FALLAS DE UN RODAMIENTO
Introducción Más frecuentemente que no, al analizar fallas de rodamientos muchos fabricantes culparán a la lubricación como la causa. Sin embargo, existen usualmente factores externos que pueden ayudar a degradar la película protectora de aceite. Una inspección completa de rodamientos puede ayudar a determinar la causa real de falla, condiciones que usualmente señalarán señalar án como causa una resonancia inadecuada, desbalanceo y/o desalineamiento. Las diez causas más comunes de falla Las posibilidades son excelentes de que las fallas notadas en sus equipos tengan que ver con una de las siguientes 10. Fallas más comunes y sus señales visuales: Sobrecalentamiento- Decoloración de las pistas, los elementos rodantes y las jaulas de dorado a Azul/negro. Falso Brinelling - Marcas de desgaste elípticas en las pistas alineadas axialmente en la posición de cada bola con una terminación brillante y demarcación aguda. a guda. Indica vibración externa excesiva y normalmente ocurre cuando el rodamiento es almacenado en las cercanías de equipos vibrantes tales como compresores alternativos o motores estacionarios. Brinelling verdadero - Ocurre cuando las cargas exceden el límite elástico del anillo. Las marcas se ven como indentaciones en las pistas que aumentan el ruido del rodamiento. Carga revertida - Los rodamientos de contacto angular están diseñados para aceptar cargas axiales solamente en una dirección. Cuando se cargan opuestamente, el área de contacto elíptico en el anillo exterior se ve truncada por el hombro bajo en ese lado. 5. Desalineamiento - El trazo de desgaste de las bolas no es paralelo a los bordes de las pistas. 6. Ajuste flojo - Deslizamiento del anillo exterior provocado por ajuste inadecuado del alojamiento. 1
7. Ajuste apretado - Interferencia excesiva puede sobrecargar los elementos rodantes y producir un trazo de desgaste en el fondo de d e la pista. 8. Carga excesiva - Ajustes apretados, brinelling y pre-carga inadecuada pueden también provocar tempranas fallas superficiales por fatiga de tanto los elementos rodantes como las pistas dando una apariencia de "baches" a las superficies metálicas. 9. Corrosión - Manchas rojas/marrones en los elementos rodantes, pistas, jaulas o bandas son síntomas de corrosión. 10. Contaminación - Síntomas son dentado de las pistas y elementos rodantes que eventualmente provocan alta vibración. Otro síntoma es rayado profundo de la pista donde grandes partículas son "aplastadas" por los elementos rodantes. Más sobre contaminación De todas las situaciones de falla de rodamientos, la contaminación representa la causa más común y es la más evitable. Ser conscientes de las causas de contaminación, identificar sus señales incriminatorias sobre los materiales de rodamientos y seguir algunos pasos de prevención simples ayudará mucho a reducir redu cir las fallas de rodamientos debidas a contaminación.
Causas de contaminación Suciedad "generada internamente" - Suciedad que está presente en el momento del ensamble o reparación de la máquina. Los fabricantes toman precauciones especiales para 2
7. Ajuste apretado - Interferencia excesiva puede sobrecargar los elementos rodantes y producir un trazo de desgaste en el fondo de d e la pista. 8. Carga excesiva - Ajustes apretados, brinelling y pre-carga inadecuada pueden también provocar tempranas fallas superficiales por fatiga de tanto los elementos rodantes como las pistas dando una apariencia de "baches" a las superficies metálicas. 9. Corrosión - Manchas rojas/marrones en los elementos rodantes, pistas, jaulas o bandas son síntomas de corrosión. 10. Contaminación - Síntomas son dentado de las pistas y elementos rodantes que eventualmente provocan alta vibración. Otro síntoma es rayado profundo de la pista donde grandes partículas son "aplastadas" por los elementos rodantes. Más sobre contaminación De todas las situaciones de falla de rodamientos, la contaminación representa la causa más común y es la más evitable. Ser conscientes de las causas de contaminación, identificar sus señales incriminatorias sobre los materiales de rodamientos y seguir algunos pasos de prevención simples ayudará mucho a reducir redu cir las fallas de rodamientos debidas a contaminación.
Causas de contaminación Suciedad "generada internamente" - Suciedad que está presente en el momento del ensamble o reparación de la máquina. Los fabricantes toman precauciones especiales para 2
lavar y limpiar las piezas antes y después del ensamble. Los usuarios deben ejercitar precauciones similares contra el ingreso de suciedad su ciedad al manipular el mismo rodamiento. Suciedad ingresada - Suciedad que ingresa a través de venteos, filtros de aire, sellos defectuosos o mantenimientos. Partículas metálicas de desgaste generadas – Partículas generadas por el desgaste de piezas móviles. Aún bajo la mejor lubricación, las superficies metálicas se desgastan con el tiempo. Este tipo de contaminación empeora cuando ingresa suciedad al sistema. LOS PATRONES DE CARGA DE LOS RODAMIENTOS Y SU INTERPRETACIÓN.
Según la carga que soportan: 1- Cojinetes radiales, que soportan cargas radiales transmitidas por ejes horizontales rotantes o gorrones. 2- Cojinetes axiales o de empuje, que soportan cargas axiales transmitidas por ejes verticales rotantes o pivotes 3- Cojinetes de guías, que soportan cargas de distintos tipos, guiando los elementos móviles con trayectoria rectilínea, como son los patines de deslizamiento, colizas, etc. Capacidad de carga estática básica La capacidad de carga estática básica se especifica como una carga estática que corresponde al esfuerzo de contacto indicado en la tabla siguiente en el elemento rodante y el centro de contacto de la pista de rodadura que están sometidos a la carga máxima. La deformación permanente total del elemento rodante y la pista de rodadura que se produce por el esfuerzo de contacto puede ser de aproximadamente 0,0001 veces del diámetro del elemento rodante.
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Carga estática equivalente La carga que se aplica virtualmente al centro de un rodamiento bajo la cual se obtiene un esfuerzo de contacto equivalente al esfuerzo de contacto máximo que ocurre en la superficie de contacto entre el elemento rodante y la pista de rodadura, cuando la carga radial y carga axial se aplican al rodamiento al mismo tiempo, se denomina carga estática equivalente. En el caso de un rodamiento de agujas, su tipo radial solo admite carga radial, por lo que únicamente se le aplicara carga radial.
Factor de seguridad estática Aunque el limite permisivo de carga estática equivalente se toma típicamente como capacidad de carga estática básica, su límite deberá establecerse teniendo en cuenta la seguridad porque las condiciones requeridas para los rodamientos varían ampliamente. El factor de seguridad estática fs se obtiene mediante la fórmula siguiente (1.9). En la Tabla 3 se muestran sus valores
Carga del
típicos.
rodamiento
Factor de carga La operación en maquinaria real está sometida a una carga mayor que la carga en dirección axial teórica debido a la vibración y el impacto. 4
La carga real se obtiene calculando la carga aplicada al sistema de ejes utilizando el factor de carga mostrado en la Tabla 4.
Distribución de carga Distribución de carga al rodamiento El sistema de ejes se toma como una viga estática soportada por rodamientos para distribuir carga que actúa en el sistema de ejes a los rodamientos. En la Tabla 5 se muestra un ejemplo de cálculo de distribución de carga.
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Transmisión de carga Cargas de rodamientos en transmisión por correa o cadena La fuerza que actúa en la polea o rueda dentada cuando se transmite potencia mediante una correa o cadena se obtiene mediante la fórmula siguiente.
La carga Fr que actúa sobre el eje de la polea se obtiene multiplicando la fuerza efectiva transmitida F t por el factor de correa f b mostrado en la Tabla 6 en el caso de transmisión por correa.
En el caso de transmisión por cadena, la carga que actúa sobre el eje de la rueda dentada se obtiene mediante la fórmula de la misma forma que para la transmisión por correa utilizando un valor entre 1,2 y 1,5 como factor de cadena correspondiente a f b. 6
Cargas de rodamientos en transmisión por engranaje En el caso de transmisión de potencia por engranaje, los métodos de cálculo varían dependiendo del tipo de engranaje ya que la fuerza que actúa sobre el engranaje se divide en carga radial y carga axial, y su dirección y relación varían dependiendo del tipo de engranaje. En el caso del engranaje plano más sencillo, la dirección de la carga es radial solamente y se obtiene mediante la fórmula siguiente.
El valor que
se obtiene al
multiplicar la carga
teórica por el
factor de engranaje f z de la Tabla 7 deberá utilizarse como carga real porque el grado de vibración e impacto que afecta la carga teórica obtenida mediante la fórmula de arriba varía dependiendo del
tipo de engranaje y la precisión del acabado de la superficie del
engranaje.
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Carga media La carga media Fm que se convierte para aplicar duración uniforme a cada rodamiento puede utilizarse en el Caso de que la carga que actúa sobre el rodamiento sea inestable y cambie en varios ciclos.
Carga aproximadamente lineal La carga media F m se obtiene aproximadamente mediante la fórmula (2.12).
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FALLAS DE LOS RODAMIENTOS DE ACUERDO A ISO
Los rodamientos son el corazón de la maquinaria rotativa por lo que su confiabilidad es la mayoría de las ocasiones crítica para la operación de los equipos y plantas. El costo de un rodamiento es muy pequeño comparado con el costo de remplazó y la potencial perdida de producción causada por su falla.
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En los últimos años el mantenimiento ha evolucionado a pasos gigantes, nunca se habían realizado tantos estudios y tenido tantas estrategias de mantenimiento tales como el Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad (RCM), el Mantenimiento Basado en Riesgo (RBM) ó el Mantenimiento Basado en Condición(CBM) por mencionar algunos, estas técnicas a disposición de las empresas están orientadas a hacer eficientes sus departamentos y asegurar la competitividad, garantizando niveles adecuados de Confiabilidad. La mayoría de estas estrategias basan su éxito en el alto valor que tiene el personal operativo y de mantenimiento, aquellas personas que están en primera fila, las encargadas de primera mano de instalar, reparar y mantener los equipos, a la forma en que deben de reaccionar ante estos cambios donde los activos deben de continuar desempeñando su función. El objetivo principal de esta ponencia es el de dar a conocer al detalle la norma ISO-15243, la cual describe el modo de falla que puede tener un rodamiento, ¿Qué es lo que podemos hacer entonces para asegurar la confiabilidad operacional de nuestros equipos a través de los rodamientos?, el vocabulario correcto para distinguir los modos de falla del rodamientos así como sus características principales, del universo de rodamientos que han fallado prematuramente las causas principales son: lubricación, montaje, sobre carga y contaminación, cada uno de estas causas dejaran una marca especifica en el rodamientos dañado por lo que la realizar un análisis de falla es necesario contar con el vocabulario y un método adecuado para llevarlo a cabo y expresar entonces, de manera adecuada y concreta los resultados encontrados. La exposición nos dará una imagen de distintas técnicas, herramientas y estrategias a seguir, a través de ejemplos de fallos, datos económicos de pérdidas y la disponibilidad en el equipo, respetando los requerimientos de calidad, seguridad y al medio ambiente. De igual forma en la necesidad de contar con una estrategia adecuada de rodamientos en la que aplicándola de manera correcta nos ayudara a la mejora continua y como consecuencia a la correcta gestión de los activos en la empresa Para el caso de los rodamientos la clasificación de los posibles modos de fallo según la normativa ISO 15243:2004 se basa en aspectos visibles en las superficies de contacto o en otras superficies funcionales Así mismo esta normativa distingue entre dos tipos de “patologías” asociadas a la fatiga de
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Contacto en rodamientos que son: a. Picaduras por iniciación de grieta subsuperficial. b. Picaduras por iniciación de grieta superficial. Análisis Falla Rodam Iso 15243
FALLAS DE LOS ENGRANES DE ACUERDO A LA NORMA ISO.
ANSI / AGMA 1010-E95 (R2004) La aparición de los dientes del engranaje - Terminología del desgaste y fracaso Esta norma establece la nomenclatura de los modos generales de desgaste de los dientes de engranajes y el fracaso. Clasifica, identifica y describe los tipos más comunes de insuficiencia y proporciona información que, en muchos casos, que el usuario pueda identificar modos de falla y evaluar el grado o la progresión de desgaste. Sustituye ANSI / AGMA 110.04.
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La norma ANSI/AGMA 1010-E95 agrupa los principales modos de fallas en engranajes, en siete clases generales: Desgaste, Agarramiento, Deformación plástica, Fatiga por contacto, Agrietamiento, Rotura y Fatiga por flexión. Las fallas casi nunca ocurren como un hecho aislado. Dos modos, o más, pueden ocurrir simultáneamente o en sucesión, y el modo de falla probable puede ser diferente al de la causa inicial. Los dos modos de fallas más frecuentes en las transmisiones por engranajes y a cuya Resistencia suelen ser verificados según los principales criterios de diseño, establecidos, Incluso en las normas ISO 6336, son la fatiga por contacto y la fatiga por flexión. 1.2.1- Fallas de fatiga por contacto. La falla de fatiga por contacto o picadura de las superficies útiles de los dientes es la Causa principal que inutiliza las transmisiones por engranaje que trabajan con abundante Lubricación. La fatiga superficial puede ser advertida por la remoción de metal y la formación de Cavidades. Estas pueden ser pequeñas (0,38÷0,76 mm) o grandes (2÷5 mm) y pueden crecer o quedarse del mismo tamaño.
Figura 1.2 - Picadura: a.) Inicial, b.)Progresiva [70] La picadura de la superficie de los dientes de acero empieza en los pies de los mismos, cerca de la línea polar. Se distingue la picadura inicial o limitada (Figura 1.2 a) y la progresiva (Figura 1.2 b). Si la dureza de las superficies de los dientes es HB < 350, entonces después de la fase inicial de funcionamiento de los dientes esta escoriación puede cesar. Si la dureza de la superficie de los dientes es HB > 350 la picadura limitada pasa, con frecuencia, 12
a progresiva. En las transmisiones abiertas, donde la lubricación es limitada, la picadura se observa muy raramente, pues la capa superficial, en la cual se producen las grietas iníciales, se desgasta antes de que tenga lugar el proceso de rotura por fatiga. Cuanto más dura y fina sea la superficie útil de los dientes tanto mayor carga podrán soportar, sin que se produzca picadura.
Figura 1.3 – Micropicadura, a.)Vista normal b.)Vista Ampliada. [70] La Micropicadura es un tipo de fatiga de contacto que aparece como un esmerilado o mancha gris bajo condiciones de una capa fina (Figura 1.3 a). Cuando es visto bajo aumento (Figura 1.3 b), la superficie se muestra como un área de muy finos micro agujeros de alrededor de 2,5 μm de profundidad. [64] La resistencia a la picadura se puede elevar, mejorando las propiedades mecánicas de la superficie del diente, aumentando los radios de curvatura de los perfiles de los mismos en la zona de contacto y eligiendo correctamente el lubricante. 1.2.2- Fallas de fatiga por flexión La Falla de fatiga por flexión, consiste en una fractura total del diente (Figura 1.4), o de una parte considerable de este, motivada por la acción de tensiones cíclicas que exceden el límite de resistencia del material.
Figura 1.4 - Falla por rotura de un diente de engranaje. La rotura por Flexión comienza con una grieta en la sección de la raíz y progresa hasta 13
que el diente o parte de este, se rompe. Concentradores de tensión, tales como escalones o entalladuras en la raíz del diente, inclusiones no metálicas, pequeñas grietas provocadas por el tratamiento térmico, desgarraduras o huellas dejadas por las herramientas de corte, pueden condicionar la aparición de esta falla. La resistencia de los dientes a la rotura se puede elevar, haciendo más firme la base del diente y disminuyendo la concentración de tensiones en torno a esta base, mediante el aumento de la curva de transición, un acabado minucioso de la superficie, la elevación de la rigidez de la transmisión, de la exactitud de fabricación y de las propiedades mecánicas del material de las ruedas. FALLAS DE LAS LEVAS
EJE DE LEVAS .- Introducción: Haciendo un breve recorrido por el sistema de distribución del automóvil, nos damos cuenta que el eje de levas cumple un papel fundamental, ya que trasforma el movimiento circular del motor en movimiento vertical, lo cual hace accionar las válvulas de admisión y escape, que es indispensable para generar la combustión y por ende el movimiento del vehículo. 2.- Definición y Funcionamiento: El eje de levas es un mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas, de diferente tamaño y estructura, que es utilizado para activar diferentes mecanismos a intervalos repetitivos, en el campo automotriz nos referimos a las válvulas y a los tanques. El eje de levas tiene como principal función recibir el movimiento causado por el giro del cigüeñal mediante una correa o cadena de distribución y a este movimiento circular transfórmalo en movimiento alternativo, el cual permite la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape, pero para este proceso es necesario que el motor este sincronizado para que las válvulas se abran en una fase determinada, en este caso estamos hablando de: „Admisión, Compresión, Trabajo y Escape´, para que ocurra esto, el número de vueltas del cigüeñal con el eje de levas tienen que estar en relación de 1:2, vale decir que por cada vuelta del eje de levas, el cigüeñal debe girar dos vueltas (ciclo completo).El eje de levas dispone de tres o más puntos de apoyo (en función a su longitud) que sirve para la sujeción y giro del mismo árbol de levas que también sirve 14
para evitar flexiones y vibraciones. También utiliza un plato de anclaje en uno de sus extremos para apoyar el piñón conducido que es el encargado de proporcionarle el giro. Con respecto a las levas tiene una estructura ya que de estas depende, que tanto de mezcla va a ingresar a la cámara de combustión, y como son sus prestaciones a altas revoluciones, por ejemplo en los motores de competición, se utiliza un traslape mucho mayor a comparación de los automóviles de turismo, este incremento de traslape, es ocasionado por la leva, ya que permite que la el tiempo de apertura de la válvula de admisión sea ma yor, lo que ocasiona que ingrese más mezcla que en los vehículos de turismo.
3.- Proceso de fabricación y materiales: El material utilizado para su fabricación es el hierro fundido, se fabrica mediante un molde y una vez mecanizado se le somete a un proceso de temple, gracias a este proceso la leva adquiere gran dureza, y así soportar al gran esfuerzo que estas se someten, concluido este proceso se lleva a uno que rectifica su acabado. Obteniendo una pieza muy resistente y muy precisa. 4.- Fallas, Causas y Soluciones: Ya que el árbol de levas tiene que estar sometido a altas revoluciones y tiene que someterse a grandes cargas de fuerza los cuales origina las siguientes fallas: 4.1 Desgaste de las levas 15
Las levas son endurecidas en todo su contorno para evitar un rápido desgaste de su periferia. El desgaste se presenta mayormente en la nariz reduciendo gradualmente la altura del levantamiento que absorbe la puntería para lograr la inducción de la mezcla aire combustible y desalojo de los gases de combustión. Si el desgaste se presenta en los flancos o rampas, el funcionamiento de la válvula será brusco y ruidoso causando que la puntería (buzo) trabaje sin acción hidráulica provocando bajo rendimiento en el motor. Estos desgastes varían la sincronización de los tiempos de apertura de las válvulas de admisión y escape, produciendo de esta forma combustiones imperfectas que afectan a la potencia del motor, lo cual a su vez generan contaminación ambiental. Al desgastarse la superficie endurecida de una leva, es inútil rectificarla porque reduce o elimina totalmente dicha capa endurecida, ocasionando el desgaste inmediato del perfil de la leva y al mismo tiempo a la puntería. Por eso no se recomendó a rectificar las levas ni la cara de la puntería (buzo). Cambie el juego de punterías y árbol, por uno nuevo en cada ajuste de motor como única
opción para lograr el funcionamiento correcto y duradero del mismo. 4.2. Ruptura del eje de levas: Para este punto vamos analizar las posibles causas que podría ocurrir la ruptura del eje de levas. como refrigerante, y al no existir o existir poco aceite, la pieza se sobrecalienta y tiende a romperse. o empresas que construyen piezas para el automóvil, utilizan mal o de modo incorrecto los materiales e 16
incluso la técnica de fabricación, y muchas veces la pieza no adquiere la dureza necesaria, y como párrafos anteriores citamos, el eje de levas está sometido a altas revoluciones y tiene que someterse a grandes fuerzas, y si la pieza no tiene la dureza correspondiente, llegara a fracturarse o romperse. En este caso recomendamos cambiar todo el eje de levas. Encorvamiento de las levas Ajuste incorrecto de la bancada: En los motores SOHC o DOHC, tenemos un problema al montar el eje de levas, ya que el ajuste es casi similar al dela culata (de adentro hacia afuera), cuando realizamos un mal ajuste deleje de levas, este tiende a arquearse, capaz no lo podremos a ver simple vista por lo que es necesario utilizar instrumentos de medición. Cuando el eje de levas esta arqueado, va a ocurrir malas combustiones en uno o varios cilindros, ya que en la parte arqueada el levante se va a reducir, por lo que va a generar una menor apertura en la válvula de admisión y escape. FALLAS DE LOS COJINETES
Cojinetes Elemento que soporta o sobre el cual se mueve el otro elemento, el cual puede ser un gorrón, un collar de empuje, zapatas, etc. Tipos de cojinetes •Según el tipo de rozamiento – Cojinetes de fricción o de deslizamiento de casquillo completo o buje, de casquillo
partido. – Cojinetes de antifricción o de rodadura. • De bolas, rodillos, agujas, etc...
Un cojinete en ingeniería es la pieza o conjunto de ellas sobre las que se soporta y gira el árbol transmisor de momento giratorio de una máquina. De acuerdo con el tipo de contacto que exista entre las piezas (deslizamiento o rodadura), el cojinete puede ser un cojinete de deslizamiento o un rodamiento respectivamente. Cojinete de rodadura o «rodamiento»
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Un rodamiento o cojinete de rodadura es un tipo de cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento. Dependiendo de su función y de las cargas aplicadas, los elementos de rodadura pueden ser: bolas, rodillos cilíndricos, rodillos cónicos, o rodillos cilíndrico-esféricos, (llamados también «barriletes» por su forma parecida a unbarril). El cojinete de deslizamiento es junto al rodamiento un tipo de cojinete usado en ingeniería. En un cojinete de deslizamiento dos casquillos tienen un movimiento en contacto directo, realizándose un deslizamiento por fricción, con el fin de que esta sea la menor posible. La reducción del rozamiento se realiza según la selección de materiales y lubricantes. Los lubricantes tienen la función de crear una película deslizante que separe los dos materiales o evite el contacto directo. Como material de los casquillos se suele emplear el metal Babbitt Al tocarse las dos partes, que es uno de los casos de uso más solicitados de los cojinetes de deslizamiento, el desgaste en las superficies de contacto limita la vida útil. La generación de la película lubricante que separa por una lubricación completa requiere un esfuerzo adicional para elevar la presión y que se usa sólo en máquinas de gran tamaño para grandes cojinetes de deslizamiento. La resistencia al deslizamiento provoca la conversión de parte de la energía cinética en calor, que desemboca en las partes que sostienen los casquillos del cojinete. Los cojinetes de deslizamiento son ampliamente utilizados en una gran variedad de procesos, debido a esto pueden fallar de diferentes maneras como los es por desgaste, ludimiento entre otros. A lo largo del trabajo se explica que son los cojinetes de deslizamiento, los diferentes tipos que se dividen por su lubricación y por su material, las ventajas que tienen para los diferentes procesos, sus diferentes aéreas de aplicación y como se fabrican. Estos al momento de fallar deben ser analizados para hallar donde y como comenzó la falla, para realizar estos análisis se deben tener en cuenta varias consideraciones, las cuales serán explicadas junto con los diferentes tipos de fallas que pueden encontrarse en los cojinetes de deslizamiento. Fallas En Cojinetes De Deslizamiento En el caso de los cojinetes de deslizamiento, las consideraciones para el estudio de fallas se extienden, no solo al elemento propiamente dicho, sino también a los componentes que lo 18
acompañan. Un cojinete de deslizamiento representa siempre solo una parte de un sistema tribológico; solo se puede lograr la necesaria seguridad de funcionamiento si los otros dos componentes del sistema – el eje y el lubricante- cumplen los requisitos que se les exige. En consecuencia a esto se localizan una serie de condiciones de falla, de las cuales se debe buscar signos o evidencia al momento de realizar el análisis. A continuación se describen las condiciones de falla más comunes para los cojinetes de deslizamiento, así como recomendaciones para su identificación y prevención. Suciedad Suciedad en el circuito de lubricación La presencia de partículas de suciedad en el circuito de lubricación es una de las causas más frecuentes de daño de los cojinetes. Su origen suele estar en una limpieza insuficiente del motor. En función de la naturaleza y el tamaño de las partículas de suciedad, el cojinete presenta rayas circunferenciales de mayor o menor entidad, normalmente acompañadas de restos del material contaminante que han quedado incrustados en su superficie. Recomendación: Al reparar el motor, limpiar cuidadosamente todo el circuito de lubricación. Suciedad en el respaldo del cojinete La presencia de una partícula atrapada entre el respaldo del cojinete y su alojamiento provoca una zona levantada con riesgo de interferir con el eje. Esto tiene su reflejo en la zona opuesta a la partícula, en la superficie interior del cojinete, que presenta un fuerte desgaste localizado. Recomendación: Limpiar cuidadosamente los alojamientos donde se van a asentar los cojinetes, antes de montar los mismos. Falta de lubricación Fallo en el circuito de lubricación La ausencia total de lubricación del sistema eje-cojinete conduce al gripado del cojinete, normalmente con la destrucción total de la pieza. No obstante, es más frecuente el fallo por lubricación insuficiente, en el que la cantidad de lubricante que llega al sistema eje-cojinete no permite mantener la película de aceite y se produce el contacto entre las dos piezas. El funcionamiento prolongado en esas condiciones también produce la destrucción total del conjunto. 19
Recomendación: Debe verificarse cuidadosamente el circuito de lubricación para encontrar la causa del fallo, que puede ser un conducto de lubricación obstruido, un cojinete mal posicionado, fallo en el funcionamiento de la bomba, etc. Rotura de un retén En el ejemplo de la fotografía, la rotura del retén del cigüeñal provocó el escape del aceite por ese extremo. La pista de la pareja de semicojinetes próxima al retén presenta síntomas de gripado, debido a la rotura de la película lubricante por pérdida de presión de aceite. La ranura de engrase circunferencial actuó de barrera del defecto, de forma que la otra pista de los semicojinetes junto con las otras dos parejas del juego presenta sólo zonas brillantes signo de una lubricación insuficiente. Recomendación: Vigilar posibles pérdidas de aceite por los retenes y sustituirlos en caso necesario. Errores de montaje Cojinete invertido Cuando por error se coloca un cojinete sin taladro en una posición en la que debería llevarlo, por ejemplo, intercambiando la posición superior e inferior de una pareja de semicojinetes de bancada, se anula completamente la entrada de lubricante a ese apoyo. En consecuencia, también se anula la lubricación a la muñequilla a través de estos taladros, resultando el gripado del cojinete afectado. Se puede observar en el dorso del cojinete que el orificio de lubricación ha sido obturado. Recomendación: Extremar las precauciones durante el montaje de nuevos cojinetes, comprobando la correcta posición de cada uno de ellos. Otros errores de montaje Los errores de montaje que se muestran a continuación aparecen con relativa frecuencia al reparar motores. Existirán zonas donde la lubricación sea insuficiente, apareciendo un excesivo desgaste localizado. Recomendación: Se revisará que todos y cada uno de los componentes del motor están montados correctamente.
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Errores de mecanizado de los componentes Alojamiento mal rectificado (Facetado o poligonal) Si el rectificado del alojamiento es defectuoso por vibraciones de la máquina o por alguna otra causa que origine un error de redondez acusado, el cojinete copia el defecto de forma de su alojamiento. Presentará franjas de fuerte desgaste alternando con franjas de aspecto normal. Este defecto puede derivar en fatiga de la aleación. Recomendación: Verificar el correcto rectificado de eje y alojamiento. Interferencia con el radio de acuerdo Si durante una reparación se incrementa el valor del radio de acuerdo de la muñequilla o del apoyo de bancada con el brazo del cigüeñal, el lateral del cojinete puede interferir con dicho radio, impidiendo además el flujo de salida del lubricante. En la fotografía el cojinete presenta un daño incipiente, con el borde redondeado debido al frotamiento con el radio de acuerdo del cigüeñal. Recomendación: Utilizar una muela de rectificar en perfecto estado para conseguir una correcta geometría del cigüeñal. Errores de forma del eje: cóncavo, convexo, o cónico Si la muela de rectificar tiene excesivo desgaste, el cigüeñal copiará sus errores de forma. Esto conduce a que las holguras no sean las mismas en toda la superficie del cojinete, y por tanto la distribución de la carga tampoco. Esto provoca un aceleramiento del desgaste en las zonas más cargadas al existir una lubricación inapropiada. Se pueden tener ejes con zonas parcialmente cónicas, cóncavas o convexas. Apriete insuficiente El contacto total entre el respaldo del cojinete y el alojamiento es fundamental para que exista una buena transmisión del calor y un correcto asentamiento de la pieza. Si el ajuste es insuficiente, el cojinete se moverá dentro del alojamiento y se observará en el respaldo brillos debido al rozamiento con el alojamiento. En otras ocasiones se observarán manchas oscuras debidas a aceite quemado que se ha introducido entre ambas superficies. Recomendación: Verificar que las medidas del alojamiento y el par de apriete son las recomendadas por el fabricante. 21
Desalineación entre eje y alojamiento Existen varias causas que originan una desalineación entre el cigüeñal y los alojamientos del bloque: errores de mecanizado, flexión del cigüeñal, deformación del bloque... Estos defectos producen desgaste localizado en algunos cojinetes de bancada, que tiende a disminuir en los cojinetes contiguos. Recomendación: Las tolerancias de mecanizado del bloque y del cigüeñal deben ser las especificadas por el fabricante del motor. Cavitación En determinadas condiciones de funcionamiento, la presión de aceite disminuye localmente y se originan burbujas de vapor que dañan la superficie del cojinete. Este daño se presenta en las zonas del cojinete donde el flujo de aceite presenta discontinuidades, como ranuras de engrase o taladros. Recomendación: Verificar que las condiciones de lubricación, como la presión, el caudal y el tipo de aceite se ajusten a las exigidas por el fabricante del vehículo. Sobrecarga Cuando las condiciones de funcionamiento provocan una carga excesiva sobre los cojinetes, se produce el daño por fatiga del material. La rotura se inicia perpendicular a la superficie del cojinete y progresa en otras direcciones, originando el desprendimiento de pequeños trozos de aleación. Recomendación: Revisar que las holguras de ensamblaje, y el material del cojinete sean los especificados para la aplicación. También es importante respetar las condiciones de puesta a punto del motor. Corrosión Un aceite en mal estado puede dañar la superficie del cojinete. Este efecto es debido a la dilución del plomo de la aleación por parte de algunos compuestos formados en el aceite deteriorado.
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Recomendación: Utilizar el aceite recomendado por el fabricante, así como efectuar los cambios de aceite que se determinen en el manual de mantenimiento del vehículo. Fallas Típicas En Cojinetes De Deslizamiento Algunas fallas más comunes en cojinete de deslizamiento son: Daño en el material de deslizamiento Desgaste Abrasivo: Presenta rayado o acanalado de la superficie por acción de partículas abrasiva con desprendimiento del material y puede llegar a notarse partículas incrustadas en los extremos de los canales, algunas de sus causas son: -Partículas contaminantes en el lubricante (pueden provenir del exterior o puede ser el resultado de degaste interno de la maquina) -Partículas desprendidas del mismo cojinete por cavitación o fatiga superficial que generan el rayado -Sistema de filtrado en el sistema de lubricación deteriorado Cavitación: Desprendimiento de material a casusa de la implosión intermitente de burbujas formadas en el aceite por cambios bruscos de presión. Tiende a presentarse cerca de agujeros de lubricación o en las superficies de los cojinetes orientadas en la dirección de aplicación de las mayores cargas por parte del eje, algunas de sus causas son: -Velocidades o temperaturas de cojinetes o aceite altas. -Fuerzas cíclicas severas sobre los cojinetes por ejemplo las producidas por autoencendidos o detonaciones en motores. -Juegos entre eje y cojinete inapropiado. -Vibración excesiva. -Diseño no apropiado del cojinete o del muñón del eje. -Contaminación del aceite con gases o presión inadecuada. -Aceite no apropiado o con tendencia a formar espuma. Fatiga Superficial: Se caracteriza por grietas y pérdida de material de la superficie de los cojinetes, generando el denominado picado. Está asociada a la presencia de cargas mecánicas o térmicas cíclicas sobre estos elementos, algunas de sus causas son: -Cargas cíclicas anormales por desalineamiento, excentricidad, desbalanceo, ciclado térmico o 23
vibración. -Cargas alternantes severas en máquinas reciprocantes. -Sobrecarga o sobre velocidad. -Temperatura de trabajo elevada (insuficiente lubricación). -Periodo muy largo de cambio de los cojinetes. Desgaste Adhesivo: Presenta barrido del material en la dirección de deslizamiento y/o decoloración por pérdida del mismo, debido a contacto íntimo entre el cojinete y el eje. Ya que dicho contacto obedece a la perdida total o parcial de la película lubricante, se le conoce también como falla por ruptura de película lubricante, algunas de sus causas son: -Arranques fríos que generan bajo flujo de aceite por alta viscosidad. -Bajo caudal y/o presión de aceite por obstrucción o fugas. -Baja viscosidad por aceite inapropiado o alta temperatura. -Cargas severas que generen contacto de eje y cojinete. -Desalineamientos que generan roces entre eje y cojinete (en bordes). -Juego entre eje y cojinete inapropiado (alto). -Arranque inapropiado de maquina por no encender la bomba de lubricación primero cuando ello es necesario Descarga Eléctrica: El paso de corriente eléctrica entre cojinetes y ejes a través de la película lubricante, genera finas picaduras similares a la de la fatiga superficial, producto de la fusión de pequeñas zonas por la acción del arco eléctrico eléctrico. Este modo de falla es común en motores y generadores eléctricos, algunas de sus causas son: -Inadecuada puesta a tierra de motores o generadores eléctricos, que desemboca en corrientes parásitas entre carcazas y rotes a través de los cojinetes. -Degradación del aislamiento de los embobinados. -Procedimientos inadecuados de reparación por soldaduras en una máquina que haya originado pasó de corriente eléctrica entre eje y cojinetes, por ubicación no apropiada de la pinza (masa). -Contaminación del lubricante con partículas o líquidos conductores. 24
Depósito y/o Corrosión: se presenta cuando se forma sobre el material de deslizamiento un depósito producto de degradación u oxidación de aceite o cuando el material de deslizamiento se corroe. La corrosión puede ser generalizada, por gradiente de concentración o por rendija, mediante los mecanismo uniforme o por picadura, algunas de sus causas son: -Sobre temperatura del aceite. -Contaminación del aceite por agua o gases en el caso de compresores. -Contaminación del lubricante con agua salada. -Usos de un lubricante con aditivos ricos en azufre. Daños en la superficie de Asentamiento. Ludimiento: Consiste en la acumulación de depósitos en la superficie de apoyo del cojinete, producto de desgaste y/o oxidación del mismo asociado a pequeños desplazamientos cíclicos de éste respecto al asentamiento, algunas causas son: -Estado vibratorio severo en la máquina. -Juego excesivo entre el cojinete y su alojamiento. -Mal montaje. Giro y Deformación: Se presenta desgaste adhesivo y/o deformación en la cara de asentamiento del cojinete, por giro o desplazamiento axial del mismo respecto a su posición normal, algunas causas son: -Excesiva carga sobre los cojinetes. -Lubricante inadecuado o deficiencias del sistema de lubricación. -Luego excesivo entre cojinete y asentamiento o mal montaje -Ausencia de pestañas o arandelas de fijación en los cojinetes, o fuerza de apriete insuficiente entre cojinete y asentamiento. -Consecuencia del desgaste adhesivo severo. CÓMO FALLAN LAS CADENAS.
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Una cadena de transmisión sirve para transmitir del movimiento de arrastre de fuerza entre ruedas dentadas EFECTO DE LA PRE CARGA La pre-carga asegura que todos los componentes son correctamente Montados, reduce los ajustes iniciales en funcionamiento y minimiza la elongación de la cadena. Qué es desgaste de cadenas? La elongación del paso es el aumento del largo de la cadena debido al desgaste. El desgaste normalmente ocurre en las áreas de contacto de pasadores y bujes..... DESGASTE El alargamiento de la cadena depende de: • Area de contacto entre perno y buje. • Dureza de perno y buje. • Frecuencia y grado de contacto. • Medioambiente •Lubricación • Nivel de vibración
La elongación puede ser reducida si: • Se reduce la tensión. • Se selecciona una cadena de mayor tamaño, o múltiples hileras. • Se incrementa la dureza de pernos y bujes. • Se incrementa el tamaño del piñón resultando en un ángulo de flexión más pequeño. • Se mejora la lubricación. • Se reemplazan los piñones cuando se reemplaza la cadena.
Medición del desgaste de una Cadena El desgaste de una cadena no debería exceder entre un 23% de la longitud estándar de la cadena. 1. Tire la cadena ligeramente hasta que se encuentre tensa. 2. Utilizando un calibre, medir la distancia interna (L1) y externa (L2) de los rodillos entre los puntos de medición de la cadena.
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3. El promedio entre (L1) y (L2) nos da la longitud medida (L):
La elongación de la
cadena se calcula de la
siguiente manera:
O, de una manera más fácil! Con el nuevo medidor de desgaste de cadenas SKF
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INSPECCION • Es recomendado que las rutinas de inspección sean llevadas a cabo para medir el desgaste
en la cadena. Si el alargamiento es mayor a 2-3% la cadena debe ser reemplazada. Con el sistema desmontado, chequee: •Componentes dañados o deformados, especialmente los
Con el sistema montado, chequee: •Ruidos. •Nivel de vibración extremos de los pernos, las superficies de los rodillos, y los extremos
de las placas. •Juego entre placa y perno. •Contaminación. •Marcas en la superficie de los dientes del piñón. •Interacción
cadena-piñón. •Contaminantes presentes. •Lubricación.
LUBRICACION DE CADENAS Cuando la cadena está en funcionamiento, la articulación entre el Perno y el Buje genera desgaste en estos componentes.
Lubricando correctamente estos puntos se puede formar un film de aceite entre las superficies de contacto del perno y buje, aumentando la vida de estos componentes. 28
Modos de fallas de las cadenas
Síntomas: Vibración excesiva Ruido inusual o excesivo Cadena rígida Batido de cadena Cadena trabajando caliente La cadena se monta al piñón La cadena se aferra al piñón Oxidación Excesivo desgaste de cadenas y piñones La costura del rodillo se abre. PROCEDIMIENTOS PARA CALCULAR EL NIVEL DE DESGASTE
El desgaste: enfoque tradicional. El desgaste se ha subdividido tomando como referencia el mecanismo predominante. Siguiendo un autor cualquiera la clasificación de tipos de desgaste sería abrasión, adhesión, erosión, desgaste micro-oscilatorio (fretting), desgaste químico, etc. Es bien conocida la no coincidencia de los resultados experimentales con los teóricos y la gran dispersión de los resultados experimentales, según las relaciones empíricas expuestas 29
por renombrados científicos de la talla de Tabor, Boden, Archard, etc. Para explicar la dinámica del desgaste existe un modelo cualitativo realizado por Horst Czichos. Se basa en la curva típica del desgaste de metales en función del tiempo, la cual divide en 3 zonas, según el gráfico de la figura 1.
Ocurre al ponerse en contacto por primera vez dos superficies en movimiento relativo. Alta velocidad del desgaste, en este período el contacto se produce en los picos más altos de la rugosidad de las superficies en contacto, generando altas presiones y de formaciones. Con el tiempo el área real de contacto aumenta, así disminuye la velocidad de desgaste.
B. Período de desgaste normal. Zona II. Estado cuasiestacionario que se caracteriza porque la pérdida por desgaste en la unidad de tiempo, permanece constante.
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C. Período de desgaste catastrófico. Zona III. Se generan grandes cargas dinámicas, aumenta la temperatura, el nivel de ruido y de las vibraciones. El sistema va directo a la rotura.
El gráfico se dividió en segmentos donde en cada uno se supone una forma funcional distinta, sin embargo, los puntos señalados con flechas se soslayan y son los que más información aportan. Esos puntos señalan donde el sistema cambia de dinámica y varía totalmente su comportamiento, lo cual puede apreciarse cualitativamente en la descripción de cada período. Si se lograra conocer esos dos puntos, el problema del desgaste estaría resuelto, pues esos puntos definen el tiempo de vida útil. Para cada par tribológico no se puede construir un gráfico permanente como el de la Fig. 1, aun en el caso de materiales idénticos. Si el sistema trabaja en otro régimen, con otros parámetros operacionales, o en otro entorno, la intensidad del desgaste variará sustancialmente. Así vemos cuan sensible es el sistema a las condiciones iniciales. Esto hace que falle la posibilidad de pronóstico. El desgaste es un fenómeno de las superficies en contacto, sin embargo, los cambios más importantes que ocurren en los materiales, que lo llevan a la falla catastrófica, se generan bajo la superficie, en un pequeño volumen. En esta capa se van acumulando cambios, asociados a movimientos cíclicos que ocurren a escala superficial y que facilitan la formación y desarrollo de grietas, provocando pérdidas de material al salir a la superficie. Inicialmente, todo el volumen posee las mismas características, (mecánicas, térmicas, etc.). Con el tiempo, debido a las condiciones propias del uso (carga, temperatura, estados tensionales) en una fina capa subsuperficial va a ocurrir cambios que provocan la pérdida de coherencia con la matriz, debido a la pérdida de cristalinidad. Esto se debe a la migración de defectos hacia puntos concentradores de tensiones, precipitaciones, difusión, formación de nuevos defectos, deformación de la red, cambios de fases, desarrollo y crecimiento de grietas, etc. 31
II. El desgaste: nuevo enfoque. El hombre utiliza los materiales para su desarrollo y comodidad, por tanto necesita saber cuanto tiempo puede explotarlos sin necesidad de reponerlos. Si se trazara el gráfico 1 punto a punto, hasta la rotura, no se resolvería nada. El conocimiento de la historia particular de un par friccionante no permite predecir la historia de otro, aún del mismo material pues puede suceder algo totalmente diferente con solo variar las condiciones del entorno. El conocimiento de la ley del movimiento del proceso de desgaste es lo que permitirá la predicción del tiempo de vida útil en función de los parámetros que caractericen de manera adecuada el proceso de desgaste, sin embargo debemos considerar que los viejos métodos usados, que siguen la idea de subdividir para luego integrar el resultado no ha tenido éxito en la búsqueda de esa ley de movimiento. Un material en uso puede ser considerado un sistema en movimiento en un espacio de posibilidades. En dependencia del valor que tomen las variables estructurales, operacionales y de interacción, el sistema pasará a un estado u otro. El movimiento de un sistema que sufre el proceso de desgaste no es periódico, por tanto no es fácilmente predecible en el tiempo. El movimiento de los sistemas con cierto grado de complejidad puede llegar a ser muy simple, sin embargo, el estudio del desgaste de un par tribológico en explotación, que aparentemente no presenta dificultades, puede convertirse en todo un reto. El desgaste es un fenómeno eminentemente no lineal y toda evidencia de ello hace pensar que se ubica dentro de los mas complejos de la Tribología, por lo tanto seguir patrones tradicionales no nos llevará a obtener una ley que permita el pronóstico deseado. El desgaste debe ser considerado holísticamente, sin obviar o prescindir de ninguna variable. Primero debe establecerse un modelo físico para luego llegar al modelo matemático.
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Las superficies de los materiales interactúan entre si y con el entorno, esto hace que se modifique la topología, por tanto variará la forma en que se distribuye superficialmente la masa. Puede haber remoción o acomodamiento. Considerando el esquema anterior se puede plantear el siguiente modelo matemático:
donde f(m) representa la distribución de masa de cada cuerpo y g(m) caracteriza la pérdida que sufren los cuerpos, es decir, la formación de partículas de desgaste. ξ: magnitudes asociadas a los cuerpos (rugosidad, dureza, coeficiente de fricción,
tipo de material (módulo de Young), carga, velocidad de deslizamiento, etc.) δ: magnitudes asociadas al entorno (temperatura, humedad relativa, contaminantes
(lubricación, agresividad del medio), etc.) La tasa de desgaste es muy susceptible si se cambian algunos de estos parámetros. 33
Pequeños cambios en las condiciones del entorno de un material en uso puede conllevar a cambios drásticos en la intensidad del desgaste e incluso a un salto brusco en la dinámica del fenómeno. Se dice entonces que el sistema sufrió una bifurcación, rasgo distintivo de un sistema que transita del orden al caos. La figura 3 muestra tres posibles respuestas de un mismo sistema, a modo de ejemplo, en dependencia de la agresividad del medio. Si el medio se pasiva, puede que el material alargue su tiempo de vida útil alargando su región II, como se muestra en la gráfica marcada 1, suponiendo que el material esté fabricado para un comportamiento como se muestra en la gráfica sin numerar. Si la ley dinámica varía según el gráfico 2 eso significaría un aumento en la agresión del entorno hacia el sistema. Por ultimo, si el comportamiento es según 3, estamos en presencia de un medio tan agresivo que el
sistema tiende a la rotura rápidamente, reduciendo casi a la mitad su tiempo de vida útil. En este ejemplo el sistema no solo puede presentar cambios en las zonas I y II sino desde el propio período de asentamiento. De hacer el experimento para condiciones controladas del entorno, referirnos a los parámetros estructurales u operacionales provocarían más variación en las zonas que las ejemplificadas. Encontrar las funciones f y g del sistema de ecuaciones diferenciales propuesto, exige un proceso de modelación. El desarrollo de este modelo requiere del cuerpo de conocimientos teóricos de la ciencia no lineal. De todos los paradigmas de la ciencia no lineal (estructuras coherentes, patrones y configuraciones complejas, caos determinista y fractales) solo los fractales han penetrado en la ciencia de los materiales y han encontrado una amplia difusión y aplicación en el estudio de la geometría no euclidiana de los objetos naturales que allí se encuentran, tales como grietas, superficies rugosas, microestructuras, etc. A pesar de saber que el 34
desgaste no es una propiedad intrínseca de los materiales, si sabemos que todos llevan en si, desde su nacimiento, la información de cual será su comportamiento en dependencia de cuales sean los parámetros de interacción y operacionales durante el tiempo de uso. Esta información se encuentra residente en el tipo de red cristalina y átomos que conforman el material, porciento de aleación con otros elementos, incluyendo las impurezas, modo de obtención de la pieza, tipo de tratamiento térmico o termoquímico que recibió como acabado. Conclusiones El desgaste es un fenómeno complejo, dos superficies planas en contacto y movimiento relativo, con o sin lubricación, es un sistema que depende de muchas variables, las cuales se agrupan usualmente en “operacionales” y “estructurales”. Algunos autores consideran un tercer grupo que denominan parámetros de interacción, donde se agrupan las variables de fuerza, energía disipada, tensiones de contacto, etc. Cada variable de cada grupo interactúa dinámicamente con las demás, por ejemplo, el coeficiente de fricción depende del tipo de material, de su dureza, del tipo de lubricante, mientras que según su valor se estima parte de la energía disipada en forma de calor y el calentamiento de los elementos de máquina que conforman el sistema tribológico. A su vez la elevación de la temperatura puede provocar cambios en la microestructura, alterar la dureza, ocasionar la formación de precipitados, lo que puede alterar el coeficiente de fricción. Es decir, entre las variables existe una interdependencia que a veces es física solo debida al contacto, como es el caso del cambio de rugosidad por el rozamiento, pero otras veces es traspaso de información entre partes del sistema. Estas interacciones obviamente no son lineales por lo que al estudiarlas por separado para luego integrarlas perdemos parte importante de lo que sucede, no situamos al sistema en su condición real. Un sistema tribológico es, por tanto, un sistema abierto, disipativo, debido a sus relaciones no despreciables entre las partes y con el entorno. El análisis reduccionista que hasta ahora ha resuelto muchos problemas en el campo de la ingeniería, ahora no sirve. Seguir la estrategia cartesiana de ir de lo simple a lo complejo, lejos de arrojar luz a la realidad, nos sitúa lejos de la explicación satisfactoria pues el resultado que se obtenga puede ser un conjunto de relaciones reversibles, 35
