Tecnura

ISSN: 0123-921X
tecnura@udistrital.edu.co
Universidad Distrital Francisco José de
Caldas Colombia

BEJARANO RESTREPO, LIZTMAN; CORONADO MARÍN, JOHN JAIRO; LEÓN GÓMEZ, ADOLFO
Análisis de falla del eje de un motor eléctrico de una fábrica harinera
Tecnura, vol. 9, núm. 18, 2006, pp. 10-18
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Bogotá, Colombia

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=257021033002

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con-ciencias
Análisis de falla del eje de un motor eléctrico
de una fábrica harinera
Failure Analysis about the Shaft of an Electrical Motor
in a Flour Mill

L IZTMAN B EJARANO R ESTREPO

Estudiante de Ingeniería Mecánica en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universi-
dad del Valle (Colombia). Integrante Grupo de Investigación en Fatiga y Superficies.
lizmbert@univalle.edu.co

J OHN J AIRO C ORONADO M ARÍN

Ingeniero Mecánico, Magíster en Ciencias en Ingeniería Mecánica de la Universidad de
Puerto Rico. Docente de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Valle
(Colombia).
johncoro@univalle.edu.co
johnjairocoronado@yahoo.com

ADOLFO LEÓN G ÓMEZ

Ingeniero Mecánico, Magíster en Ingeniería Mecánica de la Universidad de Cincinnati.
Profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad del Valle (Colombia).
adogomez@univalle.edu.co
Clasificación del artículo: investigación
Fecha de recepción: 21 de noviembre de 2005 Fecha de aceptación: 2 de junio de 2006

Palabras clave: eje; concentración de esfuerzos; defectos de soldadura; fractura frágil; análisis de falla.
Key words: shaft; stress concentration; welding defects, brittle failure; failure analysis.

RESUMEN
torsión (el estado de carga principal en el eje) y, por
En este estudio se describe el análisis de falla rea- tanto, no las soportaron, originando la falla.
lizado al eje de un motor eléctrico de un molino de
ABSTRACT
harina. La falla sucedió después del último mante-
nimiento mayor realizado al motor. El estudio reve- This paper describes the failure analysis carried out
ló que el eje fue soldado para recuperar material y to the shaft of an electric motor of a flour mill. The
debió perder movimiento relativo con el rodamien- failure happened after the last major maintenance
to, sin que se ejerciera el control requerido sobre carried out to the motor. The study revealed that
este proceso. El examen microestructural muestra the shaft was welded to add material, which was
la aparición de grandes zonas de martensita en la lost because relative motion between ball bearing
zona térmicamente afectada, y de martensita de inner race and shaft, without the required control
temple incompleto en la zona de fusión; estas mi- about this process. Microestructural analysis showed
croestructuras no son resistentes a cargas de flexo- the presence of big martensita areas, in the heat

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affected zone (HAZ) and martensita of incomplete loading (the main load cases in the shaft), so the
temper in the fusion area. These microestructures failure was developed.
are not resistant enough to bending and torsional
***
1. Introducción Consultas realizadas en la literatura sobre casos
Los ejes pueden experimentar una amplia gama de similares al descrito condujeron a artículos en los
condiciones de carga. En general, ellos pueden so- cuales se estudian ejes y sus posibles causas de
portar tensión, compresión, flexión, torsión o una falla [1] [2], sin encontrar referencia a que la falla
combinación de éstas; pero además pueden experi- pueda ocurrir por aplicación de soldadura para re-
mentar cargas variables en el tiempo y tensiones cuperar material; en los estudios que consideraron
vibratorias. la soldadura en los ejes, ésta no fue la causa de la
falla [1].
Una de las causas más comunes de falla de un eje
es la fatiga, que comúnmente comienza en un con-
centrador de esfuerzos. Algunos concentradores de
esfuerzos típicos encontrados en ejes son cambios 2. Descripción del sistema
de sección, chaveteros, surcos (por acabado super- El eje que presenta la falla pertenece a un motor
ficial), entallas y corrosión localizada; pocas veces eléctrico que, por medio de un sistema de cinco
se presentan defectos de soldadura, dado que los
correas, transmite a una máquina de proceso una
materiales de mejor comportamiento en ejes de
potencia de 25 KW, con una frecuencia de rota-
transmisión son de baja soldabilidad.
ción de 1764 rpm. El eje está fabricado con acero
Este artículo presenta el análisis de la falla ocurrida SAE 1045, que nominalmente alcanza el esfuerzo
en un eje de acero SAE 1045 usado en un motor de fluencia (Sy) a 333,2 MPa y su esfuerzo último
eléctrico de un molino de harina que trabajó satis- (sut) a 568,4 MPa [3]. Por formar parte de un motor
factoriamente durante un periodo de cinco años. eléctrico, el eje está diseñado a rigidez; esto signifi-
Después del último mantenimiento realizado por un ca que las deflexiones que se presenten sobre él
proveedor externo, en el cual no se señalan traba- deben ser pequeñas, por las tolerancias estrechas
jos sobre el eje del motor, éste falló en un periodo del entrehierro; de esta forma, el eje analizado tie-
corto (aproximadamente dos semanas de servicio). ne un alto factor de seguridad en fatiga; la repre-
Un esquema del montaje del motor y la transmisión sentación del eje se muestra en la figura 2.
de potencia en la máquina de preparación se mues-
tra en la figura 1; en ella se señala el lugar de la
fractura, ocurrida en el escalón del rodamiento lado
acople en el cambio de sección hacia el rotor.

Figura 1. Esquema del sistema que presentó la falla. Figura 2. Eje del rotor del motor eléctrico.

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La falla en el eje se presenta en el cambio de sec- resultados:
ción cercana a la salida de potencia que ocurre en
las poleas (figura 3a). Se evidencia que no hay un • Torque aplicado: 135 Nm.
redondeo o radio de acuerdo, que sirva para dismi- • Fuerza flexionante neta aplicada en la zona de
nuir la concentración de esfuerzos en esa zona, lo poleas: 846 N.
que sí se presenta en el otro extremo (figura 3b). • Momento flexionante en la zona crítica (cam-
Por tanto, en la zona que no se tiene este radio hay bio de sección sin radio de acuerdo) aplicado:
un mayor concentrador de esfuerzos. 271 Nm.

• Esfuerzo combinado (tresca) en la zona de es-

a) tudio: 22 MPa.

Para determinar la distribución de esfuerzos en el

eje se empleó el método de elementos finitos (FEA,
por su sigla en inglés); para este propósito se desa-
rrolló un modelo geométrico (CAD) del eje y su
estado de cargas, mostrado en la figura 4.

Figura 4. Diagrama de cuerpo libre (estado de cargas) del eje.

b)
Figura 3. Cambios de sección en el eje (a) sin radio de El modelo de elementos finitos es tridimensional,
acuerdo; (b) con radio de acuerdo. construido con elementos tipo brick; posee condi-
ciones de borde tales como empotramiento en la
zona de transmisión de potencia, lo cual simula las
3. Cálculo de cargas y esfuerzos
condiciones de carga del eje en operación. Este
El análisis de cargas fue realizado para determinar modelo se desarrolló y analizó en ALGOR (Figura
el esfuerzo bajo funcionamiento en la zona de cam- 5a). La figura 5b muestra la alta concentración de
bio de sección. Suponiendo que el sistema trabaja esfuerzos en la zona de cambio de sección que no
bajo 100% de carga se obtienen los siguientes tiene radio de acuerdo para reducir el efecto.

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(a) (b)

Figura 5. (a) Modelo completo; (b) Modelo especificando zona crítica.

El análisis incluyó el cálculo del factor de seguridad S′n: Límite a la fatiga

utilizando la teoría de fatiga de Soderberg (para
materiales dúctiles) y, en un caso particular, anali- S′n = 0,5 Sut (3)
zando la flexo-torsión. A continuación se presenta Los factores que lo modifican son los siguientes [8]:
la formula usada para el cálculo del factor de segu-
ridad (FS):
(3)
Utilizando la teoría de Soderberg en flexo-torsión
se tiene: El FS encontrado fue 0,7, lo que indica que la falla
en el eje empezó por la acción del mecanismo de
falla por fatiga, en poco tiempo de servicio. Este
resultado también se verifica mediante los análisis
fractográficos.

(1) 4. Exámenes de fractografía

Se realizaron exámenes de fractografía en la su-
perficie de falla del eje. La investigación cubrió los
En la ecuación (1): exámenes macroscópicos y microscópicos [4]. Para
ello se utilizaron los siguientes medios:
d: diámetro sección transversal

M: momento flexionante en la sección crítica 4.1. Estudio de la superficie de la fractura

Tmax: torque máximo en el sistema En la figura 6a se aprecia la superficie de fractura;

en ella se evidencia su inicio y, además, una super-
Sn: límite de fatiga modificado ficie en la que, al principio, se identifica una peque-
ña zona de fatiga que ayuda al crecimiento del
El límite a la fatiga modificado es calculado me- defecto de soldadura (grieta). El principal mecanis-
diante la expresión: mo de falla es frágil, pues se evidencian marcas
tipo chevron en casi toda la zona de rotura. En la
(2) figura 6b se observa el sitio de falla: la rotura del
eje en la sección sin radio de acuerdo.

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Figura 6. Fotografías en la zona de fractura. (a) Superficie Figura 7. (a) y (b): Defectos de soldadura.
de fractura; (b) cambio de sección en la zona de falla.

Ocasionalmente, cuando no se ejecuta el procedi- 4.2. Estudio de la región de inicio de la falla

miento adecuado, el origen de fallas está en las jun- utilizando microscopio estereoscópico
tas de soldadura, que con frecuencia ocurren de Al observar la figura 8 con aumento de 20X se apre-
manera catastrófica [5]. En las figuras 7a y 7b se cia que existe una iniciación de fisura debido a un
observa que antes se aplicó soldadura en el eje, defecto de soldadura; ello conduce a una falla por
pues pueden observarse defectos en su superficie, fatiga (pequeña) en el inicio de la rotura que evolu-
después de realizar el maquinado. Estos defectos ciona como un mecanismo de falla frágil, identifi-
de soldadura pudieron ser causados por falta de cado por las marcas chevron, que se dirigen al
fusión e inclusión de escoria, debido a la deficiente origen de la falla.
operación y falta control en el proceso de soldadura.

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Figura 9. Micrografías en el inicio de la falla. a) Defecto de

Figura 8. Microscopia en el inicio de la falla.
soldadura; b) mal acabado superficial cerca del inicio de falla.
Aumento de 20X.

En las figuras 9a y 9b, obtenidas con un aumento dimensiones finales al eje. Mediante una prueba de
de 22X y 23X, respectivamente, se comprobaron rugosidad del material, el acabado superficial de la
las hipótesis formuladas, desde el principio del aná- zona de falla puede compararse con su contrapar-
lisis, que indicaban que el eje se soldó sin ejercer un te, que tiene el mismo cambio de sección al lado
control adecuado, probablemente con intención de opuesto del eje (original de fabricante). Conside-
recuperar material; luego se maquinó, sin conside- rando que se trabaja con una medida estándar Ra
rar que debía obtenerse un adecuado acabado su- de rugosidad (dada en unidades de μm), el examen
perficial, y además dejar un radio de acuerdo en el produjo los siguientes resultados:
cambio de sección. De esta manera se creó un
concentrador de esfuerzos adicional al cambio de • Rugosidad Ra en zona de falla = 1,02 μm
sección del eje. • Rugosidad Ra en zona original de fábrica = 0,45 μm.

En la figura 9b se observa el mal acabado superfi- Debido a que la rugosidad en la zona fallada es
cial después del maquinado que se hizo para dar más del doble de la medida en la zona sin falla, se
comprueba que se maquinó con descuido para re-
cuperar las dimensiones del eje después de soldar.
Vale destacar que para mejorar el acabado super-
ficial se debe maquinar con avances y profundida-
des bajos y alta velocidad de corte, además de tener
una herramienta de corte con un radio de nariz ade-
cuado.

5. Examen microestructural
Se realizaron pruebas de metalografía a varias po-
siciones a lo largo de la sección transversal del eje;
empezando cerca del centro de la sección trans-
versal y de la superficie exterior; ellas fueron he-
chas en un punto en el cual se evidenciaba un

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defecto de soldadura. Las muestras fueron pulidas estructura de ferrita y perlita, típica de un acero
con óxido de aluminio de 0,3 micras, atacadas con SAE 1045 (hipoeutectoide). A continuación se en-
nital al 2% y luego observadas en un microscopio cuentra una zona térmicamente afectada en el ex-
óptico. terior del eje, con una microestructura típica de
El análisis metalográfico reveló la variación en la soldadura presente cerca de la superficie [5], evi-
microestructura del material del eje en la dirección dente por un crecimiento dendrítico columnar. La
radial, lo que puede observarse en las figuras 10 y metalografía mostrada en la figura 10 tiene un au-
11. En el metal base (centro del eje) se tiene una mento de 250X, y la figura 11 uno de 400X.

Base Zona Térmicamente Afectada Soldadura

Figura 10. Cambio de la microestructura en el material cercano a la falla. Aumento 250X.

Base Zona Térmicamente Afectada Soldadura

Figura 11. Cambio de la microestructura en el material cercano a la falla. Aumento 400X.

En la zona térmicamente afectada se encontró (véase figura 13). Probablemente, dado que el eje
martensita (fase acicular dura y frágil), la cual es no fue tratado térmicamente para aliviar tensiones
peligrosa en aceros de mediano carbono emplea- en la zona soldada, se experimentan esfuerzos re-
dos para fabricar ejes buscando tenacidad (véase siduales que jugaron un papel significativo en el cre-
figura 12). También se observa comienzo de for- cimiento de la fisura presente por el defecto de
mación de martensita de temple incompleto, que es soldadura y, por último, en la falla del eje.
una estructura de fragilidad en los aceros [6]

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7. Conclusiones y recomendaciones
El examen micro-estructural muestra que, por ser
un acero de medio contenido de carbono, el mate-
rial requiere de un estricto control en un proceso de
soldadura; éste consiste primero en precalentarlo
y, luego del proceso de soldadura, aplicar un trata-
miento térmico de alivio de tensiones; asimismo, el
material de aporte debe ser seleccionado con gran
cuidado.

Las metalografías muestran un proceso de solda-

dura pobre; se presenta una microestructura mar-
Figura 12. Martensita, aumento 400X. tensitica en la zona térmicamente afectada, y
martensita de temple incompleto en la zona de fu-
sión. Estas microestructuras no son resistentes a
cargas de flexión, que son el estado de carga prin-
cipal del eje.

La concentración combinada de esfuerzos combi-

nada debidos al cambio de sección, ausencia de
radio de acuerdo, aplicación de soldadura y el po-
bre acabado superficial reduce la capacidad del
material para afrontar cargas variables. El factor
de seguridad calculado (0,7 en la sección crítica)
indica que en un principio el eje falló por el meca-
Figura 13. Martensita de temple incompleto, aumento 400x. nismo de fatiga; al llegar a la zona térmicamente
afectada, en la que se encuentran las microestruc-
6. Discusión turas de martensita, la fractura se convirtió en frá-
Los ejes de motores eléctricos son diseñados bajo gil (marcas chevron).
un criterio de rigidez estática, que permite mante-
ner las tolerancias en el entrehierro y una opera- El análisis fractográfico muestra la zona de inicio
ción alejada de las frecuencias naturales; lo anterior de la falla, comprobando que ella fue un defecto de
garantiza un comportamiento a vida infinita en con- soldadura con forma de grieta, que al tiempo agre-
diciones de servicio nominales. Por tanto, la única gó otro concentrador de esfuerzos en una zona de
forma de falla posible es la inducida por aplicación por sí de alta concentración.
de soldadura para recuperar metal perdido en algu-
na operación de mantenimiento o de trabajo del eje,
sin tener los cuidados recomendados.

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