Introducción

La trituración es un conjunto de operaciones realizadas para fragmentar bloques de mineral de diversos tamaños, y puede segmentarse en etapas, como la primaria y la secundaria. Las máquinas más utilizadas durante la trituración son las trituradoras, que pueden ser de distintos tipos, como giratorias, de mandíbulas, de impacto y de rodillos.

Este artículo trata de uno de los casos de éxito de Kot, en el que se llevó a cabo el análisis de fallos del eje accionado de una trituradora de rodillos (la figura 1 muestra el eje fracturado). El sistema en cuestión consta de un conjunto de 9 rotores, cada uno de ellos formado por tres dientes, y el eje a su vez es accionado por un sistema de motor eléctrico conectado a un acoplamiento hidrodinámico.

Figura 1: Fractura del eje de la trituradora.

Para determinar las causas del fallo, Kot llevó a cabo una evaluación estructural del fuste, utilizando inspecciones visuales, análisis de laboratorio y análisis informáticos mediante el método de los elementos finitos (MEF). Método de los Elementos Finitos (MEF)..

Metodología utilizada

La actividad comenzó con el modelo as-built del pozo de la trituradora, utilizando un escaneado 3D de la estructura fracturada, así como un estudio dimensional. El modelo del pozo escaneado puede verse en la figura 2.

Figura 2: Escaneado en 3D del eje fracturado. FUENTE: Colección Kot.

El modelo de elementos finitos se generó utilizando un software específico. Para generar la malla se utilizó una combinación de elementos sólidos tetraédricos y hexaédricos de segundo orden. La región de rotura del eje se modelizó con un mayor refinamiento de la malla para obtener una mejor relación entre coste computacional y precisión en el cálculo del campo de tensiones actuante. La figura 3 muestra el modelo de elementos finitos.

Figura 3: Modelo de elementos finitos del eje de la trituradora. FUENTE: Colección Kot.

Además de determinar correctamente la discretización del medio continuo, la aplicación de las condiciones de contorno también es crucial para obtener resultados fieles a la realidad del objeto simulado, especialmente en un análisis de fallos. Se aplicaron restricciones al modelo para representar el contacto del eje con los cojinetes radiales y el contacto de la pieza estriada con la caja de engranajes del sistema de transmisión. Las cargas generadas al entrar en contacto los dientes con el material a triturar se aplicaron como cargas remotas para dar cuenta de los momentos de flexión y torsión.

Se simularon diversas condiciones de funcionamiento para abarcar la gama más amplia posible de fuerzas que actúan durante una rotación del eje, así como para tener en cuenta los distintos ciclos de carga a los que está expuesto el equipo durante su vida útil. La variación de las posiciones de los dientes y de las magnitudes de carga consideradas permite realizar un análisis de fatiga con un espectro de carga más cercano a la realidad. La figura 4 ilustra las condiciones límite de una de las situaciones de funcionamiento simuladas.

Figura 4: Condiciones límite y cargas aplicadas al modelo informático. FUENTE: Colección Kot.

Resultados

Tras construir el modelo informático, se realizaron análisis estáticos utilizando el método de los elementos finitos. Para todas las situaciones, incluido el par máximo (véase la figura 5), la estructura del eje presenta un factor de seguridad superior al considerado apropiado para el tipo de aplicación, lo que indica que la estructura puede soportar las fuerzas estáticas que actúan sobre ella.

Figura 5: Resultados del análisis estático mediante el método de los elementos finitos. FUENTE: Colección Kot.

La segunda etapa del análisis de fallos consistió en comprobar la fatiga del eje. Basándose en el historial de corriente del motor registrado por el sistema de automatización, se contaron los ciclos de carga utilizando la metodología rainflow recomendada por las normas internacionales.

En función del funcionamiento de la trituradora, se genera un estado de tensión multiaxial no reversible que requiere el uso de una metodología específica de análisis de fatiga. El diagrama S-N clásico indica una meseta constante después de¹⁰⁶ ciclos, pero según una norma internacional, los aceros de los componentes sometidos a un elevado número de ciclos no presentan dicha meseta. Por lo tanto, el coeficiente angular de la curva S-N después de¹⁰⁶ ciclos se modificó para reflejar este comportamiento, como puede verse en la figura 7. Basándose en la curva S-N y en el número de ciclos a los que se sometió el eje antes del fallo, también se obtuvo un factor de seguridad superior al recomendado, lo que indicaba que no se esperaba el fallo por fatiga del eje.

Figura 7: Diagrama S-N del eje de la trituradora. FUENTE: Colección Kot.

Para comprender mejor la causa del fallo, se llevó a cabo un análisis detallado de la superficie de fractura, que reveló la presencia de varias grietas cerca del chavetero, resultantes de anteriores trabajos de mantenimiento en el eje. La coalescencia de estas grietas generó una macrofisura, que se propagó por fatiga y comprometió un porcentaje de la sección transversal del eje antes del fallo. Esto llevó a la posibilidad de un fallo por sobrecarga durante el funcionamiento.

Para comprender la magnitud de la carga que generó el fallo, se llevó a cabo un análisis de Mecánica de Fractura Elástica Lineal, en el que se introdujo en un modelo informático de elementos finitos una grieta con dimensiones similares a las observadas en la superficie de fractura. Esto permite calcular el Factor de Intensidad de Tensión (SIF) en el frente de la grieta y comparar este parámetro con la tenacidad a la fractura _(KIC) del material.

A partir de las simulaciones realizadas, se observó que tensiones equivalentes al par máximo del motor de accionamiento eran capaces de provocar que el FIT combinado para los modos de tracción y torsión igualase el _KIC del material, culminando en la fractura del eje. La figura 8 ilustra la distribución del Factor de Intensidad de Tensión delante de la grieta insertada en el modelo informático.

Figura 8: Factor de intensidad de la tensión obtenido a partir del modelo informático. FUENTE: Colección Kot.

Conclusión

A partir de los análisis realizados, se concluyó que el diseño del eje era adecuado para las fuerzas actuantes. Sin embargo, debido a la inclusión de defectos resultantes de intervenciones de mantenimiento del eje, se generó una grieta que se propagó de forma constante debido a la fatiga hasta que, durante un evento de sobrecarga, el material alcanzó su tenacidad a la fractura, culminando en la rotura frágil del eje.

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