Analisis de Falla Pasador Pala 4100 r1 Inf Ing 2016 Jch003

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INFORME TECNICO DE INGENIERIA MATERIA: CAUSA PROBABLE DE FALLA EN PASADOR DE CONEXIÓN BALDE-ARO ACTUADOR PALA P&H 4100 1- ANTECEDENTES GENERALES El cliente ha solicitado definir la causa probable de fa lla por fractura del Pasador de conexión Balde-Aro actuador, lado Izquierdo (Fig.1) del equipo Pala P&H 4100 de su propiedad, definiendo en tanto sea posible las circunstancias que provocaron el evento y los elementos que pudieran haber tenido incidencia en su ocurrencia en relación a las solicitaciones solicitaciones de servicio servicio u otras causales, a este este efecto, se estudiara el el componente comprometido, el cual será sometido a los ensayos y pruebas pertinentes a fin de definir esta causalidad.

Fig. 1 Pasador Fracturado 2- OBJETIVOS Y ALCANCES El objetivo del presente trabajo es discernir la causa más probable de falla catastrófica por fractura del Pasador de conexión Balde-Aro actuador, lado Izquierdo del equipo Pala P&H 4100 de propiedad del Mandante. 3- NORMAS Y/O ESTÁNDARES APLICABLES En base a las características de los estudios a realizar, se utilizarán como normas aplicables aquellas que competan a los ensayos efectuados, interpretando sus resultados conforme a criterios de ingeniería normalmente aceptados para este tipo de análisis.

Los Jardines de Norte 112, emal: mario.hidalgo [email protected] @jch.cl – [email protected] – [email protected], [email protected], Fono Fono (56) 9 72634848

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4- ANTECEDENTES PROPORCIONADOS POR EL MANDANTE SOBRE EL EVENTO DE FALLA El mandante presenta un informe preliminar de falla S/N con los siguientes alcances: DESCRIPCION DE LA FALLA: Aproximadamente a las 03:00 hrs del 11-04 operador informa que aro ecualizador se desprendió de las orejas del balde.

ANTECEDENTES. 1. Al llegar a terreno se observa que equipo se encontraba al momento de la falla atacando el cerro con los dientes, y ambos bastidores fuera de su posición de contacto con cadenas.

2. Pasadores ambos lados quebrados con evidencia de ruptura instantánea.

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3. Se observa que uno de los cables de levante se desmonto de su roldana.


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4. El terreno en el cual se encontraba trabajando se encontró totalmente disparejo con callos y mucho roquerío, lamentablemente se envió equipos de apoyo a realizar limpieza de sector después de la falla, lo cual no se pudo sacar más evidencias.


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En foto con circulo se observa terreno con dureza (callo), esto evidencia que el terreno en la cual está trabajando el equipo esta duro o mal tronado.

De acuerdo a la información recopilada que se obtuvo de operador mina turno día quien afirmo que el terreno no estaba en condiciones aptas para el trabajo de la pala, aludiendo también que en su oportunidad exigió que le cambiaran de frente para así cuidar el equipo. Hace por lo menos 2 meses atrás se grabó un video sobre la operación que estaba realizando este equipo en el mismo sector, en esa oportunidad se deja evidencia y se indica sobre los daños que puede tener tanto el gantry, mango, cable de levante, cables de suspensión y balde. RECOMENDACIONES. Enviar pasadores, y orejas a realizar análisis de fractura. Ver operatividad de las demás palas S01 y S02.  

5- INSPECCIONES, EVALUACIONES, ENSAYOS Y PRUEBAS Con objeto de definir las características y condiciones del componente siniestrado, se efectúan ensayos de dureza, análisis químico, análisis metalúrgico, inspección visual y metrología de desgaste, los resultados de estas actividades se detallan a continuación.


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5.1 Ensayo de Dureza

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Las mediciones fueron tomadas por un durómetro portátil marca “TIME HARDNESS TESTER TH130” , las zonas testeadas fueron preparadas mediante pulido superficial con disco de circonio y lijas grano 120 a 400. Los resultados obtenidos se muestran en las tablas siguientes: FRAGMENTO F-1

FRAGMENTO F-2

FRAGMENTO F-3

FRAGMENTO F-4

ENSAYO EXTERIOR INTERIOR TUBO

MED 1 585 251 188

MED 2 646 255 182

MED 3 653 249 190

PROM 627 252 187


MED 1 380 240 ---

MED 2 329 278 ---

MED 3 367 251 ---

PROM 358 256 ---


MED 1 625 254 178

MED 2 S. R. (*) 254 181

MED 3 S. R. (*) 252 177

PROM S. R. (*) 253 179


MED 1 382 256 180

MED 2 329 251 179

MED 3 370 248 181

PROM 354 252 180

Las notables diferencias en las durezas superficiales obtenidas en los ensayos de los diferentes fragmentos del componente estudiado no son una característica deseable en elementos mecánicos como este. Es destacable la diferencia existente entre el fragmento F2, el cual presentó la falla de forma más catastrófica ya que se desprendió del resto del cuerpo y que además se posiciona entre orejas, en relación con los fragmentos F1 y F3, sin embargo el fragmento F4 presenta la misma dureza superficial que el fragmento F2. Adicionalmente se puede apreciar que en el cuerpo interior de todos los fragmentos la dureza obtenida es similar. Las diferencias en la dureza superficial de los distintos segmentos pueden ser atribuibles a un tratamiento térmico deficiente, el cual no logró una capa dura de espesor suficiente para proteger al elemento del desgaste producto de la fricción y compresión presentes como solicitación en el conjunto mecánico. Esta hipótesis toma fuerza al observar el estado superficial de los distintos fragmentos, los cuales presentan evidencias de deformación por compresión con flujo plástico, adherencias y pérdida de material por fricción, las cuales se pueden deber a incrustaciones producidas por el mismo material del pasador al


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desprenderse del base. Los elementos de juicio enunciados previamente quedan en evidencia en las imágenes siguientes:

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5.2 Análisis químico Método o Norma utilizada:

Espectrometría de Fluorescencia de Rayos X. Norma ASTM E572-06. Carbono y Azufre Elemental. Norma ASTM 1019-11 Método A. Temperatura 21,8 +/- 0,5 °C. Humedad Ambiente 51,0 +/- 5.0% HR.

Condiciones Ambientales: Resultados ID MUESTRA PASADOR 1

C 1,29

Si 5,04

Mn 11,40

P 0,072

COMPOSICION (%) S Cr 0,003 2,53

Mo 0,214

Ni 0,076

Cu 0,152

El material corresponde a un acero susceptible de tratamiento térmico donde la presencia de un alto contenido de Manganeso y moderado contenido de Cromo permite obtener durezas altas, el silicio presente es adecuado para fundición, el contenido de impurezas es aceptable en cuanto al Azufre pero es relativamente alto en cuanto al Fósforo, el Molibdeno, Níquel y Vanadio están presentes a nivel de trazas al igual que el Cobre, sin embargo este último componente es comprobadamente un agente retardador de la oxidación.


V 0,019

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5.3 Análisis Metalográfico Método o Norma utilizada:

8 E8 - 15a Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. E3 - 11 Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens. E45 13 Standard Test Methods for Detemining the Inclusion Content of

Steel. Condiciones Ambientales:

E112 - 13 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size. Temperatura 21,1 °C. Humedad Ambiente 48 % HR.

Para realizar el análisis se realizo un desbaste con lijas, desde la número 120 hasta la número 1.200 y a continuación se pulió la superficie con tres paños utilizando alúmina 1,2 y 3 respectivamente como abrasivo. Posteriormente la muestra fue observada al microscopio óptico. La figura B1 muestra una imagen sin ataque a 100 aumentos donde es posible observar inclusiones del metal, adicionalmente se observan micro rechupes.

Fig.B1


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Para revelar las fases presentes, se procedió a atacar químicamente la superficie de la muestra con Nital al 3% (Ácido Nítrico 3% V/V) durante 10 segundos. Posteriormente la muestra fue observada al microscopio óptico. En las figuras B2, B3 B4 y B5 se muestran micrografías atacadas a 100, 200, 500 y 1000 aumentos, respectivamente, donde se aprecia una micro estructura compuesta por granos de austenita y carburos en borde de grano

Fig.B2

Fig.B4

Fig.B3

Fig.B5

La presencia de inclusiones, micro rechupes y carburos excesivos en borde de grano no son elementos deseables en el acero Base para un elemento mecánico de las características del componente estudiado.


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5.4 Inspección visual y metrología de desgaste La inspección visual del componente siniestrado evidencia 2 fracturas catastróficas posiblemente instantáneas o muy rápidas al no haber evidencias de fatiga por carga cíclica normalmente detectables por marcas secuenciales con distancias en incremento conocidas como "orillas de playa", sin embargo esta hipótesis no se puede informar como taxativa debido a que parte del material base se pulió por fricción contra el segmento colindante. La fractura presente entre los fragmentos denominados como F1 y F3 con desprendimiento catastrófico de parte del cuerpo del componente, denominado F2 presenta además arboladuras tangenciales al corte principal atribuibles a cizalle y tracción, en tanto la fractura existente entre el fragmento denominado como F3 y el fragmento denominado como F4 presenta una disposición mas pareja con presencia de deformación plástica por compresión, este modo de fractura es coherente con cizalle por flexión de los elementos contenedores (orejas). Como se enunció previamente en el acápite 5.1, la calidad superficial de los segmentos denominados F1, F2 y F3 presentan graves daños con presencia de desgaste por compresión con flujo plástico, adherencia y fricción gruesa atribuible a incrustación de material d esprendido, evidenciando además una importante pérdida de medida en diámetro cuya distribución no es totalmente radial ya que presenta mayor deformación en aproximadamente una mitad del diámetro que en la sección diametral opuesta. En cuanto al fragmento denominado F4, este presenta desgaste por fricción más fina, produciendo una superficie con bastante rayado superficial pero de distribución más pareja y menores diferencia de medida. 5.4.1 Mediciones A efectos de obtener un perfil del desgaste del componente, se toman medidas diametrales cada 50 mm a los cuerpos F1, F3 y F4, el componente F2 no fue medido debido a que su morfología no lo permite, las medidas tomadas se presentan a continuación: Fragmento F1: 240 mm; 235,4 mm; 234,1 mm; 233,9 mm; 237,9 mm Fragmento F3: 239,9 mm; 236,2 mm; 235,5 mm; 235,2 mm; 236,6 mm; 237,9 mm Fragmento F4: 241mm, 242 mm, 241,5 mm


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6- ELEMENTOS DE JUICIO RELEVANTES Como elementos de juicio relevantes, se destaca que las diferencias de medida en el pasador colapsado son coherentes con un desgaste excesivo del buje de la oreja conexión Balde-Aro actuador, este desgaste queda evidenciado en las imágenes siguientes:

El desgaste indicado determinó la ausencia de una sección considerable del buje, esta condición produce que el conjunto mecánico pasador- orejas actúe con solicitaciones distintas y superiores a las normales, generando falta de apoyo en la sección del pasador que debería estar en contacto con la sección de oreja con buje faltante.


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En condiciones normales el pasador está sujeto a solicitaciones netamente de corte por cizalle, no así cuando existe un desgaste tan pronunciado en el conjunto buje-pasador, donde la falta de apoyo genera esfuerzos adicionales del tipo flexión con valores mucho más altos. Adicionalmente el espacio entre el pasador y el buje que se genera a raíz del desgaste permite que las cargas que normalmente son de deslizamiento pasen a ser cargas dinámicas, las cuales son considerablemente mayores para el mismo trabajo.

7- CONCLUSIÓN Conforme al análisis expuesto precedentemente, incluyendo la información entregada po r el mandante en cuanto a las condiciones de operación e historial previo a la falla, a lo observado en el informe preliminar de la falla en sí y al resultado de las observaciones, ensayos y pruebas realizadas, podemos inferir con un grado de certeza razonable que la causa primaria más probable generadora de las fracturas catastróficas del pasador de conexión conjunto Aro-Balde correspondería a un sobre esfuerzo del pasador producido por la falta de sustento en la sección donde el buje presentó desgaste al punto de perder una parte importante de su sección, lo que proporcionó una solicitación combinada de cizalle y flexión en el mencionado pasador superior a la capacidad resistiva de este elemento, el cual a su vez presentó disminuida dicha capacidad resistiva por el excesivo desgaste del diámetro original. Como causas secundarias complementarias se presentan las deficientes características del material base del pasador y su morfología. Como elemento coadyuvante cabe mencionar las condiciones de operación producidas por la falta de nivelación del terreno, lo que contribuyó a incrementar los esfuerzos sobre el conjunto. Como antecedente adicional queremos indicar que la perforación pasante existente en el pasador no es un diseño común en este tipo de elementos, sugerimos hacer un estudio resistivo a fin de determinar que incidencia puede tener en la respuesta del componente frente a las solicitaciones de operación. Frente a las conclusiones obtenidas de los elementos de juicio estudiados, recomendamos en primer término efectuar inspecciones periódicas del grado de desgaste de los elementos mecánicos constituyentes del conjunto Aro-Balde, en segundo término recomendamos estudiar las características resistivas de los pasadores utilizados en la aplicación y en tercer lugar se recomienda mejorar las condiciones del terreno donde opera el equipo. Es todo cuanto podemos informar por el momento sobre el tema que nos ocupa.

Departamento de Ingeniería JCH INGENIERÍA.Mario Hidalgo A.


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