“AÑO DE LA DIVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACION”

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

ESTADISTICA PARA INGENIERIA

DISTRIBUCIONES PARA VARIABLES ALEATORIAS, CONTINUAS Y ESTIMACIONES

Docente:ING.Marcial De la cruz Lezema

Integrantes:

Rodriguez Quispe JersonRuiz Jumpa JhonatanSoto Velásquez AlcidesTerreros Casas DanielTicllacuri Ruiz HumbertoTovar Villanueva Hans PedroTovar Villanueva Klaus Patrick

Huancayo–Perú

2015

INTRODUCCIÓN

El concepto de concentración de esfuerzos, se refiere al estado macroscópico de

esfuerzos, y tiene un significado único para problemas en el plano que involucran la

definición de esfuerzo promedio. Entonces si se barrena un agujero en una placa

sometida a tensión, el esfuerzo presente en el elemento es constante siempre y cuando

se mida a una distancia apreciable del agujero, pero el esfuerzo tangencial en el borde del

agujero se vería incrementando considerablemente.

En ingeniería y, en especial, en ciencia de los materiales, la fatiga de materiales se refiere

a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se

produce más fácilmente que con cargas estáticas.

Aunque es un fenómeno que, sin definición formal, era reconocido desde la antigüedad,

este comportamiento no fue de interés real hasta la Revolución Industrial, cuando, a

mediados del siglo XIX comenzaron a producir las fuerzas necesarias para provocar la

rotura con cargas dinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático; y a

desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiables. Este no es el caso de

materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de

prototipos.

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Contenido

i. ANALISIS DE FALLA

Cuando un producto ingenieril cesa de realizar una o más de sus

funciones, mucho antes del fin de su vida útil, se dice que ha fallado. Estas fallas

pueden causar pérdidas de vidas, paradas imprevistas de planta, incrementos de

los costos de mantenimiento y reparación. En razón de sus aspectos legales, los

resultados de los análisis de fallas pueden ser usados como base de litigaciones y

reclamos de seguros.

Los informes de los análisis de fallas pueden ser leídos por una vasta

audiencia, incluyendo expertos y neófitos. De aquí que los informes tienen que ser

claramente escritos evitando el uso de un lenguaje impreciso. Por otra parte, al

poder ser usados también en ámbitos judiciales, es imperativo usar los términos

técnicos correctos con definiciones claras para evitar confusiones. El perfil del

analista de fallas debe incluir un adecuado conocimiento de varias disciplinas,

particularmente ingeniería de materiales y ciencias de materiales. Esto define el

carácter multidisciplinario del análisis de falla.

El análisis de falla es un examen sistemático de la pieza dañada para

determinar la causa raíz de la falla y usar esta información para mejorar la

confiabilidad del producto. El análisis de falla está diseñado para:

a. Identificar los modos de falla ( la forma de fallar del producto o pieza)

b. Identificar el mecanismo de falla ( el fenómeno físico involucrado en

la falla)

c. Determinar la causa raíz (el diseño, defecto, o cargas que llevaron a

la falla) d) Recomendar métodos de prevención de la falla.

Causas comunes de falla (la lista no es exhaustiva):

Mal uso o abuso

Errores de montaje

Errores de fabricación

Mantenimiento inadecuado

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Errores de Diseño

Material inadecuado

Tratamientos térmicos incorrectos

Condiciones no previstas de operación

Inadecuado control o protección ambiental

Discontinuidades de colada

Defectos de soldadura

Defectos de forja.

Códigos y Normas utilizados

AISI: Normas de composición de aceros

ASTM: Normas para materiales y su manufactura

API: Normas para la industria del petróleo que son usadas por muchas otras

industrias

ASME: Responsable de los códigos para recipientes a presión

NACE: Códigos para materiales expuestos a ambientes corrosivos.

SAE: Normas para la industria automotriz usadas por muchas otras industrias.

UNS: Clasificación de metales y aleaciones metálicas

Tres principios básicos a respetar:

• Localizar el origen de la falla.

• No presuponer una causa determinada.

• No realizar ensayos destructivos sin un análisis previo cuidadoso.

ii. METODOLOGIA GENERAL

Tomando como referencia que el objetivo de un análisis de falla es

dictaminar la causa de la misma para así establecer responsabilidades y acciones

correctivas resolver el problema el análisis se debe centrar en la información que

se recabe en:

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Unas ves recabadas y procesadas esta información se procede de acuerdo

al siguiente sistema

Entre las características estructurales del material y las condiciones de falla

se debe establecer la correcta categorización de lo que se llama al modo de falla.

En el caso del presente trabajo y a manera ilustrativa se describe los modos de

falla frecuentes en partes o componentes de equipo mecánico.

iii. MODOS DE FALLA

Por fallas se pude entender que un componente o un miembro de un equipo

no pueden cumplir más con su función original de una manera satisfactoria,

segura y confiable. La falla ocurre usualmente de forma de:

a) Fractura

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b) Deformación excesiva

c) Deterioro

En general las fallas se pueden presentarse por un número limitado de

causas para el equipo mecánico estas pueden dividirse genéricamente en

tres categorías:

1) Diseño inadecuado: se puede incluir esquina s rectas y filosas zonas

con alta concentración de esfuerzos, sujeciones impropias, material

erróneo o tratamiento térmico inadecuado, condiciones de operación no

previstas y por un análisis de esfuerzos impreciso

2) Fabricación y procesamiento. Un porcentaje considerable de fallas se

debe a factores metalúrgicos como grietas de temple; tratamiento

térmico inapropiado; defectos de forja fundición, laminado, etc.

Inclusiones no metálicas o suciedad excesiva del metal; deformación en

frio excesiva del metal; crecimiento anormal de grano. La otra mitad

puede deberse a desalinamientos; defectos de soldadura, maquinado

impreciso o ensamble pobre; grietas por desbaste; enderezado en frio

excesivo; etc.

3) Deterioro ambiental y por servicio: estas pueden abarcar sobrecargas;

ataque químico, desgaste por abrasión, corrosión , difusión, y

mantenimiento ineficiente entre otras El mecanismo de falla usualmente

es controlada por una serie combinada de los factores citados y su

correcta consideración permitirá establecer un diagnostico viable

iv. FALLAS POR DISEÑO INADECUADO

Estas fallas por consideración de diseño son el resultado de errores o

incompetencias de los diseñadores

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Por ejemplo, en la figura 1 se muestra una falla por fatiga a la flexión,

donde un filete agudo interactuó con otro barreno también con cantos agudos

generando una alta concentración de esfuerzos y su multiplicación.

Se pueden considerar a las variables de procesos y fabricación como los

factores de mayor importancia en la generación de defectos y cambios

metalúrgicos que se generan en la estructura del metal. Cuando los defectos

alcanzan un tamaño crítico, su contribución a la falla potencial en forma de

fractura frágil o por fatiga es de importancia extrema.

En la figura 2, se muestra una falla producto de defectos de fabricación de

tamaño crítico que género una fractura prematura.

Figura 2. Esta brida de acero SAE 4340 se fracturo con un esfuerzo de dolo

30,000 psi. La fractura se inició en el punto F, pero la del punto V resulto de una

carga excéntrica posterior a la falla inicial. El área obscurecida en la sección

transversal cerca de “O” contenía depósitos o escamas de óxido ferroso, lo cual

es claramente indicativo de la formación de una grieta durante la fabricación o

tratamiento térmico de bridas, lo que causo la fractura frágil durante la aplicación

de una pequeña carga estática.

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Como se detalla en la tabla N°1, cada operación de fabricación pueda

incluir esfuerzos residuales, modificar las propiedades mecánicas por trabajo

excesivo en frio o desarrollar una multitud de otros efectos localizados tales como

micro agrietamientos, inclusiones no metálicas, porosidad, fragilizarían por

oclusión de hidrogeno, etc., que pueden ser categorizados como defectos.

TABLA N°1. CLASIFICACION DE FALLAS POR DEFECTOS DE FABRICACION

Y SUS TIPOS DE DETERIOROS

Cada una de las operaciones de procesamientos puede alterar todas o parte

de las propiedades mecánicas de la pieza, resultando con esto la generación de

micro o macrogrietas, o la disminución localizadas de la ductilidad. Esto puede

afectar la resistencia mecánica, el límite de fatiga, la tenacidad y resistencia a la

corrosión de las piezas.

1. Proceso y Fabricación

1.1. Mecánica: Trabajo en frio, estiramientos, doblez, maquinado, pulido,

lijado, etc.

1.2. Térmica: Tratamiento térmico, soldadura, solidificación, etc.

1.3. Química: Electrodo de posición, LIMPIEZA CON ACIDOS, ETC.

2. Deterioro: cada ambiente u operación específica requiere de un análisis

exclusivo de la acción estructural significativa que limita la utilidad de la

pieza en el servicio pretendido.

2.1. Mecánica: abrasión, cavitación, desgaste, crecimiento de defectos

por cargas cíclica, lentas o súbitas, fatiga, etc.

2.2. Química: estabilidad y actividad dependiendo de la severidad del

medio y de su temperatura, oxidación, ataque itergranular, difusión,

aleación de elementos extraños, carburización, envejecimiento, etc.

2.3. Térmica: cambios metalúrgicos, crecimiento de grano, fusión, etc.,

dependiendo de la temperatura de transformación de fase y

estabilidad de los microconstituyentes con respecto al tiempo y

temperatura para el servicio prescrito así como agrietamientos

térmicos.

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2.4. Corrosión: Temperatura, tiempo, esforzamiento simultaneo con el

medio, frecuencia de la interacción ambiente-metal, corrosión bajo

esfuerzo, corrosión-fatiga, etc.

2.5. Daño por Radiación: influenciado por el tiempo, temperatura e

intensidad de la dosificación, así como la fragilización.

En muchas aplicaciones, pequeños defectos pueden desarrollarse en

críticos, afectando drásticamente la resistencia a la fractura de elementos o

piezas (tenacidad). Contrariamente, algunos defectos no afectan materialmente el

rendimiento del componente. Para un estado de esfuerzos dado, un tamaño

crítico de defecto en el metal estimulara la fractura súbita y frágil. La presencia

concentrada de defectos a otro esfuerzo de menor magnitud, orillará a la

generación de agrietamientos con alta deformación plásticas, fractura dúctil y

menor velocidad de crecimiento de las grietas. (Figura 3).

Figura 3. Fractura tipo dúctil de un brazo de una grúa que se inició en un

defecto preexistente (ver flecha). Dobleces pequeños de material formado durante

el rolado originario microgrietas diversas las cuales crecieron posteriormente

produciendo una fractura de crecimiento lento.

Las fallas debidas al deterioro por el medio donde operan, se presentan en

un número indeterminado de formas. En algunos casos, vibraciones ni previstas o

sobrecargas pueden orillar a fallas prematuras; en otra, cargas cíclicas excesivas

cercanas a los limites ingenieriles de diseño pueden conllevar a fallas por fatiga

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acelerada. Muchas condiciones de servicio abarcan velocidades muy rápidas de

calentamiento o enfriamiento, agentes químicos severos, etc.

El deterioro de piezas o componentes durante su servicio en ambientes

agresivos, pueden generar muchos tipos de desintegración superficial de las

mismas; la actividad química o la difusión metálica normalmente afectan la

estabilidad del componente. Las piezas siempre están influenciadas por el tiempo,

la temperatura y principalmente por la dosificación del medio ambiente y agentes

químicos con su operación mecánica. Así se pueden presentar fallas del tipo

corrosión bajo esfuerzos o fatiga (figura 4) cuando aceros inoxidables del tipo 304

están bajo pequeñas cargas de tensión (por ejemplo esfuerzos residuales) o

esfuerzos cíclicos en ambientes ricos en iones de cloro (por ejemplo ambientes

marinos donde existen altas concentraciones de sal).

En virtud que los factores descritos en la tabla N° 1, tienen unas

interacciones harto complejas, para poder desarrollar análisis de falla efectivos es

necesario el llevar al cabo un trabajo detectivesco cuidadoso, donde se influya un

examen meticuloso de la pieza fallada, información y antecedentes sobre

composición química, fabricación, rendimiento histórico y condiciones de

operaciones, para su posterior correlación.

Figura 4. Falla de una junta de expansión de un buque operando en el

trópico. Fractura típica de corrosión-fatiga.

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Por lo antes citado, el técnico analista o ingeniero encargado de investigar

falla deberá tener extremo cuidado en la naturaleza y consecuencia de sus

procedimientos de examen, de modo que la evidencia requerida en el análisis no

se pierda o contamine por manejo inadecuado i se destruya por una mala

preparación de la muestra. Como conclusión se pueden citar 4 áreas de

operación para dictaminar las causas de falla, a saber:

i) OBSERVACIONES INICIALES: Estudio detallado por inspección visual

del componente fallado en el lugar de la falla lo más pronto posible

después de ocurrido el siniestro. El registro grafico como fotos y dibujos

son esenciales para su análisis posterior. Un investigador

experimentado puede usualmente establecer los modos de falla

predominantes es en los componentes. Una interpretación detallada de

la falla y de sus alrededores será fundamental.

ii) OBTENCIÓN DE LOS ANTECEDENTES: el recolectar todos los datos

disponibles sobre especificaciones, dibujos, diseño, ensambles

reparaciones, bitácora de servicios y condiciones operativas entre otras,

es una actividad mandataria para la realización de un análisis bien

fundamentad. Énfasis especial de bebe a prestar a los detalles

ambientales, incluyendo cargas normales de servicio así como

sobrecarga, gradientes de concentración, etc.

iii) PRUEBAS DE LABORATORIO: En base a las normas y diseño de las

piezas, establecer si el material empleado se ajusta a lo especificado y

si las dimensiones de los componentes son las establecidas

originalmente. Los estudios complementarios o corroborar la

información recabada (por ejemplo: análisis por R-X de los depósitos de

corrosión para establecer el medio ambiente donde opero la pieza). En

adición y con el empleo de equipos como microscopios ópticos,

estereoscópicos y electrónicos, se deberá realizar un estudio

fractografico completo, para así establecer origen de fractura, tipo/modo

de la misma y características relevantes que orillen a análisis

adicionales como estudios por microsonda o cuantificación

metalográfica por análisis de la imagen.

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iv) SINTESIS Y SINOPSIS DE LA FALLA: estableciendo cómo se gestó la

falla y complementado la información con lo recabado en 2 y 3 se podrá

entonces establecer las causas de la misma, la forma en como ocurrió y

el diagnostico resumido de ésta.

V. ANALISIS DE UN EJE REDUCTOR DE VELOCIDAD

1. DESCRIPCION DE LA MUESTRAUn eje de reductor de velocidad tiene un engranaje montado en él gira a

1800 revoluciones por minuto, cuyo motor tiene una potencia de 15hp. Si el

material del eje ST 50 y el diámetro del engranaje es de 90mm.

Se quiere determinar el diámetro del eje.

2. CALCULO REALIZADOA. DATOS

material st50 δf=320n=1800rpmPOT=15hpDiametro=90mm

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B. CALCULO DE LA FUERZA FPOT=T*WT=Fcos(20)*D/2POT=Fcos(20)*D/2*W11.83*10³=Fcos(20)*90/2*60πF=1402.62N

C. CALCULO DE REACCIONES

PLANO XZ

DMF

Z

479,72

Y

A X

AZ

AYB

A B C

2398,6N

CCZ

1318 CY

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ΣMa=0 ΣMa=0cz*20=479.72*10 1318*10=cy*20cz=239,86 cy=659az=239,86 ay=659

PLANO XY

DMF

A B

-6590

DMT

A B C

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D. CALCULO DEL DIAMETRO SEGÚN TMED

* δequi=

δx= δf+δn

Txy = Tx+Ty

* δequi<δf

D=12mm

3. COMENTARIO A LOS RESULTADOS

El eje soporta un esfuerzo de flexión y de torsión, en el cual el diámetro ideal para

el eje según los resultados es de 12 mm.

La parte crítica está en el punto B y su diámetro es el resultado obtenido.

Se obtendría una ruptura si es que disminuimos el diámetro.

√( 32×7012,94π D3 )2

+3(16×63117,9

π D3) ²=320

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CONCLUSIONES

Toda Falla deja unas pistas que permiten encontrar su origen. El diseñador debe conocer muy bien las teorías de las fallas a fin de interpretar adecuadamente estas pistas.Toda máquina tiene sus niveles normales de ruido, vibración y temperatura. Cuando se observe algún aumento anormal de estos niveles, se tienen los primeros indicios de que hay alguna falla. Los operarios de las máquinas deben ser instruidos para que avisen al detectar estos síntomas que presenta la máquina.Al diseñar una máquina se debe tener un profundo conocimiento de la forma en que funciona cada elemento componente y la forma en que puede fallar. Esto conducirá a mejores diseños.Antes de reemplazar una pieza que ha fallado se debe hacer un análisis minucioso con el fin de determinar la causa exacta y aplicar los correctivos que haya a lugar.

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos94/deteccion-modos-efectos-y-analisis-fallas/deteccion-modos-efectos-y-analisis-fallas.shtml#ixzz3YvGCdYCS

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BIBLIOGRAFIA

Charles, E. (1997). An Introduction to Reliability and Maintainability Engineering. Boston, Massachusetts. Editorial Mc. Graw-Hill.· Ireson, G.; Cooombs, C. Jr. y Moss, Richard. (1996). Handbook of Reliability Engineering and Management. New York. Editorial Mc. Graw-Hill.· Kelly, A. (1994). Maintenance. England. Butterworth Heinemann.· Trejo E. (2002, Marzo). Análisis Causa Raíz y solución de problemas.Taller dictado en el Centro Internacional de Educación y Desarrollo (CIED), filial de PDVSA, Paraguaná. Venezuela.

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos94/deteccion-modos-efectos-y-analisis-fallas/deteccion-modos-efectos-y-analisis-fallas.shtml#ixzz3YvFY8luQ

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