introducción:
Las fallas inesperadas en los elementos de máquinas, durante su explotación, pueden desencadenar en situaciones catastróficas, tales como la pérdida de equipos, o lo que resulta peor aún, de la vida de seres humanos. Los engranajes son componentes mecánicos utilizados en las transmisiones de potencia y frecuentemente son responsables de averías que colapsan el normal funcionamiento de estos sistemas. Por esta razón, el análisis y predicción de las fallas en engranajes, ha recibido una considerable atención y se han creado alrededor del mundo, varios centros e instituciones dedicados a su estudio, con el objetivo de prevenirlas y evitar, con un alto grado de confianza, los efectos indeseados que de ellas se derivan.
Los engranajes son utilizados para transmitir fuerza y movimiento, en una amplia variedad de aplicaciones, donde suelen desempeñar su trabajo, sometidos a la más diversa gama de condiciones y regímenes de explotación, en ocasiones bastante severos, por lo que resulta de gran utilidad poder contar con bancos de ensayo, que permitan prever el comportamiento esperado de estos elementos, ante diferentes circunstancias.
Pese al gran avance que se ha producido en las últimas décadas en materia de análisis y simulación, la experimentación en el campo de los engranajes continúa siendo de vital importancia. Los requerimientos cada vez más altos de eficiencia, resistencia, tamaño y coste relacionados con las transmisiones de engranajes modernas precisan de la planificación de ensayos experimentales que permitan simular los distintos modelos de fallo que pueden aparecer bajo condiciones de carga elevadas, como rotura de dientes, pitting, abrasión o galling.
Algunos de estos fallos no pueden reproducirse de forma aislada y requieren llevar a cabo un test con la máquina completa. Otros, sin embargo, pueden ser ensayados de forma separada en un entorno controlado, que permita establecer unas condiciones de funcionamiento precisas y que facilite la toma de datos. Para llevar a cabo estos experimentos se emplean los bancos de ensayos, que permiten operar a los engranajes bajo unas condiciones de carga y velocidad preestablecidas.
Desarrollo:
En los engranajes, su capacidad de carga portante se puede ver limitada, por fallas que afectan severamente su vida útil, por lo que la realización de ensayos, que permitan estudiar con mayor rigor estos fenómenos, para prevenir sus implicaciones adversas, resulta de vital interés en el desarrollo de este tipo de transmisiones.
Generalmente, las fallas principales de los dientes en engranajes, tienen un carácter de fatiga, como consecuencia de la acción periódica de la carga, dada la entrada sucesiva del diente en ciclos de trabajo y vacío. El deterioro de los dientes se manifiesta con aumento del nivel de ruido y sobrecalentamiento de la transmisión.
Precisamente todas las instalaciones experimentales para estos estudios se basaron en la simulación del contacto de las transmisiones dentadas. Los primeros trabajos experimentales en la lubricación de los engranajes, estaban encaminados, fundamentalmente, hacia la determinación de su influencia en las transmisiones, sin entrar a analizar los aspectos relacionados con los fenómenos locales de las superficies lubricadas; algunos de estos trabajos se señalan en las referencias.
las máquinas de potencia circulante, también es utilizada para evaluar el comportamiento de engranajes a la fatiga por flexión, montados en parejas y sometidos a una carga previamente establecida, se hacen girar engranados entre sí, a velocidades preferiblemente inferiores a las 1000 rpm para detener la máquina y evitar que se dañe, cuando ocurra la falla. Como en esta configuración los engranajes trabajan en rotación, el reto principal estriba en diseñar ensayos, donde no ocurran modos de fallas indeseados (picadura, agarramiento), lo cual requiere controlar las características constructivas de los engranajes y la propia metodología de ensayo, debiendo atenuarse los elementos que propicien la aparición de fallas no deseadas, antes de que se cumpla el número de ciclos requeridos. Esta constituye la principal desventaja que poseen estas máquinas, aunque los resultados alcanzados son más precisos que los obtenidos en los ensayos sobre diente único, especialmente si se eliminan o minimiza la influencia de otros modos de fallas sobre el ensayo.
La realización de ensayos específicos de fatiga, aplicados a situaciones particulares, permiten incrementar la capacidad de predicción hasta un límite habitual para las ciencias mecánicas y elevar la fiabilidad y seguridad de servicio.
Sin embargo, la infraestructura necesaria para la realización de estos ensayos, resulta un patrimonio casi exclusivo de los países más desarrollados, las referencias encontradas sobre el tema, resultan escasas y provienen en su mayoría, de Estados Unidos y otros países de Europa Occidental, los cuales precisamente, marcan pauta en materia de investigación sobre engranajes y lideran su producción global.
En Cuba no se tiene referencia de que exista en estos momentos ningún centro o institución dedicada a esta actividad, o que cuenten con las instalaciones necesarias para su realización. Tampoco ha sido posible acceder a publicaciones realizadas por autores cubanos, donde se expongan resultados obtenidos en la realización de ensayos en engranajes.
Una valoración completa y precisa de cualquier falla en engranajes, requiere un conocimiento previo de los modos básicos de fallas propios de estos elementos, sus causas y posibles soluciones. Con el objetivo de profundizar al respecto, se consultaron varios artículos dedicados a este tema.
Generalmente, las fallas principales de los dientes en engranajes, tienen un carácter de fatiga, como consecuencia de la acción periódica de la carga, dada la entrada sucesiva del diente en ciclos de trabajo y vacío. El deterioro de los dientes se manifiesta con aumento del nivel de ruido y sobrecalentamiento de la transmisión.
Existen múltiples factores que pueden incidir en el desencadenamiento de fallas en los sistemas de transmisión por engranajes, los cuales resultan necesario conocer, para poder controlar sus efectos negativos sobre estos fenómenos.
Uno de los métodos más racionales para el estudio de la lubricación, el desgaste, y las formas de destrucción de los contactos metálicos lubricados altamente cargados, consiste en la simulación del contacto real empleando máquinas especialmente construidas para este fin.
Precisamente todas las instalaciones experimentales para estos estudios se basaron en la simulación del contacto de las transmisiones dentadas. Los primeros trabajos experimentales en la lubricación de los engranajes, estaban encaminados, fundamentalmente, hacia la determinación de su influencia en las transmisiones, sin entrar a analizar los aspectos relacionados con los fenómenos locales de las superficies lubricadas; algunos de estos trabajos se señalan en las referencias.
Al surgir la teoría de Martín sobre la lubricación hidrodinámica en los engranajes y su desarrollo posterior sobre la base de los conceptos elasto-hidrodinámicos, se realizaron una serie de trabajos experimentales para dar respuestas a la contradicción existente entre la alta eficiencia observada en las transmisiones por engranajes y el pequeño espesor de la película lubricante que predecía dicha teoría.
En el año 1940, Beek, Givens y Smith utilizaron la máquina de cuatro bolas para la investigación de las propiedades de capa límite de lubricante. En 1949, Mckee, Swindells, White y Wayne diseñaron una máquina de simulación, que denominaron SAE, formada por dos cilindros en contacto rotados a diferentes velocidades bajo carga, provocando condiciones de deslizamiento-rodadura típicas de los engranajes, para medir el desgaste de los rodillos.
Con las máquinas de ensayo del tipo engranaje, se consigue una reproducción más fiable de las condiciones de servicio reales. Generalmente son del tipo de potencia circulante bajo el principio conocido como Four Square.
La opinión general de la industria apunta hacia la tendencia del empleo de máquinas de ensayo tipo engranajes, pues la correlación con el comportamiento real en servicio, ha sido mejor utilizando engranajes como especímenes de ensayo.
Los especímenes de ensayo pueden ser engranajes reales cuya forma, dimensiones y material pueden estar normalizados para la evaluación de lubricantes, pero pueden ser alterados para evaluar específicamente determinados requerimientos de servicio que se deseen.
las máquinas de potencia circulante, también es utilizada para evaluar el comportamiento de engranajes a la fatiga por flexión, montados en parejas y sometidos a una carga previamente establecida, se hacen girar engranados entre sí, a velocidades preferiblemente inferiores a las 1000 rpm para detener la máquina y evitar que se dañe, cuando ocurra la falla. Como en esta configuración los engranajes trabajan en rotación, el reto principal estriba en diseñar ensayos, donde no ocurran modos de fallas indeseados (picadura, agarramiento), lo cual requiere controlar las características constructivas de los engranajes y la propia metodología de ensayo, debiendo atenuarse los elementos que propicien la aparición de fallas no deseadas, antes de que se cumpla el número de ciclos requeridos. Esta constituye la principal desventaja que poseen estas máquinas, aunque los resultados alcanzados son más precisos que los obtenidos en los ensayos sobre diente único, especialmente si se eliminan o minimiza la influencia de otros modos de fallas sobre el ensayo.
La irregularidad en el funcionamiento del sistema de frenado y las vibraciones y sacudidas producidas durante el mismo son consecuencia directa del fenómeno stick-slip.
Este fenómeno se produce cuando dos objetos en contacto deslizan y se adhieren, de forma alternativa, debido a un cambio en la magnitud del coeficiente de fricción, ya que de González Ursueguía, Fernando Reconversión de Banco de Ensayo de Engranajes Memoria 12 forma general, el coeficiente de fricción estático es mayor que el coeficiente de fricción dinámico.
Una forma sencilla de modelizar el fenómeno stick-slip aplicado a los frenos de disco se lleva a cabo mediante un sistema simplificado de un grado de libertad con amortiguamiento, que desliza sobre una plataforma móvil.
Conclusión:
Los dos principales modos de fallas a los que se requiere comprobar una transmisión por engranajes, lo constituyen, las fallas a la fatiga por contacto superficial, y a la fatiga por flexión.
Las máquinas de ensayo del tipo engranaje, poseen una tendencia de empleo más favorable que las del tipo simulación, pues la correlación con el comportamiento real en servicio, ha sido mejor utilizando engranajes como especimenes de ensayo.
Existen varios dispositivos para aplicar el torque en las máquinas de ensayo de engranajes, resultando los sistemas hidráulicos, los que permiten una explotación más flexible y un mejor control y automatización del proceso. Se requieren desarrollar dos máquinas para la verificación de la capacidad de carga de engranajes cilíndricos de dientes rectos, que permitan evaluar el comportamiento de estos elementos en relación con los dos criterios de diseño más difundidos y que sirven de base a diversas normas de comprobación para este tipo de engranajes, una máquina estará destinada para realizar ensayos de resistencia a la fatiga por contacto y la otra para ensayos de resistencia a la fatiga por flexión.
La máquina a diseñar para la realización de ensayos a la fatiga por contacto, será del tipo engranaje, bajo el principio de potencia circulante, con sistema de cilindro rotatorio hidráulico para la aplicación del torque, construido en el interior de uno de los engranajes patrones, seleccionando como referencia para su diseño, la máquina desarrollada por el Centro de Investigación sobre Engranajes de la NASA, la cual además de poseer las múltiples ventajas que sobre este tipo de máquinas ya han sido relacionadas con anterioridad, poseen un notable aval refrendado por numerosas publicaciones que refieren sobre su exitoso uso durante un largo periodo de tiempo, en múltiples investigaciones relacionadas con engranajes.
Para los ensayos a la fatiga por flexión, se propone implementar un sistema del tipo pulsador, utilizando una máquina estándar para ensayos de fatiga por tracción-compresión, esta configuración posee un grupo de características ya citadas, que la hacen muy apropiada para estos ensayos, además de aportar una gran simplificación desde el punto de vista constructivo, pues solo se requiere desarrollar un aditamento especial para soportar el engranaje y garantizar la adecuada aplicación de la carga.
Los dos principales modos de fallas a los que se requiere comprobar una transmisión por engranajes, lo constituyen, las fallas a la fatiga por contacto superficial, y a la fatiga por flexión.
Las máquinas de ensayo del tipo engranaje, poseen una tendencia de empleo más favorable que las del tipo simulación, pues la correlación con el comportamiento real en servicio, ha sido mejor utilizando engranajes como especimenes de ensayo.
Existen varios dispositivos para aplicar el torque en las máquinas de ensayo de engranajes, resultando los sistemas hidráulicos, los que permiten una explotación más flexible y un mejor control y automatización del proceso. Se requieren desarrollar dos máquinas para la verificación de la capacidad de carga de engranajes cilíndricos de dientes rectos, que permitan evaluar el comportamiento de estos elementos en relación con los dos criterios de diseño más difundidos y que sirven de base a diversas normas de comprobación para este tipo de engranajes, una máquina estará destinada para realizar ensayos de resistencia a la fatiga por contacto y la otra para ensayos de resistencia a la fatiga por flexión.
La máquina a diseñar para la realización de ensayos a la fatiga por contacto, será del tipo engranaje, bajo el principio de potencia circulante, con sistema de cilindro rotatorio hidráulico para la aplicación del torque, construido en el interior de uno de los engranajes patrones, seleccionando como referencia para su diseño, la máquina desarrollada por el Centro de Investigación sobre Engranajes de la NASA, la cual además de poseer las múltiples ventajas que sobre este tipo de máquinas ya han sido relacionadas con anterioridad, poseen un notable aval refrendado por numerosas publicaciones que refieren sobre su exitoso uso durante un largo periodo de tiempo, en múltiples investigaciones relacionadas con engranajes.
Para los ensayos a la fatiga por flexión, se propone implementar un sistema del tipo pulsador, utilizando una máquina estándar para ensayos de fatiga por tracción-compresión, esta configuración posee un grupo de características ya citadas, que la hacen muy apropiada para estos ensayos, además de aportar una gran simplificación desde el punto de vista constructivo, pues solo se requiere desarrollar un aditamento especial para soportar el engranaje y garantizar la adecuada aplicación de la carga.
bibliografía:
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García, J. (2015). Estudio de los efectos de un perfil no invulto en una bomba de engranajes externos utilizando un nuevo modulo de GEROLAB. Barcelona: Universitat Politecnica de Catalunya.
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