiga-temperatura, cuando se combinan esfuerzos mecánicos que tienen lugar por fatiga con la corrosión o temperatura. 1.1.4. Tipos de fractura. Según la capacidad del material para deformarse plásticamente antes de romperse, las roturas se clasifican en dos categorías: dúctiles y frágiles. Los materiales dúctiles exhiben normalmente una deformación plástica sustancial antes de la fractura. Por el contrario, en la rotura frágil no existe apenas deformación plástica durante el proceso de rotura. Las partes resultantes después de la rotura frágil pueden juntarse de nuevo y reproducir completamente la geometría inicial de la probeta. Esto no es posible cuando la rotura es dúctil. 88 | Página 1.1.4.1. Fractura dúctil. La fractura dúctil de un material tiene lugar después de una intensa deformación plástica. Si consideramos una probeta redonda y se aplica un esfuerzo a la probeta tal que exceda su resistencia máxima a la tensión, y se mantiene suficiente tiempo, la probeta se fracturará. La fractura dúctil comienza con la formación de un cuello y la formación de cavidades dentro de la zona de estrangulamiento. Luego las cavidades se fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se propaga hacia la superficie en dirección perpendicular a la tensión aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la grieta cambia su dirección a 45º con respecto al eje de tensión y resulta una fractura de cono y embudo. En la práctica, las fracturas dúctiles son menos frecuentes que las frágiles, y su principal causa es el exceso de carga aplicado a la pieza, que puede ocurrir como resultado de un diseño erróneo, una fabricación inadecuada o un abuso (someter a la pieza a niveles de carga por encima del soportado). Imagen 40: Fractura Dúctil 89 | Página 1.1.4.2. Fractura frágil. La fractura frágil ocurre sin deformación plástica apreciable y por propagación rápida de una grieta. La dirección del movimiento de la grieta es perpendicular a la dirección de la tensión aplicada y produce una superficie de fractura relativamente plana. Imagen 41: Superficies dejadas por diferentes tipos de fractura. a) Fractura dúctil,b) Fractura moderadamente dúctil, c) Fractura frágil sin deformación plástica En la mayoría de los materiales cristalinos frágiles, la propagación de la grieta se debe a la rotura sucesiva de enlaces atómicos a lo largo de planos cristalográficos, proceso que se denomina descohesión o clivaje. Este tipo de fractura se dice que es transgranular o transcristalina, debido a que las fisuras pasan a través de los granos. El proceso de clivaje implica fracturas transgranulares a lo largo de planos cristalográficos específicos. En algunos materiales, la propagación de la grieta ocurre a lo largo de los bordes de grano. Esta fractura se denomina intergranular, y se produce normalmente como consecuencia de algún fenómeno que ha debilitado o fragilizado los bordes de grano, tal como:  La precipitación de una fase frágil a lo largo de los bordes de grano.  La fragilizaciónporHidrógeno.  La fragilización por metal líquido.  La fisuración asistida por el medio ambiente.  La corrosión intergranular  La cavitación y fisuración a lo largo de límites de grano a altas temperaturas. A temperaturas elevadas, uno de los mecanismos de deformación es el deslizamiento de los bordes de grano, en los cuales so forman cavidades. 96 | Página 1.3.1.1. Criterio convencional de diseño en un componente sin defectos. Imagen 44: Criterio de diseño en un componente sin defectos. Tensión media aplicada: Criterio de diseño: Sin embrago, ésta hipótesis no tiene validez en un componente fisurado, puesto que estos fallan bajo la aplicación de cargas inferiores a la tensión de rotura del material. 97 | Página 1.3.1.2 Criterio convencional de diseño en un componente fisurado. Imagen 45: Criterio de diseño en un componente fisurado. Tensión media aplicada: Criterio de diseño: Este fenómeno obliga a buscar alternativas a los criterios convencionales de diseño desarrollándose los criterios de fractura. 98 | Página 1.3.2. Criterio de falla por fractura bajo conceptos de mecánica de fractura elástica lineal. Cuando en un componente estructural se encuentra una grieta sometida a una carga, de manera que las superficies de la grieta se desplazan directamente una respecto a la otra, y si en el frente de grieta sólo se tiene una pequeña deformación plástica rodeada de un campo de esfuerzos elásticos, determinado por el factor de intensidad de esfuerzo, entonces como criterio de falla se considera que ocurre una falla por fractura por crecimiento inestable de una grieta cuando: Donde 𝐾𝐾𝐼𝐼es el factor de intensidad de esfuerzo, el cual por lo general depende del tamaño de grieta, las dimensiones del componente y del esfuerzo nominal aplicado. Como se vio anteriormente, por lo general, 𝐾𝐾𝐼𝐼se expresa como:𝐾𝐾𝐼𝐼=𝛽𝛽𝑆𝑆√𝜋𝜋𝑏𝑏 ,donde el factor de configuración 𝛽𝛽 usualmente se ve afectado por el tipo de carga y por el tamaño de grieta en relación con determinadas dimensiones del componente. Además, la orientación de la grieta juega un papel importante en el factor de intensidad de esfuerzo: Grieta longitudinal: Grieta circunferencial: Donde “a” es la semilongitud de la grieta, p la presión interna, D el diámetro y h el espesor de la pared del recipiente. 99 | Página Imagen 46: Tipos de geometría de las grietas. 1.3.3. Modos de fractura. La propagación de fisuras puede producirse de tres modos diferentes. Imagen 47: Modos de propagación de grieta: (a) Modo I, (b) Modo II, (c) Modo III. 100 | Página • Modo I: Los flancos de la grieta se separan uno respecto del otro. También llamado modo de tracción. • Modo II: También llamado modo de deslizamiento tangencial en el plano. Las caras de la grieta deslizan perpendicularmente al borde de la misma. • Modo III: También llamado modo de deslizamiento tangencial fuera del plano. Los flancos de la grieta deslizan paralelamente al frente de la grieta. Para cualquiera de estos modos, el campo de tensiones próximo al frente de la grieta presenta una singularidad justo en el vértice de ésta. Dicha singularidad es caracterizada mediante un escalar, que recibe el nombre de Factor de Intensidad de Tensiones, el cual es función de la carga aplicada, la longitud de la grieta y la geometría de la pieza. 1.4. FUNDAMENTOS DE LA FATIGA. Cuando un componente mecánico o estructural está sometido a cargas de tensiones variables con el tiempo, existe la posibilidad de que se fracture a tensiones de valores mucho menores que aquellas que podría soportar bajo la aplicación de una carga estática. Como los elementos de cualquier máquina están normalmente sometidos a este tipo de solicitaciones, cuyo efecto es por lo general más perjudicial que en el caso de solicitaciones estáticas, el análisis del fenómeno de fatiga es de una gran importancia para el diseño mecánico. 1.4.1. Características de la rotura por fatiga. El origen de la rotura por fatiga siempre es un punto de concentración de tensiones en la superficie del componente. Debido a lo anterior, la apariencia externa del elemento fracturado, es decir, la superficie por donde se fractura, aporta muchas veces información sobre las condiciones de trabajo y de la rotura del mismo. Si se examina, se podrán observar zonas más o menos claramente diferenciadas. Dependiendo de la forma como actúen las tensiones alternantes sobre un determinado componente mecánico, la falla por fatiga puede darse en las siguientes formas: •Esfuerzos pulsantes tensióntensión o bien esfuerzos tensióncompresión •Flexión unidireccional •Flexión invertida •Torsión Para mejor comprensión, estos estados de tensiones alternantes se muestran en la imagen 48. 101 | Página Imagen 48: Representación de los estados de tensiones alternantes que producen las fallas a fatiga correspondientes 102 | Página En esta imagen están representados los planos de fractura por fatiga para condiciones de alto y bajo ciclo. Nótese como la geometría de la pieza influye notablemente en la rotura por fatiga; esto se debe al efecto concentrador de tensiones. También se observa cómo las marcas de playa aparecen en menor número para un alto nivel de amplitud de tensiones mientras que se da el caso contrario cuando dicho nivel es bajo. 1.4.2. Estadios de fatiga. Una grieta que se desarrolla en un componente sometido a fatiga tiene típicamente tres etapas o estadios: una etapa de iniciación de la grieta, una de propagación estable, y por último una de propagación acelerada que conduce al fallo del componente.  Estadio I: Iniciación de la grieta Como norma general, en la superficie de los componentes se pueden localizar zonas con altas cargas alternadas que producen deformaciones plásticas en los granos más próximos a la superficie. Esta deformación se localiza en bandas persistentes de deslizamiento. Cuando un grano situado en la superficie deforma, se genera un escalón en la superficie que inmediatamente se oxida, y una vez que se oxida, resulta imposible invertir la deformación en ese plano. La deformación en otro plano deberá ocurrir en otro plano, que formará otro escalón que también se oxidará y que suprimirá la deformación en este nuevo plano. La repetición de este ciclo de deformación, oxidación y bloqueo termina por formar unos entrantes en la superficie original del sólido, que provocan concentración de tensiones. La superficie acaba agravándose y aparece una grieta a partir de estos defectos superficiales que se propaga a lo largo de las bandas persistentes de deslizamiento. En este estadio la grieta encuentra grandes dificultades para atravesar los bordes de grano, y a menudo la microgrieta sólo consigue progresar en un grano y ahí se detiene. En caso de que la carga sea de un valor más elevado, o con un número de ciclos suficiente, reiniciará la propagación en el grano adjunto.  Estadio II: Propagación estable El estadio II o región II es la que tiene mayor interés en los estudios de fatiga. A medida que crece la grieta, pronto descubre que su dirección de crecimiento no es óptima y que su propagación requiere un menor trabajo si se orienta perpendicular al campo tractivo 103 | Página (modo I). Habitualmente la reorientación de la grieta ocurre cuando la microgrieta ha atravesado unos pocos granos en el material. Imagen 49: Reorientación de la grieta en el estadio II de fatiga según el modo I. A partir de ese momento, su propagación se vuelve estable y se ajusta a una ley potencial de intensidad de tensiones, de acuerdo con la ley empírica que propusieron Paris y Erdogan en 1960. Siendo “a” el tamaño de la grieta, “N” el número de ciclos, y “C” y “m” son constantes que dependen del material 𝛥𝛥𝐾𝐾𝐼𝐼 y del medio ambiente. Según esta ley, a medida que crece el tamaño de grieta, si las tensiones alternantes con constantes, aumentará y como consecuencia su velocidad de crecimiento da/dN.  Estadio III: Propagación acelerada Cuando la fisura alcanza un valor determinado conocido como tamaño crítico de fisura o 𝐾𝐾𝐼𝐼𝐼𝐼 , la propagación se convierte en catastrófica. La pieza rompe debido a que tiende a dividirse en capas paralelas o por coalescencia de materiales. 104 | Página El estadio III de fatiga carece de interés, por lo general, ya que la velocidad de crecimiento de grieta es tan elevada que el número de ciclos consumidos en esta etapa apenas cuenta en la vida de la pieza, comparado con las otras dos etapas. Imagen 50: Representación a escala logarítmica de la relación entre la velocidad y la propagación de la grieta a fatiga (da/dN) y la amplitud del factor de intensidad de tensiones (ΔK). 1.5. CURVA S – N (STRESS – NUMBER OF CYCLES). La influencia de la geometría, la forma y la magnitud de las cargas y el material usado se plasma en la curva S-N (Stress – Number of cycles), empleada por primera vez por August Wöhler al publicar los resultados de sus ensayos. La curva obtenida se llama curva S-N o curva de Wöhler. Analíticamente se expresa por la ecuación de Basquin: 105 | Página En donde: o Sa: Amplitud de tensiones o S’f: Coeficiente de resistencia a la fatiga o Nf: Número de ciclos de variación de la tensión hasta la falla del espécimen. o b: Exponente cuyo valor oscila entre -0.05 y -0.12 en la mayoría de los metales. El exponente negativo vuelve a indicar la relación inversa entre la amplitud de tensiones y el número de ciclos de variación de tensión, concordando con lo expresado en párrafos anteriores. Estas curvas representan la duración de la probeta, expresada en número de ciclos hasta rotura (N), para la máxima tensión invertida aplicada (S). Dicho de otra manera, representan cuantos ciclos son necesarios para que, en una probeta sometida a un esfuerzo determinado, se origine la aparición de una grieta a fatiga. Las curvas S-N se obtienen mediante multitud de ensayos realizados sobre probetas representativas del material con entallas para representar las concentraciones de esfuerzos debidas a las diferentes geometrías que se pueden presentar. Estas probetas se someten a diferentes ciclos de fatiga hasta su rotura. La representación de las curvas S-N puede verse en la imagen 51. 112 | Página En la cual, tanto “a” como “b” se obtienen de la siguiente tabla: Tabla 8: Coeficientes a y b según el acabado superficial. 1.6.2 Factor de tamaño Kb Las probetas normalizadas tienen diámetros muy pequeños en comparación con los ejes que se quieren estudiar, dándose así la tendencia general de que cuanto mayor es el diámetro menor es el límite de fatiga. Para calcular este factor hay que seguir unos pasos y tener en cuenta ciertas consideraciones. a) En caso de carga axial, Kb = 1 para cualquier diámetro según algunos autores. Sin embargo para otros: b) En caso de que exista torsión o flexión en la probeta, el factor de tamaño se calcula por medio de las siguientes ecuaciones, en función del diámetro. c) El último caso que se puede dar es que el componente mecánico a estudiar no tenga sección circular. Por tanto se procederá a calcular el diámetro efectivo. 113 | Página Este diámetro efectivo se calcula a partir delA0.95, que se define como: el área limitada por los puntos de la sección que en algún momento están sometidos a una tensión mayor o igual que el 95% del máximo absoluto. Si la sección de la pieza fuera rectangular, el área se correspondería con la parte coloreada de la pieza. Imagen 56: Pieza de sección rectangular. Se debe tener en cuenta que el 95% del esfuerzo de una sección circular de diámetro de sometida a flexión rotatoria, se define: Igualando las dos expresiones se obtiene el diámetro efectivo: 114 | Página Cuando esto se ha calculado, se podrá calcular el factor de tamaño con las correlaciones antes mostradas. 1.6.3 Factor de confiabilidad Kc La probabilidad es un factor muy importante en los ensayos realizados para obtener las curvas S-N, por esta razón existe el factor de confiablidad, que permite cuantificar de forma analítica esta probabilidad de fallo. Los valores de Kc en función de la confiabilidad se muestran en la tabla inferior. Tabla 9: Factor de confiabilidad Kc. 1.6.4 Factor de temperatura Kd La temperatura es un factor importante a la hora de estudiar la fatiga, ya que modifica las propiedades mecánicas de los materiales, variando además la resistencia última, a fatiga y a fluencia. Aquí se facilitan unas correlaciones bastante acertadas, pero se recomienda realizar estudios específicos en el laboratorio para conseguir valores más apropiados, ya que la obtención de Kd es una operación muy compleja. 115 | Página 1.6.5 Factor de concentración de tensiones Ke. Los agujeros, las chavetas, las ranuras y otras discontinuidades son muy comunes en componentes mecánicos, y éstas alteran la distribución del esfuerzo. La posible influencia sobre los componentes se evalúa mediante el denominado factor de concentración de tensiones Ke. Existen grandes diferencias en función de la naturaleza del material, es decir, no es igual la influencia sobre un material dúctil que sobre uno frágil. Un material perfectamente dúctil bajo cargas dinámicas, aunque sea capaz de deformarse plásticamente, no dispone del tiempo necesario para hacerlo, y por ello es necesario considerar el efecto de la concentración de tensiones. Sin embargo si se tratara de cargas estáticas, el efecto de la concentración de tensiones en elementos dúctiles se consideraría nulo. En caso de tratarse de un material frágil, alrededor de la entalla la concentración de tensiones será muy elevada. El tipo de rotura es frágil y no va precedida de una deformación plástica, con lo que es muy peligrosa. Para este caso habrá que considerar el efecto de concentración de tensiones tanto en cargas estáticas como dinámicas. Los pasos a seguir para la evaluación de Ke se muestran a continuación. 1. Cálculo del factor de concentración de tensiones teóricas Kt en función de su configuración geométrica. Las siguientes gráficas son algunas de las empleadas para barras de sección circular a modo de ejemplo, pero las gráficas variarán dependiendo de la geometría de la pieza a estudiar (sección circular, rectangular). Imagen 57: Gráficas empleadas para el cálculo de concentración de tensiones teóricas en función de los cambios de geometría. 116 | Página También variará dependiendo del tipo de discontinuidad (agujeros transversales, muescas, estrechamientos de sección) y del tipo de esfuerzo al que se someterá a la pieza (tracción, flexión o torsión). Imagen 58: gráficas empleadas para el cálculo del factor de concentración de tensiones teóricas en función del tipo de discontinuidad. 2. Especificando el material se obtiene q, el factor de sensibilidad a las ranuras, empleando las gráficas mostradas debajo. Variará en función de la naturaleza de las cargas que se están sometiendo al elemento mecánico. Imagen 59: Gráfica para el cálculo del factor de sensibilidad a las ranuras para cargas de flexión y axiales alternantes. 117 | Página Imagen 60: Gráfica para el cálculo del factor de sensibilidad a las ranuras para cargas de torsión alternantes. 3. Se procede a obtener Rf, que se define como el factor de reducción de la resistencia en caso de fatiga, ayudándonos de la siguiente expresión. 𝑞𝑞=𝑅𝑅𝑓𝑓−1 𝐾𝐾𝑢𝑢−1 4. Finalmente se obtiene el factor de concentración de tensiones Ke como la inversa de Rf: 𝐾𝐾𝑒𝑒=1 𝑅𝑅𝑓𝑓 118 | Página 1.6.6 Factor de efectos diversos Kf Este factor se utiliza para modificar el límite de fatiga en función de otros aspectos que no se han considerado anteriormente. Como normal general suele ser necesario realizar experimentos para cuantificarlo. A continuación se explican algunos de los más importantes. • Efectos residuales o remanentes: Son esfuerzos que permanecen en el material en ausencia de carga, y pueden aumentar el límite de fatiga cuando son de compresión o disminuirlos si son de tracción. Existen operaciones como el bombardeo con perdigones o el martillado que mejoran el límite a fatiga al introducir tensiones residuales de compresión. • Efectos del temple superficial: Debido a los diferentes valores de los límites de fatiga del núcleo de un elemento con temple superficial y de la capa templada, puede suceder que supere este valor en la zona de unión del temple al núcleo. En la figura inferior se muestra la distribución de tensiones que existe normalmente en una barra sometida a torsión o flexión. La línea gruesa indica los límites de resistencia a la fatiga para la capa superficial y para el núcleo. Imagen 61: Pieza con temple superficial en flexión o torsión. 119 | Página • Corrosión por apriete: Esto se produce por el movimiento microscópico en la superficie de piezas mecánicas o estructuras estrechamente ajustadas, como juntas atornilladas. La reducción en la resistencia a fatiga puede ser de hasta el 70%, y su existencia se reconoce por el posible cambio de color en la superficie o por picaduras. • Recubrimientos electrolíticos: Los recubrimientos electrolíticos normalmente producen disminución de los límites de fatiga. En procesos como galvanizado no afecta, pero en otros como cromado, niquelado o cadmiado, se puede producir una reducción del límite de fatiga de un 50%. Características direccionales operacionales: En piezas fabricadas por laminado, estirado o forjado, el límite de fatiga se puede ver reducido por la direccionalidad de la operación, ya que el material podría comportarse de forma anisótropa. Debido a esto, la resistencia a fatiga puede ser un de hasta un 20% menor en dirección transversal que en dirección longitudinal. • Efectos de corrosión: La fatiga por corrosión cobra gran importancia en procesos en los que existen ambientes agresivos, a la intemperie o por ejemplo en zonas bajo la influencia de la sal y el ambiente del mar. La corrosión disminuye la resistencia a la fatiga debido a que se crean puntos de concentración de esfuerzos que favorecen la creación y posterior propagación de fisuras por procesos de fatiga. 120 | Página 1.7 ESFUERZOS FLUCTUANTES. En los componentes mecánicos aparecen esfuerzos fluctuantes que en algunas ocasiones, debido a la naturaleza de algunas máquinas rotatorias, adoptan la forma de un patrón sinusoidal. Para conocer este patrón, es necesario conocer las fuerzas máximas y mínimas. Tomando Fmáx como la mayor fuerza y Fmin como la menor, se definen las fuerzas medias (Fm) las alternantes (Fa) de la siguiente forma: Las componentes del esfuerzo se definen: σmáx = Tensión máxima σmin = Tensión mínima σa = Tensión alternante (amplitud de tensión) Las componentes del esfuerzo se definen: σmáx = Tensión máxima σmin = Tensión mínima σa = Tensión alternante (amplitud de tensión) El procedimiento a seguir se basa en descomponer la carga en sus componentes de tensión media y alternante. 121 | Página Se supone el estado tensional resultante como la superposición de un estado de carga constante y otro de carga alternante. Se buscará una relación entre la componente alternante de tensión y la duración esperada del elemento, pero con la salvedad de que la presencia de la tensión media supondrá una disminución de los valores de la resistencia. 1.7.1 Métodos de análisis de fatiga con esfuerzo medio no nulo. El caso en el que los componentes mecánicos poseen esfuerzos y tensiones fluctuantes medias no nulas es el más habitual. Sin embargo en otras ocasiones no se puede contar con información experimental que no sea la correspondiente a los ensayos de flexión rotativa, en la que σm=0, por tanto la influencia de la tensión media no nula ha de calcularse mediante varias relaciones empíricas que determinan el fallo en una vida cuando las tensiones alternantes y medias son distintas de cero. Los criterios expuestos a continuación son los más famosos: 1.7.1.1 Criterio de Goodman. Este criterio nos dice que la variación de la resistencia alternante con la tensión media se describe mediante una recta que pasa por los puntos (0,Sf) y (Sut ,0). Esto quiere decir que el valor de la componente alternante para fallo a N ciclos es Sf, y para la tensión alternante nula, la resistencia media o valor de tensión media para alcanzar el fallo es Sut. Esta teoría es una de las más utilizadas en la práctica ya que se aproxima mucho a la realidad y al expresarse de forma lineal presenta una gran ventaja. 128 | Página 1.9. INFLUENCIA DEL MEDIO AMBIENTE EN LA FATIGA. 1. Influencia ambiental sobre la resistencia local • Por lo general, las aleaciones de aluminio, los aceros inoxidables y otras aleaciones no férreas presentan mayor duración en vacío que en el aire, tanto a temperatura ambiente como especialmente a temperaturas elevadas. • Los aceros poseen mayor resistencia a la fatiga en agua pura que en agua contaminada con cloruros. • Los aceros y las aleaciones de aluminio, titanio y magnesio tienen mayor resistencia a la fatiga si no hay vapor de agua en el aire. • Los efectos de la temperatura y de la frecuencia utilizada en los ensayos, observados habitualmente en los efectuados en aire, desaparecen o se reducen de forma drástica cuando se realizan en vacío. • Otros ambientes con baja presión parcial de oxígeno, como el sodio o el helio, incrementan la vida de fatiga de los aceros, en comparación con los resultados en aire. 2. Influencia ambiental sobre la propagación de grietas • El crecimiento de grietas es mayor en el aire que en el vacío. • En el caso de aceros y aleaciones de aluminio y titanio la velocidad de crecimiento de grieta aumenta en presencia de agua con soluciones de cloruros o carbonatos, en comparación a los resultados obtenidos en aire. • La mayor influencia medioambiental en la propagación de la grieta tiene lugar en la fase inicial de crecimiento de la misma. • a existencia de vapor de agua en el aire incrementa la velocidad de crecimiento de la grieta en aleaciones no férreas, aceros de baja aleación, y especialmente en aceros de alta resistencia. • 129 | Página 2.1 INTRODUCCIÓN 2.2 ENSAYOS DE MATERIALES 2.3 INSPECCIÓN NO DESTRUCTIVA EN MATERIALES 2.4 PRINCIPALES MÉTODOS DE INSPECCIÓN NO DESTRUCTIVA. 2.5 SELECCIÓN DEL MÉTODO DE ANÁLISIS ANEXO II TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO, INSPECCIÓN NO DESTRUCTIVA 130 | Página 2.1. INTRODUCCIÓN. Se denomina ensayo no destructivo a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no altere de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no destructivos implican un daño imperceptible o nulo. Los ensayos no destructivos se basan en la aplicación de fenómenos físicos talos como ondas electromagnéticas, acústicas, elásticas, emisión de partículas subatómicas, capilaridad, absorción y cualquier tipo de prueba que no implique daño considerable a la muestra examinada. La inspección no destructiva es una herramienta muy empleada en la detección, caracterización y evaluación de fallos, pues permite mantener la integridad de las piezas y con ello la posibilidad de realizar análisis posteriores. A partir de la descripción que se realizará a continuación, se pretende realizar un acercamiento a las diferentes técnicas de inspección no destructivas, todo ello con la finalidad de aprender qué es la inspección no destructiva de materiales. 2.2. ENSAYOS DE MATERIALES. Los ensayos de materiales son procedimientos, generalmente normalizados, destinados a determinar las propiedades y características de los materiales, así como su comportamiento en servicio. Mediante el ensayo de materiales se deben determinar sus valores de resistencia, verificar sus propiedades y establecer el comportamiento de aquellos bajo la acción de influencias externas. Existen diferentes tipos de ensayos en los que se determinan características distintas en cada uno de ellos. Así pues, en las ensayos físicas se suelen determinar las dimensiones de los cuerpos, la forma, el peso etc, y en los ensayos mecánicos la resistencia, elasticidad y plasticidad, ductilidad, tenacidad y fragilidad, etc. Las funciones principales de los ensayos de materiales son: • Caracterización de materiales • Control de calidad desde la fase inicial hasta la fase final del proceso. • Previsión de fallos en servicio, haciendo posible analizar las causas de dichos fallos. • Las diferentes pruebas y ensayos se pueden clasificar en: • Pruebas destructivas: mediante las pruebas destructivas, se pretendía determinar cuantitativamente el valor de ciertas propiedades como por ejemplo la resistencia mecánica, la tenacidad o la dureza, y también para comprobar si las características de un material cumplen con lo especificado durante el diseño. Se tratan de ensayos muy sencillos de llevar a cabo y que proporcionan abundante información sobre la pieza o el material de ensayo. Además, este ensayo alterando de forma permanente las propiedades del componente sujeto a inspección. 131 | Página • Pruebas no destructivas: con el desarrollo de nuevas tecnologías y la optimización de los productos o los requisitos de seguridad, se impusieron también nuevas condiciones de inspección, en las cuales se estableció la necesidad de verificar hasta en un 100 % los componentes críticos. Esto resultó ser una dificultad para los departamentos de calidad, hasta que iniciaron el empleo de otras técnicas de inspección, con las que se podía medir la integridad de componentes sin destruirlos. Con ello, se inició la aplicación de las pruebas no destructivas. 2.3. INSPECCIÓN NO DESTRUCTIVA EN MATERIALES. Los ensayos no destructivos (en adelante, END) juegan un papel importante y crítico a la hora de verificar que los componentes, estructuras y sistemas cumplen con la función para la que fueron diseñados. Gracias a los END, es posible determinar el estado de los materiales y prever la posibilidad de fallo de elementos estructurales que podrían causar, por ejemplo, que un tren descarrilara. La inspección no destructiva, es basa en la aplicación de métodos físicos con la finalidad de comprobar el estado de las piezas examinadas sin alterar de forma permanente las propiedades de los materiales examinados. Entre los múltiples usos de los END, encontramos:  Detección y evaluación de defectos y discontinuidades (tanto internas como superficiales).  Detección de fugas y filtraciones.  Medidas dimensionales.  Caracterización de estructuras y microestructuras.  Estimación de propiedades físicas y mecánicas.  Medidas de tensión y respuesta dinámica.  Determinación del tipo de material y composición química. Debido a su campo de aplicación, no resulta inusual que los END sean usados en alguna etapa de la producción o ciclo de vida de muchos componentes. Algunas de estas aplicaciones son: • Como parte del desarrollo de nuevos productos. • Para observar o clasificar nuevos materiales. • Para mejorar y controlar procesos productivos. • Para verificar que las diferentes etapas de dichos procesos se realizan de forma correcta. • Para verificar que el montaje se realiza de forma correcta. • Para inspeccionar posibles daños de elementos en servicio. 132 | Página 2.4. PRINCIPALES MÉTODOS DE INSPECCIÓN NO DESTRUCTIVA. Existe un número muy amplio de métodos y ensayos no destructivos. Además, gracias a la investigación, se continúa encontrando nuevos métodos de inspección no destructivas y nuevas formas de mejorar los existentes. En cuanto a la aplicación del ensayo, los END se dividen en:  Técnicas de inspección superficial.  Técnicas de inspección volumétrica.  Otras técnicas de inspección no destructiva. 2.4.1. Técnicas de inspección superficial. Estas pruebas informan acerca del estado superficial de los materiales inspeccionados. En esta técnica encontramos la inspección visual (IV), líquidos penetrantes (LP) y partículas magnéticas. 2.4.1.1 Inspección visual. Se trata de la detección, por medio del ojo humano o por un sistema de inspección visual, de los cambios sucedidos, en las superficies de los elementos, de las propiedades de la luz. En general, las inspecciones visuales son utilizadas para dos propósitos.  La inspección de superficies expuestas o accesibles de objetos opacos, incluyendo la mayoría de ensambles parciales o productos terminados.  La inspección del interior de objetos trasparentes tales como vidrio, cuarzo, algunos plásticos, líquidos o gases. Se trata del método más antiguo y común de la inspección no destructiva empleado por el hombre. Hoy en día, la inspección visual se encuentra entre los principales procedimientos de inspección para detectar y evaluar discontinuidades. Para facilitar la inspección visual se pueden utilizar accesorios ópticos, los cuales son capaces de ayudar a realizar inspecciones visuales. Podemos encontrar los siguientes accesorios ópticos: o Espejos. o Lentes. o Microscopios. o Amplificadores de imagen, como lupas o instrumentos similares. o Boroscopios. 133 | Página Existen distintos tipos de métodos de inspección en función de si es necesario o no el uso de elementos auxiliares. Esos tipos de métodos de inspección son los siguientes: • Examen visual directo: puede hacerse cuando el acceso es suficiente para colocar el ojo dentro de 600 mm de la superficie que será examinada y a un ángulo no menor de 30º de la superficie que será examinada. Se pueden utilizar espejos para mejorar el ángulo de visión y también los dispositivos auxiliares como lentes amplificadoras para ayudar en los exámenes. • Examen visual remoto: cuando se da una observación en la que el ojo se encuentra a una distancia mayor de 610 mm y un ángulo menor de 30º, se trata de un examen visual remoto. En este examen visual es posible usar dispositivos auxiliares visuales como espejos, telescopios, boroscopios, fibra óptica, etc. La inspección visual es el primer paso de cualquier evaluación. Para muchos objetos, la inspección visual es utilizada para determinar:  Cantidad.  Tamaño.  Forma o configuración.  Acabado superficial.  Reflectividad (reflexión).  Características de color.  Ajuste.  Características funcionales.  La presencia de discontinuidades superficiales. Antes de realizar cualquier inspección, es necesario realizar una preparación superficial en la que se debe eliminar toda suciedad u óxidos que puedan enmascarar los defectos. Además, se debe utilizar una fuente de luz con la potencia suficiente para obtener diferentes ángulos de incidencia. El ensayo de inspección visual debe ser realizado por personal con un cierto grado de conocimiento sobre los materiales que están siendo inspeccionados, así como también, del tipo de irregularidades o discontinuidades a destacar en los mismos. 2.4.1.2. Inspección por líquidos penetrantes. La inspección por líquidos penetrantes puede ser definida como un procedimiento de inspección no destructiva diseñado para detectar y exponer discontinuidades superficiales en materiales de ingeniería. Este método se emplea sobre todos los materiales no porosos, o no excesivamente rugosos, como metales, cerámicos, vidrios, plásticos, etc. Las grietas en este tipo de materiales actúan como capilares favoreciendo la penetración de fluidos que tengan una reducida tensión superficial. 134 | Página El principio en el cual se basa esta técnica no destructiva es la capacidad de que un líquido pueda penetrar por capilaridad y ser retenido en las discontinuidades abiertas a la superficie como pueden ser fisuras y poros. La inspección por líquidos penetrantes es uno de los métodos de inspección no destructiva más antiguo. Basado en el viejo proceso conocido como el aceite y el blanqueador. Sus principios se originan en los talleres de mantenimiento de ferrocarriles. A finales del siglo XIX la parte a inspeccionar era sumergida en aceite usado, después de unos pocos minutos de penetración la parte era limpiada hasta eliminar el exceso de penetrante y entonces la parte se cubría con una mezcla de talco y alcohol. Donde existían grietas, el aceite atrapado era exudado, haciéndolas visibles. Unos años más tarde, el método fue reemplazado por partículas magnéticas en materiales ferromagnéticos, especialmente en la industria aeronáutica, era necesario contar con un método de inspección más fiable y sofisticada que el método del aceite y blanqueador. Por ello, el método fue refinado. El proceso de inspección por líquidos penetrantes es el siguiente: 1. Preparación y limpieza: consiste en limpiar perfectamente la zona de interés que se va a inspeccionar. Para la realización de una limpieza adecuada debe determinarse el tipo de contaminante que existe en la superficie. Esto no es una tarea fácil, ya que a veces resulta difícil identificar los constituyentes de un contaminante. Una vez realizada la identificación se a la limpieza del elemento en la superficie a inspeccionar, el cual depende de los contaminantes existentes en la superficie a inspeccionar. 2. Secado después de la limpieza: es esencial que las superficies de las piezas se encuentren completamente secas después de la limpieza, ya que cualquier líquido residual puede impedir la entrada del penetrante. 3. Aplicación del penetrante y tiempo de penetración: en este paso el penetrante es aplicado sobre la superficie que será inspeccionada hasta que toda la pieza o el área bajo la inspección esté completamente cubierta por él. El penetrante puede ser aplicado por inmersión, aerosol (aspersión) o por brocha. 4. Remoción del exceso de penetrante: al transcurrir el tiempo suficiente para permitir que el penetrante sea atrapado por las discontinuidades abiertas a la superficie, el exceso de penetrante sobre la superficie inspeccionada debe ser removido. La remoción resulta ser un paso crítico en el ensayo, ya que una remoción errónea puede producir malas interpretaciones o resultados incorrectos. Si no se elimina la cantidad de penetrante correcta, puede formarse un efecto de fondo visible o fluorescente que reduce el contraste, pudiendo ocultar indicaciones de discontinuidades significativas o que puede interferir en la inspección. Con una buena remoción del exceso de penetrante, las indicaciones aparecerán claramente con un color intenso o un contraste brillante y pueden ser fácilmente vistas. 135 | Página 5. Secado: el secado después de la remoción del exceso de penetrante depende del método de remoción y del revelador que será usado. El secado después de la remoción depende del tipo de proceso de remoción que se haya utilizado. 6. Aplicación del revelador: sobre la superficie ya preparada se coloca el revelador de forma seca o finamente pulverizado en una suspensión acuosa o alcohólica, ya que una vez evaporada, deja una fina capa de polvo. Los reveladores actúan de muchas formas, todas ellas aumentando la visibilidad, por lo que puede considerarse que son los encargados de hacer visibles las indicaciones. 7. Inspección: se trata de una parte crítica del proceso de inspección por líquidos penetrantes. Se requiere una iluminación adecuada para asegurar que no exista pérdida en la sensibilidad durante la inspección. Existen distintos modos de inspección: • Inspección de penetrantes visibles: pueden ser examinadas con luz de día o con luz blanca o artificial, mediante el empleo de focos o lámparas. Las indicaciones son de color rojo sobre fondo blanco. • Inspección de penetrantes fluorescentes: son examinadas con luz negra y en área oscurecida. La intensidad de la fluorescencia es asociada con el volumen y la concentración de penetrante retenido en la discontinuidad. 8. Interpretar y evaluar: se tratan de dos pasos completamente distintos ya que, al interpretar determinamos qué condición está causando las indicaciones obtenidas, además del hecho de decidir si las indicaciones obtenidas son falsas, no relevantes o relevantes. Cuando la indicación se toma como verdadera, hay que aceptarla o rechazarla. De esto se encarga la evaluación de indicaciones. La evaluación se realiza basándose en un criterio de aceptación y rechazo, el cual se considera el efecto de que la discontinuidad tendrá en el servicio o funcionamiento del componente. Si una indicación relevante se rechaza tras la evaluación, pasará a ser considerada como defecto. 9. Registro: una vez realizada la interpretación de las indicaciones, hemos de proceder a su registro. En muchas ocasiones, es conveniente registrar las indicaciones. Los métodos de registros que pueden ser utilizados son: • Dibujos o croquis. • Técnicas para recoger indicaciones. • Fotografía. 10. Limpieza posterior: consiste en la eliminación de los agentes químicos utilizados en los materiales ensayados con el propósito de prevenir posteriores ataques. Este proceso no suele ser necesario si ha sido usado un revelador seco. En cambio, los reveladores acuosos no deben ser removidos. Cuando el revelador resulta difícil de remover, puede ser restregado con una brocha o cepillo y detergente. 136 | Página La siguiente ilustración representa gráficamente el proceso descrito. Imagen 65: Fases del análisis por líquidos penetrantes. Las aplicaciones del método de inspección por líquidos penetrantes se engloban fundamentalmente en el trabajo de los metales como la fundición, la soldadura, la forja, etc. En este tipo de trabajos los metales cambian su estructura cristalina y pueden desarrollar efectos en los que se pueden dar la formación de defectos. Este tipo de defectos está relacionado al tipo de metal y a los métodos de trabajo. La fundición, forjado, soldadura, tratamiento térmico, maquinado y formado pueden producir discontinuidades que son características del metal, la forma de la parte, el medio ambiente de uso y el tipo de cargas. A continuación explicamos la relación entre el procesado del metal y el desarrollo de discontinuidades. • Soldaduras: las soldaduras son similares a las fundiciones. Por tanto, entre las discontinuidades que encontramos algunas son similares a las de la fundición. Dichas discontinuidades son la porosidad, falta de penetración en la raíz, grietas, inclusiones de escorias, grietas de cráter o estrella, faltas de fusión y grietas en la zona afectada por el calor. Las soldaduras son normalmente inspeccionadas con un penetrante visible usando el método removible con solvente. También se utiliza el método de penetrantes fluorescentes lavables con agua en las soldaduras realizadas en recipientes a presión o estructuras grandes. No obstante, por la capacidad de detectar algunas discontinuidades subsuperficiales, en ocasiones se prefiere la inspección por partículas magnéticas. • Forjas: las forjas son originalmente fundiciones, las cuales son trabajadas con martillos o prensas para cambiar la estructura cristalina de la fundición, para formar una estructura de grano fino 137 | Página direccional en el metal. Este trabajo del metal también aplana discontinuidades globulares tales como inclusiones, porosidad y contracciones. Además, en el proceso de forjado se desarrollan discontinuidades características como son los reventones, las grietas, hojuelas o escamas y los traslapes y costuras. • Inspección de campo y en servicio: la inspección de campo y en servicio incluye aplicaciones de mantenimiento y reparación. La inspección por líquidos penetrantes es especialmente importante en el mantenimiento de aviones porque muchos de los metales usados son no magnéticos. La preparación puede ser considerada como la parte más difícil e importante de la inspección por líquidos penetrantes en servicio. Esto se debe a que si existen grietas por fatiga frecuentemente están contaminadas con aceite u otros contaminantes. Si las grietas son causadas por esfuerzos de corrosión son muy finas y se encuentran contaminadas con productos de corrosión. 2.4.1.3 Partículas magnéticas. Este tipo de END es aplicado con la finalidad de detectar discontinuidades superficiales y subsuperficiales en una pieza de material ferromagnético. Consiste en someter a la pieza a inspeccionar a una magnetización adecuada y espolvorear sobre la misma finas partículas de material ferromagnético. Esto último es lo que hace posible la detección de las discontinuidades. Cuando un material ferromagnético se magnetiza, aplicando a dos partes cualesquiera del mismo los polos de un imán, se convierte en otro imán, con sus polos situados antagónicamente respecto del imán original. La formación del imán en la pieza a ensayar implica la creación en su interior de unas líneas de fuerza que van desde el polo del imán inductor al otro, pasando por una zona inerte denominada línea neutra. Estas líneas de fuerza forman un flujo magnético uniforme, si el material es uniforme. Sin embargo, cuando existe alguna alteración en el interior del material, las líneas de fuerza se deforman o se producen polos secundarios. Estas distorsiones o polos atraen a las partículas magnéticas que se aplican en forma de polvo o suspensión en la superficie a inspeccionar y que por acumulación producen las indicaciones que se observan visualmente de manera directa o bajo luz ultravioleta. Este método tiene la ventaja de ser un ensayo que permite una mayor sensibilidad para detectar pequeñas discontinuidades, mayor comodidad de utilización al existir la opción de utilizar equipos portátiles y en la mayoría de los casos con un bajo precio. Los ensayos por métodos magnéticos, se basan en determinar las variaciones que introducen las perturbaciones estructurales del material sobre alguna de las propiedades magnéticas del mismo. 144 | Página 145 | Página Imagen 68: peso y medidas elementos de unión (pernos) de la cadena. 146 | Página 3.2.2 Dientes de empuje (conocidos como “patos”). Uniones que permiten transmitir fuerza de la cadena de alimentación a los carriers o pulpos: Imagen 69: Pato de unión entre cadena y carriers. 147 | Página 3.2.3 Ruedas de carro (TrolleyWheels). Mecanismo unido al carrier o “pulpo”, que lo transporta por la guía. Consta de un rodamiento interno de bolas, el cual es un tipo de cojinete, que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento. Dicho rodamiento puede ser de dos modelos (para el caso que nos concierne): -Rodamiento de retención: Se han desarrollado específicamente para su aplicación en sistemas de transporte exigentes. La rueda contiene una sola fila de rodamientos de precisión en acero o anillo de retención compuesto de componentes y espacios libres diseñado para las aplicaciones de transporte más adversas. Esta rueda tiene la menor fricción y mayor capacidad de carga posible que un cojinete de bolas de este tamaño y estilo, lo que garantiza una mayor vida útil y menor mantenimiento en todas las condiciones. Este rodamiento tiene una temperatura máxima de 93,3 ° C. -Rodamiento de tipo complemento: Tienen un 41% más capacidad de carga que el estilo de retención. Esto se refleja en la mayor vida del rodamiento. Debido a que este rodamiento no contiene ningún anillo de retención o conservación en su conjunto, se ha convertido en la rueda del trole preferida para su uso en aplicaciones donde los componentes mecánicos están sometidos a la suciedad, polvo, humedad, etc. Con él se disminuye la probabilidad de "congelamiento" debido a la afluencia de contaminantes. Este rodamiento tiene una temperatura máxima de 232,2 ° C. Imagen 70: Rueda de carro. 148 | Página Imagen 71: Modelos de rodamiento, retención y de complemento. 3.2.4 Vigas guía. Las guías presentan mayor resistencia y poseen mejor calidad que otras guías hechas de acero aleado. Con altas tolerancias a la cortadura en bordes y de correctas dimensiones, aseguran el correcto movimiento de las ruedas carro (trolleys) por la guía. Imagen 72: Viga guía y dimensiones. 149 | Página 3.2.5 Juntas expansión. Un sistema de transporte de cualquier longitud requiere normalmente de juntas de expansión en los puntos de enganche para compensar las “bolsas” (faltas de tensión en la cadena) o posibles estiramientos. También son empleadas para compensar expansiones de calor en hornos. Cualquier sistema de transporte que pase a través de un horno debe tener juntas de expansión. Imagen 73: Juntas de expansión y dimensiones. 150 | Página 3.2.6 Curvas verticales. Estas curvas consisten en dos curvas individuales y su respectiva unión para llevar a cabo un cambio en la elevación. Las fórmulas para el cálculo de sus dimensiones son las mostradas en la siguiente imagen. Imagen 74: Curvas verticales, dimensiones y fórmulas de cálculo. 151 | Página 3.2.7 Sistema o dispositivo anti-backup. El sistema de anti-backup previene que los trolleys rueden hacia atrás en pendientes inclinadas. Los brazos de detención del sistema anti-retroceso son levantados automáticamente por el trolley al pasar por la zona de inclinación vertical. Si se produjera un fallo en la potencia de la cadena, los brazos del anti-retorno detendrían los trolleys. Los brazos de detención están equipados con almohadillas para reducir el ruido que puedan provocar. Imagen 75: Sistema o dispositivo anti-backup. 152 | Página 3.2.8 Sistemas o dispositivos “Anti-Runaway”. Los dispositivos o sistemas anti-runaway son instalados en las zonas de descenso de una curva vertical. A la velocidad normal del sistema de transporte, el contrapeso diseñado para el brazo e detención permite que los trolleys circulen sin ningún problema. Un aumento en la velocidad de la cadena debida a un fallo provocara que el trolley golpee el brazo de detención con suficiente fuerza para que lo haga rotar 180 grados a la posición de actuación, deteniendo el siguiente trolley de inmediato. Imagen 76: Sistema o dispositivo anti-runaway. 153 | Página 3.2.9 Curvas de tracción a ruedas “Traction Wheel Turn”. Este tipo de giro o curva está diseñado para mantener la cadena de transmisión y los trolleys en su correcto alineamiento en curvas horizontales. Están disponibles en incrementos de 30⁰, 45⁰, 90⁰ y 180⁰. Todas las curvas de tracción con rueda están fabricadas de estructuras montadas separadas. Aunque las ruedas de tracción son más caras que los giros de rodillos, estas requieren menos mantenimiento, realizando operaciones más fluidas a mayores velocidades, reduciendo el empuje de cadena (menores tensiones) y reduciendo el desgaste de la cadena. Solo poseen un punto de lubricación para un sencillo mantenimiento, además de ser las más indicadas para aplicaciones de mayor suciedad, altas temperaturas o ambientes corrosivos. Imagen 77: Giros de rueda a tracción.