Introducción: Síntomas de fallo y condiciones previas de investigación
En una de las empresas de maquinaria pesada de Ucrania, durante un control programado del sistema de transmisión del molino tecnológico, se detectó un nivel crítico de vibración y un aumento del nivel de ruido (tono de subarmonico en la frecuencia de engranaje). El análisis de la espectrograma de vibración mostró la aparición de bandas laterales (sidebands) alrededor de la frecuencia de engranaje, lo que indica una modulación de carga y la presencia de defectos locales en las superficies de trabajo de los dientes de la rueda dentada y del piñón. La parada del equipo y la inspección endoscópica revelaron un desarrollo de pitting (pitting) y macroespallo (spalling) en las superficies de trabajo de los dientes del reductor cilíndrico. Para prevenir la falla del nodo de transmisión, alimentado mediante el convertidor de frecuencia Telemecanique ATV66U72N4G, se realizó un estudio ingenieril detallado mediante el método de análisis de causas raíz (RCA).
Visión del componente y condiciones de explotación
La transmisión por engranajes funciona dentro de un motor pesado con potencia nominal de 160 kW a una velocidad de giro del eje rápido de 1480 rpm. La relación de transmisión es i = 5.4. El material de los engranajes es acero aleado 18ХГТ (18CrMnTi) con cementación y revenido hasta una dureza de 58-62 HRC. Las condiciones de explotación corresponden a un modo de trabajo pesado con cargas pico cíclicas que superan el nominal en un 160%. El reductor está integrado en el sistema de control del motor basado en el inversor Telemecanique ATV66U72N4G, que proporciona un arranque suave y regulación de velocidad.
Parámetros de funcionamiento del nodo:
- Temperatura de trabajo del aceite en el carter: 68-75 °C (a la temperatura máxima permitida 85 °C).
- Clase de pureza del aceite para ISO 4406: 18/16/13 (estado real antes de la avería correspondía a 20/18/15).
- Tipo de aceite: Aceite sintético para reductores ISO VG 220 basado en polialfaoléfinas (PAO) con paquete de aditivos antiadherentes (EP).
- Recursos de proyecto (MTBF): 50 000 horas. El tiempo real hasta fallo fue de 21 400 horas.
Pruebas de fallo y resultados de medición
Control visual y metrológico detectó los siguientes defectos:
- Pitting (corrosión): Se formaron microcavidades de hasta 0.4 mm de profundidad y una superficie de cubrimiento superior al 25% de la superficie de trabajo de los dientes, en las zonas cercanas a la línea de polo y en la zona de la raíz del diente de la rueda dentada conductora.
- Scoliosis (Spalling): Se ha detectado la extracción de fragmentos de capa superficial de metal con una profundidad hasta 1.5 mm y una superficie hasta 12 mm² en tres dientes del piñón conducido. Los bordes de los esquilmados presentan un carácter fatigante.
- Medición de manchas de contacto: Prueba de pintura mostró contacto periférico. La mancha ocupa solo el 45% de la longitud del diente en lugar del 85% requerido según los requisitos DSTU GOST 1643:2004.
- Diagnóstico vibracional: El valor cuadrático medio (RMS) de la velocidad de vibración en el rango de 10-1000 Hz alcanzó 7.8 mm/s (valor límite según ISO 10816-3 para fundaciones rígidas de clase II es de 4.5 mm/s).
Análisis sistemático de las causas raíz (Isikawa y 5 Por qué)
Para determinar la causa de la falla se construyó un diagrama de Ishikawa (factores: material, lubricante, montaje/ajuste, cargas de operación). La aplicación del método "5 Por qué" permitió establecer la secuencia de eventos:
- ¿Por qué se produce el picado? Debido al exceso de tensiones de contacto por encima del límite de fatiga del recubrimiento cementado.
- ¿Por qué los esfuerzos de contacto superaron los calculados? Debido a la distribución desigual de la carga a lo largo de la longitud del diente.
- ¿Por qué la carga se distribuyó de manera desigual? Debido a la error angular de paralelismo de los ejes (desalineación del reductor respecto al motor en 0.18 mm por 100 mm de longitud).
- ¿Por qué se produjo el desalineamiento de los ejes? Debido a las deformaciones térmicas de la estructura y al debilitamiento de los tornillos de anclaje durante los ciclos anteriores de arranque con momento elevado.
- ¿Por qué se aceleró el proceso de degradación? La contaminación del aceite con partículas sólidas y la disminución de la viscosidad debido al sobrecalentamiento causaron el perforamiento hidrodinámico de la película lubricante (coeficiente de espesor de la película lubricante λ < 1,2).
Definidas causas raíz
Según los resultados de la investigación se han identificado tres causas clave con diferente probabilidad de influencia:
- Alineación incorrecta de ejes (Desviación) — Probabilidad 55%. El desplazamiento angular de los ejes ha provocado la concentración de carga en los bordes de los dientes, lo que ha causado un exceso local de tensiones de contacto por encima de 1450 MPa (valor permitido 1200 MPa).
- Degradación y contaminación del aceite — Probabilidad 30%. La alteración de la periodicidad de filtración y la entrada de partículas abrasivas provocaron el desgaste abrasivo y aceleraron la aparición de microfisuras.
- Desventajas de la tratamiento térmico del recubrimiento cementado — Probabilidad 15%. Reducción local de la profundidad del recubrimiento efectivo de temple en algunos dientes por debajo de los valores normales de 1,2 mm según los requisitos de EN ISO 6336.
Medidas correctivas y preventivas
Para eliminar los defectos detectados y prevenir fallos repetidos se ha desarrollado un conjunto de medidas:
- Eliminación inmediata: Se realizó el desmontaje del reductor. Se sustituyó la pareja de ruedas dentadas dañadas por nuevos componentes originales de clase de precisión 6 según DSTU GOST 1643:2004.
- Alineación: Se realizó la alineación láser de los ejes del motor y la caja reductora mediante sistemas altamente precisos. El tolerancia de paralelismo de los ejes se redujo a un nivel menor de 0,03 mm por 100 mm de longitud. Los tornillos de anclaje se sustituyeron por tornillos más resistentes (clase de resistencia 10.9) utilizando apriete dinamométrico.
- Modernización del sistema de lubricación: Instalada estación adicional de filtración de aceite con filtro de 5 micrones y sensor de humedad. Cambiado el tipo de aceite a un análogo sintético con índice de viscosidad aumentado.
- Configuración del motor eléctrico: En los parámetros del convertidor de frecuencia Telemecanique ATV66U72N4G se optimizó el tiempo de aceleración y frenado (rampa de forma S) para minimizar los momentos dinámicos impulsivos en la transmisión.
Carta de diagnóstico rápido para ingenieros de campo
Tabla 1 contiene el algoritmo de verificación rápida del estado del reductor directamente en el taller mediante equipo portátil.
| Paso | Parámetro de verificación | Instrumento / Método | Valor normativo | Indicador diagnóstico de desviación |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Vibración del cuerpo | Análizador de vibraciones (FFT) | RMS < 4,5 мм/с (ISO 10816-3) | Picos en la frecuencia de enganche con bandas laterales |
| 2 | Temperatura de los rodamientos/cartera | Pirometro / Termovisor | < 80 °C | Localizado sobrecalentamiento en la zona de los cojinetes de apoyo |
| 3 | Estado del aceite | Análisis de muestra / Análisis laboratorio | ISO 4406: 18/16/13 | Presencia de polvo metálico, agua > 500 ppm |
| 4 | Mancha de contacto de los dientes | Pintura de control | Al menos 85% por longitud | Contacto lateral o puntual |
| 5 | Juego en la unión de enganche | Indicador de tipo horario | De acuerdo con el pasaporte del reductor | Aumento del juego lateral en un 30% respecto a la norma |
| 6 | Integridad de las superficies de los dientes | Endoscopio industrial | Superficie lisa sin cavidades | Presencia de microcavidades, erosión (pitting) |
| 7 | Posición de montaje de los ejes | Sistema láser de alineación | Error < 0.05 mm | Desplazamiento de ejes por encima de los límites del fabricante |
| 8 | Ruido de fondo del sistema de transmisión | Medidor de ruido acústico | < 85 dB(A) a 1 m | Ruido metálico, ruido desigual |
Estrategia de prevención de fallos
Para garantizar el funcionamiento continuo de los motores críticos en las empresas de la industria siderúrgica y del metal no ferroso, así como en la industria minera y extractiva de Ucrania, es necesario implementar la siguiente estrategia de mantenimiento técnico:
- Monitoreo del estado (Condition Monitoring): Medición continua de vibración mediante impulsos de energía (spike energy) para detectar defectos de rodamientos y engranajes en etapas tempranas (especialmente según el estándar ISO 13373).
- Análisis de aceite: Realización de análisis espectrométrico del aceite cada 1000 horas de funcionamiento para controlar la concentración de productos de desgaste de hierro, cromo y silicio.
- Reemplazos programados: Reemplazo obligatorio de sellos, elementos filtrantes y revisión de acoples cada 12 000 horas según las recomendaciones de los fabricantes de equipo industrial.
Conclusión
El análisis de las causas raíz confirmó que el picado y los esfrentamientos de los dientes son causados por el efecto combinado del desalineamiento angular de los ejes y la falta de pureza del aceite. El estricto cumplimiento de las normas de alineación según EN ISO 10816, el control de calidad de los materiales lubricantes y la correcta configuración de los convertidores de frecuencia permiten prolongar el tiempo de vida de las transmisiones dentadas hasta los valores nominales MTBF. Para la selección de piezas de repuesto certificadas, componentes de accionamiento y medios de automatización, consulte el catálogo en la página UNITEC-D E-Catalog.
Referencias normativas y literatura
- ISO 6336: Cálculo de la capacidad de carga de engranajes cilíndricos y helicoidales.
- DSТU ГОСТ 1643:2004: Transmisiones cilíndricas dentadas. Tolerancias.
- ISO 10816-3: Vibración mecánica — Evaluación de la vibración de la máquina mediante mediciones en partes no giratorias.
- ISO 4406: Fluido hidráulico — Fluidos — Método para codificar el nivel de contaminación por partículas sólidas.
- EN ISO 13373: Monitoreo y diagnóstico de condiciones de máquinas — Monitoreo de condiciones de vibración.
