1

CURSO “ALTO NIVEL DE DISEÑO DE CONTROLADORES INDUSTRIALES” MÓDULO 2 - Verificación y control de los sistemas y componentes de la máquina. Tarea 2.2 – Inspección y métodos de inspección de los sistemas y componentes de la máquina. Puntos principales:

• Introducción. • Herramientas y técnicas de inspección. • Inspección de engranajes de reducción o métodos de valoración. • Fallas en cojinetes de fricción.

2.2.1. Introducción a la inspección de las máquinas e instalaciones.

Inspección generalmente significa el examen organizado o evaluación de un objeto dado. La inspección de actividades de construcción de maquinaria incluye mediciones, pruebas, análisis, etc., aplicados a las características particulares en relación a un objeto o una actividad. Los resultados suelen compararse con ciertos requisitos definidos y normas para determinar si la condición o actividad está en correspondencia con ellos. Las inspecciones, por lo general, son no destructivas. El tipo de inspección es una parte esencial de la gestión de calidad. La inspección de los sistemas de la máquina, por lo general, se lleva a cabo para garantizar su seguridad y fiabilidad. La inspección y la verificación de los sistemas de la máquina están estrechamente relacionadas. Los órganos europeos que participan en la inspección de ingeniería pueden ser evaluados por los órganos de acreditación de acuerdo con la ISO 17020 "Criterios generales para la actividad de los diferentes tipos de órganos que realizan inspecciones". Esta norma define la inspección como las pruebas de un producto, proceso, servicio o instalación o su diseño y determina si cumplen una serie de requisitos específicos o generales en función de su ámbito profesional. Examen no destructivo (NDE) y test no destructivo (NDT) es una familia de tecnologías que se utilizan durante la inspección para analizar los materiales, componentes y productos, así como los defectos intrínsecos (como grietas y hendiduras) o en su puesta en servicio inducidos por defectos (daños ocasionados por uso). Algunos métodos generales son: Visual, láser, microscópico, magnético, con rayos X, la defectoscopía por ultrasonidos, corrientes de Foucault, pruebas acústicas, análisis de vibración, y pruebas termo-gráficas. Para determinar los efectos de los pequeños defectos se utilizan a menudo los Microscopios estéreo, por ejemplo en placas de circuitos impresos, circuitos integrados. Programa para la inspección periódica Un programa para la inspección periódica de las instalaciones importantes de una empresa puede ser útil en una serie de aspectos. La más

2

importante de ellas es que la acción inmediata puede realizarse para corregir los posibles problemas antes de que se provoque el fallo. Un programa para la inspección no debe ser costoso. A menudo puede ser llevado a cabo por mantenimiento de la propia empresa. Sólo es necesaria ayuda externa cuando se pueden ocasionar fallos graves. Medidas aconsejables para iniciar y seguir un programa de inspección de las instalaciones.

I. Elección de las instalaciones que deben incluirse en el programa. II. Obtención de los datos correspondientes y registro de la información para las tareas

principales: 1. Historial de mantenimiento. 2. Presentación de los datos de rendimiento. 3. Servicios prácticos. 4. Datos sobre el coste de la reparación (mano de obra, materiales…). 5. Estimaciones de los coses mínimos debido al tiempo de inactividad. 6. Determinación del tiempo de ordenar un nuevo conjunto de equipos en caso de

sustitución, si es necesario. III. Determinación de la frecuencia de inspección de cada instalación seleccionada y

posterior realización de un patrón consistente en: 1. Recomendaciones para mejoras. 2. Evaluación de la eficacia de la intervención.

El mecanismo de control debería incluir una serie de áreas. Algunos de los problemas que se pueden ver durante la inspección de las instalaciones y sus posibles razones son: fatiga superficial, el uso, los daños en las piezas de plástico, dientes rotos, la contaminación de los lubricantes, la falta de lubricación, perturbaciones, etc.

2.2.2. Instrumentos y técnicas de inspección Mirar, escuchar, sentir. Están relacionados con las condiciones inusuales e incluidos en la pauta de comprobación. Por ejemplo: vibraciones, altas temperaturas, ruido, etc. Haciendo pleno uso de las herramientas disponibles se debe hacer para la comprobación, mantenimiento y registro de las observaciones de la inspección. Ejemplos: • Análisis del lubricante usado (información sobre el estado del lubricante y el tipo y cantidad de los contaminantes en su caso). • Pirómetro para comprobar su temperatura. • Termómetro. • Cámara digital de vídeo para capturar muestras del desgaste. • Estetoscopio para medir el ruido. • Inspección y análisis de vibraciones. • Termocámara.

3

Algunos ejemplos de control visual de las instalaciones 1. Registro visual de la superficie real de los dientes mediante el uso de materiales

simples (papel de carbono y cinta).

2. Registro visual mediante cámara digital

Desgaste leve

Desgaste moderado

Corrosión leve

Corrosión extensa

2.2.3. Inspección de engranajes de reducción. Métodos de medición.

La comprobación de los mecanismos comienza con las tareas diarias en el taller y continúa en un laboratorio para evaluar el mecanismo. Estos procedimientos son necesarios para mantener el control sobre el proceso y producir piezas con la calidad requerida. En el caso de los métodos de control para los mecanismos de transmisión (reductores), la inspección puede ayudar a controlar la siguiente: • Tamaño de la rueda dentada. • Calidad del engranaje. • Fijación del montaje en la máquina.

4

• Configuración de la máquina. • Precisión de la herramienta de corte. • Estado de la herramienta de corte. • Criterios para el afilado de la herramienta de corte. • Proceso de tratamiento térmico etc. Condición de equipos de producción Ejemplos de algunos tipos de inspección de rueda conductora Inspección del tamaño Un método tradicional de comprobación del tamaño de un engranaje consiste en la medición los terminales o bolas de un micrómetro (Fig. 1). La medición por medio de pasadores es un método preciso y conveniente para definir el espesor de los dientes de los engranajes en cada diámetro de acuerdo a la capacidad de los micrómetros. Para dentados más gruesos, se puede medir diente a diente mediante una mordaza (Fig. 2). Las pruebas compuestas también pueden garantizar la medición del tamaño de engranaje-conductor. La medición del diámetro es adecuada cuando la instalación está montada en el engranaje de rodamiento de distancia desde el centro.

Fig. 1. Medición del tamaño mediante

micrómetro de pasadores o bolas.

Fig. 2. Medición del tamaño de un diente del engranaje.

Inspección del Holgura La holgura es la máxima desviación en la distancia entre la superficie de rotación y la superficie dada, medida en perpendicular a esta superficie. La holgura de un equipo puede ser medido por un indicador de cuadrante en un pin o una bola colocada en distancias de dientes sucesivos. En las máquinas modernas de CNC, esta comprobación se puede realizar en un ciclo totalmente automatizado. LA medición de la holgura se utiliza para asegurar una respuesta adecuada y mínima desviación del movimiento giratorio.

5

Fig. 3. Comprobación de la holgura por una bola, un pin o un yunque.

Inspección combinada Una prueba combinada de un engranaje conductor es un método de control en el que el tren de trabajo gira en un doble flanco estrecho (lateral) de contacto con una unidad maestra. La norma AGMA define este tipo de inspección como "desviación radial compuesta". (AGMA - Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes). La reacción se obtiene del engranaje de trabajo que está conectado por un resorte al engranaje del soporte de la máquina de inspección. La prueba combinada se lleva a cabo en una herramienta de control, que permite variar la distancia entre los centros de los dos engranajes durante el movimiento. Esta variación en la distancia central conduce a una indicación "diente a diente" o "combinada", que se puede leer en un indicador simple. La prueba combinada es una herramienta útil y práctica para la definición de la calidad general de la marcha, incluyendo la holgura, la acción en el diente a la rodadura de los dientes, así como para la detección de muescas. Es un método adecuado para determinar errores en los flancos y en los dientes.

Fig. 4. Representación esquemática del dispositivo para la medición de la distancia central

entre los dos engranajes.

6

Fig 5. Registro gráfico de la inspección combinada.

La inspección del perfil El perfil es la forma de curva de los dientes de un engranaje y se mide desde la raíz hasta la punta éstos. La parte funcional u operativa del perfil es la superficie que queda en contacto entre dientes. Esta parte está por lo general un poco por encima de base del diente. En la mayoría de los engranajes axiales paralelos la curva descrita por el perfil es evolvente. En la práctica, se utiliza una herramienta de medición adecuada en el centro del área de la rueda que se mide. La mayoría de las herramientas de medición utilizan un perfil de referencia con el cual comparan el perfil de la rueda que se está midiendo. El perfil se registra gráficamente con el perfil de referencia, representado como una línea recta en la gráfica. Un perfil incorrecto puede provocar un desequilibrio en el eje de rotación del engranaje, que podría derivar en la interferencia diente a diente, provocando excesos de carga y problemas de ruido. En casos extremos, se puede producir un fallo en el conjunto de engranajes.

FIg 6. Inspección del perfil mediante los grados del ángulo de rotación

Inspección de la hélice El manual AGMA de inspección define "desviación de hélice" como la diferencia entre las hélices medidas y las de referencia. En la práctica se utiliza una herramienta de medición

7

para medir la rueda cerca del diámetro del paso de la rueda conductora, monitoreada y gráficamente representadas con la hélice de referencia, representado como una línea recta. La medición de la hélice se utiliza para determinar el contacto directo correcto entre las ruedas dentadas engranadas. Una desviación con la hélice de referencia hará que la carga sea desigual y provocará ruido.

Fig 7. Gráfico de la desviación de la hélice

Inspección del paso de dientes y el índice El espaciamiento es una posición teórica real de cada diente alrededor de la circunferencia del engranaje. La desviación de pitch es la diferencia entre la posición teórica y la posición real de cada diente. Este valor puede ser tanto positivo como negativo. El índice de variación es el desplazamiento de cada diente desde la posición teórica del diente de referencia. La desviación total y el índice de variación son valores idénticos y por lo general están relacionados con el llamado espaciamiento acumulado. La variación total del índice es la máxima diferencia algebraica entre los valores extremos con la variación del índice. Para medir el espaciado de los dientes se utilizan dos métodos diferentes. Uno de ellos utiliza un dispositivo de medición con un solo palpador con un sistema de medición preciso. Este sistema puede ser electrónico, como en las máquinas de medición CNC, así como con control de eje de rotación mediante codigo. También se pueden utilizar dispositivos mecánicos, como rueda seguidora, divisor circular o escalas ópticas. El segundo sistema utiliza dos palpadores para la obtención de datos sucesivos en las zonas cercanas a los flancos de la rueda durante el giro. Los datos obtenidos a partir del sistema de dos sondas tienen que ser corregidos matemáticamente para obtener los valores de la separación de los dientes. El sistema de un solo palpador es más preciso y el más usado.

8

Fig 8. Medición paso a paso o de posición angular.

El índice de medición se utiliza para determinar las distancias correctas en los engranajes. Los errores de espaciado del diente son la principal fuente de ruido por el cambio de paso y la holgura acumulada. Aunque el principal componente de la variación del paso es el holgura parcial, y no siempre es posible detectarla durante su puesta en servicio o la inspección combinada. Inspección de flanco simple. La inspección individual del flanco parece idéntica a la técnica de inspección combinada y a la de inspección doble flanco. En realidad, es bastante diferente, porque el engranaje de ensayo se hace girar a su distancia de diseño desde el centro con espacio intermedio respecto al engranaje de referencia. Simula lo suficientemente cerca el trabajo de la marcha real.

Fig 9. Diferencia entre la inspección de flanco doble y simple.

La herramienta de inspección de flanco simple utiliza dispositivos de codificación a lo largo de los dos ejes de rotación del dispositivo fijo y móvil. Los datos sobre la rotación de cada codificador se procesan electrónicamente y se comparan uno con otro para obtener la diferencia de fase. Esto revelará la desviación del movimiento de rotación de la velocidad angular constante ideal en engranajes perfectamente emparejados. Los resultados de esta

9

diferencia de fase se registran gráficamente en forma análoga, similar a la gráfica de la inspección combinada. El aspecto más importante de la inspección simple de flanco es la capacidad de medir el perfil de contacto del engranaje. Los datos también están relacionados con la variación del perfil, la variación de paso, la holgura y la variación de paso acumulado. La inspección simple del flanco no excluye la necesidad de la verificación analítica de la desviación de la hélice y no es tan eficaz si se aplica para engranajes en los cuales se busca un mayor contacto, como engranajes helicoidales. Resumen Las Normas AGMA, mencionadas anteriormente, son las mejores especificaciones para los engranajes actualemente. AGMA trabaja en colaboración con ANSI e ISO para conseguir estas especificaciones y es actualmente el órgano regulador del comité ISO para los engranajes. Existen otras especificaciones como la norma alemanda DIN, o la norma Británica BS británico o la japonesa JIS. También hay normas independientes basados en la experiencia de los distintos fabricantes. Wenzel GearTec, M & M Precision Systems, Klingelnberg y otros fabricantes ofrecen máquinas modernas para la inspección con CNC, con utilidades adicionales para la medición de otros parámetros. Por otra parte, estas máquinas permiten la conexión directa a los sistemas informáticos para la interpretación automática de los resultados de la medición.

2.2.4. Fallas en los cojinetes de fricción Descripción/ Especificaciones Fallos de los cojinetes de fricción debido a: 1. Fallos de lubricación. 2. Uso. 3. La fatiga del material. 4. Erosión por cavitación. 5. Corrosión. 6. Oxidación del aceite. 7. Fatiga térmica. 8. Erosión eléctrica. Fallos de lubricación El desgaste es causado por un fallo en la formación de la fase hidrodinámica de película de aceite en el arranque o puede ser causado por la reducción del espesor de esta película de aceite (a veces completa desaparición de lapelícula de aceite lubricante). Esto conduce a un sobrecalentamiento y fusión del material del cojinete (fusión parcial en caso de una tensión más alta de la capa superior de latón y cobre). Cabe señalar que en máquinas de gran friccion pueden ocurrir sin fallo completo de la película, si la temperatura en la película de aceite supera el punto del material del cojinete (alrededor de 240 ° C en el caso de los metales blancos de fusión).

10

Las posibles razones se enumeran a continuación. (Es poco probable que el fallo aparezca debido a la mala calidad de la producción del rodamiento).

- Cantidad insuficiente de lubricante. Esto puede suceder en el arranque en condiciones de baja temperatura si la viscosidad del lubricante en el depósito es tan alta que, en condiciones efectivas, resulta poca cantidad. (La viscosidad en el arranque no debe exceder 2000 cSt.).

- El uso de un lubricante con viscosidad demasiado baja para la aplicación- - Lubricante demasiado caliente, lo que provoca una fina película de aceite. - Desplazamiento, dando como resultado una tensión en el borde. - Carga excesiva, causando una alta temperatura y una capa fina de lubricante (Carga

inicial excesiva, que retrasa la formación de una película hidrodinámica de aceite, lo cual podría ser un problema con rodamientos hidrodinámicos).

- Órbita del eje demasiado grande (curvada) debido a la inestabilidad del cojinete (por ejemplo, bajo agitación con vórtice sub-síncrono) que también puede conducir a la fatiga.

- La carga de trabajo del eje a lo largo de la línea cerca de la ranura del aceite provoca un deterioro de la película o la falta de aceite. Principalmente en los rodamientos de instalaciones, donde la línea de carga es una combinación de peso y el empuje.

- La pérdida de la superficie útil de los rodamientos, debido a algún otro mecanismo dañado, por ejemplo, debido a la fatiga, la falta electro-corrosión etc.

Aparición de las condiciones de fallo en el inicio

Desgaste debido a la pérdida de la película de aceite hidrodinámica en el proceso de trabajo

3. Árbol de fallos en los elementos rodantes de los rodamientos Descripción/especificaciones El concepto de análisis de árbol de errores es un método, que encuentra una amplia aplicación en el análisis de riesgos y en la predicción de la fiabilidad de la ingeniería. El análisis del árbol de fallos tiene un papel fundamental en el tratamiento de situaciones basadas en la reacción o respuesta, como los fallos, o incluso como un instrumento de

11

interrelación de un sistema complejo de eventos. El objetivo del presente documento es demostrar el significado del análisis del árbol de fallos en puesta en servicio de los cojinetes. Análisis del árbol de fallos El diagrama del árbol de fallos es un diagrama lógico, que contempla los posibles problemas, y lleva a un potencial problema de origen, como en un árbol genealógico. En la mayoría de los casos el suceso principal no deseado está situado en la parte superior del árbol y le llama "evento principal". Con la ayuda de un número de líneas y símbolos de conexión se representan las relaciones lógicas del sistema. El suceso más importante y los intermedios se colocan en rectángulos y los círculos son usados para representar estos problemas clave. Estos símbolos se muestran en la figura. 1. Se utilizan símbolos de puertas lógicas para representar mediante un diagrama de Boole de las relaciones. Un ejemplo de este árbol de fallos es el que se muestra en la figura. 2.

Aplicación en caso de fallo de los rodamientos En el caso de los rodamientos, la principal incidencia es el fallo del rodamiento y se manifiesta como un "fallo del rodamiento". En general, podemos clasificar los cuatro tipos principales de razones por las que se ocasiona el fallo: (1) el medio, (2) la lubricación, (3) causa mecánica, y (4) causa metalúrgica. Estos 4 tipos de fallos se muestran en la fig. 3.

Fig. 1 Fault tree symbols

Circle is used to represent basic events in a fault tree

Rectangle is used to represent intermediate events and the TOP event in a fault tree

Fig. 1 Fault tree symbols

Circle is used to represent basic events in a fault tree

Rectangle is used to represent intermediate events and the TOP event in a fault tree

TOP EVENT

1

2

3 4

IntermediateEvent

IntermediateEvent

Fig. 2 Example fault tree

TOP EVENT

1

2

3 4

IntermediateEvent

IntermediateEvent

TOP EVENT

1

2

3 4

IntermediateEvent

IntermediateEvent

IntermediateEvent

IntermediateEvent

Fig. 2 Example fault tree

12

Preguntas: 1. ¿Qué defectos se pueden señalar por observación visual? 2. ¿Por qué se dan las desviaciones en los engranajes de reducción y cómo pueden ser inspeccionadas? 3. ¿Qué defectos se pueden observar en los rodamientos? 4. ¿Qué puede mostrar un árbol de fallas? 5. ¿Qué defectos se puede encontrar por un estetoscopio? Referencias: http://en.wikipedia.org/wiki/Inspection http://www.businessdictionary.com/definition/inspection.html http://www.bureauveritas.com/wps/wcm/connect/bv_com/group/services+sheet/machinery-inspections-and-audits_1705 http://www.hse.gov.uk/work-equipment-machinery/inspection.htm http://www.matrixshipmanagement.com/audit-and-inspection.html

MetallurgicalFailure

Mechanical Failure

BearingFails

Environment Related Failure

Lubrication Related Failure

Fig.3 Types of bearing failures shown as intermediate events of fault tree

MetallurgicalFailure

Mechanical Failure

BearingFails

Environment Related Failure

Lubrication Related Failure

MetallurgicalFailure

MetallurgicalFailure

Mechanical Failure

BearingFails

Environment Related Failure

Lubrication Related Failure

Lubrication Related Failure

Fig.3 Types of bearing failures shown as intermediate events of fault tree