¿Qué es la fatiga mecánica? Fallo por tensión cíclica • Equilibrador portátil, analizador de vibraciones "Balanset" para el equilibrado dinámico de trituradoras, ventiladores, desbrozadoras, sinfines de cosechadoras, ejes, centrífugas, turbinas y muchos otros rotores. ¿Qué es la fatiga mecánica? Fallo por tensión cíclica • Equilibrador portátil, analizador de vibraciones "Balanset" para el equilibrado dinámico de trituradoras, ventiladores, desbrozadoras, sinfines de cosechadoras, ejes, centrífugas, turbinas y muchos otros rotores.

¿Qué es la fatiga mecánica? Fallo por tensión cíclica

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Comprensión de la fatiga mecánica

Definición: ¿Qué es la fatiga mecánica?

fatiga mecánica La fatiga del material (también conocida como fatiga mecánica o simplemente fatiga) es el daño estructural progresivo y localizado que se produce cuando un material se somete a ciclos repetidos de tensión o deformación, incluso cuando la tensión máxima en cada ciclo es muy inferior a su resistencia a la tracción o límite elástico. La fatiga provoca la aparición de microfisuras que se propagan a lo largo de miles o millones de ciclos, lo que finalmente conduce a la fractura completa sin previo aviso.

La fatiga es el modo de fallo más común en los componentes de maquinaria rotativa, como ejes, engranajes, cojinetes, elementos de fijación y elementos estructurales. Es especialmente insidiosa porque los fallos por fatiga se producen repentinamente, a niveles de tensión que serían seguros bajo carga estática, y a menudo sin previo aviso visible. Comprender la fatiga es fundamental para el diseño y el funcionamiento seguros de la maquinaria.

El proceso de fatiga

Tres etapas de la falla por fatiga

Etapa 1: Iniciación de la grieta

  • Ubicación: Se inicia en las concentraciones de tensión (agujeros, esquinas, defectos superficiales).
  • Mecanismo: La deformación plástica localizada crea grietas microscópicas (típicamente < 0,1 mm)
  • Duración: Puede alcanzar una vida útil total a fatiga de 50-90% para superficies lisas.
  • Detección: Extremadamente difícil, generalmente indetectable en servicio.

Etapa 2: Propagación de grietas

  • Proceso: La grieta crece gradualmente con cada ciclo de tensión.
  • Tasa: Sigue la ley de Paris: la tasa es proporcional al factor de intensidad de estrés.
  • Apariencia: Frente de grieta liso, generalmente semicircular o elíptico
  • Marcas de playa: Patrones concéntricos que muestran las etapas de crecimiento de la grieta (visibles en la superficie de fractura)
  • Duración: Puede ser de 10 a 50% de vida útil total

Etapa 3: Fractura final

  • La grieta crece hasta alcanzar un tamaño crítico donde el material restante no puede soportar la carga.
  • Fractura repentina y catastrófica de la sección transversal restante
  • Superficie de fractura rugosa e irregular (en contraste con la zona de fatiga lisa).
  • Suele ocurrir sin previo aviso durante el funcionamiento normal.

Fatiga en maquinaria rotativa

Fatiga del eje

  • Causa: Esfuerzos de flexión de desequilibrar, desalineación, o cargas transversales
  • Ciclo de estrés: El eje giratorio experimenta una inversión completa en cada revolución.
  • Ubicaciones comunes: Chaveteros, cambios de diámetro, hombros, ajustes a presión
  • Vida típica: 10⁷ a 10⁹ ciclos (años de funcionamiento)
  • Detección: Grieta del eje Firmas de vibración (componente 2×)

Fatiga de los cojinetes

  • Mecanismo: Fatiga por contacto rodante debida a tensiones hertzianas
  • Resultado: Desprendimiento de pistas de rodamientos o elementos rodantes
  • Vida L10: Vida estadística en la que fallan 10% rodamientos (base de diseño)
  • Detección: Frecuencias de fallas de los cojinetes en el espectro de vibración

Fatiga de los dientes del engranaje

  • Fatiga por flexión: Las grietas se inician en el filete de la raíz del diente.
  • Fatiga por contacto: Picaduras y desprendimientos superficiales
  • Ciclos: Cada interacción de la malla constituye un ciclo.
  • Falla: Rotura dental o deterioro de la superficie

Fatiga de los sujetadores

  • Pernos sometidos a cargas alternas desde vibración
  • Las grietas suelen comenzar en la primera rosca de la tuerca.
  • Fallo repentino de un perno sin previo aviso visible
  • Puede provocar el colapso o la separación del equipo.

Fatiga estructural

  • Bastidores, pedestales y soldaduras sometidos a carga cíclica
  • La vibración crea tensiones alternas.
  • Grietas en soldaduras, esquinas, discontinuidades geométricas
  • Fallo progresivo de las estructuras de soporte

Factores que influyen en la vida de fatiga

Amplitud de tensión

  • La vida a fatiga disminuye exponencialmente con la amplitud de la tensión.
  • Relación típica: Vida ∝ 1/Estrés⁶ a 1/Estrés¹⁰
  • Pequeñas reducciones del estrés prolongan drásticamente la vida
  • Minimizar la vibración prolonga directamente la vida útil de los componentes a la fatiga.

Estrés medio

  • El estrés estático (medio) combinado con el estrés alterno afecta la vida
  • Un mayor estrés medio reduce la resistencia a la fatiga
  • Los componentes pretensados o sometidos a tensión previa son más susceptibles.

Concentraciones de estrés

  • Las características geométricas (orificios, esquinas, ranuras) concentran la tensión.
  • El factor de concentración de tensiones (Kt) multiplica la tensión nominal
  • Las grietas casi siempre se inician en concentraciones de tensión.
  • Diseñar con radios amplios, evitar esquinas puntiagudas

Estado de la superficie

  • El acabado superficial afecta la resistencia a la fatiga (liso > rugoso).
  • Los defectos superficiales (muescas, arañazos, picaduras de corrosión) inician grietas.
  • Los tratamientos superficiales (granallado, nitruración) mejoran la resistencia a la fatiga

Ambiente

  • Fatiga por corrosión: Un ambiente corrosivo acelera la propagación de grietas
  • Temperatura: Las temperaturas elevadas reducen la resistencia a la fatiga
  • Frecuencia: Las tasas de ciclado muy altas o muy bajas pueden afectar la vida

Estrategias de prevención

Fase de diseño

  • Eliminar o minimizar las concentraciones de estrés (utilizar filetes generosos)
  • Diseñar con márgenes de fatiga adecuados (factores de seguridad típicos de 2 a 4).
  • Seleccionar materiales con buenas propiedades de fatiga
  • Análisis de elementos finitos para identificar zonas de alta tensión
  • Evite, en la medida de lo posible, las esquinas puntiagudas y los agujeros en zonas de alta tensión.

Fabricación

  • Mejora el acabado superficial de los componentes críticos.
  • Tratamientos superficiales (granallado, cementación)
  • Tratamiento térmico adecuado para una resistencia a la fatiga óptima
  • Evite las marcas de mecanizado perpendiculares a la dirección de la tensión.

Operación

  • Reducir la vibración: Bien balance, La alineación de precisión minimiza las tensiones alternas.
  • Evite la sobrecarga: Operar dentro de los límites de diseño
  • Evitar la resonancia: Evite operar en velocidades críticas
  • Control de la corrosión: Recubrimientos protectores, inhibidores de corrosión

Mantenimiento

  • Inspección periódica para detectar grietas (visual, métodos NDT)
  • Monitorear las vibraciones para detectar a tiempo la aparición de grietas.
  • Reemplazar los componentes al final de su vida útil calculada.
  • Reparar inmediatamente los daños superficiales (pueden ser puntos de inicio de grietas).

La fatiga mecánica es un modo de fallo fundamental en la maquinaria rotativa que provoca averías repentinas, a menudo catastróficas, debido al daño cíclico acumulado. Comprender los mecanismos de fatiga, diseñar para minimizar las tensiones alternas y mantener bajos niveles de vibración mediante un equilibrado y una alineación adecuados son esenciales para prevenir fallos por fatiga y garantizar una larga vida útil de los componentes de la maquinaria.

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