AFA Mod. 10 Bielas - Fundamento.pdf

8/11/2019 AFA Mod. 10 Bielas - Fundamento.pdf

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MÓDULO 10

BIELAS



- 1 -AFA Mod. 10 Bielas - Fundamento

MÓDULO 10

BIELAS

INTRODUCCIÓN

1 -- ¡Bienvenidos a la continuación del Seminario sobre el análisis de fallas! En estasección estudiaremos las bielas.

2 -- Repasaremos una vez más la nomenclatura de las partes de una pieza, susfunciones, las cargas, los procesos de fabricación, la instalación y el funcionamiento.Hablaremos también de los problemas que tienen las bielas y aprenderemos a buscarlos indicios y las pruebas que nos llevan a las causas principales de las fallas.

Prestaremos atención especial a los cinco primeros de los Ocho Pasos Aplicables alAnálisis de Fallas. No hay que olvidar, sin embargo, los pasos 6, 7 y 8, porque sonimportantes y nos ayudan a obtener la "recompensa" mediante:

a) Buena comunicación con el miembro responsable de la falla.

b) Medidas adecuadas para remediar la situación y, en consecuencia.c) Continuar en contacto con el cliente para asegurar la solución del problema.

NOMENCLATURA

3 -- La partes principales de una biela son:

• Ojo de biela• Agujero para pasador de biela

• Buje de pasador de biela




• Vástago• Asiento de cabeza de perno de biela• Caras de contacto entre biela y tapa• Agujero para cigüeñal• Tapa de biela• Asiento de tuerca de tapa de biela

FUNCIONES

4 -- Las bielas cumplen dos funciones principales:

• Primero, cambian el movimiento descendente de los pistones al rotacional delcigüeñal,

• Segundo, cambian la fuerza descendente o lineal de los pistones a la de giro

o par motor del cigüeñal.

CARGAS Y ESFUERZOS

5 -- La biela está "empernada" al pistón y al cigüeñal. Esto quiere decir que lamayoría de las fuerzas que se aplican a una biela son de tensión (en lacarrera de admisión) y compresión (en la carrera de compresión, combustióny de escape) en línea recta con su longitud.




6 -- Una biela sufre también cargas de flexión causadas por la inercia o elazotamiento que produce la rotación del cigüeñal. El pistón cambia de

dirección en los dos puntos muertos de la carrera y, en ese momento, lainercia invierte la dirección de la flexión. La tensión y la compresión junto conlas cargas de flexión producen cargas-cíclicas elevadas y, en consecuencia,promueven fracturas por fatiga del metal.

7 -- A medida que se van aplicando las fuerzas, se producen esfuerzoselevados en determinadas secciones de la biela. Y si se rompe, por lo generalla rotura se da en una de las áreas de concentración de esfuerzos, indicadasa continuación:

a) Los 120° inferiores del ojo de biela donde el pistón hace fuerza através del pasador.

b) La unión entre vástago y ojo de biela.c) En medio del vástago donde las fuerzas de pandeo son las más

elevadas.d) La unión entre vástago y agujero para el cigüeñal.e) Los filetes próximos al asiento de la cabeza del perno.f) Los 120° superiores del agujero para el cigüeñal, donde el pistón

aplica al muñón del cigüeñal las cargas de la compresión y la ignición.g) Los filetes próximos a los asientos de las tuercas.




FABRICACIÓN

8 -- Para poder analizar debidamente las fallas que se producen en las bielas,conviene saber cómo se fabrican. Las bielas de Caterpillar son de diferentes tamañosy van de la serie 3200 a la 3600. Para todos los tamaños se siguen procesossemejantes de manufactura y se utilizan materiales similares. Estudiaremos algunasetapas claves del proceso de fabricación de la serie 3400.

9 -- Las bielas se forjan con acero de aleación con alto índice de resistencia ytenacidad. Cuando el acero sin trabajar está caliente (aproximadamente 1200 O C),se martilla en el troquel de forja, haciendo que la línea de textura sea paralela a lassuperficies de las áreas de concentración de esfuerzos.




10 -- Esta es una sección transversal del agujero para el cojinete de biela. Noten quela línea de textura es paralela a las superficies de

1. el agujero2. los filetes de los asientos de la cabeza del perno y su tuerca y

3. la zona de unión entre el agujero para el cigüeñal y el vástago.

11 -- Del mismo modo, la línea de textura es paralela a1. el vástago,2. las superficies de la zona de unión entre el vástago y el agujero del pie de

biela y3. el agujero mismo.

Esta distribución de la línea de textura da a la biela una resistencia columnarexcelente y obliga además, a las grietas que se desarrollen a seguir un camino difícil(a través de los granos y no en la misma dirección). De este modo la estructuraresultante es fuerte y resistente.

12 -- Después de forjadas, las bielas se endurecen a RC 28 - RC 32. Luego se lasgranalla para eliminar todos los pequeños defectos de forja (escamas de picaduras,agujeros, microgrietas, etc.)

El granallado induce asimismo esfuerzos de compresión en la superficie de la biela.Para que se forme una grieta, la superficie de una pieza debe estar en tensión. Alinducir esfuerzos de compresión en la superficie, cualquier fuerza que se apliquedebe primero sobrepasar dichos esfuerzos; de lo contrario no logrará producir tensiónen la superficie. Por lo tanto, el granallado reduce la probabilidad de que se agriete elmetal.




13 -- Después de realizar el torneado basto (agujeros, costados y caras de empuje) yde cortar la tapa, se trabajan los asientos para la cabeza del perno y la tuerca.

14 -- Las tapas de la serie 3400 se vuelven a granallar para restablecer una vez máslos esfuerzos de compresión en los filetes de los asientos de la tuerca. Nota: Según eldiseño, algunos asientos de cabeza de pernos y/o de las tuercas de biela de otrosmodelos pueden no granallarse.

15 -- Después de haber torneado el agujero del buje del pasador de biela y una vezsemiterminado el agujero para el cigüeñal, el buje del pasador se instala a presión.

Aquí se están instalando bujes de la serie 3400 a temperatura ambiente antes debiselar la parte superior de la biela. Los cojinetes del pasador de biela de la serie




3400 se verifican con una carga de prueba de 1000 Kg. para que la tensióncorresponda al 100% de las especificaciones.

16 -- Después de haber torneado el bisel mencionado, el agujero para el pasador debiela y el agujero para el cigüeñal se tornean a la dimensión definitiva. Esta operaciónse controla muy cuidadosamente mediante el sistema MARPOSS, que mide en formaautomática el procedimiento y ajusta la preparación de las máquinas herramientaspara asegurar la exactitud de los agujeros. Después de terminado lo anterior, sequitan manualmente las rebabas de cada biela (para eliminar la aspereza de lasaristas), luego se lavan y se vuelven a armar.

17 -- Durante el montaje del motor en la fábrica se graba un número de cilindro cercade las caras de unión entre biela y tapa. Es importante hacer coincidir siempre esosnúmeros durante el reacondicionamiento para asegurar que la biela y tapacuidadosamente torneadas encajan perfectamente formando un agujero de integridady redondez de norma.




18 -- Al cambiar los bujes en el lugar de trabajo, se tornea el bisel como lo muestraesta imagen. Para evitar desalineación al instalar un buje nuevo de reemplazo, el ojode biela se debe precalentar y el buje se debe instalar a presión con una herramienta

especial según instrucciones específicas.

FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN

19 -- En condiciones normales de operación, una biela no debería tener casi ningúndesgaste, ya que no tiene áreas de roce, excepto el buje del pasador de biela, lascaras de empuje y las superficies debajo de las tuercas. Tampoco debería haber

descolocación, excepto el color amarillo claro o color de "paja" en el agujero para elpasador de algunas bielas debido al calentamiento previo a la instalación del buje.




20 -- Después de miles de horas de uso, es normal que ese buje tenga la superficiepulida y/o manchada, especialmente en el área de carga de 120°. El buje, sinembargo, no debería tener ningún tipo de rayadura, estrías, grietas o desgaste por

adherencia.

21 -- Es también normal que el agujero para el cigüeñal tenga algunas manchas. Sinembargo, no debería estar rayado, estriado ni tener residuos de corrosión debida adesportillamiento por rozadura.

22 --- Las caras de empuje de la biela no deberían estar gastadas por adherencia nitener demasiado desgaste por abrasión. Es normal que la superficie que rozaligeramente con el cigüeñal esté, sin embargo, algo pulida.




25 -- Otros modelos pueden tener apariencia ligeramente diferente. Este es unejemplo de asientos para cabeza y tuerca de la serie 3208. Noten que las marcas del

torneado tienen una orientación diferente y que los asientos no han sido granallados.

26 -- El vástago de la biela debe ser recto y sin daño. Las bielas se deben tratar concuidado, porque las muescas, abolladuras o escopladuras pueden convertirse enconcentradores de esfuerzos y producir fracturas por fatiga.




INDICIOS

27 -- Antes de hablar de las fallas que pueden tener las bielas, es conveniente querepasemos los "indicios" de las fracturas y daños más corrientes:

• Fractura por fatiga• Fractura dúctil/quebradiza• Corte por impacto

FRACTURA POR FATIGA

28 -- En la sesión sobre fracturas de este Seminario, aprendimos que lasfracturas por fatiga se deben a cargas cíclicas y a la presencia deconcentradores de esfuerzos. La superficie es suave, no muestra

deformación plástica (rebajamiento o distorsión); puede haber "marcas deplaya", "dientes", fracturas finales dúctiles y labios cortantes. Estas fracturasse asocian normalmente con la causa original.

FRACTURA DUCTIL

29 -- Las fracturas dúctiles se producen por una sobrecarga violenta. S edesarrollan rápidamente y tienen labios cortantes de tamaño considerable.Las superficies son por lo general oscuras, ásperas, leñosas y condeformación plástica. Estas fracturas son casi siempre un resultado, no la

causa principal.




CORTE POR IMPACTO

30 -- El corte por impacto se produce cuando una parte golpea contra otracon mucha fuerza. Esto crea una superficie lisa y sedosa. La fuerza puedeverse también en las superficies adyacentes, donde hay mellas, abolladuras yalgunas veces descoloración por calentamiento.

31 -- Para ver los detalles, las fracturas se deben limpiar adecuadamente y observarcon luz buena. Esto es importante para determinar la ubicación y la condiciónespecifica del punto de iniciación que pudo haber producido la fractura.




32 -- La mejor manera de limpiar las caras de las fracturas es utilizando un disolventede evaporación rápida. Para quitar la grasa o el aceite, apliquen el disolvente a lacara fracturada y séquenlo con un paño o con aire.

FALLAS

33 -- Las bielas se pueden romper como resultado de condiciones anormales deoperación o porque tengan, a veces, problemas de materiales o de mano de obra.Sea cual fuere la causa, es importante utilizar los Ocho Pasos Aplicables al Análisisde las Fallas, seguir los procedimientos aprendidos en la inspección ocular Y valersede los- conocimientos básicos sobre tipos de desgaste y fracturas. Todo esto nosayudará a pensar lógicamente frente a los datos y a seguir los indicios que nos llevana la causa principal.

34 -- La mayor parte de las fallas de bielas no son de material o de mano de obra,sino que provienen de condiciones anormales de uso. Las condiciones anormalesmás corrientes son:

1. Fuerzas externas que doblan o rompen las bielas;2. Fallas de cojinetes que causan daños de bielas;3. Errores de reacondicionamiento (como reutilización de piezas dañadas);4. Pernos rotos o flojos.

Veamos algunos ejemplos de fracturas de bielas debidas a estas condicionesanormales.




FUERZA EXTERNA

35 -- Aquí vemos una biela doblada. Por lo general, si la biela esta doblada sedebe a una fuerza no común, aplicada directamente por otra pieza pesada enmovimiento o por movimiento restringido del pistón. En estos casos habíaindicios de impacto en la biela o daños en los pistones que explican la falla.

Todas las piezas de esta diapositiva están en perfectas condiciones, exceptoque la biela está doblada. El vástago no tiene mellas ni otra indicación defuerza externa directa aplicada a la biela.

36 -- Una inspección detallada de la parte superior del pistón revelaapariencia normal. No ha habido contacto directo con la culata o con lasválvulas.




37 -- La mitad inferior y la superior del cojinete, donde se aplican las fuerzas,

parecen normales.

38 -- ¿Cómo es posible que una biela se doble y no deje indicio?




FALLA DE COJINETES

39 -- Como se mencionó anteriormente, las bielas se pueden dañar debido afalla de cojinetes.

40 -- Vean este conjunto de piezas que fue devuelto a la fábrica. El informedecía que la biela se había roto en la mitad del vástago y había dañado lasotras piezas.

41 -- Todas las caras de las fracturas en la parte inferior del pistón sonásperas y opacas, lo que indica que la rotura es dúctil/quebradiza. El pistónse dañó porque otras piezas fallaron primero.




42 -- Aquí se ve la cara del vástago roto: la superficie es suave, lisa y conmuy poca deformación plástica. Además, está pulida, lo que indica que labiela estuvo rajada algún tiempo antes de quebrarse.

43 -- Al mirar el agujero para el cojinete, vemos que éste patinó, pero hay sólouna ligera descoloración en la sección superior de 120° donde la carga esmás elevada. Esto indica que había suficiente aceite para enfriar el cojinetemientras giraba. El agujero para el cigüeñal se calentó únicamente en lasetapas finales de la falla.

44 -- Después de que el cojinete se rompió, el cigüeñal golpeteó las paredes

del agujero rayándolas y desconchándolas considerablemente. Tambiénnoten que los bordes de las paredes se redondearon donde la biela estuvo encontacto con los filetes del muñón del cigüeñal.

Al desarmarse no quedaba cojinete en el agujero. El cojinete se encontró enel colector de aceite, en pedazos pequeños, de escaso espesor y aplanados.




Por lo tanto conviene investigar las circunstancias relacionadas con elcojinete y su instalación; por ejemplo, buscar pruebas en los otros cojinetesde pérdida momentánea, pero restituida, de suministro de aceite, examinarlos perfiles de los muñones del cigüeñal, ver en qué condiciones de limpiezase llevó a cabo el reacondicionamiento (si corresponde), etc. Todo esto nos

lleva a encontrar la causa principal de la falla del cojinete.

47 -- Esta biela también sufrió la falla de un cojinete. El cojinete fue golpeadode tal manera que terminó en pedazos pequeños y finos que se salieron delagujero para el cojinete y entraron al carter.

48 -- El agujero de la biela indica que hubo desgaste por adherencia condescoloración térmica, donde tocaba sin soporte el cigüeñal.

La falta de descoloración seria en el agujero indica que la lubricación erabuena y que la causa está, por lo tanto, en otra parte.




49 -- Las caras de unión entre tapa y biela estaban muy desportilladas,indicando movimiento de la unión.

50 las tuercas desportilladas -- Los asientos de también estaban porrozadura.

51 -- El perno no fracturado tiene indicios de que la tuerca se fue aflojando.Todas las roscas se dañaron porque el perno se movía en el agujero y lastres últimas de la tuerca se dañaron también. La cara de la tuerca donde va laarandela está desportillada y pulida en los lugares donde hubo movimiento

contra el asiento de la tuerca.




52 -- El perno tiene una fractura dúctil y es posible ver que la tuerca se aflojó,

porque todas las roscas que estaban en el agujero del perno (excepto lasultimas que estaban protegidas por la tuerca) tuvieron movimiento.

La cara plana de la tuerca que sirve de arandela daba contra el asiento y sedesportilló y pulió.

Este perno se rompió cuando la tapa de la biela se abrió después de caer latuerca.

53 -- Aquí se ve que la tuerca había retrocedido parcialmente antes de que serompiera el perno. La tuerca recibió el impacto de una carga elevada.Considerando




54 – Considerando los hechos, concluimos que la causa principal de esta fallaes probablemente una rotura de cojinete, pero no por falta de lubricación.

Cuando aumentó el espacio libre, el martille0 del cigüeñal contra las paredesdel agujero de la biela hizo que se movieran las uniones de biela y sedesportillaran las caras, las tuercas y los asientos de la unión entre biela ytapa.

El golpeteo creó una vibración rara que produjo probablemente elaflojamiento de las tuercas. Una de las tuercas retrocedió completamente y

separó las caras de unión, haciendo que el otro perno se rompiera con unafractura dúctil aunque la tuerca seguía enroscada.

Cuando se examina una falla como ésta, es importante determinar quésucedió primero: el retroceso de las tuercas o la falla del cojinete.

Si el problema se debe a falta de ajuste inicial, es decir a una tensióninadecuada, casi no habrá indicios de una falla de cojinete excepto el dañoresultante.

Pero si, como mencionamos en el caso anterior, falla el cojinete y se abreconsiderablemente el espacio entre el agujero para el cigüeñal y el cigüeñal,es posible que se produzca una sobrecarga cíclica, se salgan los pernos y/o

se produzcan grietas por fatiga en la biela o en los pernos.

Ahora es necesario determinar por qué falló el cojinete para encontrar laverdadera causa del problema.




55 -- Esta biela volvió a la fábrica con el informe de que el cojinete de la bielano 7 había patinado porque se había aflojado una tuerca. ¿Ustedes están de

acuerdo con esta explicación? (discutir).

Al observar la biela y el cojinete, ¿qué tipo de desgaste ven? (Adherencia)Esta biela se sobrecalentó demasiado; podemos verlo en la descoloración.(Observen los diferentes colores del vástago que empiezan en el agujero).Las manchas azules y negras de la oxidación indican que cerca del agujero latemperatura llegó a pasar de 816 "C.

¿Una tuerca floja puede haber generado tanta temperatura?

(Respuesta: No, si una tuerca se afloja o el agujero para el cojinete se abredebido a una fractura por fatiga, el cojinete sufrirá un daño como resultado delimpacto al salirse del agujero. Si el cojinete y la biela están expuestos a tal

temperatura, esto indica que el cojinete no tuvo suficiente aceite)

¿Cuál podría ser la causa de esto?

(Respuesta: nivel bajo de aceite, falla de la bomba de aceite, tubo deaspiración caído, válvula de derivación abierta, residuos que tapan elsuministro de aceite del cojinete en cuestión, etc. )

Ahora necesitamos determinar la razón de esta falta de lubricación en lugarde buscar la causa en la biela o en los pernos.




ERRORES DE REACONDICIONAMIENTO

56 -- Los errores de reacondicionamiento (por ejemplo, no respetar losprocedimientos de recuperación o volver a utilizar en forma inadecuada

piezas gastadas o dañadas) producen con frecuencia fallas en las bielas.

57 -- Esta biela falló en el agujero para el cigüeñal y terminó quebrándosecerca del asiento de la cabeza de los pernos. El cojinete parece estar en buenestado, excepto en el área dañada. Esto indica que el abastecimiento deaceite era bueno y que la causa no está en el cojinete.

58 -- Noten que la superficie de contacto de la tapa indica que se ha

producido aplastamiento en el lugar opuesto a la fractura.

A partir de este indicio es posible determinar cuál fue el lado de la tapa que sesalió primero. La cara opuesta a la que se haya aflojado primero mostrará elaplastamiento.

A esto denominamos "abisagramiento"; en otras palabras, la biela se rompió yposteriormente se "abisagró" (como una compuerta) al otro lado,balanceándose hacia el borde exterior de la cara de contacto y quebrando elperno con una fractura dúctil. Más adelante veremos más ejemplos similares.

La cara de contacto de esta biela tiene una apariencia un poco diferente. Eltorneado de fábrica por lo general le deja marcas transversales. Las marcas

que aparecen aquí pueden indicar que la tapa de la biela se ha vuelto a alisar.




Para llegar a la causa principal, el que observa las piezas necesita vertambién los otros cojinetes y los agujeros de bielas, verificar cómo se llevó acabo el reacondicionamiento, etc.

La falla pudo haber sido el resultado de corrosión por desportillamiento,existente cuando se hizo el reacondicionamiento o producida después dereacondicionar, originada quizá por volver a tornear el agujero sobremedida,dentro del cual el cojinete quedó flojo.

61 -- Es muy importante ver si la superficie del agujero para el cojinete tienecorrosión por desportillamiento, o se ha dañado durante elreacondicionamiento; cualquier irregularidad se debe corregir antes de volvera armarlo, siguiendo las pautas "Cat Guidelines for Reusable Parts andSalvage Operations"

Esas publicaciones tienen también las especificaciones para medir el agujeropara el cigüeñal y las instrucciones especiales para seguir los procedimientos,uso adecuado de herramientas, etc.

62 -- A esta biela se le rompió la tapa. ¿Cuál es para ustedes la causaprincipal de esta falla? (Discutir los participantes deberán pedir que se lesmuestren las piezas de cerca. ) Veamos ahora los "indicios" que nos llevan ala causa principal. Primero, observemos la unión de la tapa con el perno rotoque quedó en la tapa.




63 -- Aquí vemos que el perno se rompió con una fractura dúctil y que losúltimos "dientes" de la derecha se fueron inclinando hacia ese mismo lado amedida que la tapa se "abisagraba" durante la separación. Esto indica

claramente que la biela se abrió primero por el otro lado.

64 -- ¿Qué ven en la cara de esta fractura? (discutir) La cara es lisa y suave,mucho más suave y pulida en el interior del agujero (abajo, en la diapositiva)y más áspera arriba, donde la arista superior tiene una fractura final dúctil.

Hay también un ligero l1marcas de playal1 que comienza en la parte inferior yavanza hacia arriba y que va de adentro del agujero hacia afuera. El punto deiniciación de la fractura está en la parte de abajo, precisamente a la derechade la muesca (daño resultante).




Aunque no podemos determinar todavía la causa exacta de la falla, por eldesgaste que sufrió el buje, lo más probable es que la falla se deba a doserrores de reacondicionamiento:

1. Mala alineación del buje del pasador de biela durante la instalación, loque hizo que se rajara o torciera y se aflojara en el agujero. Esto pudoser el resultado de usar herramientas inadecuadas o de tratar deinstalarlo a presión en frío, en lugar de calentarlo antes, según lasespecificaciones.

2. El agujero pudo estar mal medido y ser de tamaño mayor que eltamaño requerido. En consecuencia, el nuevo buje quedó flojo dentrodel agujero.

Cuando se vuelven a utilizar las bielas, es importante verificar todas lasdimensiones críticas y descartar o recuperar las piezas, según lasespecificaciones.

PERNOS FLOJOS O ROTOS

68 -- Los pernos quebrados o flojos pueden romper las bielas.

69 -- Observen este grupo de piezas rotas. ¿Que ven? (discutir)

1. La biela se rompió en el asiento de la cabeza del perno.2. Se rompió un perno. El otro esta doblado y todas las roscas están

muy dañadas.




3. La tapa de la biela se "abisagró" en la parte inferior de la superficie decontacto, indicando que se rompió después de haber fallado el otrolado. No hay desgaste por adherencia, lo que prueba que el cojineteno patinó.

4. Los cojinetes están desgastados, pero no patinaron ni fallaron por

falta de lubricación.

70 -- Aquí se ve una imagen ampliada del lado "abisagrado" de la tapa. Notenel borde exterior alisado de la cara de unión y que la fractura del perno esdúctil (áspera, leñosa y deformada), lo que indica que hubo sobrecarga y quese partió durante un ciclo de carga.

71 -- Aquí vemos la parte de la biela que va arriba de la superficie decontacto. No hay desportillamiento por rozadura en la cara de unión pero hay

daño en el borde interior, lo que indica que la golpeó el cigüeñal después queel perno salió del agujero. Recuerden que éste es el lado de la unión que seabrió primero.




72 -- Este es el otro extremo de la misma pieza. ;¿Qué tipo de daño sufrió?(discutir) El daño fue de corte por impacto, según los indicios (no hay "marcasde playa", la superficie es suave y sedosa, las mellas y el daño provienen dela elevada fuerza externa, aplicada después que el perno salió del agujero).Como vimos anteriormente el corte por impacto es un resultado, no la causade una falla.

73 -- Lo anterior nos lleva a examinar el perno. La inspección del perno y dela tuerca revela que ésta retrocedió.

Noten que:

1. los filetes del perno están muy dañados, por moverse en el agujerosin tener tuerca instalada,

2. las últimas roscas de la tuerca se robaron por sobrecarga cuando latuerca retrocedió hasta donde quedaron enganchadas, y

3. la cara plana de la tuerca que sirve de arandela está muy golpeada yhasta echada en el agujero del perno.

El agujero de la biela aparente- mente no estaba sobrecargado por elexcesivo espacio libre del cojinete desplazado; el perno se aflojóprobablemente por no estar debidamente ajustado.




Ahora necesitamos saber quién fue el último que apretó el perno. ¿Cuál era elkilometraje o horas de servicio? ¿Se había reacondicionado el motor o se lehabían puesto cojinetes nuevos?

Estos datos adicionales pueden llevarnos a la causa principal, que no fue un

defecto de la biela o del cojinete, sino de la mano de obra al instalar lospernos.

74 -- ¿Qué indicios encuentran en este conjunto de piezas rotas? Respuestacorrecta: las piezas se deben observar más detenidamente.

Diapositiva 75 -- Al examinar los cojinetes vemos que se dañaron sólo por el

impacto de la biela, la tapa y el cigüeñal, al desprenderse la tapa.El cojinete es 1,27 mm bajomedida, lo que indica que el motor fuereacondicionado.

El nivel y la calidad del aceite fueron los adecuados, por eso no hubodesgaste por abrasión o adherencia en la parte delantera o parte posterior delos cojinetes.




76 -- La cara de contacto entre biela y tapa opuesta a la fractura indica quehubo "abisagramiento" y que el perno se rompió con fractura dúctil. Todo estoimplica que este lado se aflojó después del otro.

77 -- Aquí se ve la cara de la fractura de la biela y del perno, desde el ladoopuesto al lado "abisagrado". ¿Qué pueden deducir de esta imagen? (discutir)

1. La cara de la fractura de la biela tiene los indicios típicos de un cortepor impacto (no hay "marcas de playa", la superficie es lisa y sedosahacia el interior del agujero y más áspera y leñosa al convertirse enfractura dúctil cerca de la superficie exterior de la biela). Todo estoindica que el corte se debió a un impacto y que, por lo tanto, se tratade un daño resultante.

2. La cara de la fractura del perno es típica de una fractura por fatiga(lisa y suave con fractura final dúctil cerca del borde izquierdo). Lasfracturas por fatiga se asocian por lo general con la causa original.




78 -- Esta imagen ampliada tiene un "marcas de playa" que comienza en ellado derecho de la fractura y se extiende hacia el izquierdo, hasta que seprodujo la fractura final dúctil.

79 -- Si ampliamos más la imagen vemos que el punto de iniciación es unamuesca o abolladura en la superficie moleteada del perno en la parte superiorderecha de la diapositiva. Esta abolladura creó un concentrador anormal deesfuerzos que originó la grieta por fatiga.

El origen fue el uso de un perno mellado al reacondicionar. Aquí también labiela falló no por su culpa sino por la rotura del perno. Ahora debemosdeterminar quién fue responsable de la instalación del perno.

Así concluimos esta sección sobre las condiciones anormales más corrientesque producen fallas en las bielas.




ERRORES EN LA FABRICACIÓN

80 -- Las bielas se fabrican con mucho cuidado y se controlan minuciosamente paraevitar defectos de material o problemas de mano de obra. Sin embargo, es posiblecometer los siguientes errores:

1. Solapas o pliegues de forja;2. Diferencias de tratamiento térmico;3. Problemas de torneado o granallado, o4. Problemas de montaje.

Veamos a continuación algunos ejemplos de estos tipos de problemas.

SOLAPAS DE FORJA

81 -- Este ojo de biela se encontró en una reparación general a elevadashoras de servicio. No había fallado, pero es un buen ejemplo de una solapade forja en la parte inferior de la imagen.

Como vimos en la sesión sobre Principios Básicos de Metalurgia, las solapasson pliegues del metal que -se forman en el troquel de forja. El color de lasolapa es azul negro. Este color oscuro es el depósito de óxido formadodurante la forja. La solapa se convierte en un concentrador anormal deesfuerzos que podría haber producido una grieta por fractura.




82 -- Esta biela falló en el vástago. ¿Quién puede determinar el tipo de

fractura? (discutir) Respuesta: fatiga. ¿Qué la produjo? (discusión) Habríaque ver la imagen más ampliada para poder encontrar el punto de iniciación.

83 -- ¿Qué ven aquí? (discusión) El punto de iniciación está en la base de laletra "U", forjada en el vástago del alma. La grieta se debió a unapequeñísima solapa, que se formó entre esta letra y la siguiente. Comoambas estaban muy juntas, el granallado no pudo penetrar y eliminar esasolapa. Para resolver el problema, el forjador aumentó la distancia entre lasdos letras.




84 -- Veamos ahora este conjunto de piezas rotas. ¿Podrían decirme lo queocurrió? Respuesta correcta: hay que examinar detenidamente cada una delas piezas.

85 -- Los cojinetes no tienen desgaste por adherencia o por abrasión, lo queindica que la cantidad y calidad del aceite eran adecuadas. Al abrirse la bielalos golpeó, produciendo un daño secundario por impacto.

86 -- Este es uno de los pedazos de la tapa de biela, que se rompió en dos.¿Que tipo de fractura tiene? ¿La fractura produjo la falla o fue el resultado deotra cosa? (discutir) La fractura es dúctil (áspera, leñosa y con deformaciónplástica), por lo tanto es un daño resultante. La causa original debe estar en

otro sitio.




87 -- La cara de la fractura en la biela dice lo que pasó. ¿Qué indicios hay?(discutir)

1. una área pequeña muy pulida y desportillada, avanzando un poquitodesde el lado izquierdo hacia la biela,

2. "marcas de playa" que empieza en la arista derecha del área pulida yprogresa casi por toda la cara de la fractura hacia la derecha, es decirhacia el agujero de la biela,

3. varias mellas al comienzo de las "olas",4. una fractura final pequeña en el extremo derecho de la cara de la

fractura en el agujero de la biela.

¿Qué les dicen estos indicios? (discutir) Que había una grieta a la izquierdade la cara de la fractura que produjo un concentrador de esfuerzos,

ocasionando varias grietas por fatiga. Posteriormente dichas grietas seunieron y formaron una fractura mayor que creció hasta terminar en unafractura dúctil.

88 -- Aquí se ve el punto de iniciación ampliado, donde se encuentran lapregrieta (superficie muy pulida y desportillada por roce) y la cara de lafractura por fatiga. Es muy posible que esta grieta sea una solapa o pliegueformado durante la operación de forja.




TRATAMIENTO TÉRMICO

89 -- Las bielas pueden fallar también por diferencias en el tratamientotérmico; por ejemplo, por grietas debidas al enfriamiento.

Como vimos en la sesión sobre Principios Básicos de Metalurgia, las grietaspor enfriamiento se forman cuando las piezas calientes se enfrían muyrápidamente, produciendo un esfuerzo de contracción alto y repentino. Estose debe al sobrecalentamiento de las piezas antes de enfriarlas, alenfriamiento en agua o aceite demasiado fríos, o al uso de agua para enfriaruna pieza de acero que debía haberse enfriado con aceite.

Las grietas por enfriamiento ocurren por lo general en los concentradoresnormales de esfuerzos. En las bielas, este tipo de grietas aparece en el áreade fusión entre el agujero y el vástago o entre agujero y vástago, o en otro

lugar donde la forma de la superficie cambie abruptamente.

90 -- Esta biela falló en el agujero para el pasador de biela y continuó hasta elalma del vástago. Veamos más detenidamente las caras de la fractura ytratemos de determinar la causa original.




91 -- Aquí se ve la cara de la fractura en medio del vástago. ¿Qué tipo defractura es? (dúctil, producida por una sobrecarga; daño resultante).

92 -- ¿Qué ven en esta imagen? (Respuesta: Conviene ver la imagenampliada)

93 -- Al observar la pieza ampliada y con mejor luz ¿qué detallesdescubrimos? (discutir)




En la parte superior central es posible ver una cara oscurecida, suave y lisade la fractura. Debajo de esa área hay otra fractura de color más claro. Tienevarias mellas en el punto de iniciación y un "marcas de playa" que va desdeallí hasta el alma.

El área más oscura arriba del punto de iniciación (donde empiezan el "marcasde playa" y las mellas) es una grieta grande de enfriamiento. El color oscurode la superficie es el óxido azul negro que se formó al enfriar la pieza.

Esta grieta creó un concentrador de esfuerzos importante deaproximadamente 8, que a su vez dio origen a la grieta por fatiga de la biela yque siguiendo la línea de textura se fue hacia el alma del vástago.

MAQUINADO O GRANALLADO

94 -- Asimismo las bielas pueden fallar como resultado del torneado y/o delgranallado.

95 -- Esta tapa de biela tiene una fractura en el abocardado del agujero paraasentar la tuerca.




96 -- La unión de biela opuesta al lado que se fracturó muestra elabisagramiento típico que indica que la biela se abrió después que el otrolado se soltó.

97 -- La cara de fractura de esta tapa es suave, lisa, de color claro y tiene"marcas de playa" que empieza en la rosca del asiento de la tuerca, en laparte superior de la imagen y termina con una fractura dúctil final pequeña enla parte inferior izquierda.

98 -- Aquí tenemos una imagen ampliada del punto de iniciación que seencuentra en el lado derecho inferior de la cara de fractura. El punto deiniciación esta en la arista cortante donde las superficies del filete y la aristaexterior de la tapa se unen. Esta arista por lo general se alisa para sacar las




rebarbas; y el área de los filetes se granalla. Ninguna de las dos operacionesse hizo según las especificaciones y, como resultado, se produjo unaconcentración anormal de esfuerzos que inició la fractura por fatiga.

99 -- Esta imagen del asiento de la tapa de la biela muestra bien el problema.Comparen las superficies del asiento de la tuerca en la parte superior de ladiapositiva y en la inferior: la primera fue granallada, la segunda no. Notentambién la arista cortante que se formó donde la superficie del filete y la parteexterior de la tapa se juntan, creando un concentrador de esfuerzos.

100 -- Esta biela se fracturó cerca del asiento de la cabeza del perno. ¿Queprodujo la falla? (Es necesario una imagen ampliada para ver los detalles).




101 -- El desgaste del cojinete parece relativamente normal (no tienedesgaste por adhesión o abrasión); sólo el daño del impacto al salirse delagujero de la biela.

102 -- La unión de la biela opuesta a la fractura muestra nuevamente el"abisagrado" típico con fractura dúctil del perno que falló después de habersesoltado el otro lado.

103 -- ¿Qué tipo de fractura es ésta? ¿Dónde empezó? ¿Es un dañoresultante o una causa principal? Respuestas: por fatiga; empezó en elvértice inferior izquierdo en el asiento de la cabeza del perno; es la causa de

la falla.




104 -- Esta ampliación nos ayuda a ver el problema. Sigamos el “marcas deplaya” hacia el vértice inferior izquierdo de la fractura.

Vemos un vértice agudo, que se convirtió en un concentrador de esfuerzos ycomenzó una fractura por fatiga. Este problema se presentó en la biela dealgunos motores de la serie 3208, donde el torneado fue tan profundo quecortó el asiento de la cabeza del perno y produjo una rebaba en el vérticeagudo.

La solución del problema de las bielas en producción fue alisar las aristas,reduciendo así el concentrador de esfuerzos.

105 -- Consideren estas piezas de biela y cojinete de agujas fracturados.Parece que la falla esta en la parte superior de la biela; sin embargo,debemos examinar bien y sistemáticamente todas las partes para hallar losI1indiciosfl de la verdadera causa.




106 -- Un examen detallado del cojinete y extremo inferior de la biela revela losiguiente:

1. El cojinete no tiene desgaste por adherencia o abrasión. Por lo tanto,podemos sacar en conclusión que la lubricación era adecuada.

2. La biela no tiene daños por sobrecalentamiento (no haydescoloración). Por lo tanto, la temperatura de la biela era normal.

Deberíamos examinar el otro extremo de la biela para tratar de determinar lafractura original y el tipo de carga que la produjo.

107 -- ¿Qué tipo de fractura es esta? ¿Qué tipo de carga se le aplicó? ¿Eldaño es resultante o causante de la falla? (discutir) .

Respuesta: Corte; noten la apariencia lisa y sedosa de la superficie y ladescoloración producida por el calor en el borde izquierdo superior y derechoinferior.

El corte por impacto es un daño resultante, por lo tanto debemos mirar lasotras partes de la biela para tratar de encontrar otra fractura y más datossobre el desgaste que nos lleven a la causa.




108 -- Aquí vemos el ojo de biela y pedazos de buje. Noten que éste ha sidogolpeado (daño por impacto) en pedazos finos y el ojo de biela está muydañado. ¿Es posible ver otras claves aquí? (Nota al instructor: volveremos

sobre esto en la diapositiva 111).

109 -- Esta es una imagen de la cara de fractura de uno de los pedazos delojo de biela. La cara superior es áspera y dentada. La inferior debeobservarse más detenidamente.




110 -- La ampliación de la cara inferior indica que la superficie es más bienáspera. Hay arrugas de izquierda a derecha: son zonas de interrupción de lafractura dúctil que probablemente tomó más de un ciclo de carga paraagrietarla completamente.

¿Que falló primero: el ojo de biela o el buje? Considerando la condición delbuje (hecho pedazos a golpes), es muy probable que fuera el primero enromperse, dejando mayor abertura entre el pasador de biela y buje. Estoprodujo golpeteo del pistón y fractura en unos pocos ciclos. Hay quepreguntarse ¿qué produjo la falla del buje? (discutir).

111 --- Si vemos una diapositiva anterior, comprobamos que se nos hapasado algo. Observen el pedazo de buje en el círculo. Esta parte no recibiólos golpes del pasador de biela.

En conclusión, el buje se movió y/o resbaló del agujero perdiendo un pedazoque cayó en el carter. La sección del buje que quedó adentro se sobrecargócon el pasador de biela debido a menor área de apoyo.

El buje se pudo aflojar debido a:

1. error de torneado que produjo un agujero sobremedida,2. alineamiento inadecuado del buje del pasador de biela durante la

instalación y/o,3. falta del precalentamiento adecuado del ojo de biela antes de instalar

el buje.

Cualquiera de estas condiciones pudo crear una grieta en el buje, doblarlo y/o

aflojarlo dentro del agujero.

Esta es una etapa más avanzada del tipo de problema que vimosanteriormente, excepto que la causa principal fue un problema de fabricacióno de instalación más que un error cometido durante el reacondicionamiento.

Esto implica que debemos reunir más hechos y observar cada una de laspiezas para poder pensar lógicamente.

Pequeños detalles, como el pedazo de buje en el carter, pueden ser lasclaves del rompecabezas para resolver un complicado problema de análisisde fallas.




ENSAMBLE

112 -- Los errores de montaje en fábrica pueden también ocasionarproblemas.

113 -- Esta es una falla de ojo de biela con apariencia diferente. ¿Qué laprodujo? (Respuesta correcta: es necesario tener una imagen más ampliada).

114 -- Una inspección detallada del buje del pasador de biela revela queparece normal, excepto por el daño producido por impacto y los cortes en laparte posterior.




CASO DE ESTUDIO

116 -- Esto concluye nuestra discusión sobre las condiciones anormales de uso y losproblemas de fabricación de bielas. Veamos un ejemplo más para poner en prácticalo aprendido.

117 -- Esta es una biela de la serie 3500. Quiero que me digan cuáles son los indiciosque ven en esta diapositiva y en las siguientes:

1. Los pernos se rompieron por la cabeza.2. No hubo descoloración por efecto del calor.3. Los pernos se doblaron hacia afuera.

118 – 1) Las fracturas del pistón son dúctiles/quebradizas. El daño es resultante.




119 -- Las marcas del torneado se ven todavía en el agujero de biela (los cojinetes nofallaron, el suministro de aceite era adecuado).

120 –

1. Los dos pernos tienen fracturas dúctiles.2. Mellas de "abisagramiento".3. Este lado fue el último desprenderse.

121 -- Tapa de biela del lado que se desprendió primero.

1. Manchas azules (descoloración por efecto del calor), formadas al salirse lospernos de los agujeros y hacer presión contra la superficie exterior.




122 –

1. Las cabezas de los pernos están trozadas.2. Hay mellas en la tapa donde las cabezas de los pernos hicieron presión sobre

la superficie.3. Manchas azules en los pernos (en el lado que coincide con las manchas de latapa). Conclusión: el cigüeñal - golpeó los pernos y los dobló.

¿Qué significa todo esto?

LO QUE HEMOS VISTO SON DANOS RESULTANTES.NOS FALTAN DATOS.

Con frecuencia nos encontramos en esta posición y necesitamos pedir más datospara explicar una falla.

123 -- Tienen razón: hay otra biela que participó en la falla. Examinémosla. ¿Quévemos?

1. Los cuatro pernos están rotos.2. La tapa de biela está rota.

124 –

1. Las fracturas de los pernos son dúctiles.2. La tapa rota tiene cara de fractura lisa.




130 -- Con esto concluimos nuestra sesión sobre las bielas, en la que aprendimosque estas piezas transfieren el movimiento descendente y la fuerza linear del pistón almovimiento de rotación y fuerza del cigüeñal. Las bielas están sujetas a tensiones

cíclicas, a fuerzas de compresión y a cargas de flexión.

Las bielas se deben fabricar, manejar e instalar con cuidado; de lo contrario, sepueden romper. También es necesario ser minuciosos al analizar las fallas paraencontrar la verdadera causa. Es fácil sacar en conclusión que una biela eradefectuosa, cuando en realidad fue víctima de condiciones de uso, ambientales, deinstalación o de manejo.

Después de obtener todos los HECHOS y de llegar a la causa más probable, nodebemos olvidar los pasos 6, 7 y 8 aplicables al Análisis de Fallas. Estos pasos nosayudan a "obtener la recompensa”, permitiendo que nos comuniquemos con elresponsable de la falla, que hagamos las reparaciones según instrucciones delresponsable y que continuemos en contacto con el cliente para asegurarnos que ha

quedado satisfecho.

131 -- Veamos ahora algunos ejemplos prácticos de fallas de bielas y tratemos dedeterminar el tipo de fractura o las condiciones de uso o ambientales y la causa máspro- bable de la falla.




NOTAS

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