The Developing Design of the Blowout Preventer in Deep Wate
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LA LUBRICACION DE ENGRANAJES
Y LOS MODOS DE FALLAS DE DENTADOS
Parte II
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TEMARIO
1.
INTRODUCCIÓN
1.1. Fatiga superficial Hertziana - Picado
1.2. Fatiga superficial Hertziana - microPicado ("Micropitting -
frosting")
2. METODOS DE PREVENCION
3.
BIBLIOGRAFÍA
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LA LUBRICACIÓN DE ENGRANAJES Y LOS MODOS DE FALLAS DE DENTADOS - Parte II
1. INTRODUCCIÓN TEMARIO
Este artículo explica los principios básicos de la tribología del engrane y es dirigidotanto a diseñadores de engranajes como a sus usuarios.Se clasifican las fallas en dientes de engranajes. El artículo define la nomenclatura y dauna bibliografía para ampliaciones adicionales. También contiene una discusión enprofundidad de los modos de fallas de dientes de engranajes que son influenciados porla lubricación y recomienda los métodos para prevenir esas fallas.
Se desarrolla aquí la segunda parte que contiene la descripción de el picado y elmicropicado.
La primera parte de este artículo, desarrollado en el número anterior de estaPublicación, contiene la descripción del desgaste moderado, el pulido y el desgasteabrasivo. Asimismo, incluye la Tabla 1 con los modos de fallas básicos.
1.1. FATIGA SUPERFICIAL HERTZIANA - PICADO TEMARIO
Es el defecto del material resultante de tensiones repetidas aplicadas en la superficie o
la subcapa y que es caracterizado por una remoción de metal y la formación de cavidades.
El Picado ("Pitting") es un fenómeno de fatiga de superficie que se forma cuando hay
contacto por rodadura o contacto mixto por rodadura con deslizamiento entre dos
superficies. Las partículas se desprenden de las zonas afectadas dejando las superficies
esparcidas de agujeros. Las picaduras aparecen más a menudo sobre dientes de
engranajes tratados volumétricamente.
Foto 10
Vista en corte de la superficie de un diente mostrando el desarrollo de una picadura bajo
la superficie.
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• Picaduras nacientes ("Initial pitting"): Pequeñas picaduras poco profundas,habitualmente atribuidas a un contacto al nivel de las asperezas de la superficie. Amenudo, cuando las asperezas han sido eliminadas por las picaduras, conllevando unamejor repartición de la carga, no se formarán otras zonas con picaduras. Estasúltimas serán luego estabilizadas. Las picaduras nacientes pueden manifestarse muy temprano tanto después de las primeras horas de funcionamiento del engranaje comode un rodaje bajo carga reducida.
Foto 11 - Picaduras
nacientes sobre los
flancos activos de una
rueda. Las picaduras
son más densas en los
sitios donde la presión
de contacto es máxima.
• Picaduras evolutivas ("Progressive pitting"): Esta denominación se aplica a laspicaduras que continúan desarrollándose con una velocidad que tiende a aumentar,durante toda la vida del engranaje. Algunas veces, puede haber allí períodos
intermitentes de reposo seguidos por nuevos desarrollos de picaduras.
Foto 12 - Picaduras evolutivas sobre
los flancos activos de una rueda
tratada volumétricamente. Las
picaduras más intensas están situadas
a nivel del cilindro primitivo de
funcionamiento y las más pequeñas se
desarrollan sobre los dedendums de
los flancos. En estas porciones del
diente las componentes del
movimiento de deslizamiento y
rodadura son de sentidos opuestos,
lo que constituye el caso más
desfavorable de contacto.
________________
El picado es un modo de falla común para dentados pues están sujetos a altas tensionesde contacto de Hertz y muchos ciclos de trabajo. Por ejemplo, las ruedas dentadastempladas volumétricamente están diseñadas típicamente para soportar tensiones decontacto de aproximadamente 700 Mpa, mientras que las tensiones de contacto sobreruedas dentadas cementadas pueden alcanzar 2000 Mpa. Adicionalmente, el diente de unpiñón dado que gira a 3000 rpm acumula más de 4,3 millones de ciclos de tensiones cada24 horas.
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El picado es un fenómeno de fatiga que ocurre cuando una fisura de fatiga se inicia tantoen la superficie del diente como a una pequeña profundidad debajo de la misma. La fisura,usualmente, se propaga una corta distancia en una dirección groseramente paralela a lasuperficie del diente antes de girar y dirigirse hacia la superficie misma. Cuando las
fisuras han crecido a una extensión tal que provocan la separación de una porción delmaterial de la superficie, una picadura se ha formado. Si varias picaduras crecen juntas, elresultado es una picadura mayor, la que a menudo es referida como una “escama”. No hay una resistencia límite para la fatiga superficial y el picado ocurre, aún a bajas tensiones,si las ruedas dentadas son operadas un tiempo suficientemente largo. Dado que no hay una resistencia límite, los dentados deben ser diseñados para una expectativa de vidadeseable finita.
Para extender la expectativa de vida al picado de un conjunto de ruedas, el diseñador debemantener las tensiones de contacto bajas y la resistencia del material y el espesorespecífico de película lubricante altos. Hay muchas variables geométricas, tales comodiámetro, ancho de faja, número de dientes, ángulo de presión, etc., que pueden seroptimizadas para bajar más las presiones de contacto. Para obtener superficies dedentados con alta resistencia deben ser seleccionados aleaciones de materiales y
tratamientos térmicos determinados. La resistencia al picado máxima es obtenida conruedas dentadas cementadas dado que las superficies son duras y que el cementadoinduce tensiones residuales compresivas benéficas que, efectivamente, disminuyen lastensiones debidas a la carga.Las desventajas para su uso son que resultan relativamente costosas de fabricar y quedeben ser terminadas por rectificado. Los detalles para obtener altos espesoresespecíficos de película lubricante serán explicados más adelante dentro de la discusiónde la lubricaciónelastohidrodinámica (EHD), pero se pueden mencionar recomendaciones generales talescomo usar un adecuado suministro de lubricante fresco, limpio y seco, con una viscosidadadecuada y un alto coeficiente presión-viscosidad.
El picado puede iniciarse en la superficie o en un defecto sub-superficial, tal como unainclusión no metálica. Más a menudo, las picaduras en los dentados son de tipo sub-superficial porque el espesor de película lubricante es normalmente bajo, lo que devieneen un contacto metal-metal relativamente alto. La interacción entre asperezas decontacto en los defectos, tales como magulladuras o surcos, crean fisuras iniciadas enla superficie más que las iniciadas en la subsuperficie. En engranes de alta velocidad consuperficies de terminación suave, el espesor de película es mayor y pueden predominarpicaduras iniciadas sub-superficialmente más que las iniciadas en la superficie. En estoscasos, el picado usualmente comienza en una inclusión en la subsuperficie, que actúacomo un punto de concentración de tensiones.
Los aceros más limpios tales como aquellos producidos por colado al vacío, prolonganla vida al picado por reducción del número de inclusiones.
Se cree que la contaminación del lubricante por agua promueve el picado a través de la
fragilidad por hidrógeno del metal. A su vez, las partículas abrasivas en el lubricantecausan picado por indentación de las superficies de los dientes, generandoconcentración de tensiones y/o ruptura de la película lubricante.
Actualmente, la influencia de los aditivos del lubricante sobre el picado no está resueltapor completo.
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TEMARIO
1.2. FATIGA SUPERFICIAL HERTZIANA - MICROPICADO ("MICROPITTING - FROSTING")
Degradaciones de las superficies de los flancos activos que sobrevienen cuando losdientes funcionan bajo fuertes cargas con una película lubricante poco espesa y queaparecen, bajo ampliación, como una red densa de micropicaduras o de microfisuras.
Foto 13 Micropicaduras
sobre los flancos activos
de un piñón cementado y
templado.
Su distribución no es
regular a lo largo de los
flancos y está influenciada
por las desviaciones de
perfil y de la línea deflancos.
Foto 14 - Detalle de lasuperficie de un flancocon micropicadurasbajo una ampliaciónleve.
Foto 15 Detalle de micropicaduras
bajo fuerte ampliación.
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Foto 16 -Se encuentran
micropicaduras cuya densidad es
importante y que estánregularmente dispuestas debajo
del cilindro primitivo de
funcionamiento de un piñón
cementado y templado.
El deterioro presente es debido a
una presión de contacto excesiva
más que a una falta de espesor de
película de aceite.
La fatiga de contacto forma grandes picaduras con dimensiones del orden de milímetrossobre la superficie de dentados relativamente blandos, tales como las ruedas tratadasvolumétricamente. Con ruedas dentadas endurecidas superficialmente, tales comocementadas, nitruradas, templadas por inducción o a la llama, el picado puede ocurrir enuna escala mucho menor, típicamente sólo de 10µm de profundidad. A simple vista las áreasdonde el micropicado tiene lugar, aparecen escarchadas y justamente el “escarchado”(“frosting ”) es un término popular para el micropicado. Investigadores japoneses hanreferido al modo de falla como “manchas grises” puesto que las propiedades dedispersión de la luz del micropicado otorga a los dentados una apariencia gris. Bajo elbarrido del microscopio electrónico (SEM) es inmediatamente evidente que el micropicadoprocede del mismo proceso de fatiga que el picado clásico, excepto que las picaduras sonextremadamente pequeñas.
Muchas veces el micropicado es no destructivo de la superficie del dentado. En algunoscasos ocurre sólo en áreas localizadas y puede ser detenido después que las condicionestribológicas han sido mejoradas mediante un rodaje. Las micropicaduras puedenactualmente ser removidas por ligero pulido de desgaste durante el rodaje, en cuyo casose dice que el micropicado es “curado”. Sin embargo, han habido ejemplos donde elmicropicado ha devenido en un picado de escala completa precediendo a la destruccióndel dentado.
El espesor específico de película lubricante es el parámetro de mayor influencia en elmicropicado. Los daños parecen ocurrir más rápidamente en dentados con superficiesrugosas especialmente cuando están lubricados con aceites de baja viscosidad. Dentadosterminados, con muelas de rectificado especiales con acabado tipo espejo han
efectivamente eliminado el micropicado. Las ruedas dentadas de baja velocidad sonpropensas al micropicado porque su espesor de película es bajo.
Para prevenir el micropicado el espesor específico de película debería ser maximizadousando superficies de dentados suaves, lubricantes de alta viscosidad y altasvelocidades. Algunos experimentos han mostrado que las ruedas dentadas templadas a lallama o por inducción tienen menor resistencia al micropicado que las cementadas de lamisma dureza. Esto es probablemente debido al menor contenido de carbono de la capasuperficial de las ruedas dentadas endurecidas a la llama y por inducción.
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3. Bibliografía TEMARIO
• ANSI / AGMA 1010-E95 “Appearance of Gear Teeth -Terminology of Wear and Failure”.• ANSI / AGMA 2101-C95 “Fundamental Rating Factors and Calculation Methods for Involute Spurand Helical Gear Teeth”.• ANSI / AGMA 9005-D94 “Industrial Gear Lubrication”.• AGMA 87FTM9 “Influence of the Lubricant on Pitting and Micro Pitting (Grey Staining, FrostedAreas) Resistance of Case Carburized Gears - Test Procedures” - H. WINTER / P. OSTER.• ANSI / AGMA 6011-G92 “Specification for High Speed Helical Gear Units”.• ISO 10825:1995 “Gears - Wear and Damage to Gear Teeth - Terminology”.• ISO 6336-1 / 5:1996 “Calculation of Load Capacity of Spur and Helical Gears”.• “The Lubrication of Gears - Part 1” - Robert ERRICHELLO - Gear Technology - March / April 1991.• “Dudley’s Gear Handbook” TOWNSEND - 2 Edition.• “Engrenages Conception Fabrication Mise en CEuvre” - George HENRIOT - 7 Edition.• “Performances Comparées à la Pression Superficielle d’Aciers de Cementation Pour Engrenages” -
M. FAURE / M. VASSEUR / M. LE FLECHE - CETIM SENLIS - BULLETIN Nº 100 - IET - Fevrier1992
