domingo, 20 de febrero de 2022

DISTRIBUCIÓN DE LA CARGA Y VERIFICACIÓN DEL CONTACTO ENTRE DIENTES.

 

 Blog: https://componentesmecanicos.blogspot.com/                    Por: Eduardo Niño de Rivera

Bajar formato pdf.                                                                           Edición: John Amendola Sr.

                                                                                                         Artec-Machine Systems.

  INTRODUCCÓN.

Este artículo está dirigido a personal de mantenimiento mecánico con un nivel de entrenamiento superior al normalmente requerido según se describe en el artículo anterior, “Inspección de Reductores de Velocidad Para quienes no son Especialistas”. Se requieren conocimientos específicos para verificar y registrar el patrón de contacto entre los dientes de los engranes para permitir al personal de mantenimiento dar seguimiento a la evolución del deterioro de los engranes en el tiempo. Esta información, completa y precisa, puede enviarse a especialistas en engranes para que elaboren el análisis, el diagnóstico, el reporte de problemas potenciales y las recomendaciones de las actividades correctivas a ejecutar.

Los cálculos de la capacidad de los engranes suponen que en condiciones de operación, la carga se distribuirá en forma homogénea en toda la superficie de contacto de los dientes. Si el contacto es deficiente, habrá un incremento de los esfuerzos en zonas localizadas de las superficies de los dientes, y por ello, una reducción en la vida útil del engrane. Este artículo aborda las razones y consecuencias de una mala distribución de la carga, y la forma correcta de hacer una inspección del contacto entre dientes.

 

1. CONTACTO ADECUADO

Si una superficie soporta una carga en forma homogénea, los esfuerzos de contacto estarán dados por la carga dividida entre la superficie, que normalmente se miden en kg/cm2, Mpa o lb/in2 (PSI).

 

Los fabricantes de engranes procuran que la carga de trabajo se reparta en forma homogénea en toda la superficie de contacto de los dientes porque si la carga se distribuye en forma dispareja, se incrementan los esfuerzos en puntos localizados, provocando la falla prematura del engrane.


 Este es un ejemplo en que la distribución de la carga no es homogénea. El esfuerzo de contacto va incrementando hacia el lado derecho de la superficie.

 

2. CAUSAS DEL CONTACTO INADECUADO

Varios factores pueden provocar una mala distribución de la carga.


 2.1.- DESALINEACIÓN DE LOS EJES

Los ejes desalineados provocan un contacto disparejo entre los dientes, y una distribución inadecuada de la carga. El patrón de contacto dependerá del plano en que se da la desalineación, por ejemplo, si ésta ocurre en el mismo plano de la carga, la carga se concentrará en un extremo de los dientes.

 

Photo courtesy GEARTECH ©

En este ejemplo, la desalineación provocó concentración de la carga en 2003. el lado izquierdo de los dientes, dejando el lado derecho sin carga.

 

En cambio, si la desalineación ocurre en un plano perpendicular a la carga, el patrón de contacto estará desplazado hacia la raíz del diente en un extremo y hacia la punta en el otro.

 

2.2.- DEFORMACIÓN DE LOS ENGRANES EN OPERACIÓN.

Hay varias razones por las que los engranes se deforman durante la operación:

1.       Elasticidad de los rotores (conjunto de ejes y engranes)

a.       En flexión

b.       En torsión

2.       Diferencias de temperatura al interior del engrane y a lo largo de los dientes.

3.       Deformación de la caja por instalación defectuosa.

 

2.2.1.- La flexibilidad de los rotores permite dos tipos de deformación:

 La primera corresponde al momento flexionante que la fuerza de contacto con los dientes provoca sobre el conjunto eje-engrane, soportado en los extremos por rodamientos o chumaceras;

Y la segunda se debe al par torsional al que está sometido





2.2.2 DEFORMACIÓN TÉRMICA

Los engranes helicoidales tienen un efecto de bombeo que hace que el aceite fluya en dirección paralela al engrane, provocando una diferencia en la temperatura a lo largo del perfil de los dientes, y, con ella, una expansión térmica dispareja a lo largo de este trayecto. Durante la operación se genera calor dentro del reductor de velocidad por la fricción provocada por el batido de la mezcla aire/aceite, que se comprime dinámicamente en el entramado de los engranes; por el esfuerzo en corte de la película de aceite en los elementos de los rodamientos y retenes; y por la fricción del aire con los engranes que giran a muy alta velocidad. En unidades en que los engranes están parcialmente sumergidos en el aceite, también se genera calor por el batido del lubricante que es provocado por el movimiento de estos elementos dentro del aceite. El calor generado, que incrementa la temperatura dentro del reductor de velocidad, se disipa por las paredes de la caja y la circulación de aceite lo transfiere fuera de los puntos en que se genera. Hay, entonces, una distribución dispareja de la temperatura dentro del reductor de velocidad.

 


 2.2.3 DEFORMACIÓN DE LA CAJA POR INSTALACIÓN DEFECTUOSA

Geométricamente, tres puntos definen un plano y si se introduce un cuarto punto, éste probablemente quedará fuera del plano. Podemos observarlo en las patas una mesa, en la que una de ellas se tiene que calzar para que las cuatro queden debidamente asentadas en el piso. Esto mismo puede ocurrir en un reductor de velocidad, condición conocida como “soft foot”. Si durante la instalación de aprietan todas las tuercas sin haber calzado la base adecuadamente, la caja sufrirá una deformación, y la consecuente desalineación en los rotores puede tener un impacto negativo en la distribución de la carga sobre las superficies de contacto de los dientes.

Tocaremos este tema en más detalle en un artículo futuro.

 

2.2.4 MODIFICACIÓN DEL PERFIL DE LOS DIENTES

Los fabricantes pueden modificar el perfil de los dientes para optimizar la relación deslizamiento/rodaje en el contacto entre engranes que, por ser sometidos a grandes cargas o a velocidades muy elevadas en condiciones de operación, sufren deformaciones pronunciadas. Aunque el contacto en condición estática sea disparejo, las deformaciones del conjunto eje-engrane durante la operación darán como resultado un contacto adecuado.

 

3. OTRAS MODIFICACIONES AL PERFIL DE LOS DIENTES.

Los dientes de los engranes son relativamente rígidos, multiplicando el impacto de pequeños defectos de fabricación. Para compensarlos, se hacen otras modificaciones al perfil de los dientes.

 

Para mitigar el impacto que se da en el momento en que los dientes entran en contacto y en el que salen de él, se debe relevar tanto la punta como la raíz del diente.

 

También se modifica el perfil de los dientes para compensar las deformaciones que se dan en operación por:

1.       Flexión del diente como elemento soportado en voladizo

2.       Los esfuerzos de corte provocados por la carga

3.       Errores de manufactura que inciden en una posible concentración de esfuerzos

4.       Cargas de impacto provenientes del motor o la máquina

5.       La fuerza centrífuga a la que se somete a engranes que giran a muy alta velocidad


4. CAPACIDAD NOMINAL

Al hacer el cálculo de la capacidad nominal de un reductor de velocidad, se parte del supuesto de que la carga estará distribuida en forma homogénea en toda la superficie de los dientes, sin embargo, como hemos visto hasta aquí, la calidad de los engranes desempeña un papel importante en vida útil de los engranes. Pero las actividades diarias del personal de la planta también tienen gran influencia en la vida útil de un reductor de velocidad (“Inspección de Reductores de Velocidad Para quienes no son Especialistas”).

 

 5. VERIFICACIÓN DEL CONTACTO ENTRE DIENTES.

Al notar una anomalía en su funcionamiento o al volver a armar un reductor de velocidad al que se le han cambiado piezas, se debe verificar el contacto entre los dientes en dos condiciones:

1.       Estática, con el reductor detenido y carga mínima; y,

2.       Dinámica, con el reductor operando, de preferencia a velocidad y con carga normal de operación.

 

5.1. La inspección estática se puede hacer con el reductor destapado, pero los soportes, ya sean rodamientos o chumaceras, deben estar bien colocados en su lugar.

5.1.1 PROCEDIMIENTO

 

a)       Limpiar los dientes con solvente de secado rápido, deben estar libres de aceite

b)      Aplicar una película delgada de fluido de verificación que no seque, como el Azul de Prusia de Dykem, en un mínimo de tres dientes del engrane de baja velocidad (el más grande).

c)       Frenando con la mano uno de los ejes, se hace girar el otro, también con la mano, hasta que el fluido de verificación se transfiera a los dientes del engrane de alta velocidad. Luego se invierte el sentido de giro para que el fluido se transfiera al flanco opuesto.

 

 Se debe tener cuidado de no aplicar demasiada tinta ya que el exceso se adhiere a las paredes del otro engrane mostrando un contacto pleno, aunque no lo haya.

 En los engranes con perfil modificado, aunque el contacto sea adecuado en condiciones de operación, el resultado de la inspección estática mostrará un contacto disparejo. Algunos fabricantes proporcionan el patrón de contacto que deben tener sus engranes en la prueba estática. Si no se cuenta con esta información, se puede tomar el contacto del lado no sujeto a carga para determinar si los engranes están correctamente alineados. En todo caso se debe llevar el registro del patrón de contacto entre dientes para seguir su evolución en el tiempo.

 El registro del patrón de contacto se hace mediante una cinta adherible transparente que cubra toda la superficie del diente.

 

1.       Colocar la cinta en los flancos de los dientes a los que se ha transferido la tinta.

2.       Asegurarse de que la cinta esté totalmente limpia, sin huellas digitales ni basura

3.        Frotar la cinta con un trapo limpio para asegurar un contacto parejo y completo.

4.       Marcar la cinta para identificar la punta y la raíz del diente,

5.       Colocar una hoja blanca de papel, que sea unos 15cm más larga que el diente, sobre una superficie plana

6.       Separar la cinta comenzando en un borde y haciendo con ella un ángulo pronunciado.

7.       Colocar la cinta sobre el papel blanco.

8.       Identificar:

a.       a.- El flanco con carga y el que no soporta carga

b.       b.- La punta y la raíz

c.       c.- El lado del acoplamiento y el lado libre

 

 

5.2. La inspección dinámica se hace con fluido de trazado. Esta tinta seca rápidamente. La prueba se hace con el equipo en movimiento y debidamente lubricado, de preferencia a velocidad y con carga de operación.

5.2.1 PROCEDIMIENTO:

a)       Limpiar los dientes con solvente de secado rápido, éstos deben estar libres de aceite

b)      Aplicar una película delgada de fluido de trazado Dykem de secado rápido, en ambos flancos de un mínimo de tres grupos de tres dientes cada uno en ambos engranes

c)       Permitir que el fluido seque (aproximadamente 2 minutos).

 

El patrón de contacto estará dado por las zonas en que se ha desgastado el fluido de trasado.

 

6.- EVOLUCIÓN DEL DETERIORO

La inspección del contacto es necesaria durante el reensamblado y alineación para que el reductor de velocidad trabaje adecuadamente una vez que se ha vuelto a poner en operación. Es necesario también comparar los registros a través del tiempo para observar la evolución del desgaste de engranes y rodamiento. Una tendencia acelerada en el desgaste representa una señal de advertencia para hacer ajustes y reemplazar partes oportunamente para mantener la máquina produciendo partes dentro de especificación y para evitar los costosos paros por fallas inesperadas.


7.- CONCLUSIÓN

La desalineación y las deformaciones impiden un contacto adecuado entre los dientes y pueden acortar la vida útil de los engranes. Cuando el personal de la planta reporta ruido, vibraciones o temperaturas anómalas; cuando se reemplazan partes; o cuando se hacen ajustes a un reductor de velocidad, se debe verificar el contacto de dos maneras: estática, con fluido de verificación que no seca, haciendo girar los engranes con la mano y observando el patrón en que el fluido se transfiere de un engrane al otro; y, dinámica, con fluido de trazado que seca rápidamente, para observar el patrón de contacto en operación normal. Estas inspecciones son necesarias durante el rearmado y alineación del reductor de velocidad para asegurar su funcionamiento adecuado. Comparando los registros a través del tiempo se puede evaluar la evolución del desgaste de los engranes y rodamientos, dando advertencia de la necesidad de hacer ajustes y reemplazar partes oportunamente para mantener la máquina dentro de especificación y evitar costos paros por fallas inesperados.

 

AGRADECIMIENTO:

Este artículo está basado principalmente en la primera parte, “Load Distribution”, del seminario “Gearbox Field Inspections”, AGMA GEAR EXPO – 25 OCT 2017, presentado por Artec-Machine Systems

 

REFERENCIAS

 

1.- https://www.horsburgh-scott.com/resources/PDFs/hs-maint-manual.pdf

 

2.- https://www.powertransmission.com/articles/0314/Best_Practices_for_Gearbox_Assembly_and_Disassembly/

 

3.- https://www.machinerylubrication.com/Read/28765/how-to-inspect-a-gearbox-

 

4.- https://www.engineerlive.com/content/top-10-tips-industrial-gearbox-inspection-and-maintenance

 

5.- https://fieldservicesengineering.co.za/gearbox-maintenance/

 

6.- .- https://webstore.ansi.org/SDO/AGMA?gclid=Cj0KCQiA7oyNBhDiARIsADtGRZYWHCXT9-PAX-wSTWUucvcovdbsBX5FYce-NdGmpqgtYP6F96ecO4waAsavEALw_wcB ASI/AGMA 1010-F14 Appearance of Gear Teeth – Terminology of Ware and Failure. Febrero 2020

 

7.-https://www.geartechnology.com/issues/1192x/faure.pdf Classification of Type of Gear Tooth Wear – Prat I

 

8.- https://www.geartechnology.com/issues/0193x/faure.pdf Classification of Type of Gear Tooth Wear – Prat II

 

9.- The Speed Reducer Book Peerless-Winsmith Inc. 1980  

 

 10.- Dietmar Sterns. “A Refined Method to check contact Patterns of gears guarantees Factory Quality Tooth Contact, But With Less Effort and Risk.” IPS 48° Turbomachinery & 35° Pump Symposia, 9 al 12 de septiembre del 2019.