Efecto de la presencia y orientación de una masa excéntrica en la forma del frente de una fisura de un eje rotatorio L. Rubio Ruiz R de Aguirrre, L. Monttero García, B. Muñoz Abella, A P. Rub ubio Herrero (1 1) Dpto. de In ngeniería Meccánica. Unive ersidad Carlo os III de Mad drid lrub bio@ing.uc3 3m.es Los ejes s son elementos imprescindibles en n las máquin nas rotatoria as. Con freccuencia, y dados d los esfuerzo os a los que están sometidos, puedeen sufrir el fenómeno f de la fatiga deebido a las tensiones material o geométrica fluctuanttes que los afectan. a La presencia p dee un defecto o una irregu ularidad de m pueden dar lugar al fallo catastrrófico por creecimiento de fisuras debiido a la fatigga. Con frecu uencia los ejes adiccionalmente presentan p otrro tipo de deffectos: deseq quilibrios y de esalineacionees, que puede en alterar su normal comportam miento tanto si hay preseencia de fisuras como si se trata de eejes intactos.. En este trabajo se ha estud diado el efec cto que tienee la presenccia de una masa excén ntrica, que simula un desequilibrio, en el crrecimiento de e las fisuras. En concreto se ha estudiado el efectoo que tiene la a posición de la ma asa excéntrica a respecto de e la fisura, en n el crecimien nto de la fisu ura, tanto en fforma del fre ente como en la oriientación. Pa ara llevar a cabo c este esstudio se han n ensayado ejes entallad dos previame ente para favorecer el crecimien nto. Con el fin f de simula ar el desequillibrio se han dispuesto m masas excénttricas con distintas s posiciones angulares. Se S demuestra ra como la presencia y la a localización n de la exce entricidad afectan al crecimiento de las fis suras tanto een la forma que adopta el frente de la fisura co omo en la orientaciión que adqu uiere durante su crecimien nto. 1. INTR RODUCCIÓN N Los fallo os en máqu uinas rotativ vas se prod ducen habittualmente por p la preseencia y prop pagación de fisurras de fatiga a en sus co omponentess. La importtancia que tiene la segguridad y lo os costes derivado os de los fa allos en ma aquinaria h ha empujado a los inve estigadoress en el campo de la detecció ón de daño a analizar el e comporta amiento de componentes mecániccos con defe ectos. Los ejes s, que son uno de los componen ntes más im mportantes de las máq quinas, trab bajan en rotación n y están sometidos fu undamenta almente a es sfuerzos de e flexión y ttorsión. Estta forma de solic citación, unida a otros factores, pu uede dar lu ugar al fallo por la prop pagación de e fisuras de fatiga a. En ocasiiones los eje es, adiciona almente, tra abajan en situaciones d de desaline eamiento y/o des sequilibrio, cuyos efecttos son difí fíciles de se eparar de lo os provocad dos por las fisuras. Estos desequilibrio os pueden estar e asocia ados a la pre esencia de masas m excééntricas. o un eje fisu urado gira, la fisura qu ue contiene e se abre y se cierra a lo largo de e un giro Cuando en lo qu ue se conoce como mec canismo de “breathing g”. Este com mportamientto dinámico o ha sido estudiad do por dive ersos autorres numéricca y analítiicamente [1 1-3], en gen neral consiiderando una situ uación idea al de equilibrio. El comp portamiento o dinámico o de un ejee fisurado depende d de la posición n y tamaño de las fisuras [4,5] que co ontiene y de e la presenccia o no de un desequilibrio adicioonal [6-8]. La L forma e se propag ga una fisu ura de fatigga, y como consecuen ncia la form ma que adq quiere el con que frente, p puede estarr influencia ada, entre o otras razone es, por la presencia p y orientación n de una masa ex xcéntrica. En E esta com municación n presentam mos un estu udio experim mental de la l forma que tom ma el frente de la fisura a durante su u propagac ción cuando o una masa a excéntrica se sitúa en distin ntas posicio ones angula ares respectto de la fisu ura (o de la entalla). L. Rubio o et al. XIX Congreso Naciional de Ingeeniería Mecán nica 2 2. DISP POSITIVO EXPERIMEN E NTAL Para an nalizar el efecto descrito en p párrafos an nteriores se e dispone de un dis spositivo experim mental para el estudio del comporrtamiento dinámico d de ejes fisura ados. Este banco b de ensayos s, que se muestra en la a figura 1, está provisto de un sis stema de ad dquisición de d datos por sen nsores de proximidad p permiten medir m las órrbitas descrritas por ell eje. La laser que p disposic ción del eje es la conoc cida en la b bibliografía como “Jeffc cott Rotor” o “Eje de Laval” L [6] que con nsiste en un n eje biapoy yado en suss extremos y sometido a un carga a concentrad da en su sección central rep presentada por p un discco (figura 2). Figu ura 1. Banco de ensayos de ejes girato orios Figu ura 2. Jeffcottt rotor El siste ema permite e analizar el e comporta amiento de los ejes en n condicion nes dinámic cas, y en concreto o en este ca aso, el comp portamiento o de ejes fis surados. En este e trabajo, el banco de ensayos see ha utiliza ado fundam mentalmentee como med dio para hacer p propagar fis suras de fa atiga en ej es previam mente entalllados. Las característticas del banco p permiten disponer d eje es de distin ntas longitu udes y diá ámetros, y permiten variar v la velocida ad de giro. Los ens sayos llevad dos a cabo han consiistido en ell ensayo ha asta rotura a por fatiga a de ejes previam mente entalllados. Las característic c cas de los ejes e (figura 3) 3 son: longgitud del eje e L= 900 mm, diá ámetro del eje De=20m mm y posició ón de la fisu ura Lf=L/2. Los ejes soon de alum minio con unas prropiedades de Módulo de Elasticid dad E=72 GPa G y coefic ciente de Pooisson =0.3. Por lo que respecta a la velocidad v a la que se h han llevado o a cabo los s ensayos, sse ha llegad do a una Efecto de e la presenciia y orientaciión de una m masa excéntriica en la form ma del frentee de una fisu ura… velocida ad máxima de p=1.2, donde p ess la razón entre e la vellocidad de ggiro del eje e y su velocida ad crítica Vc. c En esto os ensayos se s han considerado en ntallas gran ndes de valo ores de =a a/D (donde e a es la profund didad de la fisura) de 0.4 0 y 0.5. Figura 3 3. Disposición del eje onseguir la propagació ón de las ffisuras de fatiga, f com mo se ha in ndicado, los s ejes se Para co entallarron previam mente con un espesor d de entalla de e 0.4 mm (ffigura 4). Fig gura 4. Entallla previa rea alizada a los ejes e El efectto de la orrientación de d la excen ntricidad se e analizó mediante m la a realización n de los ensayos s incorpora ando al dis spositivo u una masa excéntrica e en el discco del deno ominado “Jeffcottt rotor”. El diseño del disco perm mitió modifiicar la orien ntación de la masa ex xcéntrica respecto o de la pos sición de la entalla meediante inse erción de masas m en loos huecos del d disco que se m muestran en la figura 5. Figura 5. Dis sco sobre el q que se dispon nen las masa as excéntricass Los datos de la ma asa excéntrrica son loss siguientes s: me=200grr y e=80mm m. La orienta ación de a excéntrica a se ha tom mado en rela ación con la a entalla/fis sura eligién ndose los siguientes la masa ángulos s =0º; 45º; 90º (figura 6). 3 L. Rubio o et al. XIX Congreso Naciional de Ingeeniería Mecán nica 4 Fig gura 6. Posib bilidades de disposición d d de las masas excéntricas respecto r de la a entalla/fisura 3. COM MPORTAMIE ENTO DINÁ ÁMICO DE L LOS EJES ROTATORIOS CON E EXCENTRIC CIDAD 3.1. Esttado tensio onal en un eje intacto o a lo largo o de un giro o Cuando o un eje giira es posib ble observa ar como un n punto cu ualquiera deel mismo presenta p variacio ones cíclicas s de su esttado tension nal que se repiten en cada vuelta a. Esto es debido d a que ese e punto en ciertos momentos dell giro estará á en la zon na de tracciión del eje y por lo tanto p presentará tensiones positivas, p y en ciertos momento os se encon ntrará en zona de compres sión con lo que presen ntará tensio ones negativas. Como es conocidoo, la alterna ancia de tensione es positivas s y negativa as puede da ar lugar al fe enómeno de e rotura porr fatiga cua ando hay una pre esencia de un u defecto o de una irrregularidad d geométric ca o de matterial del eje. Como ejemplo o de esta sittuación se muestra la a figura 7, donde d se prresenta el eestado tens sional de un pun nto interior de un eje giratorio g du urante una vuelta. Se observa o com mo en el ca aso en el que no se considerra la presen ncia de una a masa exc céntrica se produce p un n ciclo de te ensiones ontinua). (línea co 1,5 Tensión adimensional 1 0,5 0 0 100 200 300 sin exc ‐0,5 ‐1 ‐1,5 Ánguulo de giro Figu ura 7. Tension nes fluctuante tes en un eje intacto con y sin excentriccidad En cond diciones ide eales de fun ncionamientto, la altern nancia de te ensiones see mantiene según lo explicad do previam mente. Sin embargo, ccomo se ha h indicado en aparta ados anteriiores, la mayoría a de los eje es rotatorios no funcio ona en con ndiciones ideales, preseentando a menudo desequiilibrios y de esalineamie entos. Cuan ndo se cons sidera una masa excén ntrica para simular un dese equilibrio (c como la ind dicada en lla figura 6), el resulta ado del esta ado tension nal en el mismo punto que en el caso de eje idea al, es el qu ue se muesttra en mism ma figura en e líneas l tres grá áficas mosttradas se puede p detec ctar que en n el primero de los discontiinuas. De las Efecto de la presencia y orientación de una masa excéntrica en la forma del frente de una fisura… casos se produce una única alternancia de tensiones mientras que en los otros dos casos, cuando se consideran dos posiciones de la excentricidad, para una vuelta del eje se producen hasta 4 fluctuaciones de tensión, por lo que cabe esperar una modificación en el fenómeno de fatiga y la posible rotura del eje debida a la misma. 3.2. Análisis de las órbitas de un eje fisurado a lo largo de un giro El análisis del comportamiento de un eje puede realizarse mediante el estudio de las órbitas descritas por una sección del eje. En concreto, en un eje fisurado se pueden estudiar las órbitas de la sección que contiene a la fisura. Estas órbitas pueden dar una información muy detallada de las fisuras que contiene un eje. En concreto para los ensayos realizados en este trabajo las órbitas son las que se muestran en la figura 8. En esta gráfica se pueden observar las órbitas descritas por la sección de la fisura para una profundidad de fisura inicial de 0.5 y para distintos valores del ángulo de excentricidad. Desplazamiento Y, mm 0,5 ‐1,5 0 ‐1 ‐0,5 ‐0,5 0 0,5 1 1,5 2 ‐1 ‐1,5 ‐2 ‐2,5 Desplazamiento Z, mm Figura 8. Órbitas descritas por los ejes con una masa excéntrica con tres orientaciones Las gráficas mostradas permiten ver que a medida que la excentricidad modifica su posición respecto de la fisura inicial alejándose de la misma, se produce un desplazamiento de las órbitas hacia la derecha. Asimismo se observa un giro de la órbita de aproximadamente 90º en sentido horario para el caso de excentricidad más rotada respecto de la fisura. 4. RESULTADOS Como se ha mencionado en apartados anteriores, se han llevado a cabo ensayos de rotura por fatiga de ejes previamente entallados en su sección central en los que se ha dispuesto una masa excéntrica con distintas orientaciones respecto de la entalla inicial. Las posiciones de la masa excéntrica se corresponden con las indicadas en la figura 6. La figura 9 muestra el caso de la propagación de la fisura a partir de la entalla cuando el ángulo de la excentricidad con la entalla es de 0º. En este caso se puede considerar que el crecimiento es prácticamente paralelo a la entalla a la vista de las playas de fatiga hasta el último frente, momento en el que se produjo la rotura. El ángulo formado finalmente es de aproximadamente 10º. Se observa además, que el frente cambia pasando de ser recto a ligeramente elíptico. Este resultado se observa con mayor facilidad en las medidas realizadas sobre los ejes ensayados (figura 9b), con el vídeo-microscopio de medición 2D “Swift Duo” del que se dispone. 5 L. Rubio o et al. XIX Congreso Naciional de Ingeeniería Mecán nica 6 Figurra 9. Propaga ación de una fisura =0.5 5, =0º Cuando o el ángulo que forma la masa exccéntrica con n la entalla a pasa a serr de 45º (fig gura 10), la propa agación de la fisura es s muy difereente. Se pro oduce un crrecimiento de la fisura a de una manera a irregular observándo o se una prim mera playa de fatiga con c una forrma marcad damente elíptica y que va cambiando la l forma ha asta acabarr siendo prá ácticamentee recta en el e último frente a antes de pro oducirse la rotura. r Fig gura 10. Prop agación de fisura fi para =45º = Este efe ecto se ma antiene, y se s acentúa, cuando la a excentriciidad se disspone forma ando un ángulo con la enta alla inicial de 90º como o puede observarse en el figura 11 1. Fig gura 11. Prop agación de fisura fi para =90º = e caso, la fo orma elíptica del crecim miento es aún a más pro onunciada y la inclina ación del En este último frente anttes de la rotura r es mayor que e en los casos c anterriores (30ºº y 55º, respectiivamente). Efecto de e la presenciia y orientaciión de una m masa excéntriica en la form ma del frentee de una fisu ura… Asimism mo se ha re ealizado un ensayo pa ara ejes con n entallas ligeramente más peque eñas (= 0.4) y con excen ntricidad diispuesta iggualmente a 90º, encontrándosse resultad dos muy similare es al caso de d = 0.5 (figura12). Se observa a que el exttremo de la a forma elíp ptica del frente en el borde del d eje coinc cide con el mismo pun nto del eje con entalla d de 0.5. Figu ura 12. Propa agación de la a fisura para una entalla de d =0.4 y = =90º CLUSIONES 5. CONC En este e trabajo se e muestran n los resulttados alcan nzados tras la realizacción de ens sayos de rotura por fatiga de ejes giratorios qu ue presenttan una ex xcentricidad d. En conc creto se n las difere encias que se observa an en la su uperficie de rotura de los ejes cu uando la analizan excentriicidad que presenta el e eje modiifica su oriientación re especto de la posición n inicial coincide ente con la fisura inicial o la enta alla. Se ha observado que a medida que lla excentric cidad se aleja a en poosiciones an ngulares o de la fisura, la forma a que preseenta el frentte de la fisu ura es más elíptica y fo orma un respecto mayor á ángulo con respecto al a frente iniicial de la fisura. f En concreto c see ha observ vado que para un na posición relativa de 0º, la fisurra se propag ga prácticam mente para alela al frentte inicial de la fis sura y con una u forma con muy ba ajo grado de elipticidad d. Para una a posición de d 45º la fisura c crece forman ndo inicialm mente una ffisura elíptiica “abierta”” que tiendee a hacerse e recta al final de el ensayo cerca c del fa allo final d del eje. Parra una pos sición de 9 90º, la fisurra crece igualme ente en form ma elíptica, con mayorr índice de elipticidad,, tendiendoo, al igual que q en el caso an nterior, al frrente recto al final del ensayo. Ex xiste una diferencia ad dicional enttre estos dos cas sos y es la a inclinació ón del fren nte final del ensayo pasándose de un án ngulo de inclinac ción de 10º a una in nclinación máxima pa ara el caso o de =90ºº de 55º, con c una situació ón intermed dia de 30º para el caso de =45º. Los resu ultados exp perimentales alcanzado os ponen de e manifiesto o el efecto q que la presencia de una ma asa excéntrrica y su orientación o tienen en la forma que presentta el frente de una fisura d de fatiga y en la form ma en la qu ue se propa aga. Se ha observado que este efecto e se produce e en parale elo con cierrtas modificcaciones en ncontradas en las carracterísticas de las órbitas descritas por la sec cción fisura ada en cad da caso. Se S puede cconcluir qu ue estos nos son co onsecuencia a del estado o tensionall generado por la preesencia de la masa fenómen excéntriica que indu uce cambio os en la fatigga a la que está sometido el eje. 6. AGRA ADECIMIEN NTOS Los auttores desean n agradecerr la financia ación para la l realizació ón de este ttrabajo al Ministerio M de Econ nomía y Com mpetitividad d a través deel proyecto DPI2009-13264. 7 L. Rubio et al. XIX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica 8 7. REFERENCIAS [1] C.A. Papadopoulos. The strain energy release approach for modeling cracks in rotors: A state of the art review, Mechanical Systems and Signal Processing, 22 (4) (2008), 763789. [2] T.H. Patel, A.K. Darpe. 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