Introducción: síntomas de parada de emergencia
Durante la inspección programada del motor de la mezcladora en la línea de mezcla química se detectó un juego crítico en el eje de salida del reductor. El sonido de funcionamiento del mecanismo cambió a un golpeteo metálico con una frecuencia que correlaciona con la velocidad de giro del eje (1450 rpm). El control termográfico mostró un aumento local de temperatura en la zona de unión eje-almidón hasta 85 °C, mientras que el valor nominal es de 45 °C. La desmontaje del nodo reveló el corte completo de la chaveta prismática y un significativo desgaste del ranura de chaveta del eje. Como motor se utilizó un motor eléctrico con aparato de arranque regulado, especialmente contactores y relés interfaciales del tipo Telemecanique KXA 04PM42, que proporcionaban cargas cíclicas reversibles.
Visión del componente y condiciones de explotación
Unión de espiga está diseñada para transmitir el momento torsor del eje al husillo del rodillo de trabajo o al disco, mediante el enganche en las ranuras del eje y de la pieza montada. La unión está ubicada en el eje rápido/intermedio del reductor con momento torsor nominal de 320 Nm.
Parámetros del entorno de trabajo
- Temperatura de trabajo: de -10 °C a +65 °C (teniendo en cuenta el calentamiento del motor).
- Ciclicidad de carga: modo reversible, hasta 120 encendidos por hora.
- Material del eje: acero 40Х (DSTU 4543 / EN 1.7045), dureza 28-32 HRC.
- Material de la clave: acero 45 (DSTU 1050 / EN 1.0503), resistencia a la tracción temporal $\sigma_v = 600$ MPa.
Pruebas de fallo (inspección y medición)
Una inspección visual y instrumental del nodo defectuoso proporcionó los siguientes datos:
- La chaveta está dividida en dos partes en la sección transversal según la línea de corte, en la superficie de fractura se observan claramente señales de fatiga — zona de grieta de fatiga desarrollada (zona de arena) y zona de fractura final rápida (cerca del 30% del área).
- Medición del diámetro del eje con micrómetro en la zona de montaje mostró una elipticidad de 0,04 mm, superando el desviación permitida de 0,012 mm (según ISO 286).
- Empalme de eje de espiga roto en ancho: tamaño nominal de 12 mm aumentó a 12,35 mm.
- Análisis de vibración antes de la falla detectó un aumento de los picos de velocidad de vibración en el rango de 1X y 2X frecuencias de giro hasta 7,8 mm/s (según ISO 10816-3, estado "Prohibido el uso").
Investigación de las causas raíz
Para determinar la secuencia de eventos que condujo a la avería, se aplicó el método del árbol de fallos (Fault Tree Analysis) y el análisis según la metodología 5 Por qué (5 Whys).
Cadena de análisis 5 ¿Por qué?:
1. ¿Por qué se produjo el corte de la clave? — Debido a sobrecarga por fuerzas de corte.
2. ¿Por qué las fuerzas superaron los valores calculados? — Surgieron cargas impactantes debido a juego en la unión.
3. ¿Por qué apareció el juego? — La montura de la tuerca en el eje tenía un exceso de juego en lugar de un apriete garantizado (montura con juego H7/h6 en lugar de montura de transición P7/h6).
4. ¿Por qué se utilizó la montura incorrecta? — No se respetaron las tolerancias de mecanizado durante la reparación previa y se ignoraron las exigencias del estándar ISO 286.
5. ¿Por qué no se detectó a tiempo? — Se produjo la omisión del control programado del estado del fijado y la medición de vibración.
Causas identificadas (lista ordenada)
| № | Primera causa | Probabilidad (%) | Documentos y justificación |
|---|---|---|---|
| 1 | Desviación de los juegos de montaje (juego libre en la unión) | 55 | Análisis microscópico de la superficie del ranura reveló huellas de impacto microscópico (fretting-corrosión), que son consecuencia del desplazamiento axial y angular microscópico de los componentes. |
| 2 | Fatiga cíclica del material de la clave | 25 | Macroimagen de la superficie de fractura muestra líneas de fatiga. Los arranques reversibles a través de los contactores Telemecanique KXA 04PM42 generaban cargas alternadas superiores al límite de fatiga. |
| 3 | Longitud insuficiente de la clave o sección debilitada | 15 | Cálculo de desgaste y corte según DSTU 23360 (ISO 773) mostró un exceso de esfuerzos de contacto en un 35%. |
| 4 | Material de la chaveta de mala calidad (falso) | 5 | El análisis espectral mostró una desviación en el contenido de carbono en la chapa de acero (0,32% en lugar de 0,45%), lo que redujo el límite de fluencia. |
Acciones correctivas y preventivas
- Reparación inmediata (Corto plazo): Fabricación de un nuevo eje con restablecimiento de la geometría de la punta hasta la clase de precisión h6. Fabricación de una nueva clave prismática de acero 40Х (tratada térmicamente hasta 35-40 HRC según EN 10083-3). Aplicación de una unión de ajuste transicional según ISO 286-1.
- Prevención a largo plazo (Largo plazo): Transición a uniones sin clavos (manguitos de unión tipo Ringfeder) para unidades con modos de funcionamiento reversibles. Implementación de monitoreo constante de vibración y estado térmico de los nodos de rodamientos y ejes.
Lista de verificación diagnóstica rápida para personal técnico
Este checklist está destinado para su uso en tabletas directamente en el taller durante la inspección mensual de mantenimiento y fiabilidad (Maintenance & Reliability):
- Revisar el estado de la capa de pintura y signos de desprendimiento de óxido (polvo rojo) alrededor de la base (señal de corrosión por frettage).
- Medir el alabeo radial del eje con un indicador de tipo horario (tolerancia no mayor de 0,03 mm).
- Realizar control vibracional del cuerpo del reductor (análisis espectral en frecuencias de desbalance y desalineación).
- Verificar la temperatura del nodo con un pirómetro sin contacto (umbral de alarma: >60 °C).
- Verificar el momento de apriete de los tornillos de fijación y la fijación axial (si se utilizan anillos axiales).
- Revisar el estado de la instalación de conmutación, incluyendo los circuitos de potencia y control del accionamiento Telemecanique KXA 04PM42, en busca de ausencia de desequilibrios de fase.
- Verificar la ausencia de sonidos anormales y ruido durante el arranque y parada del equipo.
- Registrar los resultados de las mediciones en el diario digital de mantenimiento preventivo (CMMS).
Estrategia de prevención de fallos
Para alcanzar el indicador objetivo de fiabilidad MTBF por encima de 25 000 horas es necesario cumplir con los siguientes requisitos normativos:
- Intervalo de verificación de los momentos de apriete y juego: cada 1 000 horas de funcionamiento.
- Período de diagnóstico vibracional: mensualmente.
- Cumplimiento de estándares de montaje: ISO 286 (ajustes), DSTU 23360 (chavetas prismáticas).
- Uso exclusivo de piezas de repuesto y elementos de transmisión certificados. El catálogo completo de componentes estándar para reparación y modernización está disponible a través de UNITEC-D E-Catalog.
Conclusión
El análisis mostró que la causa principal de la falla del acoplamiento clave es un complejo de factores: la no conformidad de los juegos de montaje durante el mantenimiento previo, lo que provocó un juego libre y microimpactos, así como cargas cíclicas debido al funcionamiento del motor eléctrico. El estricto cumplimiento de los tolerancias según ISO 286, el uso de aceros aleados de calidad y el monitoreo regular de vibraciones eliminan completamente el riesgo de paradas accidentales en las empresas manufactureras ucranianas. Para la selección de componentes compatibles y el pedido de piezas de repuesto de calidad, utilice UNITEC-D E-Catalog.
Lista de literatura
- DSТU 23360-78 (ISO 773-69) Uniones de clave con clavos prismáticos. Dimensiones.
- ISO 286-1:2010 Especificaciones geométricas de producto (GPS) - Sistema de código ISO para tolerancias en dimensiones lineales.
- DSТU EN 10083-3:2019 Aceros para temple y revenido. Parte 3: Aceros aleados.
- ISO 10816-3:2009 Vibración mecánica - Evaluación de la vibración de la máquina mediante mediciones en partes no giratorias.
- Guía de fiabilidad de máquinas y mecanismos de maquinaria industrial, ed. prof. M. I. Kovaly, Kiev, 2021.
