Análisis Computacional de Equipos Mecánicos

Los equipos mecánicos en la industria normalmente están sometidos a diferentes condiciones de cargas estáticas, dinámicas y cíclicas, así como a restricciones de movimientos que generan esfuerzos en todos los elementos estructurales que componen estos equipos, y al superarse los valores admisibles de dichos esfuerzos, se compromete la integridad del equipo y aparecen diferentes tipos de fallas.

La causa principal de fallas en los equipos mecánicos es la “Fatiga”, un mecanismo de falla originado por la acción repetitiva o cíclica de las cargas actuantes que genera cambios estructurales internos en el material, originando microfisuras que pueden propagarse hasta generar agrietamientos en diferentes zonas localizadas.

Entre los factores que se consideran en el análisis de fallas por fatiga en los equipos y maquinarias industriales podemos mencionar los siguientes:

- Geometría: es un factor fundamental ya que los aspectos de forma, tales como aristas vivas, esquinas o cambios bruscos de sección transversal, actúan como concentradores de esfuerzos y hacen que en esas zonas localizadas se alcancen valores bastante mayores al valor nominal.

- Cargas: los factores mecánicos como las frecuentes sobrecargas, tensiones residuales, desbalances, impactos y vibraciones, contribuyen a la aparición de grietas por fatiga.

- Tamaño: para las mismas condiciones de esfuerzos, a mayor tamaño de la pieza aumenta el volumen de material sometido a esfuerzo mecánico, y por lo tanto, la probabilidad de encontrar zonas defectuosas que conlleven a la aparición de grietas por fatiga.

Entre otros factores a considerar están los metalúrgicos, ya que los aspectos relacionados con la estructura cristalina hacen que la resistencia del material varíe de un grano a otro; y aspectos de tipo estructural derivado del proceso de fabricación del material como porosidades, inclusiones o incrustaciones, pueden servir de concentradores de esfuerzos. Así mismo, los factores ambientales del medio donde se desempeña la maquina puede contribuir a crear problemas de corrosión o deteriorar las propiedades mecánicas del material.

A través de los análisis de Ingeniería Computacional, podemos calcular variables de interés asociados a la Fatiga tales como Factores de Seguridad mínimos, Ciclos de Vida para diferentes condiciones de carga, vida remanente, zonas críticas donde pueden iniciarse los agrietamientos, entre otros; considerando modificaciones en los factores geométricos, las cargas de trabajo o el tamaño de los componentes, así como los aspectos metalúrgicos y ambientales que pueden ser incluidos en el análisis mediante simplificaciones y asociaciones a modelos matemáticos cuyos resultados son fundamentales para mejorar y rediseñar los equipos que estén presentando este tipo de mecanismo de falla.

Experiencia Industrial

Un caso de aplicación práctica de un Análisis Computacional en Equipos Mecánicos Industriales fue realizado en la Industria Siderúrgica más grande de toda Venezuela, SIDOR, C.A.; a un equipo medular de la planta de Laminación en Caliente denominado Silla Volcadora de Bobinas, el cual tiene como función el movimiento continuo de rollos o bobinas de acero al carbono laminado con un peso de 20 Ton, desde una posición horizontal (nivel inferior) hasta una posición vertical (nivel superior), para que posteriormente dichas bobinas se ubicaran en patios de enfriamiento. La importancia de este equipo radica en que, si está fuera de servicio, todo el tren de laminación debe ser paralizado y por ende, se paraliza la producción de esa planta.

El equipo presentaba agrietamientos generalizados los cuales eran reparados con frecuencia mediante soldaduras en sitio y en taller, afectando la productividad de la planta y los costos asociados. La aparición de grietas en un equipo que funciona bajo carga cíclica y luego de ser reparadas vuelven a aparecer en las mismas zonas con relativa frecuencia, apunta principalmente a la Fatiga como mecanismo principal de la falla. Por ello se procedió a realizar un análisis mediante simulación de elementos finitos considerando los factores de estudio descritos al inicio del artículo.

Se realizó la modelación 3D del equipo considerando la combinación de elementos de superficie y sólidos para optimizar el proceso de simulación. El análisis de esfuerzos estáticos y a fatiga se realizó tomando en cuenta tres posiciones del movimiento del equipo: horizontal, inclinada y vertical. Se consideró una huella de carga desalineada ya que se observó esta condición en sitio durante el posicionamiento de la bobina de 20 Ton.

Luego se evaluó la condición de la Silla Volcadora cuando se encuentra a la mitad de su recorrido, con una inclinación de aproximadamente 45º con respecto a su posición de carga. En la siguiente figura se muestra la ubicación de las condiciones de carga actual para la posición 2 que fueron empleadas durante la simulación.

Finalmente, para la posición de descarga se evaluó el instante cuando la Silla está completamente vertical y la bobina se encuentra ubicada en las dos columnas. En este caso se consideró un impacto en la columna de apoyo, el cual era producido por la desalineación inicial de la bobina que hace que golpee dicho apoyo al irse inclinando el equipo durante la operación. Este impacto hacía que la carga de trabajo aumentara en un 42%.

El análisis de fatiga se realizó utilizando el criterio de Soderberg para materiales dúctiles, carga de amplitud constante con valores de 0 a un máximo y criterio de diseño a vida infinita con 1.000.000 de ciclos. Los resultados obtenidos evidenciaron que el mecanismo de falla era la fatiga ya que los valores de los factores de seguridad obtenidos de este análisis fueron bastante menores a 1, lo que representaba la aparición de agrietamiento en zonas críticas con frecuencias de aproximadamente cada 3 meses.

Uno de los aspectos importantes de este estudio fue que nos permitió identificar con bastante exactitud, las diferentes zonas críticas donde ocurrían los agrietamientos y los ciclos de vida para alcanzar el agrietamiento. Esta coincidencia es muy importante ya que valida que el procedimiento aplicado en el análisis es adecuado y permite garantizar que, al modificar el modelo computarizado para eliminar el problema de fatiga, también se eliminarían los agrietamientos en el nuevo equipo real fabricado.

Una vez realizadas las simulaciones preliminares, se procedió a determinar los cambios en el diseño que permitieran disminuir las concentraciones de esfuerzos indicados y explicados en la sección anterior. En esta etapa se analizaron distintas propuestas de mejoras geométricas, comparándolas y evaluándolas en función de las concentraciones de esfuerzos que producían. Se iteró con distintos cambios estructurales hasta obtener un diseño refinado que arrojara el comportamiento estructural que cumpliera con las exigencias de resistencia mecánica, fuese además fácil de construir y a la vez no generara un excesivo incremento del peso. En el proceso se contó con la participación y validación del cliente. A continuación se presentan imágenes que muestran el resultado final del proceso de mejoramiento de la estructura.

Las simulaciones que se presentan a continuación muestran el comportamiento mejorado de la estructura en base a la distribución de esfuerzos y factores de seguridad a fatiga. Tal como en el estudio de las condiciones preliminares, se estudiaron las tres posiciones de la máquina, se consideraron las mismas condiciones de carga y apoyo, y el análisis se efectúo sin alterar las premisas utilizadas.

Las simulaciones que se presentan a continuación muestran el comportamiento mejorado de la estructura en base a la distribución de esfuerzos y factores de seguridad a fatiga. Tal como en el estudio de las condiciones preliminares, se estudiaron las tres posiciones de la máquina, se consideraron las mismas condiciones de carga y apoyo, y el análisis se efectúo sin alterar las premisas utilizadas.

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