1. Introducción: Síntomas del fracaso
Se registró un incidente crítico en la línea de estampado de piezas metálicas: la prensa hidráulica principal con una fuerza de 2500 kN se detuvo debido a una fuerte caída de presión en el sistema. El operador informó una fuga importante de fluido hidráulico debido a un sello de la varilla del cilindro maestro. El tiempo del ciclo de trabajo aumentó un 15 % durante las últimas 48 horas antes de la falla total, lo que indica una disminución gradual en la eficiencia volumétrica.
Una inspección visual reveló un charco de aceite hidráulico (ISO VG 46) con un volumen de aproximadamente 15 litros en el lecho de la prensa. La temperatura del cuerpo del cilindro en la zona de la tapa frontal era de 85°C (normalmente 55°C). La falla provocó el tiempo de inactividad del equipo y el riesgo de interrumpir el programa de producción. El propósito de este análisis es determinar las causas técnicas exactas de la falla del sello y desarrollar una estrategia para prevenir tales incidentes.
2. Descripción general del componente y condiciones de funcionamiento.
El objeto de la investigación es un cilindro hidráulico de doble efecto. Principales características técnicas:
- Diámetro del pistón: 160 mm
- Diámetro de la varilla: 100 mm
- Carrera del vástago: 800 mm
- Presión nominal de trabajo: 210 bar
- Presión máxima máxima: 250 bar
- Fluido de trabajo: aceite mineral ISO VG 46
El sistema de sellado del vástago consta de un colector de suciedad (NBR), un sello en U principal (poliuretano, PU) y un sello amortiguador (PTFE con relleno de bronce). Los anillos guía están hechos de resina fenólica reforzada con tejido.
Los distribuidores hidráulicos direccionales se controlan mediante lógica de relé, donde el elemento de retardo de tiempo clave para una conmutación suave de la válvula es el relé de tiempo Siemens 7PU44402AN20. Este componente se encarga de formar los intervalos de tiempo de aceleración y desaceleración de la prensa deslizante masiva, evitando que las válvulas se cierren bruscamente.
3. Señales de fracaso (base de evidencia)
Durante el desmontaje del cilindro hidráulico en las condiciones del taller de reparación, se encontraron las siguientes evidencias físicas:
3.1. Estado de los sellos
El sello principal de poliuretano tiene signos de extrusión (compresión) desde el lado de baja presión. El borde está roto, hay rastros de degradación térmica (oscurecimiento del material). La junta de tope de PTFE está deformada y la ranura en la cerradura ha aumentado de 0,2 mm a 1,5 mm.
3.2. Estado de la varilla y guías.
Se registran rayones longitudinales en la superficie cromada de la varilla. La medición con un perfilómetro mostró una rugosidad de Rz = 6,3 μm (el valor nominal para el funcionamiento estable de las juntas es Rz ≤ 0,4 μm). Los anillos guía tienen un desgaste asimétrico: el grosor de un lado es de 2,1 mm y del lado opuesto de 3,4 mm (espesor inicial de 3,5 mm).
3.3. Análisis de fluido de trabajo y parámetros de control.
El análisis de laboratorio de una muestra de aceite tomada del tanque mostró una clase de pureza ISO 4406 del 19/21/16 (la norma para este tipo de sistema es 15/17/12). Se encontró un alto contenido de silicio y virutas de metal.
Al verificar el circuito de control eléctrico, se encontró que la configuración del relé Siemens 7PU44402AN20 era incorrecta: el retraso de tiempo para que se cerrara la válvula de drenaje principal era de 50 ms en lugar de los 250 ms estimados.
4. Investigación de las causas fundamentales (Método 5 Por qué)
Para sistematizar la evidencia, se aplicó el método de los "5 por qué" en tres áreas principales: contaminación, distorsión y saltos de presión.
Dirección 1: Contaminación del sistema
- ¿Por qué aparecieron rayones longitudinales en la varilla? Debido a la penetración de partículas abrasivas entre la varilla y el sello.
- ¿Por qué las partículas terminaron en esta área? El removedor de suciedad no pudo limpiar el vástago durante el movimiento inverso.
- ¿Por qué falló el removedor de suciedad? Su borde de trabajo estaba desgastado debido a la alta concentración de polvo en el taller y la falta de una corrugación protectora.
- ¿Por qué el nivel de contaminación del aceite (19/21/16) superó la norma? El elemento filtrante del filtro de drenaje estaba funcionando en modo bypass (válvula de bypass abierta).
- ¿Por qué funcionó el filtro en bypass? El indicador de contaminación del filtro estaba defectuoso y se ignoró el reemplazo regular del elemento filtrante (MTBF 500 horas).
Dirección 2: inclinación mecánica
- ¿Por qué los anillos guía tienen desgaste asimétrico?Se aplicó una carga radial (lateral) significativa a la varilla.
- ¿Por qué se produjo la carga lateral? El eje del cilindro hidráulico no coincidía con el eje de movimiento de la prensa deslizante.
- ¿Por qué ocurrió la discrepancia? Aflojamiento de los pernos de sujeción de la brida del cilindro hidráulico.
- ¿Por qué se aflojaron los pernos? Falta de control regular del par y alto nivel de vibración.
Dirección 3: Saltos de presión (Hydroshock)
- Why did the polyurethane seal extrusion occur? The pressure in the cylinder cavity exceeded the strength limit of the seal material for the available mounting clearance.
- ¿Por qué la presión excedió el límite permitido?Se produjo un choque hidráulico durante la parada del control deslizante.
- ¿Por qué se produjo el golpe de ariete? La válvula de drenaje principal se cerró demasiado rápido, deteniendo instantáneamente el flujo de aceite.
- ¿Por qué la válvula se cerró rápidamente? El relé de tiempo Siemens 7PU44402AN20 se disparó en 50 ms en lugar de 250 ms.
- Why did the relay setting change? Unauthorized intervention of the operator in the control cabinet in order to speed up the working cycle of the press.
5. Causas fundamentales identificadas
A partir de los datos recopilados se formó una matriz de causas con una evaluación de la probabilidad y grado de influencia en la destrucción del sello.
| La causa raíz | Probabilidad / Impacto | Mecanismo de destrucción | la evidencia |
|---|---|---|---|
| 1. Choque hidráulico (aumento de presión) | Alto / Crítico | El cierre rápido de la válvula debido a un fallo en la configuración del relé Siemens provocó un salto de presión (estimado en 380 bar). Esto provocó que el poliuretano fuera comprimido (extruido) en el espacio entre el pistón y el cilindro. | Extrusión del sello, ajuste del relé de 50 ms, sobrecalentamiento del aceite debido a estrangulamiento. |
| 2. Desgaste abrasivo (Contaminación) | Alto / Significativo | Las partículas de dióxido de silicio y metal actuaron como abrasivo, destruyendo la superficie de la varilla y cortando los bordes de las juntas. | Código ISO 4406 19/21/16, rayones en varilla Rz 6,3 micras, desgaste del quitasuciedad. |
| 3. Carga radial (inclinación) | Promedio / Moderado | La desalineación resultó en fricción metal con metal después del desgaste de los anillos guía, lo que aumentó la temperatura local y deformó el conjunto de sellado. | Desgaste asimétrico de guías (diferencia de 1,3 mm), pernos de brida aflojados. |
6. Acciones correctivas
Se han implementado las siguientes medidas para restaurar la operatividad del equipo y eliminar las causas de falla.
Acciones inmediatas (Corto plazo)
- Reemplazo de componentes: Nuevo kit de sello (PU + PTFE) y nuevos anillos guía instalados. El vástago del cilindro hidráulico se reemplazó por uno nuevo recubierto de cromo duro (espesor 30 µm, Rz 0,2 µm).
- Limpieza del sistema: Se realizó un lavado completo del sistema hidráulico utilizando una estación de filtrado móvil hasta una clase de limpieza de ISO 4406 14/16/11.
- Calibración de control: El relé Siemens 7PU44402AN20 se ha recalibrado para un retraso de 250 ms. Se instala un sello en el potenciómetro para evitar manipulaciones no autorizadas.
Acciones preventivas (Largo plazo)
- Modernización de la filtración: Se instalaron filtros de drenaje con filtración absoluta de 10 μm (β10 ≥ 200) y sensores electrónicos de caída de presión integrados en el ACS TP.
- Alineación geométrica: Se realizó el centrado láser del cilindro hidráulico con respecto a la prensa deslizante. La tolerancia de desalineación se establece en el nivel de 0,05 mm/m. Se ha implementado el uso de llaves dinamométricas para apretar las conexiones de bridas.
- Protección contra golpes de ariete: Un acumulador hidráulico de membrana con un volumen de 4 litros está integrado en la línea hidráulica para amortiguar los picos de presión en caso de fallas electrónicas.
7. Lista de verificación de diagnóstico rápido para técnicos
Esta lista de verificación está diseñada para usarse en tabletas durante las rondas diarias de equipo (formato Ir/No-Go).
- [ ] Control visual de la varilla: Ausencia de película de aceite en forma de gotas. El caldo debe quedar ligeramente húmedo, pero sin gotear.
- [ ] Condición de la superficie de la varilla: No hay rayones longitudinales visibles, hendiduras ni decoloración del cromo (el color azulado indica sobrecalentamiento).
- [ ] Régimen de temperatura: La temperatura del cuerpo del cilindro (medida con un pirómetro) no supera los 60°C. Diferencia de temperatura entre funda y funda ≤ 5°C.
- [ ] Fijación: Comprobando la presencia de marcas de pintura en los tornillos de sujeción (indica ausencia de aflojamiento).
- [ ] Filtración: Los indicadores de contaminación del filtro están en la zona verde.
- [ ] Funcionamiento de la válvula: El sonido al cambiar de distribuidor hidráulico es suave, sin impactos metálicos afilados.
- [ ] Parámetros de relé: Comprobación visual de la integridad de los sellos de temporizadores y relés (incluido Siemens 7PU44402AN20) en el gabinete de control.
- [ ] Nivel de ruido: No hay ruido de cavitación ni chirridos de alta frecuencia provenientes de la estación de bombeo.
8. Estrategia de prevención y seguimiento del estado
Para aumentar el tiempo medio entre fallas (MTBF) de las 2000 horas actuales a un objetivo de 8000 horas, se implementa una estrategia de mantenimiento predictivo.
Análisis de aceite: Muestreo cada 500 horas de trabajo. Se controlan tres parámetros: clase de pureza (ISO 4406), contenido de agua (ppm) y viscosidad cinemática a 40°C. Exceder el código de pureza anterior al 18/16/13 requiere que la filtración fuera de línea se conecte inmediatamente.
Vibration Control: Installation of accelerometers on the main pump housing to detect pressure pulsations that may indicate valve problems or relay logic failures.
Reemplazos planificados: Los sellos de cilindros hidráulicos se transfieren a la categoría de componentes críticos. El reemplazo regular se realiza cada 8000 horas de funcionamiento o cada 2 años, lo que ocurra primero, independientemente de las fugas visibles.
9. Resumen
El análisis de fallas ha demostrado que las fallas de los sellos de los cilindros hidráulicos rara vez tienen una causa única. En este caso, una combinación de fluido de trabajo contaminado, desalineación mecánica y un pico de presión crítico debido a ajustes incorrectos del relé de control dieron como resultado una rápida degradación del poliuretano y el PTFE. Un enfoque sistemático del mantenimiento, que incluye el control de la pureza del aceite, el centrado preciso de la mecánica y el control estricto de los parámetros electroautomáticos, es el único método fiable para garantizar el funcionamiento ininterrumpido de los sistemas hidráulicos.
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10. Referencias normativas
- ISO 4406:2017 — Accionamiento hidráulico volumétrico. Fluidos de trabajo. El método de codificar el nivel de contaminación por partículas sólidas.
- ISO 5598:2020 — Sistemas hidráulicos y neumáticos. Diccionario de términos.
- DSTU ES ISO 4413:2014 — Accionamiento hidráulico volumétrico. Normas generales y requisitos de seguridad para sistemas y sus componentes.
- ISO 10771-1:2015 — Accionamiento hidráulico volumétrico. Ensayos de fatiga de carcasas metálicas operando bajo presión.
