FALLAS DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS POR DESGASTE
En la búsqueda de minimizar costos de operación y maximizar el rendimiento de maquinarias y/o equipo, el desgaste tiene un papel protagónico. El desgaste es un gran enemigo en muchas de las industrias, pues con su acción tiende a retirar recursos prematuramente. Los ingenieros han comenzado una lucha contra él, a través de hacer análisis técnicos económicos, buscando no ser derrotados y evitando alimentar patios con desechos.
El análisis del desgaste es complejo, interviniendo factores como dureza, tenacidad, estructura, composición química, modo y tipo de carga, velocidad, rugosidad de la superficie, distancia recorrida, corrosión presente, etc. Todo evento que incluya fricción tiene dos efectos negativos: el calor y el desgaste.
Normalmente, el desgaste no ocasiona fallas violentas, pero trae como consecuencias: reducción de la eficiencia de operación, pérdidas de potencia por fricción, incremento del consumo de lubricantes, eventualmente conduce al reemplazo de componentes desgastados y a la obsolescencia de las máquinas en su conjunto. El desgaste junto con la fricción y la lubricación constituyen los objetos de estudio de la tribología. El desgaste es conocido desde que el ser humano comenzó a utilizar elementos naturales que le servían como utensilios domésticos. Este fenómeno al igual que la corrosión y la fatiga, es una de las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos y equipos industriales. El desgaste puede ser definido como el daño superficial sufrido por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos. Este fenómeno se manifiesta por lo general en las superficies de los materiales, llegando a afectar la sub-superficie. sub-sup erficie. El resultado del desgaste, es la pérdida de material y la subsiguiente disminución de las dimensiones y por tanto la pérdida de tolerancias. Los mecanismos de daño en los materiales se deben principalmente a deformación plástica, formación y propagación de grietas, corrosión y/o desgaste 1
Desde que el desgaste comenzó a ser un tópico importante y que necesitaba estudiado y entendido, comenzaron a aparecer en los libros de diseño y en la mente de los diseñadores, ideas sencillas de cómo prevenirlo o combatirlo, entre esas ideas se tienen: 1. Mantener baja la presión de contacto 2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento 3. Mantener lisas las superficies de rodamientos 4. Usar materiales duros 5. Asegurar bajos coeficientes de fricción 6. Usar lubricantes Desgaste definición: Pérdida de parte de la superficie o volumen de algo por el uso o el roce. El desgaste es la pérdida de masa de la superficie de un material sólido por la interacción mecánica con otro cuerpo en contacto. Causantes de las fallas de los equipos mecánicos son: a. Desgaste abrasivo. b. Desgaste adhesivos. c. Desgaste por fractura. d. Desgaste por corrosión. e. Desgaste por erosión. f. Desgaste por cavitación. DESGASTE ABRASIVO
El desgaste por abrasión, que es el más común en la industria, se define como la acción de corte de un material duro y agudo a través de la superficie de un material más suave. Tiende a formar ralladuras profundas cuando las partículas duras penetran en la superficie, ocasionando deformación plástica y/o arrancando virutas.
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Es la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento es el “grado de desgaste” entre los cuerpos involucrados
que es mayor en el desgaste abrasivo. Existe 2 tipos de desgaste abrasivo el de dos cuerpos y el de tres cuerpos. En la abrasión a dos cuerpos el desgaste es causado por rugosidades duras pertenecientes a una de las superficies e contacto, mientras que la abrasión a tres cuerpos, el desgaste es producido por partículas duras sueltas entre las superficies que se encuentran en movimiento relativo. Como ejemplo del desgaste a dos cuerpos, se tiene un taladro penetrando a una roca, mientras que a tres cuerpos se puede citar al desgaste sufrido por las mandíbulas de una trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partículas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar de las superficies en contacto deslizantes.
EL DESGASTE ADHESIVO
El desgaste adhesivo, también llamado desgaste por fricción o deslizante, es una forma de deterioro que se presenta entre dos superficies en contacto deslizante. Este desgaste es el segundo más común en la industria y ocurre cuando dos superficies sólidas se deslizan una sobre la otra bajo presión. El aspecto de la superficie desgastada será de ralladuras irregulares y superficiales.
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Está asociada a toda formación y posterior rompimiento de enlaces adhesivos entre las interfaces, cuando dos superficies son colocadas en contacto íntimo. La adhesión conlleva además el soldado en frio de las superficies. En el desgaste abrasivo el grado de limpieza lleva un papel muy importante ya que cuando el acercamiento entre los cuerpos es mayor y no se presenta ningún tipo de impurezas, capas de óxido o suciedades esto permite que el área de contacto sea aumentada, formando uniones adhesivas más resistentes. El desgaste adhesivo ocurre como resultado de la destrucción de los enlaces entre las superficies unidas, permitiendo que la parte del material arrancado se transfiera a la superficie del otro. Así que la superficie que gana material aumenta su rugosidad lo que provoca que cuando el movimiento continua, se genera desgaste abrasivo contra la otra superficie.
a) Dos asperezas que se tocan. b) Adhesión entre dos asperezas. c) Formación de una partícula de desgaste. DESGASTE POR FRACTURA
La deformación plástica del desgaste por fractura, provoca pérdida de masa a través del desprendimiento de partículas de desgaste de la superficie. Esa pérdida del material es causada por la acción de los campos de esfuerzos cortantes provenientes de la implosión de burbujas de cavitación. 4
Los huecos y fallos en los materiales sirven como lugares para la iniciación de la fractura, debido a la concentración de tensiones en esos puntos.
DESGASTE CORROSIVO
El desgaste corrosivo ocurre en una combinación de desgaste (abrasiva o adhesiva) y de un ambiente corrosivo. El índice de la pérdida material puede ser muy alto debido a que los productos sueltos o flojos de la corrosión se desprenden fácilmente por el desgaste y se revela continuamente el metal fresco y que alternadamente puede volverse a corroer rápidamente. Los equipos industriales como tanques, ductos, codos, bombas, tolvas, centrífugas, colectores de polvo, cajas de ventiladores, tornillos extrusores y, en general, cualquier equipo o superficie pueden sufrir corrosión si se dan las condiciones de humedad, oxigeno, etc. El desgaste por corrosión es un tipo de deterioro metalúrgico provocado por la acción desintegradora de atmósferas corrosivas, combinadas con efectos de fricción, abrasión o rozamiento.
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El índice de la pérdida de material puede ser muy alto debido a que los productos desintégrales producidos por la corrosión se desprenden fácilmente por efecto mecánico, generándose un ciclo repetitivo continuo, en el cual el metal limpio vuelve a corroerse rápidamente de forma sucesiva con la consecuente desintegración progresiva. Se produce por reacciones químicas o electroquímicas entre las superficies y el medio ambiente.
DESGASTE POR EROSIÓN
Es producido por una corriente de partículas abrasivas, muy común en turbinas de gas, tubos de escape y de motores. La erosión tiene generalmente el aspecto de pequeños hoyos lisos. El ataque puede también exhibir un patrón direccional relacionado con la trayectoria tomada por el corroyente, al igual que por movimientos sobre la superficie del metal. La erosión prospera en condiciones de alta velocidad, turbulencia, choque, etc.
De manera frecuente, aparece en bombas, mezcladores y tuberías, particularmente en curvas y codos. Las partículas en suspensión duras son también frecuentes causantes de problemas.
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Éstos se evitan mediante cambios en el diseño, o seleccionando un material más resistente. Este material, además de ser más duro, generalmente debe presentar una resistencia a la corrosión superior incluso en condiciones estancadas o sin movimiento de fluidos. Con este tipo de desgaste no solo se tiene pérdida de material y la consecuente falla de las piezas, sino que está asociado a perjuicios financieros en virtud del tiempo asociado a la reparación de equipos y sustituciones de los componentes desgastados. La erosión es el fenómeno por medio del cual el material es removido de una superficie durante la acción continua de partículas duras o de fluidos que la alcanzan. Las partículas impactan las superficies a diferentes velocidades y ángulos de incidencia, donde el desgaste se da a través de diferentes mecanismos.
Según el medio donde actúan las partículas pueden ser: Erosión a seco: Cuando las partículas son arrastradas por aire o algún gas. Erosión en medio acuosa: Cuando las partículas duras son arrastradas por un medio
acuoso.
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DESGASTE POR CAVITACIÓN
La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades .
Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor
regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.
La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.
El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina. Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y aviones, bombas. Hay dos tipos de cavitación: Cavitación de succión. 8
Cavitación de descarga. Esta es una forma especial de erosión en la cual burbujas de vapor formadas en el fluido en las regiones de baja presión, colapsan cuando entran en las zonas de alta presión en los sistemas de lubricación. La implosión puede ser tan poderosa que puede crear huecos o picaduras, aun en metales endurecidos si esta implosión ocurre sobre la superficie del metal. Este tipo de desgaste en muy común en bombas hidráulicas, especialmente aquellas en las cuales existen restricciones en la entrada del fluido o están operando en alturas elevadas.
Cavitación Vaporosa: La entrada de vapor de agua al aceite produce un incremento de presión que provoca que las burbujas colapsen y exploten lo que daña a la superficie. Cavitación Gaseosa: Es un proceso de difusión conforme a las burbujas de gas no compresibles pasan a regiones de alta presión, se colapsan produciendo intensas presiones y dañando la superficie.
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