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Construcción de un equipo para ensayos de fatiga y fatiga con corrosión

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Academic year: 2020

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(1)CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA ENSAYOS DE FATIGA Y FATIGA CON CORROSIÓN.. LEONARDO ELÍAS LÓPEZ URIBE. Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniero Mecánico. Asesor: WILSON HORMAZA Dr. Ing.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA 2009.

(2) AGRADECIMIENTOS. A Elías y Elisa mis padres amados, quienes con su apoyo y compresión incondicional lograron educarme y formarme en la persona que hoy soy. Igualmente a mis hermanos por su preocupación y solidaridad. Tío José, a pesar de partir este año siempre estará presente. Mi más sincero agradecimiento al profesor Wilson Hormaza por su paciencia, enseñanza y orientación que hicieron de este trabajo una realidad. A los profesores Luis Mateus, Juan Pablo Casas y al equipo de los laboratorios de la universidad, su colaboración y sus consejos fueron de gran ayuda. A mis verdaderos amigos, esto también es para ustedes.. 2.

(3) I. LISTA DE SÍMBOLOS. : Esfuerzo : Deformación. N: Numero de ciclos. : Coeficiente de deformación de fatiga. : Coeficiente de esfuerzo de fatiga. c: Exponente de deformación de fatiga. b: Exponente de esfuerzo de fatiga. E: Módulo de elasticidad. : Intensidad de esfuerzo. : Factor de modificación de intensidad de esfuerzo. : Tamaño de grieta. : Esfuerzo alternante. : Esfuerzo máximo. : Deflexión (excentricidad de la biela). : Espesor de la probeta. : Longitud del área de esfuerzo uniforme. T: Torque r: brazo : Esfuerzo de torsión J: Momento polar de inercia 3.

(4) II. LISTA DE FIGURAS. Figura 1. Falla de un tornillo debido a esfuerzo de flexión cíclico. .......................................................... 11 Figura 2. Superficies generadas por la acción de esfuerzos cíclicos. ....................................................... 12 Figura 3. Máquina rotativa de R.R. Moore. ............................................................................................ 13 Figura 4. Geometría de probeta para la máquina rotativa de R.R. Moore. ............................................ 13 Figura 5. Diagrama Esfuerzo‐Ciclo resultado de un ensayo de fatiga axial reversible para acero normalizado UNS G41300[2]. ................................................................................................................ 15 Figura 6. Diagrama Esfuerzo‐Ciclo de algunas aleaciones de aluminio. ................................................... 15 Figura 7. Cambio en el límite elástico debido a esfuerzos reversibles cíclicos. ........................................ 16 Figura 8. Diagrama Deformación‐Ciclos para acero SAE 1020 laminado en caliente. ............................. 16 Figura 9. Representación crecimiento de grieta. .................................................................................... 17 Figura 10. Formación de macrogrietas. ................................................................................................. 18 Figura 11. Crecimiento de grieta en función de la vida. .......................................................................... 19 Figura 12. Tornillos afectados por corrosión. ......................................................................................... 20 Figura 13. Esquema Ánodo‐Cátodo‐Electrolito. ..................................................................................... 21 Figura 14. Corrosión Uniforme. ............................................................................................................. 21 Figura 15. Corrosión galvánica. .............................................................................................................. 22 Figura 16. Corrosión por picadura. ......................................................................................................... 22 Figura 17. Corrosión por agrietamiento. ............................................................................................... 22 Figura 18. Corrosión intergranular. ........................................................................................................ 23 Figura 19. Corrosión bajo tensión . ........................................................................................................ 23 Figura 20. Corrosión por erosión. .......................................................................................................... 24 Figura 21. Corrosión por cavitación........................................................................................................ 24 Figura 22. Corrosión por fricción. .......................................................................................................... 24 Figura 23. Lixiviación selectiva. .............................................................................................................. 25 Figura 24. a) Efectos de la fatiga con corrosión sobre un eje. b) Vista directa del área de falla. .............. 26 Figura 25. Corrosión por fatiga. ............................................................................................................. 26 Figure 26. Esquema de la máquina para ensayos de fatiga y fatiga con corrosión. ................................. 28 Figura 27. Sistema de transmisión de potencia, relación 2.8:1. .............................................................. 31 Figura 28. Soporte del motor. ................................................................................................................ 31 Figura 29. Diagrama de cuerpo libre del soporte del motor. .................................................................. 32 Figura 30. Diagrama de cuerpo libre del eje. .......................................................................................... 33 Figura 31. Diagramas de cortante y momento del eje. ........................................................................... 33 Figura 32. Simulación del eje principal. a) Eje Completo, b) Localización del máximo esfuerzo. .............. 34 Figura 33. Vista esquemática de la biela. ............................................................................................... 35 Figura 34. Eje excéntrico........................................................................................................................ 35 Figura 35. Diagrama de cuerpo libre del eje excéntrico. ......................................................................... 36 Figura 36. Rodamiento que conecta la biela con el eje excéntrico. ......................................................... 37 Figura 37. Deflexión angular del eje. ...................................................................................................... 37 Figura 38. Rodamientos SKF de la serie 6006, tomado de www.skf.com. ............................................... 38 Figura 39. Rodamientos SKF de la serie 6007, tomado de www.skf.com. ............................................... 38 4.

(5) Figura 40. Biela antes y después del proceso de cromado. ..................................................................... 39 Figura 41. Diagrama de cuerpo libre de la biela. .................................................................................... 40 Figura 42. Pieza “T”. .............................................................................................................................. 41 Figura 43. Diagrama de cuerpo libre de la pieza T. ................................................................................. 41 Figura 44. Factor de concentrador de esfuerzo a tensión. ..................................................................... 42 Figure 45. Camilla soporte. .................................................................................................................... 43 Figura 46. Diagrama de cuerpo libre de la camilla soporte. .................................................................... 43 Figura 47. Contador de vueltas. ............................................................................................................. 44 Figura 48. Tipo de piñones utilizados. ................................................................................................... 44 Figura 49. Tabla de factores de compensación de potencia. Tomada de catálogo “La transmisión de potencia por cadena de rodillos”, INTERMEC LTDA. ............................................................................... 45 Figura 50. Tabla de capacidad de potencia. Cadena estándar sencilla de rodillos No. 35 Paso 3/8 de pulgada. Tomada de catálogo “La transmisión de potencia por cadena de rodillos”, INTERMEC LTDA.... 46 Figura 51. Etapas de reducción. ............................................................................................................. 47 Figura 52. Contenedor de acrílico. ......................................................................................................... 47 Figura 53. Distribución de la presión en el contenedor. ......................................................................... 48 Figura 54. Diagrama de cuerpo libre de la pared del contenedor. .......................................................... 49 Figura 55. Estructura general. ................................................................................................................ 49 Figura 56. Diagrama de cuerpo libre del soporte de la estructura con mayor carga. ............................... 50 Figura 57. Simulación de la estructura. .................................................................................................. 50 Figura 58. Configuración de la probeta, dimensiones en mm. ................................................................ 52 Figura 59. Simulación para una deflexión de 9.1 mm (biela 10) .............................................................. 53 Figura 60. Medición de la excentricidad. ................................................................................................ 55 Figura 61. Calibrador de deformaciones instalado. ................................................................................ 56 Figure 62. Caja de microdeformaciones instalada. ................................................................................. 57 Figura 63. Posiciones de los calibradores de deformación. ..................................................................... 58 Figura 64. Medición de deflexión sobre el cuello de la probeta. ............................................................. 59 Figura 65. Simulación de la deflexión en la probeta. .............................................................................. 59 Figura 66. Medición de deflexión en la base de la probeta. .................................................................... 61. 5.

(6) III. LISTA DE GRÁFICAS.. Gráfica 1. Excentricidad inicial y real de cada biela................................................................................ 56 Gráfica 2. Diferencia entre los esfuerzos reales y los teóricos................................................................ 57 Gráfica 3. Vida teórica y real. ................................................................................................................. 58 Gráfica 4. Deflexión real y simulada en el cuello de la probeta. .............................................................. 60 Gráfica 5. Deflexión en la base de la probeta. ........................................................................................ 61 Gráfica 6. Deflexión en la base de la probeta antes y después de ajuste. ............................................... 62. 6.

(7) TABLA DE CONTENIDOS. I.. LISTA DE SÍMBOLOS. ........................................................................................................... 3. II.. LISTA DE FIGURAS. .............................................................................................................. 4. III.. LISTA DE GRÁFICAS............................................................................................................. 6. 1. INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................. 9 2. OBJETIVOS. ................................................................................................................................... 10 2.1. OBJETIVO GENERERAL. ...................................................................................................... 10 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS. ................................................................................................. 10 3. FATIGA. .......................................................................................................................................... 11 3.1. Métodos Fatiga-Ciclos. ........................................................................................................... 12 3.1.1. Método Esfuerzo-Ciclos. ............................................................................................. 12 3.1.2. Método Deformación-Ciclos. ...................................................................................... 15 3.1.3. Método Mecánica de Fractura Elástico-Linear. ........................................................ 17 4. CORROSIÓN.................................................................................................................................. 20 4.1. Tipos de Corrosión. ................................................................................................................. 21 4.1.1. Corrosión Uniforme. .................................................................................................... 21 4.1.2. Corrosión Galvánica. ................................................................................................... 22 4.1.3 Corrosión por Picadura. ............................................................................................... 22 4.1.4. Corrosión por Agrietamiento....................................................................................... 22 4.1.5. Corrosión Intergranular. .............................................................................................. 23 4.1.6. Corrosión Bajo Tensión. ............................................................................................ 23 4.1.7. Corrosión por Erosión. ................................................................................................ 23 4.1.7.1. Deterioro por Cavitación. ......................................................................................... 24 4.1.8. Corrosión por Fricción. ................................................................................................ 24 4.1.9. Lixiviación Selectiva. ................................................................................................... 25 5. FATIGA CON CORROSIÓN. ........................................................................................................ 26 6. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA PARA ENSAYOS DE FATIGA Y FATIGA CON CORROSIÓN. ..................................................................................................................................... 28 6.1. Componentes de la Máquina. ................................................................................................ 28 7.

(8) 6.1.1. Sistema de Transmisión de Potencia. ...................................................................... 28 6.1.2. Eje Principal. ................................................................................................................ 33 6.1.3. Elementos de la Biela. ................................................................................................ 34 6.1.3.1. Ejes Excéntricos................................................................................................................ 35 6.1.3.2. Rodamientos. .................................................................................................................... 37 6.1.3.3. Biela. .................................................................................................................................. 39 6.1.3.4. Pieza “T” ............................................................................................................................ 40 6.1.3.5. Camilla Soporte. ................................................................................................................ 42 6.1.4. Sistema Conteo de Ciclos. ......................................................................................... 44 6.1.5. Contenedor del Agente Corrosivo.............................................................................. 47 6.1.6. Estructura General. ..................................................................................................... 49 7. CÁLCULOS DEL ESFUERZO APLICADO SOBRE LA PROBETA. ......................................... 52 8. RESULTADOS Y DISCUCIONES. ............................................................................................... 55 8.1. Excentricidad. .......................................................................................................................... 55 8.2. Esfuerzo Aplicado Sobre las Probetas. ................................................................................. 56 8.3. Deflexión en el Cuello de la Probeta. .................................................................................... 59 8.5. Deflexión en la Base de la Probeta. ...................................................................................... 60 9. CORRECIONES PRELIMINARES DE LA MAQUINA DE FATIGA Y FATIGA CON CORROSIÓN. ..................................................................................................................................... 62 10. CONCLUSIONES......................................................................................................................... 63 11. SUGERENCIAS. .......................................................................................................................... 64 BIBLIOGRAFÍA. .................................................................................................................................. 65 ANEXOS.............................................................................................................................................. 67. 8.

(9) 1. INTRODUCCIÓN.. Al diseñarse un elemento mecánico se debe tener en cuenta su uso teniendo en cuenta la resistencia o la deformación admisible de los materiales. Estas características por lo general se toman de tablas que han sido editadas desde 1930; sin embargo el concepto de fatiga no está claramente incluido en estos valores ya que no contienen estudios sobre la configuración dimensional y en muchos casos no se presentan magnitudes para materiales que se han desarrollado durante los últimos años. Por esta razón en algunos casos la utilización de estos valores conlleva al sobredimensionamiento de piezas lo cual no es viable económicamente. En pocos casos el daño de una maquina se debe al material, por lo general se presenta por la fatiga sumado a configuraciones inadecuadas de piezas, tales como hombros de pequeño radio, fricción entre piezas, corrosión, etc. Por lo tanto se hace importante el concepto de la fatiga en los materiales, ya que aunque el funcionamiento de una maquina puede ser continuo siempre se presentan intermitencias en su accionar o en las cargas a las que esté sometido. En general las maquinas no siempre trabajan en un ambiente ideal por lo que debe tenerse en cuenta la atmosfera en la cual se está trabajando ya que esta puede influir en la vida útil de las piezas. El contacto con vapores, gases de escapes de motores, agua, entre otros, genera una acción corrosiva sobre los materiales induciendo a la formación de grietas que disminuyen la sección y generan concentradores de esfuerzos, dando como resultado una disminución en la vida de la pieza. Por tanto fatiga y corrosión son aspectos significativos al momento de diseñar, convirtiéndose estos en los objetivos de este proyecto de grado.. 9.

(10) 2. OBJETIVOS. 2.1. OBJETIVO GENERERAL.. Diseñar y construir una máquina que permita realizar ensayos de fatiga por flexión plana simple con o sin corrosión, con las siguientes características: -. Esfuerzos principales graduables. Pruebas simultáneas. Conteo de ciclos automático Deflexión como parámetro a controlar. 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.. -. Cálculos de diseño. Selección de materiales. Manufactura de piezas. Calibración y optimización del montaje. Realizar simulaciones en ANSYS. Realizar ensayos con y sin corrosión sobre probetas de material ferroso y no ferroso. Determinar las curvas de resistencia a la fatiga contra número de ciclos para cada material ensayado.. 10.

(11) 3. FATIGA.. Es relativamente sencillo diseñar en contra de la falla estática de los materiales porque existe un amplio conocimiento y estudio al respecto; sin embargo al realizar un diseño teniendo en cuenta la fatiga no existe un conocimiento exacto referente al tema. Cuando una pieza falla estáticamente presenta la ventaja que usualmente desarrolla deflexión y se puede remplazar oportunamente antes de que falle completamente; situación que no sucede cuando la pieza falla por fatiga ya que puede suceder de manera súbita. Según la American Society for Testing and Materials (Designación: ASTM E1823) “Terminología estándar relacionada a ensayos de fatiga y de fractura” la fatiga es el proceso de cambio estructural permanente, localizado y progresivo que ocurre en los materiales sujetos a condiciones que producen esfuerzos cíclicos en algún punto ó puntos que podría finalizar en una grieta o fractura completa después de un número de ciclos. Cuando una pieza falla por estar sometida a un esfuerzo cíclico generalmente menor al esfuerzo último e incluso algunas veces inferior al esfuerzo de cedencia, se dice que la pieza ha fallado por fatiga. En algunos casos la falla por fatiga deja marcas sobre la superficie de fractura que se conocen como marcas de playa, la cuales difieren en forma y distribución de acuerdo a las condiciones de fatiga que el material ha soportado como se muestra en la figura 1.. Figura 1. Falla de un tornillo debido a esfuerzo de flexión cíclico. A) Inicio de falla. B) Propagación de grieta. C) Falla catastrófica.. 11.

(12) La figura 2 muestra en forma esquemática las marcas de playa que se generan cuando el material es sometido a un esfuerzo de flexión reversible.. Figura 2. Superficies generadas por la acción de esfuerzos cíclicos. [2]. Existen métodos que intentan dar un camino para predecir la vida de los materiales en número de ciclos a la falla. Estos métodos consisten en ensayar materiales y mostrar de forma cuantitativa en gráficas la vida que cada material alcanza bajo determinadas condiciones de carga. En estas gráficas se clasifica como fatiga de bajo ciclo cuando la vida alcanzada por el material va de 1 a 103 ciclos y cuando la vida es mayor a 103 ciclos se clasifica como fatiga de alto ciclo.. 3.1. Métodos Fatiga-Ciclos. 3.1.1. Método Esfuerzo-Ciclos.. El método de Esfuerzo-ciclos está basado únicamente en los niveles de esfuerzo; a pesar de ser el método de aproximación menos exacto, sobre todo para fatiga de bajo ciclo, es el método más tradicional y utilizado ya que es el más sencillo de implementar para un amplio rango de aplicaciones de diseño, hay mucha información al respecto y representa adecuadamente la fatiga de alto ciclo.. 12.

(13) Para determinar la resistencia de los materiales a la acción de cargas de fatiga, se someten las probetas, cuya configuración depende del tipo de ensayo, a cargas repetitivas o variables, mientras los ciclos son contados hasta la fractura de la probeta. El dispositivo más usado para este tipo de ensayos es la máquina rotativa de alta velocidad de R. R. Moore (figura 3) la cual somete la probeta que esta rotando (figura 4) a esfuerzo de flexión puro. Para establecer el esfuerzo de fatiga es necesario hacer varios ensayos debido a la naturaleza estadística de la fatiga. Se comienza aplicando una carga que genere un esfuerzo alrededor del esfuerzo último y se registra el número de ciclos al cual falla; luego se realiza el mismo ensayo pero aplicando una carga que genere un esfuerzo menor al anterior y se vuelve a registrar el numero de ciclos al cual falla, así sucesivamente hasta que se pueda generar la curva Resistencia a la fatigaCiclos en una escala logarítmica.. Figura 3. Máquina rotativa de R.R. Moore.. Figura 4. Geometría de probeta para la máquina rotativa de R.R. Moore. [2]. Varias expresiones han sido propuestas para describir la curva Resistencia a la fatigaCiclos como la relación sugerida por Baquin en 1910[7]: Ec. (01) O bien: Ec. (02) En donde:. 13.

(14) : Esfuerzo aplicado. N: Vida en ciclos. : Coeficiente proporcional al esfuerzo último. : Coeficiente inversamente proporcional al esfuerzo. b: Índice de la curva de fatiga.. La relación de Basquin es usualmente escrita de la siguiente forma: Ec. (03) En donde. es el coeficiente de esfuerzo de fatiga. El rango de variación de b para los. metales está entre 3 y 25; los valores más comunes están entre 3 y 10 siendo el valor de 9 el más representativo para la mayoría de los metales. Esta expresión es generalmente usada para valores de N mayores a 104 ciclos. Debido a los buenos resultados que presenta en la aplicación de ingeniería para predecir la vida en materiales que soportan esfuerzos cíclicos, es la relación más utilizada en diseño. El método de esfuerzos-ciclos representa la fatiga en los materiales, por medio de gráficas que muestran el número de ciclos alcanzan los materiales al ser sometidos a determinadas cargas cíclicas. Para el caso de los aceros la gráfica debería mostrar una zona en la cual sin importar el número de ciclos no ocurre la falla, esto debe ocurrir aproximadamente entre 106 y 107 ciclos. Este es el punto conocido como límite de endurecimiento o límite de fatiga y es en el cual inicia la vida infinita como se muestra en la figura 5. Este punto no está claramente definido en materiales no ferrosos y sus aleaciones debido a su estructura, como se observa en la figura 6. Los resultados de este procedimiento deben ser tomados como una guía y una aproximación en cuanto al diseño a fatiga.. 14.

(15) Figura 5. Diagrama Esfuerzo‐Ciclo resultado de un ensayo de fatiga axial reversible para acero normalizado UNS G41300[2].. Figura 6. Diagrama Esfuerzo‐Ciclo de algunas aleaciones de aluminio. [2]. 3.1.2. Método Deformación-Ciclos.. El método de Deformación-ciclos incluye de manera más detallada el análisis de la deformación plástica en regiones en donde los esfuerzos y las deformaciones son considerados para estimar la vida del material. Este tiene una muy buena aproximación para fatiga de bajo ciclo pero se tienen que hacer varias aproximaciones por lo que puede existir cierta incertidumbre en sus resultados. La falla por fatiga comienza casi siempre en alguna discontinuidad localizada como una muesca, una grieta, o en algún área que contenga un concentrador de tensión; cuando una carga aplicada genera un esfuerzo que supera el límite elástico en esta zona, da paso a la deformación plástica. En 1910 Bairstow verificó mediante experimentos la teoría de Bauschinger [2] la cual dicta que los límites elásticos de los hierros y aceros pueden aumentar o disminuir por la variación cíclica de los esfuerzos como se muestra 15.

(16) esquemáticamente en la figura 7. En general los límites elásticos de los aceros templados tienden a aumentar mientras los aceros de trabajo en frio tienden a disminuir cuando se someten a esfuerzos reversibles cíclicos.. Figura 7. Cambio en el límite elástico debido a esfuerzos reversibles cíclicos. [2]. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el método deformación-ciclos no es apropiado para esfuerzos de flexión reversibles debido a la complejidad de la medición de las deformaciones plásticas, por esto es utilizado básicamente en probetas sometidas a esfuerzos axiales. La figura 8 muestra una gráfica típica de deformaciónciclos.. Figura 8. Diagrama Deformación‐Ciclos para acero SAE 1020 laminado en caliente. [2]. En 1975 el comité de diseño de fatiga de la Society of Automotive Engineers (SAE) publicó un reporte en el cual concluye que la vida es proporcional a la amplitud de la , dando como resultado la relación Manson-Coffin[2]: deformación. 16.

(17) Ec. (04) En donde: : Deformación real correspondiente a la fractura en el primer ciclo (punto A en la figura 6). : Esfuerzo real correspondiente a la fractura en el primer ciclo (punto A en la figura 6). c: Pendiente de la línea de la deformación plástica. b: Pendiente de la línea de la deformación elástica.. La ecuación (4) es adecuada cuando se quiere predecir la vida a fatiga de un material si la deformación es conocida, sin embargo no es útil cuando la pieza contiene alguna muesca o algún tipo de discontinuidad ya que en estas zonas la deformación es muy difícil de determinar. 3.1.3. Método Mecánica de Fractura Elástico-Linear.. Este método está íntimamente ligado con el crecimiento de grieta, el cual se lleva a cabo en tres etapas como muestra la figura 9.. Figura 9. Representación crecimiento de grieta. [2]. Etapa I: En esta se generan una o más microgrietas debido a la deformación plástica cíclica, luego se propagan cristalográficamente extendiéndose por los granos vecinos. Etapa II: Ahora las microgrietas se convierten en macrogrietas formando superficies parecidas a mesetas que están dispuestas en forma paralela. Estas mesetas son lisas y generalmente en la dirección normal a la tensión (figura 10).. 17.

(18) Etapa III: Ocurre cuando el material no puede soportar las cargas resultando en la fractura súbita.. Figura 10. Formación de macrogrietas. [11]. Se debe aclarar que al ocurrir la fractura en la etapa final, la fatiga no está envuelta en este fenómeno, si no la amplitud del esfuerzo. Lo que sucede en este momento es que la grieta alcanza un tamaño suficientemente grande tal que su intensidad de esfuerzo resulta ser mayor que que es la intensidad de esfuerzo crítica, cuando esto sucede se dice que hay una falla catastrófica. Ec. (05) En donde: : Factor de modificación de intensidad de esfuerzo (adimensional). : Tamaño de grieta (m). : Esfuerzo (Pa).. Al realizar ensayos hasta la ruptura, se está asumiendo una longitud de grieta inicial y variando. , generándose distintos. , con lo que se puede graficar la longitud de. grieta contra el número de ciclos, como se muestra en la figura 11.. 18.

(19) Figura 11. Crecimiento de grieta en función de la vida. [2]. De los tres métodos mencionados anteriormente para representar la fatiga de los materiales se utilizará el método de Esfuerzo-Ciclos, debido a los datos que son proporcionados por la máquina construida y también porque es el método más utilizado en ingeniería.. 19.

(20) 4. CORROSIÓN.. En general la corrosión se puede definir como un proceso en el cual un material se deteriora y sus propiedades se ven afectadas debido a las reacciones químicas o ataques electroquímicos que su entorno genera en la superficie; la velocidad de estas reacciones depende de la temperatura y de la concentración de los reactivos y los productos.. Figura 12. Tornillos afectados por corrosión.. En un medio acuoso la corrosión es de naturaleza electroquímica, que ocurre de manera espontánea con la presencia de un electrolito y el flujo de electrones del ánodo (zona que sufre corrosión) hacia un cátodo (figura 13). El flujo de corriente da paso a procesos electroquímicos en los cuales se generan reacciones que dependen del metal y de la solución, en donde hay un intercambio de electrones que hacen que parte del material se disuelva y que iones de la solución se depositen en el metal.. 20.

(21) Figura 13. Esquema Ánodo‐Cátodo‐Electrolito. [12]. La corrosión en los metales y aleaciones es un tema de vital importancia debido a la dependencia que se ha dado durante las últimas décadas hacia estos materiales, es tan grande el problema que puede llegar a destruir hasta un 25% de la producción anual de acero en nuestro país y no solo esto, se deben sumar problemas como paralización en las plantas, perdidas de productos, perdida en la eficiencia de la maquinaria y contaminación de productos entre otros [4]. La corrosión se clasifica convenientemente dependiendo de la apariencia del metal corroído, por esto se muestra a continuación los distintos tipos de corrosión que se pueden dar en los materiales. 4.1. Tipos de Corrosión. 4.1.1. Corrosión Uniforme.. Figura 14. Corrosión Uniforme. [13]. Esta se caracteriza por presentar una reacción química o electroquímica que actúa uniformemente sobre toda la superficie del metal expuesto, lo que causa una perdida general del metal. Es el tipo de corrosión más común y usualmente se da por la corrosión atmosférica. La corrosión atmosférica debido al contacto con el aire es probablemente el ejemplo más representativo de corrosión uniforme. 21.

(22) 4.1.2. Corrosión Galvánica.. Figura 15. Corrosión galvánica. [13]. Sucede cuando dos metales diferentes se encuentran en contacto en presencia de un electrolito. Debido a que los potenciales electroquímicos son diferentes, esto hace que uno de ellos actúe como cátodo y el otro como ánodo, lo que conlleva a la corrosión del metal que hace las veces de ánodo. Un ejemplo claro de corrosión galvánica se da en las tuberías subterráneas cercanas a torres de alta tensión ya que se presenta una interacción con el grafito solidificado al mismo tiempo que el terreno de alguna forma actúa como solución conductiva. 4.1.3 Corrosión por Picadura.. Figura 16. Corrosión por picadura. [13]. Es un tipo de corrosión altamente localizada cuyo proceso es autocatalítico. Se crean pequeños agujeros en el metal que van creciendo poco a poco; estos agujeros o picaduras ocurren como un proceso de disolución local anódica donde la pérdida de metal aumenta por la presencia de un ánodo pequeño y un cátodo grande. Este tipo de corrosión se puede dar fácilmente en aleaciones de de aceros inoxidables que se encuentran en atmosferas acidas. 4.1.4. Corrosión por Agrietamiento.. Figura 17. Corrosión por agrietamiento. [13]. Es una forma de corrosión electroquímica localizada que se caracteriza por un ataque intenso en grietas o fisuras. Este proceso está asociado al estancamiento de pequeños volúmenes de solución que actúa como agente corrosivo en perforaciones, 22.

(23) empaquetaduras, defectos superficiales, grietas, entre otros. Se presentan con mucha frecuencia en juntas, remaches, pernos y tornillos. 4.1.5. Corrosión Intergranular.. Figura 18. Corrosión intergranular. [13]. La corrosión intergranular hace referencia a un deterioro por corrosión localizada y/o adyacente a los límites de grano de una aleación o un metal. Bajo ciertas condiciones cuando una aleación se corroe uniformemente las regiones en los límites de grano pueden llegar a ser más reactivas, lo que resulta en este tipo de corrosión, lo que puede ocasionar pérdida de la resistencia de la aleación e incluso la desintegración de los límites de grano. Es un tipo de corrosión común en algunos aceros inoxidables y aleaciones de níquel. 4.1.6. Corrosión Bajo Tensión.. Figura 19. Corrosión bajo tensión [13].. La corrosión bajo tensión tiene lugar cuando se da la acción conjunta de la corrosión junto con una tensión mecánica aplicada. El ataque que recibe el material puede ser pequeño, pero es alguna tensión residual o externa, tensión térmica, trabajo en frio, soldadura entre otros, la que genera la corrosión, que avanza en forma aleatoria simulando ramificaciones; seguidamente puede pasar a ser una corrosión de tipo intergranular. Las tuberías son ejemplos claros de corrosión bajo tensión debido a los esfuerzos tangenciales, longitudinales y radiales a las que están sometidas. 4.1.7. Corrosión por Erosión.. 23.

(24) Figura 20. Corrosión por erosión. [13]. La corrosión por erosión es causada o acelerada por el movimiento relativo de un fluido corrosivo y una superficie metálica. Cuando este movimiento relativo es rápido los efectos del desgaste mecánico y abrasión pueden llegar a ser severos. Se caracteriza por surcos, valles, hoyos o agujeros redondeados sobre la superficie del material en dirección de avance del fluido corrosivo. Tiene lugar en bombas, mezcladores y particularmente en curvas y codos de tuberías. 4.1.7.1. Deterioro por Cavitación.. Figura 21. Corrosión por cavitación.. El deterioro por cavitación es un tipo de corrosión por erosión se da cuando se forman burbujas de aire o vapor de algún líquido presente en la superficie que luego colapsan. Esto sucede cuando el líquido fluye a gran velocidad y hay un cambio súbito en la presión. Ocurre frecuentemente en las caras posteriores de las hélices de los barcos. 4.1.8. Corrosión por Fricción.. Figura 22. Corrosión por fricción. [5]. La corrosión por fricción tiene lugar entre materiales bajo carga que sienten movimientos relativamente pequeños tales como vibración, lo que hace aparecer picaduras o surcos en la superficie. Estas marcas quedan ocultas por los productos de corrosión tales como fragmentos de metal oxidado y capas de oxido que se encuentran disgregadas por la acción del desgaste; por esta razón no es fácil de identificar debido a que solo se hace visible cuando estos productos son removidos. Puede darse en juntas y acoples. 24.

(25) 4.1.9. Lixiviación Selectiva.. Figura 23. Lixiviación selectiva.. Sucede cuando un elemento específico de la aleación es eliminado debido a una interacción electroquímica con el medio. El ejemplo más común es la deszincación que tiene lugar en los latones, cuando se elimina el zinc que esta aleado con el cobre.. 25.

(26) 5. FATIGA CON CORROSIÓN.. La acción combinada de la corrosión y los esfuerzos cíclicos genera falla en el material con mayor rapidez que aquella que puede ocurrir por la acción separada de estos dos fenómenos. Este mecanismo de falla ocurre de manera más frecuente y marcada en aquellos materiales que tienen un bajo nivel de resistencia a la corrosión. La figura 24 muestra la falla de un eje de camión debido a la fatiga con corrosión.. Figura 24. a) Efectos de la fatiga con corrosión sobre un eje. b) Vista directa del área de falla. [2]. La corrosión por fatiga se da en las mismas condiciones que la corrosión bajo tensión, solo que esta tensión se presenta de forma cíclica y el ataque es transgranular, lo que significa que la fractura sigue los bordes de las celdas y no los bordes de grano. La fatiga con corrosión genera una grieta recta como se muestra en la figura 25.. Figura 25. Corrosión por fatiga.. Comparando con la acción combinada de la corrosión y esfuerzos estáticos se puede decir que difieren en la manera en que actúan sobre el material. Cuando el material se somete a cargas estáticas, la corrosión genera grietas en el material que terminan por propagarse lo que conlleva a la falla del material; efecto que no sucede cuando la carga es cíclica ya que en este primero se pueden destruir capas protectoras de zinc o cromo por ejemplo, dando paso a la corrosión.. 26.

(27) Estrictamente hablando los ensayos de fatiga deberían realizarse al vacio ya que el medio ambiente, más específicamente al aire, también produce un efecto de corrosión sobre los materiales. Muchos materiales presentan una resistencia a la fatiga mayor, cuando son ensayados al vacio como el acero inoxidable (2% mayor), duraliminio (6% mayor), latón (25% mayor), entre otros [6]. Cuando se realizan ensayos en ambientes significativamente corrosivos se puede considerar el aire como un punto estándar para comparación. Hay muchas variables importantes que afectan un ensayo de fatiga con corrosión, como la temperatura, humedad, concentración de impurezas en el aire, composición química, grado de ventilación, velocidad del flujo y efectos galvánicos. Estas variables no afectan de manera significativa el número total de ciclos cuando se hace un ensayo en un ambiente normal como al aire, pero si tiene efecto cuando el ensayo se hace en ambientes corrosivos, llevando incluso a la falla a bajos niveles de esfuerzo.. 27.

(28) 6. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA PARA ENSAYOS DE FATIGA Y FATIGA CON CORROSIÓN.. Figure 26. Esquema de la máquina para ensayos de fatiga y fatiga con corrosión.. La máquina para ensayos de fatiga y fatiga con corrosión está acondicionada para realizar diez ensayos simultáneos de fatiga por flexión plana simple a probetas planas de diferentes materiales, hasta 2 milímetros de espesor, con la ventaja de aplicar diferentes esfuerzos a cada probeta. Cuenta con un recipiente que puede contener agentes corrosivos líquidos como agua o salmuera, útil para las pruebas de fatiga con corrosión. Dispone además de un sistema de conteo de ciclos para registrar el instante en el cual van fallando las probetas. 6.1. Componentes de la Máquina. La máquina está compuesta por seis partes: transmisión de potencia, eje, bielas, conteo de ciclos, contenedor y estructura general; que son especificados de manera individual a continuación. 6.1.1. Sistema de Transmisión de Potencia.. Las pruebas se realizan con una frecuencia de 10 Hz, indicando una velocidad en el eje principal de 600 RPM ya que por cada revolución se está generando un ciclo. La transmisión de potencia es calculada para generar una carga, la cual debe aplicarse a las probetas de acero de 2 mm de espesor. 28.

(29) Para determinar la carga que está siendo aplicada sobre las probetas se determina una relación derivada de la ecuación diferencial de la curva de deflexión. Ec. (06) Ec. (07) Ec. (08) En donde: z: Deflexión (excentricidad de la biela). : Espesor de la probeta. : Longitud del área de esfuerzo uniforme. : Base del área de esfuerzo uniforme E: Módulo de elasticidad del material. M: Momento generado por la carga. F: Carga aplicada.. Las condiciones de frontera, en el instante en el cual no se genera deflexión, z=0, son: Ec. (09) Ec. (10) Ec. (11) De donde se obtiene finalmente la relación entre la fuerza aplicada y la deflexión generada: Ec. (12) El torque que genera esta fuerza sobre el eje principal se halla con la relación: Ec (13) En donde: T: Torque. 29.

(30) r: brazo F: Fuerza. Para determinar la potencia del motor se sumaron los torques que se requieren para cada probeta y se aplico la siguiente relación: Ec (14) En donde: P: Potencia T: Torque : Velocidad angular. Al saber la potencia que se necesita para cada biela se puede saber cuál es la potencia que debe suplir el motor. La potencia que se requiere del motor es mostrada a continuación en la tabla 1. Biela Excentricidad (m) Fuerza (N) Torque (Nm) Potencia (W) Potencia (HP) 1 0,0026 54,50 0,27 17,12 0,02 2 0,0033 69,17 0,35 21,73 0,03 3 0,0042 88,04 0,44 27,66 0,04 4 0,0045 94,32 0,47 29,63 0,04 5 0,0055 115,29 0,58 36,22 0,05 6 0,0061 127,86 0,64 40,17 0,05 7 0,007 146,73 0,73 46,10 0,06 8 0,0076 159,30 0,80 50,05 0,07 9 0,009 188,65 0,94 59,27 0,08 10 0,0095 199,13 1,00 62,56 0,08 Total 1242,98 6,21 390,49 0,52 Tabla 1: Cálculos de potencia.. Según los resultados obtenidos se requieren 0,52 HP para poder aplicar la fuerza a todas las bielas, por esta razón se adquiere un motor trifásico de 0.6 HP con una velocidad angular de 1680 RPM serie N196354. Debido a la diferencia existente entre la velocidad del motor y la velocidad a la cual gira el eje principal, se diseña un sistema de reducción de velocidad para bajar de 1680 RPM a 600 RPM, por tanto se requiere una relación de 2.8:1. Debido a las restricciones de espacio en la máquina la polea que va ensamblada al eje del motor no puede ser mayor a 150 mm de diámetro exterior ya que el eje del motor estaría a una altura de 90 30.

(31) mm sobre el nivel del suelo y chocaría con la polea. Se adquiere entonces para el eje del motor la polea 1 en aleación de aluminio de 2 pulgadas (50.8 mm) de diámetro para cumplir con la restricción de espacio y para que la polea 2 no tenga un diámetro mayor ya que sería de 2.8 veces el tamaño de la polea pequeña. Para el eje principal se adquiere la polea 2 en aleación de aluminio de 5.6 pulgadas (142.24 mm) de diámetro. La figura 27 muestra el sistema de transmisión de potencia instalado.. Figura 27. Sistema de transmisión de potencia, relación 2.8:1.. Los soportes del motor (figura 28) fueron aprovisionados con un sistema de seguidor para facilitar la tensión en la correa. El sistema consiste de ranuras de tipo corredera por la cual cruzan tornillos de 7/32 UNC 2A con una longitud de una pulgada que sostienen el motor a la base; de esta manera cuando se requiera ajustar la correa se puede aflojar los tornillos y mover el motor hasta que la correa quede a la tensión deseada.. Figura 28. Soporte del motor.. El motor de 6 kg de peso (según el catálogo de Siemens) se sostiene sobre dos soportes, por lo tanto sobre cada soporte se aplica una carga igual a la mitad del peso 31.

(32) del motor, lo que representaría una carga de 29.43 N en cada soporte. Los soportes fueron construidos en el mismo material que la estructura (ángulo de acero A36 HR) y su diagrama de cuerpo libre se representa a continuación en la figura 29.. Figura 29. Diagrama de cuerpo libre del soporte del motor.. El momento y el esfuerzo de flexión que genera la carga del motor se hallan con las siguientes relaciones. Ec (15) Ec (16) En donde: : Esfuerzo M: Momento c: Distancia a la fibra externa I: Momento de inercia F: Fuerza aplicada d: Distancia. De acuerdo con la ecuación 15 y 16 se tiene:. Como se observa, el máximo esfuerzo que se genera en el soporte es de 110.02 kPa, magnitud inferior al límite elástico del material de 430 MPa, por lo que se espera no falle en servicio. 32.

(33) 6.1.2. Eje Principal.. El eje principal se fabricó en acero 1045 CR. normalizado. Tiene una longitud de 1210 mm y el diámetro según diseño es de de 10 mm. Se escogió un diámetro pequeño para que el tamaño de las bielas no fuera a ser tan grande y generar así un diseño compacto. El eje se evaluó para verificar su perfecto funcionamiento. La figura 30 muestra el diagrama de cuerpo libre del eje principal en donde se representan las cargas que se aplican sobre las diez bielas (F1 a F10), la polea (Fp) y las reacciones sobre los cuatro apoyos (R1 a R4).. Figura 30. Diagrama de cuerpo libre del eje.. Las magnitudes de las cargas se muestran a continuación en la tabla 2.. Carga (N). R1. R2. 11,31. 25,9. R3. R4. F1. F2. F3. F4. F5. F6. F7. F8. F9. F10. Fp. 40,85 134,84 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 6,9 Tabla 2. Magnitudes de las cargas aplicadas al eje principal.. 7,3. 7,3. 143,1. Según los diagramas de cortante y momento (figura 31) el máximo esfuerzo es soportado en el extremo donde se ubica la polea, siendo allí donde se encuentra el máximo momento generado por las cargas de 4.72 Nm.. Figura 31. Diagramas de cortante y momento del eje.. 33.

(34) De acuerdo con la ecuación 16, el esfuerzo de flexión que soporte el eje principal es:. Con estos resultados se puede concluir que el esfuerzo máximo al que está sometido el eje principal es de 48.7 MPa, el cual no es suficiente para generar una falla por sobrecarga, ya que el limite elástico del material es de 530 MPa. El resultado se verificó simulando las cargas en Ansys (figura 32); se realizaron las simulaciones en estado estable en la cual se restringió el desplazamiento a cero en los cuatro apoyos y se aplicaron las fuerzas de las bielas y la polea. El resultado arrojado por la simulación mostró un esfuerzo máximo sobre el eje de 35.6 MPa, ubicado en el extremo del eje en donde se encuentra la polea.. Figura 32. Simulación del eje principal. a) Eje Completo, b) Localización del máximo esfuerzo.. 6.1.3. Elementos de la Biela.. El eje principal sostiene 10 bielas que presentan la configuración mostrada en la figura 33.. 34.

(35) Figura 33. Vista esquemática de la biela.. 6.1.3.1. Ejes Excéntricos.. El eje principal encaja con ejes excéntricos con un ajuste H7h6 (Claro de localización) de acuerdo con la tabla de ajustes preferidos de la Organización Internacional para la Normalización ISO, base para agujeros [14], muestra que para un tamaño básico entre mm y para el 6 mm y 10 mm, las dimensiones del ajuste para el eje son de agujero es. mm. Se utilizó un tornillo prisionero de ¼ in (6.35 mm) por cada eje. excéntrico los cuales fueron instalados para asegurar los ejes excéntricos al eje principal. Los ejes excéntricos (figura 34) están elaborados de acero 1020, cada uno tiene diferentes excentricidades las cuales son mostradas en la tabla 3. La diferencia en las excentricidades se debe a que se quiere generar diferentes deflexiones sobre las probetas para de esta manera generar distintos esfuerzos.. Figura 34. Eje excéntrico.. 35.

(36) Biela. Excentricidad (mm). 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 2,6. 3,3. 4,2. 4,5. 5,5. 6,1. 7. 7,6. 9. 9,5. Tabla 3. Excentricidades de las bielas.. El diagrama de cuerpo libre del eje excéntrico es mostrado a continuación en la figura 35 En donde F representa la fuerza que aplica la biela y R la reacción que se produce en el eje principal.. Figura 35. Diagrama de cuerpo libre del eje excéntrico.. La tabla 1 muestra que la biela número 10 genera la mayor fuerza con una magnitud de 199.13 N. Teniendo en cuenta que el radio del eje excéntrico es de 17.5 mm, la ecuación 13 muestra que el torque que se genera es:. Para calcular el esfuerzo de torsión que se genera sobre el eje excéntrico se utiliza la siguiente relación: Ec (17) En donde: : Esfuerzo de torsión T: Torque r: Radio J: Momento polar de inercia. Por tanto: 36.

(37) El eje excéntrico soporta un esfuerzo de torsión de 413.37 kPa, magnitud que es muy inferior al límite elástico del material, el cual es de 430 MPa, por esto, las cargas a las que se someten los ejes excéntricos no son lo suficientemente altas para ocasionar la falla de los ejes excéntricos. 6.1.3.2. Rodamientos.. Los ejes excéntricos conectan las bielas mediante rodamientos rígidos de una hilera de bolas SKF como se muestra en la figura 36.. Figura 36. Rodamiento que conecta la biela con el eje excéntrico.. La selección de los rodamientos se realizó de acuerdo a las tolerancias de desalineación que estos ofrecen y a la carga estática soportada. La figura 37 muestra las deflexiones angulares que son generadas en el eje principal.. Figura 37. Deflexión angular del eje.. 37.

(38) Los rodamientos SKF ofrecen una tolerancia de desalineación de 0.0043 rad, magnitud superior a 0.0039 rad que es la máxima deflexión angular que sufre el eje en las posiciones de los rodamientos. Las 8 primeras bielas contienen ejes excéntricos de 30 mm de diámetro, con esta dimensión se consultaron los rodamientos disponibles en los catálogos de la SKF mostrados en la figura 38.. Figura 38. Rodamientos SKF de la serie 6006, tomado de www.skf.com.. Como se puede ver los rodamientos de la serie 6006 soportan una carga estática Co de 8.3 kN, superior a cualquiera de las cargas que soportan las 8 primeras bielas como se observa en la tabla 1, en donde la mayor carga es de 159.3 N. Por esta razón es seleccionado el rodamiento 6006-2Z que tiene sello metálico para dar mayor protección al rodamiento. Las últimas dos bielas contienen ejes excéntricos de 35 mm de diámetro, con esta nueva dimensión se consultaron nuevamente los rodamientos disponibles en los catálogos de la SKF mostrados en la figura 39.. Figura 39. Rodamientos SKF de la serie 6007, tomado de www.skf.com.. Como se puede ver los rodamientos de la serie 6007 soportan una carga estática Co de 10.2 kN, superior a cualquiera de las dos cargas que soportan las bielas nueve y diez, como se observa en la tabla 1, en donde la mayor carga es de 199.13 N. Por esta 38.

(39) razón es seleccionado el rodamiento 6007-2Z que tiene sello metálico para dar mayor protección al rodamiento. 6.1.3.3. Biela.. Tanto las bielas como las piezas T y las camillas soporte mostradas más adelante, fueron inicialmente diseñadas para fabricarse en acero inoxidable ya que tendrán un contacto directo con el agente corrosivo (agua o salmuera) al momento de realizar pruebas de fatiga con corrosión; pero por motivos de presupuesto se decidió construirlas en materiales de menor costo y luego someterlas a un proceso de cromado para proporcionar una capa protectora. Este proceso se inicia realizando un decapado (eliminar capa de zinc superficial) y seguidamente se pule hasta lograr un brillo tipo espejo para luego aplicar en su respectivo orden capas de una centésima de milímetro de cobre, níquel y cromo. Las bielas están hechas en acero 1020 HR las cuales presentan la configuración mostrada en la figura 40.. Figura 40. Biela antes y después del proceso de cromado.. El diagrama de cuerpo libre de la biela es mostrado a continuación en la figura 41, en donde F representa la fuerza que se aplica en la biela y R la reacción que se genera sobre el eje excéntrico.. 39.

(40) Figura 41. Diagrama de cuerpo libre de la biela.. Para hallar el esfuerzo axial que soportan las bielas se utiliza la siguiente relación. Ec (18) En donde: : Esfuerzo axial F: Carga aplicada A: Área transversal. La tabla 1 muestra que la carga máxima que soportan las bielas es de 199.13 N la cual se aplica sobre un área transversal de 1.92 x 10-4 m2, por lo tanto:. El máximo esfuerzo axial generado es de 1.03 MPa el cual es menor al límite elástico del material (430 MPa), por lo que se espera que no falle en servicio. 6.1.3.4. Pieza “T”. Las bielas conectan a las probetas a través de las piezas “T” fabricadas en acero 1020 (figura 42) mediante el tornillo 1, cuya especificación es 5/32 UNF 2A de cabeza 40.

(41) hexagonal de una pulgada de longitud con paso de 36 hilos por pulgada. Cada pieza “T” cuenta con su respectiva camilla para prensar la probeta con dos tornillos de especificación 3/16 UNC 2A de cabeza redonda de una pulgada longitud con paso de 24 hilos por pulgada, mostrados en la figura 42 como tornillo 2. Debido a la vibración que se genera cuando se están realizando las pruebas, los tornillos son adaptados con arandelas de seguridad para evitar que las tuercas se aflojen.. Figura 42. Pieza “T”.. La figura 43 muestra el diagrama de cuerpo libre de la pieza T en donde F representa la fuerza que se está aplicando a las probetas y R representa la reacción que se genera en la biela.. Figura 43. Diagrama de cuerpo libre de la pieza T.. 41.

(42) La tabla 1 muestra que la carga máxima que soportan las piezas “T” es de 199.13 N, la cual se aplica sobre un área transversal de 4.8 x 10-5 m2; entonces según la ecuación 18:. El máximo esfuerzo axial generado sobre las pieza “T” es de 4.14 MPa. Hay que tener en cuenta que esta pieza contiene un cambio de sección el cual genera un concentrador de esfuerzos sobre la pieza. Para calcular el concentrador de esfuerzo que aplica en este caso se utiliza la figura 44 la cual muestra los factores de concentrares de esfuerzo dependiendo de la configuración de la pieza. Sin embargo, la configuración de la pieza “T” arroja relaciones r/d=1 y D/d=8, las cuales no están contenidas en la grafica; por esta razón para esta pieza se consideró que el esfuerzo que se está generando es muy inferior al límite elástico del material, presentando un factor de seguridad de 430/4.14=103.8; por esta razón se puede decir que las piezas “T” soportan la cargas sin peligro de falla.. Figura 44. Factor de concentrador de esfuerzo a tensión. [2]. 6.1.3.5. Camilla Soporte.. El otro extremo de las probetas se encuentra prensado con camillas soporte fabricadas en acero 1020 (figura 45) mediante dos tornillos de 5/16 UNC 2A de una pulgada y media de longitud de cabeza hexagonal con un paso de 18 hilos por pulgada.. 42.

(43) Figure 45. Camilla soporte.. La figura 46 muestra el diagrama de cuerpo libre para la camilla soporte en donde M representa el momento generado por el empotramiento de la probeta, F representa la fuerza aplicada por la probeta y R la respectiva reacción.. Figura 46. Diagrama de cuerpo libre de la camilla soporte.. El esfuerzo cortante que se genera sobre la camilla soporte se puede calcular de acuerdo a la siguiente relación: Ec (19) En donde: : Esfuerzo cortante V: Carga cortante. A: Área. Según la tabla 1 la máxima carga aplicada es de 119.13 N la cual se aplica en este caso a un área de 6.45 x 10-4 m2 es:. 43.

(44) La carga de 119.13 N genera un momento de 13.51 Nm, debido al empotramiento de la probeta de 113.4 mm de longitud; según la ecuación 16 se está generando un esfuerzo de flexión de:. Como se observa, el esfuerzo de flexión está un orden de magnitud por encima del esfuerzo cortante, por esta razón se concluye que los esfuerzos principales no varían mucho el esfuerzo de flexión de 4.94 MPa. La magnitud del esfuerzo de flexión no supera el límite elástico del material (430 MPa), por lo que se espera que la pieza no falle por sobrecarga. 6.1.4. Sistema Conteo de Ciclos.. Para registrar los ciclos se adquiere un contador de vueltas de 5 dígitos (figura 47) de relación 1:1 con un límite de 300 conteos/segundo. El eje principal está girando a 600 RPM superando el límite de vueltas de dicho contador, además con 5 dígitos se puede llegar a contar sólo hasta 99.999, ciclos por lo que se hace necesario realizar una reducción de 10:1, para obtener un conteo de 999.999 ciclos y con esto la frecuencia sería de 1 conteo/segundo.. Figura 47. Contador de vueltas.. Para lograr una reducción de velocidad de 10:1 se diseñan dos etapas de 5:1 y 2:1 respectivamente. La figura 48 muestra el tipo de piñones utilizados, que tienen un soporte lateral extra o “manzana”, la cual resulta útil para ubicar tornillos prisioneros que ajusten correctamente los piñones al eje.. Figura 48. Tipo de piñones utilizados. [15]. 44.

(45) Debido a que el motor es eléctrico y la carga es de tipo uniforme se da un factor de compensación de 1 según la tabla de factores de compensación del catalogo de Intermec Ltda. (figura 49).. Figura 49. Tabla de factores de compensación de potencia. Tomada de catálogo “La transmisión de potencia por cadena de rodillos”, INTERMEC LTDA.. Al multiplicar el factor de compensación (1) por la potencia del motor (0.6 HP) se obtiene la potencia que tiene que soportar la cadena de la primera etapa. Consultando en las tablas de capacidad de cadena estándar sencilla de rodillos número 35, paso 3/8 de pulgada (figura 50), se puede ver que para una velocidad del piñón conductor de 600 RPM y para un piñón con 9 dientes se tiene una capacidad de la cadena de 0.7 HP la cual es mayor a la potencia a la que está trabajando. De esta manera la primera etapa queda con un primer piñón conductor de 9 dientes de referencia 8435 B9 y como la relación es 5:1 el piñón conducido es de 45 dientes de referencia 8435 B45.. 45.

(46) Figura 50. Tabla de capacidad de potencia. Cadena estándar sencilla de rodillos No. 35 Paso 3/8 de pulgada. Tomada de catálogo “La transmisión de potencia por cadena de rodillos”, INTERMEC LTDA.. Para la segunda etapa la velocidad ya está reducida a 120 RPM. En este punto la potencia ya esta disminuida debido al consumo del eje principal el cual según los cálculos de la tabla 1 es de 0.52 HP, con lo que restan 0.08 HP de la potencia inicialmente entregada por el motor. Al consultar la tabla de capacidad de cadena 46.

(47) estándar sencilla de rodillos número 35, paso 3/8 de pulgada, se puede ver que para la velocidad de 120 RPM un piñón de 9 dientes tendría una capacidad de 0.15 HP, que es superior a los 0.08 HP con los que se trabajan en esta etapa; de esta manera la segunda etapa queda con un primer piñón conductor de 9 dientes de referencia 8435 B9 y como la relación es 2:1 el piñón conducido es de 18 dientes de referencia 8435 B18. El sistema de reducción diseñado se ilustra en la figura 51.. Figura 51. Etapas de reducción.. De esta manera se logra una reducción total de 10:1 y por tanto cuando el contador de vueltas registre por ejemplo 83.008 indicará realmente que van 830.080 ciclos. 6.1.5. Contenedor del Agente Corrosivo.. El contenedor fue construido en acrílico (figura 52) ya que este material posee un alto grado de resistencia a ataques corrosivos y debido a su baja densidad (1190 kg/m3) es de bajo peso lo que resulta útil en el momento que se requiera retirar y realizar algún ajuste. Fue ensamblado con cloruro de metileno (CH2CL2) y reforzado en los vértices para evitar que la vibración propia de la máquina genere alguna fisura en el acrílico. Las paredes del contenedor son de 5 mm de espesor, a diferencia del piso que es de 15 mm para mayor resistencia y rigidez.. Figura 52. Contenedor de acrílico.. 47.

(48) La distribución de la presión sobre las paredes del contenedor se muestra en la figura 53.. Figura 53. Distribución de la presión en el contenedor.. La fuerza hidrostática que se aplica sobre las paredes del contenedor se da por la siguiente relación: Ec (19) En donde: L: Longitud del tanque : Densidad g: Gravedad h: Altura. Si se supone el tanque completamente lleno, la fuerza hidrostática que se aplica sobre la pared más larga del contenedor (90 cm) de 5 mm de espesor es:. Con esta fuerza se realiza en análisis estático de la pared del contenedor cuyo diagrama de cuerpo libre se presenta a continuación en la figura 54.. 48.

(49) Figura 54. Diagrama de cuerpo libre de la pared del contenedor.. Según las ecuaciones 15 y 16 se tiene:. El esfuerzo que soporta la pared de acrílico es de 89.36 MPa, magnitud inferior a la resistencia a la flexión ofrecida por el material que es 107.91 MPa[16], por lo que se espera que el contenedor soporte la carga hidrostática que aplica el agua. 6.1.6. Estructura General.. El cuerpo de la máquina (figura 55) está hecho en ángulos de acero A36 HR de 1 ½ x 1 ½ x 1/8 de pulgada, el cual fue seleccionado según los cálculos presentados a continuación.. Figura 55. Estructura general.. Según el diagrama de cuerpo libre del eje principal (figura 31) la mayor reacción sobre la estructura se da en el extremo de la polea con una magnitud de 134.84 N. Por lo tanto esta carga máxima que soporta la estructura es con la cual se hacen los respectivos cálculos. 49.

(50) La figura 56 muestra el diagrama de cuerpo libre del soporte de la estructura con mayor carga.. Figura 56. Diagrama de cuerpo libre del soporte de la estructura con mayor carga.. De acuerdo con la ecuación 15 y 16 se tiene:. El máximo esfuerzo de flexión generado en la estructura es de 1.58 MPa el cual es inferior al límite elástico del material (430 MPa) por lo que se espera que la estructura no falle por sobrecarga. Este resultado se verificó en Ansys (figura 57), simulación en estado estable en donde se restringió el desplazamiento en la base de la estructura a cero y se ubicaron las cargas generadas por las reacciones del eje. El resultado arrojó un esfuerzo máximo de 1.14 MPa.. Figura 57. Simulación de la estructura.. La estructura fue ensamblada con soldadura GMAW (Gas Metal Arc Welding) con los siguientes parámetros: Voltaje: 16.7 V. 50.

(51) Amperaje: 40 A. Gas: Agamix (75% argón, 25 % CO2). Calibre del alambre: 0.35 mm. Velocidad de salida del alambre: 8 pulgadas/minuto. Los filetes de la soldadura fueron hechos de forma transversal con una longitud de 38 mm y tienen una profundidad de 4 mm. Para hallar el esfuerzo que soporta la soldadura se utiliza la siguiente relación: Ec (20) En donde: : Esfuerzo F: Fuerza h: Profundidad de la soldadura l: Longitud de la soldadura. Suponiendo el caso en el que la soldadura tuviera que soportar una carga combinada de todas las bielas (1292.48 N) como se muestra en la tabla 1; el esfuerzo que soporta la soldadura es:. La soldadura está siendo sometida a un esfuerzo de 8.5 MPa, cuya magnitud es inferior a la resistencia teórica de la soldadura de 427 MPa[2] por lo que se espera que la estructura no falle por una sobrecarga en las soldaduras.. 51.

(52) 7. CÁLCULOS DEL ESFUERZO APLICADO SOBRE LA PROBETA.. La geometría de las probetas fueron tomadas del articulo publicado por el Imperial Collage de Londres: “Simple Plane Bending Fatigue and Corrosion Fatigue Testing Machine” cuya configuración se muestra en la figura 56. Primero hay que entender que debido a la geometría de las probetas, en la cual el área transversal va disminuyendo hacia un extremo, el esfuerzo se distribuye de manera uniforme en el área central de la probeta como se muestra a continuación en la figura 58.. Figura 58. Configuración de la probeta, dimensiones en mm.. Se realizó una simulación en Ansys para verificar que el esfuerzo es uniforme en el área central de la probeta. Simulando en estado estable se restringió el desplazamiento en la base de la probeta a cero y se desplazo el otro extremo de la probeta 9.1 mm en el eje z, dando como resultado máximo esfuerzo de 247.7 MPa el cual se distribuye de manera uniforme en el área central de la probeta como se muestra en la figura 59.. 52.

(53) Figura 59. Simulación para una deflexión de 9.1 mm (biela 10). Debido a la variación del área transversal de la probeta, la base va cambiando de acuerdo a la siguiente relación: Ec. (21) En donde: B: Base del área transversal Bo: Base inicial de la probeta Lo: Longitud de la probeta x: distancia a la base. Entonces el momento de inercia que presenta la probeta resulta en la siguiente relación: Ec. (22) En donde: I: Momento de inercia Bo: Base inicial de la probeta Lo: Longitud de la probeta. 53.

(54) H: Espesor de la probeta. El momento sobre la probeta también varía con la distancia, resultando en la siguiente relación: Ec. (23) Por ende, si se remplaza la ecuación 22 y 23 en la ecuación 16 de esfuerzo de flexión resulta: Ec. (24) Ahora al remplazar la ecuación 12 en la ecuación 24 se obtiene la siguiente relación: Ec. (25) En donde: : Esfuerzo máximo. : Deflexión (excentricidad de la biela). : Espesor de la probeta. : Longitud del área de esfuerzo uniforme. : Base del área de esfuerzo uniforme E: Módulo de elasticidad del material. M: Momento generado por la carga. F: Carga aplicada.. La ecuación 25 es la relación que existe entre el esfuerzo que soporta la probeta y la deflexión que está siendo generada, que para el caso, es la misma excentricidad de la biela. Con este valor se pueden calcular los esfuerzos para cada probeta y de esta forma determinar las gráficas de resistencia a la fatiga después de realizados los ensayos.. 54.

(55) 8. RESULTADOS Y DISCUCIONES.. Se realizó una primer ensayo con la máquina para ensayos de fatiga y fatiga con corrosión utilizando probetas de acero AISI/SAE 1006 de espesor de 0.7 mm. Este ensayo se dejo correr hasta lograr 1.295.000 ciclos, observándose que no falló ninguna de las probetas ensayadas. Por consiguiente se realizaron diferentes mediciones para verificar las fallas en el equipo. 8.1. Excentricidad.. Se tomaron mediciones de la excentricidad generada por los ejes excéntricos de cada una de las probetas con un comparador de caratula con resolución de 0.01 mm que se instaló en la parte superior de la biela como se muestra en la figura 60, para comprobar las deflexiones que estaban siendo generadas sobre las probetas.. Figura 60. Medición de la excentricidad.. Los resultados obtenidos se observan en la gráfica 1.. 55.

(56) Gráfica 1. Excentricidad inicial y real de cada biela.. Los resultados muestran que las excentricidades inicialmente planteadas no son las que se estaban generando en la máquina, llegando incluso en una de las bielas a una diferencia en la excentricidad de 1.1 mm con la excentricidad inicialmente planteada. Esto implica una diferencia entre los cálculos teóricos y los resultados reales, para este caso se envuelve en un error en el esfuerzo, ya que este es directamente proporcional a la excentricidad como lo muestra la ecuación 25. 8.2. Esfuerzo Aplicado Sobre las Probetas.. Los esfuerzos aplicados fueron determinados al medir las microdeformaciones ocasionadas por la flexión de la probeta. Este procedimiento se realizó instalando una probeta con calibrador de deformaciones ubicado en el área central de esta; a medida que se giraba el eje principal se registró el máximo dato entregado por la caja de microdeformaciones; luego se hizo lo mismo en la siguiente biela y así sucesivamente. Las figuras 61 y 62 muestran el procedimiento.. Figura 61. Calibrador de deformaciones instalado.. 56.

(57) Figure 62. Caja de microdeformaciones instalada.. Los resultados obtenidos se presentan en la grafica 2.. Gráfica 2. Diferencia entre los esfuerzos reales y los teóricos.. Se puede observar que los esfuerzos teóricos varían de los esfuerzos que genera la flexión de las probetas, esto es resultado de la diferencia entre la excentricidad inicial y la excentricidad real, discutido anteriormente. Cuando se compara con el esfuerzo leído por la caja de deformaciones, se observa una clara diferencia con el esfuerzo teórico, los cuales resultaron mucho mayores. Esto implica que no se está aplicando la carga necesaria para generar los esfuerzos en las probetas, dejando claro que el equipo tiene algún problema en alguna de sus piezas.. 57.

Referencias

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