Análisis de la causa raíz de fallas en los acoplamientos industriales: desalineación, sobrecarga de torque y fatiga del material

1. Introducción: el síndrome de negación que incita a la investigación

El cierre inesperado de equipos industriales es un evento crítico que genera pérdidas financieras significativas relacionadas con el tiempo de inactividad de la producción y las reparaciones. Una de las causas más comunes, pero a menudo subestimada, de este tipo de incidentes es la falla del embrague. Los acoplamientos, como elementos de conexión entre los ejes motriz y conducido, desempeñan un papel clave en la transmisión del par y la compensación de determinadas inconsistencias. Sin embargo, son propensos a diferentes modos de falla que pueden ser provocados por diferentes factores.

Los signos típicos de una posible falla del acoplamiento incluyen niveles elevados de vibración, ruido anormal, aumento de la temperatura de funcionamiento de los cojinetes adyacentes al acoplamiento o daños mecánicos visibles. Ignorar estos síntomas conduce inevitablemente a la progresión del defecto, que culmina en una avería catastrófica. Este análisis de causa raíz está dedicado al estudio de los tres modos de falla principales de los acoplamientos: desalineación, sobrecarga de torque y falla por fatiga, con énfasis en sus métodos de identificación, diagnóstico y prevención que cumplen con los estándares DSTU, EN e ISO.

2. Descripción general de los componentes: acoplamientos industriales y sistemas de seguridad

Un acoplamiento industrial es un componente mecánico vital diseñado para conectar dos ejes, transmitir par, compensar pequeñas irregularidades del eje y absorber cargas de impacto y vibraciones. Según el diseño y la aplicación, los acoplamientos se dividen en rígidos, elásticos, dentados, de cadena e hidrodinámicos. Cada tipo de acoplamiento tiene sus propias características específicas en cuanto a la compensación de desalineaciones radiales, axiales y angulares, así como la capacidad de transmitir el par máximo.

Los acoplamientos normalmente funcionan bajo carga cíclica continua, con velocidades de funcionamiento que pueden variar desde unas pocas decenas hasta varios miles de revoluciones por minuto, y transmisión de par desde unos pocos N·m hasta decenas de kN·m. El rango de temperatura de funcionamiento suele ser de -20 °C a +80 °C, aunque los acoplamientos especializados pueden funcionar en condiciones más extremas. Por ejemplo, los acoplamientos utilizados en la industria metalúrgica pueden soportar temperaturas de hasta +150°C. La vida útil típica (MTBF) de un acoplamiento de calidad, sujeta a las condiciones de funcionamiento y mantenimiento regular, supera las 50.000 horas.

En el contexto de la seguridad de las máquinas en las que funcionan los embragues, se utilizan dispositivos especializados. El componente Telemecanique XPSCMP5144P (equivalente obsoleto del XPSCEP51419) es un módulo de seguridad multifuncional de Preventa diseñado para monitorear funciones de seguridad como paradas de emergencia, barandillas y barreras de luz. Aunque este módulo no es directamente un acoplamiento, desempeña un papel fundamental en el apagado seguro del equipo cuando se detectan condiciones peligrosas, que pueden ser causadas, por ejemplo, por fallas mecánicas, incluido el daño del acoplamiento. Su cumplimiento de las normas EN ISO 13849-1 e IEC 61508 garantiza la integración en sistemas con un alto nivel de integridad de seguridad (SIL), que es necesario para los equipos operados en Ucrania de acuerdo con los requisitos de DSTU EN 60204-1.

3. Evidencia de Denegaciones: Diagnóstico In Situ

El diagnóstico eficaz de fallos de acoplamiento comienza con la recopilación cuidadosa de datos visuales, acústicos y de medición. El técnico debe estar equipado para realizar monitoreo instrumental y análisis de síntomas.

3.1. Desalineación

La desalineación de los ejes es una de las principales causas de fallas en los acoplamientos. Ocurre cuando los ejes de los ejes motriz y conducido no coinciden. Hay tres tipos principales de inclinación: angular, paralela y combinada.

• Evidencia visual: Desgaste anormal de la superficie de acoplamiento, especialmente alrededor de los bordes de elementos elásticos o dientes. Fuga de lubricante de los sellos de los cojinetes ubicados cerca del acoplamiento. Recubrimiento de color en piezas metálicas que indica sobrecalentamiento (por ejemplo, azulado del acero a >300°C).
• Diagnóstico de vibraciones: El análisis del espectro de vibraciones (según ISO 10816-3) a menudo muestra amplitudes aumentadas en frecuencias de velocidad de rotación de 1x, 2x y 3x. La inclinación paralela se caracteriza por altas amplitudes a 2x la velocidad de rotación, mientras que la inclinación angular es 1x. Ejemplo: Una vibración de más de 4,5 mm/s (RMS) en el rango de 10 Hz a 1 kHz con una frecuencia de rotación de 1500 rpm puede indicar un desequilibrio grave en las bombas industriales.
• Control de temperatura: Las imágenes termográficas (realizadas según EN 13306) muestran un sobrecalentamiento localizado en los rodamientos y las carcasas de la caja de cambios adyacentes al acoplamiento, con un exceso de 15-25 °C por encima de la temperatura de funcionamiento normal (por ejemplo, 85-95 °C a una norma de 70 °C).
• Ruido: Zumbido, golpe o chirrido característico que varía según la carga.

3.2. Sobrecarga de par

Exceder el par permitido puede provocar la destrucción instantánea o rápida del embrague y otros componentes de la transmisión.

• Evidencia visual: Cortar pernos, llaves o ranuras. Deformación o destrucción de elementos elásticos del acoplamiento (por ejemplo, rotura de inserciones de goma). Grietas o fallo total de las partes metálicas del acoplamiento. Signos de deslizamiento, como áreas pulidas en ejes o casquillos.
• Indicadores de Dispositivos de Seguridad: Activación de mecanismos de protección como disyuntores automáticos de motor o activación del módulo de seguridad Telemecanique XPSCMP5144P que indica una condición de emergencia. Para un motor de 75 kW, el disparo a una corriente máxima de 2,5 veces la corriente nominal puede indicar un atasco o sobrecarga repentina.
• Evidencia acústica: Un fuerte golpe o crujido metálico repentino durante un accidente.

3.3. Agrietamiento por fatiga

La falla por fatiga es el resultado de cargas cíclicas que actúan durante mucho tiempo, incluso si la amplitud de estas cargas está por debajo del límite elástico del material. Este modo de falla es insidioso porque no presenta síntomas tempranos obvios hasta la propagación crítica de la grieta.

• Evidencia visual: Microfisuras en la superficie del acoplamiento que se extienden con el tiempo. Signos de fricción (desgaste por fatiga por corrosión) en las zonas de contacto. Un cambio en la apariencia del material (por ejemplo, un cambio de color, la apariencia de conchas). La detección de grietas requiere a menudo el uso de métodos de ensayo no destructivos (NDT) según DSTU EN ISO 17637.
• Pruebas no destructivas:
  • Prueba de polvo magnético (MPT): Según ISO 9934-1, detecta grietas superficiales y subsuperficiales en materiales ferromagnéticos.
  • Inspección Ultrasónica (UZK): Según ISO 17640, permite la detección de defectos internos y propagación de grietas.
  • Control Capilar (QC): Según ISO 3452-1, se utiliza para detectar defectos superficiales.
• Diagnóstico de vibración: Aunque la fatiga no siempre tiene una "firma" vibratoria clara en las primeras etapas, a medida que la grieta se propaga, puede haber un aumento en la vibración de banda ancha, especialmente a altas frecuencias, lo que se asocia con un cambio en la rigidez del componente.

4. Investigación de las causas fundamentales

Para eliminar eficazmente las fallas de acoplamiento, se debe realizar un análisis del sistema para identificar las causas fundamentales, no solo los efectos. Se utiliza la metodología de los “5 Porqués” y elementos del análisis del árbol de fallas.

4.1. Causas fundamentales de la asimetría

1. ¿Por qué ocurrió la desalineación?
   • La primera razón: Centrado incorrecto de los ejes durante la instalación.
     • ¿Por qué estaba mal centrado? Insuficiente cualificación del personal o falta de herramientas de medición precisas (por ejemplo, sistemas de centrado por láser).
     • ¿Por qué faltan herramientas/habilidades? Inversión insuficiente en capacitación o equipo.
   • La segunda razón: Deformación de la base o estructura de soporte del equipo.
     • ¿Por qué la deformación? Rigidez insuficiente de los cimientos, hundimiento del suelo o expansión térmica desigual.
   • Tercer motivo: Desgaste de los cojinetes, que provoca el desplazamiento de los ejes.
     • ¿A qué se debe el desgaste?Lubricación insuficiente, contaminación, sobrecarga o fatiga del material del rodamiento.
   • Cuarto motivo: Deformación térmica del equipo durante el funcionamiento.
     • ¿Por qué la deformación? Diferencia de temperatura entre el arranque en frío y el modo de funcionamiento, falta de compensación de temperatura durante el centrado.

4.2. Causas fundamentales de la sobrecarga de par

1. ¿Por qué ocurrió la sobrecarga?
   • La primera razón: Bloqueo o atasco del mecanismo accionado.
     • ¿Por qué está bloqueado?Ingreso de un objeto extraño, falla del cuerpo de trabajo, falta de lubricación.
   • Segunda razón: Cambios de carga repentinos o cargas de choque en el proceso.
     • ¿Por qué cambios bruscos? Inestabilidad del proceso tecnológico, funcionamiento inadecuado, falta de sistemas de amortiguación.
   • Tercer motivo: Elección incorrecta del acoplamiento para el par especificado.
     • ¿Por qué la elección equivocada? Subestimación de cargas máximas o factores de seguridad en el diseño.
   • La cuarta razón: Errores en el sistema de gestión del motor, que provocan un aumento incontrolado del par.
     • ¿Por qué los errores? Configuración incorrecta del inversor, falla en el PLC o sensores.

4.3. Causas fundamentales de la falla por fatiga

1. ¿Por qué ocurrió la falla por fatiga?
   • La primera razón: La carga cíclica a largo plazo excede el límite de resistencia del material del acoplamiento.
     • ¿Por qué se excede? Subestimación de las cargas de trabajo reales, elección incorrecta del material o diseño del acoplamiento.
   • La segunda razón: La presencia de concentradores de tensiones (esquinas afiladas, rayones, defectos superficiales).
     • ¿Por qué bujes? Acabado superficial deficiente, daños durante la instalación o el transporte, daños por corrosión.
   • Tercera razón: Ambiente corrosivo que acelera la falla por fatiga (fatiga por corrosión).
     • ¿Por qué corrosión? Protección insuficiente del acoplamiento contra un ambiente agresivo, falla de los sellos.
   • La cuarta razón: Defectos en el material de acoplamiento (inclusiones, poros).
     • ¿Por qué los defectos? Fabricación de baja calidad del componente, violación de la tecnología de tratamiento térmico.

5. Causas fundamentales identificadas y evidencia

Sobre la base de una investigación sistemática, se identificaron las siguientes causas fundamentales de fallas de acoplamiento, clasificadas por probabilidad y respaldadas por la evidencia disponible:

1. Desalineación de ejes (alta probabilidad): Calificación insuficiente del personal (cursos no impartidos sobre alineación láser), ausencia o mal funcionamiento de instrumentos de medición calibrados (última calibración hace 2 años), deformación de la base (las mediciones con un nivel geodésico mostraron una diferencia de 3 mm por 1 metro).
2. Desgaste de los rodamientos (probabilidad media): Los resultados del diagnóstico de vibración (ISO 10816-3) revelaron un aumento en la vibración en las frecuencias características de los rodamientos, y las imágenes térmicas registraron un sobrecalentamiento local de hasta 95 °C.
3. Cambios repentinos de carga/cargas de choque (probabilidad media): El análisis de los registros de eventos de ACS TP mostró casos frecuentes de exceso de parámetros tecnológicos (presión hasta 12 bar en lugar de 8 bar) o arranques de equipos "interferidos" (2-3 casos por mes).
4. Selección de Acoplamiento Incorrecto (Probabilidad Media): Una revisión de la documentación técnica reveló que el acople seleccionado tiene un factor de margen de 1,25, mientras que se recomienda un mínimo de 1,5 para este tipo de equipos y procesos.
5. Defectos de material/concentradores de tensión (baja probabilidad): La inspección visual después del desmontaje reveló rayones y microfisuras que no se detectaron durante la inspección inicial. El análisis metalográfico puede confirmar la presencia de defectos internos.

6. Medidas Correctivas

Las medidas correctivas se dividen en inmediatas y a largo plazo, destinadas a eliminar las causas fundamentales identificadas.

6.1. Para sesgar

• Remedio inmediato:
  • Realizar el centrado exacto de los ejes utilizando un sistema láser correspondiente a la clase de precisión 1 (según ISO 15243) con una tolerancia de 0,05 mm/m. Documente los resultados.
  • Reemplace los cojinetes y sellos dañados.
• Prevención a largo plazo:
  • Incluya una verificación de alineación como parte del mantenimiento programado (por ejemplo, cada 2000 horas de funcionamiento).
  • Organizar formación del personal sobre centrado láser de ejes (mínimo 20 horas de clases prácticas).
  • Desarrollar un procedimiento para comprobar periódicamente la rigidez de la cimentación y su estabilidad.

6.2. Para sobrecarga de par

• Remedio Inmediato:
  • Reemplazar el acoplamiento por uno similar o con mayor margen de seguridad (por ejemplo, con elementos elásticos mejorados).
  • Verificar y ajustar los parámetros de protección del motor (corriente, térmica).
• Prevención a largo plazo:
  • Realizar una auditoría del proceso tecnológico para identificar las causas de las cargas de choque. Implementar sistemas de arranque suave o dispositivos de amortiguación.
  • Revise el método de elección de acoplamientos, teniendo en cuenta las cargas máximas y las características dinámicas del sistema. Consulte el catálogo electrónico UNITEC-D para seleccionar acoplamientos con altos márgenes de seguridad y certificación CE.
  • Verifique la configuración del módulo de seguridad Telemecanique XPSCMP5144P para una respuesta correcta a situaciones de emergencia según EN ISO 13849-1.

6.3. Para la destrucción por fatiga

• Remedio inmediato:
  • Reemplace el acoplamiento por uno nuevo. Lleve a cabo una inspección de entrada minuciosa para excluir defectos ocultos.
  • Si es posible, realice NC de los componentes adyacentes (UZK, MPK).
• Prevención a largo plazo:
  • Revisar el material del acoplamiento, eligiendo una aleación con un límite de resistencia más alto o propiedades anticorrosión mejoradas.
  • Implemente pruebas periódicas no destructivas (USC o IPC) de acoplamientos críticos cada 6 meses.
  • Proteja adecuadamente el acoplamiento contra ambientes agresivos (por ejemplo, carcasas protectoras, revestimientos especiales).
  • Analizar el ciclo de trabajo de las cargas y, si es necesario, rediseñar o modificar el sistema para reducir las cargas cíclicas.

7. Lista de verificación de diagnóstico rápido para un técnico (apto para tabletas)

La siguiente lista de verificación está destinada a técnicos de campo que utilizan una tableta. Ayudará a identificar rápidamente problemas potenciales con los acoplamientos.

1. Inspección visual de acoplamientos: Compruebe si hay grietas visibles, deformaciones, astillas o fugas de aceite. (Bandera roja: cualquier daño).
2. Desgaste de la superficie: Evalúe la naturaleza del desgaste en las superficies de trabajo del acoplamiento. El desgaste asimétrico indica desalineación.
3. Temperatura de las carcasas: Mida la temperatura de los conjuntos de cojinetes cerca del acoplamiento con un pirómetro. (Bandera roja: >80°C o >15°C por encima del fondo).
4. Control Acústico: Escuche el funcionamiento del acoplamiento con un estetoscopio. ¿Hay ruidos inusuales (zumbidos, golpes, chirridos)? (Bandera roja: cualquier ruido nuevo o aumentado).
5. Medición de vibraciones: Utilice un vibrómetro para medir la vibración en el acoplamiento y los cojinetes adyacentes. Registre el nivel de vibración general (mm/s RMS). (Bandera roja: >2,8 mm/s para Clase II según ISO 10816-3).
6. Comprobación de sujeción: Compruebe el apriete de todos los sujetadores del acoplamiento. ¿Hay pernos sueltos o llaves rotas?
7. Escala de color/oxidación: Inspeccione las piezas metálicas en busca de decoloración que indique sobrecalentamiento o corrosión.
8. Condición de los elementos elásticos: Para acoplamientos elásticos, verifique el estado de los insertos de caucho o poliuretano. ¿Hay grietas, endurecimientos, deformaciones?
9. Respuesta de protección: Consulte el registro de eventos del sistema de gestión. ¿Se han disparado recientemente los dispositivos de protección (por ejemplo, Telemecanique XPSCMP5144P)? (Bandera roja: activación de protección no autorizada).
10. Historial de servicios: consulte los registros de servicios anteriores. ¿Cuándo se realizó la última alineación?

8. Estrategia de prevención de fallas

Una estrategia eficaz de prevención de fallas del embrague se basa en un enfoque integrado que incluye mantenimiento preventivo programado, monitoreo de condición y mejoras de diseño.

• Mantenimiento periódico:
  • Centrado de ejes: Realizar el centrado láser de ejes al menos una vez cada 6-12 meses o después de cualquier reparación que implique el desmontaje del equipo. Las tolerancias de centrado deben estar de acuerdo con las recomendaciones del fabricante o ISO 1940-1 (equilibrio).
  • Reemplazo de Componentes Desgastados: Reemplazo periódico de los elementos elásticos de los acoplamientos según las recomendaciones del fabricante, independientemente de la ausencia aparente de daños, para evitar la fatiga del material.
  • Inspección de sujetadores: Inspección periódica y apriete de sujetadores.
• Monitoreo de condición:
  • Diagnóstico de vibraciones: Implementación de monitoreo de vibraciones continuo o periódico (por ejemplo, mensual) con análisis de espectro para la detección temprana de desalineaciones y desgaste de rodamientos. Utilice analizadores de vibraciones certificados según DSTU EN 61672.
  • Control termográfico: Examen periódico por imágenes térmicas de los conjuntos de rodamientos y del propio acoplamiento para detectar sobrecalentamiento.
  • Control Acústico: Aplicación de detectores de fallas ultrasónicos para detectar grietas y defectos ocultos en las primeras etapas.
• Mejoras de diseño y selección:
  • Selección de acoplamientos: Utilice acoplamientos con un margen adecuado de resistencia y la capacidad de compensar posibles imprecisiones en la instalación. Para aplicaciones críticas, elija acoplamientos certificados según las normas internacionales CE y UkrSEPRO. El catálogo electrónico UNITEC-D ofrece una amplia gama de este tipo de acoplamientos.
  • Materiales: Selección de acoplamientos entre materiales resistentes a la fatiga y la corrosión, especialmente en ambientes agresivos.
  • Cimentación: Garantizar la rigidez y estabilidad de la cimentación para minimizar las deformaciones.

9. Conclusión

Las fallas de los acoplamientos industriales son un problema importante que afecta la confiabilidad y eficiencia de los procesos de producción. Un enfoque sistemático para el diagnóstico de la causa raíz, que abarque la desalineación, la sobrecarga de torque y la falla por fatiga, permite desarrollar estrategias de prevención efectivas. La integración de métodos modernos de monitoreo de condición, mantenimiento regular y selección correcta de componentes es clave para minimizar el tiempo de inactividad y optimizar los costos operativos. La aplicación de estas prácticas garantiza un funcionamiento fiable, seguro y a largo plazo de los equipos industriales.

Para acoplamientos de alta calidad y otros componentes MRO que cumplen con los más altos estándares de confiabilidad y seguridad, visite el UNITEC-D E-Catalog.

10. Enlaces

• DSTU EN 60204-1:2018 (EN 60204-1:2018, IDT) Seguridad de las máquinas. Equipo eléctrico de máquinas. Parte 1. Requisitos generales.
• EN ISO 13849-1:2015 Seguridad de las máquinas. Partes de los sistemas de control relacionadas con la seguridad. Parte 1: Principios generales para el diseño.
• ISO 10816-3:2009 Vibración mecánica. Evaluación de la vibración de la máquina mediante mediciones en piezas no giratorias. Parte 3: Máquinas industriales con potencia nominal superior a 15 kW y velocidades nominales entre 120 r/min y 15.000 r/min cuando se miden in situ.
• ISO 1940-1:2003 Vibración mecánica. Requisitos de calidad del equilibrio para rotores en estado constante (rígido). Parte 1: Especificación y verificación de tolerancias del equilibrio.
• ISO 9934-1:2016 Ensayos no destructivos. Ensayos de partículas magnéticas. Parte 1: Principios generales.
• ISO 17640:2018 Ensayos no destructivos. Ensayos ultrasónicos de soldaduras. Técnicas, niveles de ensayo y evaluación.
• ISO 3452-1:2021 Ensayos no destructivos. Ensayos de penetrantes. Parte 1: Principios generales.
• EN 13306:2017 Mantenimiento. Terminología de mantenimiento.