CAVITO-EROSION en COJINETES DE MOTOR

Transcripción

1 CAVITO-EROSION en COJINETES DE MOTOR Ing. Roberto J. Leonetti Consultor Motores C.I.- Resumen La cavito erosión en los cojinetes de contacto plano está tomando una mayor importancia económica debido a la prolongación de la vida útil de los motores. Si bien rara vez deriva en fallas catastróficas puede ayudar a disparar otros procesos que si las producen. El reemplazo de los cojinetes que presentan cavito/erosión está recomendado porque se ha destruido la micropelícula y expone al material antifricción a la corrosión quitándole a la superficie del cojinete las capacidades tribológicas originales. Introducción El mecanismo de la cavito-erosión en cojinetes de contacto plano es conocido. Se produce erosión en las superficies de trabajo de los cojinetes por el impacto de jets de lubricante que adquieren alta velocidad por la implosión de burbujas. La creación de presión negativa en el lubricante puede deberse a retroceso del flujo, vibraciones cíclicas de alta frecuencia u otros fenómenos en el interior del cojinete. Estas zonas al despresurizarse crean las burbujas. La misma teoría de lubricación hidrodinámica se basa en la compresión del lubricante por el arrastre del eje hacia un área cuneiforme donde la presión crea la película lubricante. Pero aguas abajo del punto de mínimo espesor de Las burbujas se crean cuando la presión del lubricante cae en algún momento por debajo de su presión de vapor. En condiciones adecuadas se nuclean creciendo en tamaño. Cuando se restablece la presión estas burbujas colapsan liberando la energía en forma de presión en áreas muy focalizadas. La cantidad de energía liberada depende del tamaño de la burbuja y del valor de la presión del lubricante al momento de colapsar las burbujas. Los efectos destructivos sobre la superficie de trabajo del cojinete dependen de la cantidad de energía liberada y del efecto acumulativo en un mismo lugar. La erosión usualmente no avanza más allá de la micropelícula (algunas centésimas de mm) y ocurre en zonas con relativa baja carga. Es más común en motores diesel de baja y media velocidad y rara vez afecta a motores de Combustión por chispa. Las razones son porque se necesita tiempo físico para la creación de las burbujas y su posterior colapso. También es más común en motores con velocidades constantes por el efecto acumulativo. película, el aceite es arrastrado hacia superficies divergentes donde el lubricante es despresurizado violentamente en una zona de cavitación. La existencia de burbujas por el aire disuelto en el lubricante puede crear cavitación pero no es muy significativo porque también tiene el efecto de amortiguar la violencia de la implosión de las burbujas reduciendo el efecto erosivo. Para producir daños cuantificables la burbuja debe tener un tamaño importante y colapsar bajo altas presiones para liberar suficiente energía. No siempre que se crean burbujas aparecen daños por Cavito-erosión.

2 La forma en que se crean las burbujas en el aceite en zonas bajo cavitación depende también de la adhesividad del lubricante a las superficies metálicas y de la tensión superficial del lubricante. La forma en que se rompe la película de aceite creándose burbujas en las zonas cavitadas depende del equilibrio entre la adhesividad a las superficies metálicas y la tensión superficial. Esa es la razón de la formación de una red de canales gaseosos en los planos verticales y horizontales que facilitan la creación de las burbujas. restablece las presiones (línea roja) que hace colapsar las burbujas. Usualmente se manifiesta en patrones circunferenciales situados entre el lateral del cojinete y los bordes de las ranuras como se muestra en la foto. Las presiones negativas encontradas en la película de aceite pueden superar los 1,2 MPa. Mecanismos que generan cavito-erosión En los motores de combustión interna el movimiento del cigüeñal en el interior del cojinete es cíclico y responde a los cambios de las fuerzas (en dirección y magnitud). Estos movimientos abruptos crean las condiciones para la cavitación. Inercia Es creada por el movimiento radial del eje hacia el cojinete. El eje al acercarse al cojinete desplaza el lubricante en especial en las ranuras de lubricación. Cuando el eje se detiene, la propia inercia del lubricante alejándose del área, crea una zona de baja presión detrás de él, generando burbujas. El restablecimiento de la presión produce las implosiones de las mismas. El patrón de falla clásico es un patrón de erosión en forma de V. Succión. Es creada por el eje al alejarse del cojinete. Las aéreas de baja presión se crean porque el aceite demora en llenar los espacios dejados por el rápido movimiento del eje (línea azul). Pero al revertirse el movimiento se Flujo Es creada por el impacto del lubricante a alta velocidad contra el borde de una canaleta o al pasar por un orificio de lubricación. Esto produce

3 una abrupta caída de la presión. No afecta el rendimiento del cojinete porque aparece en aéreas poco cargadas. Una de las formas más comunes es la erosión en las salidas de los orificios de lubricación. En el cojinete adjunto se puede observar un fuerte desgaste por cavito erosión que apareció en el inicio de la traba del cojinete. Esta falla difícilmente genere una falla catastrófica porque es en una zona con muy baja carga. se interrumpe su alimentación y se produce un brusca descompresión del lubricante residual en la boca de dicho orificio por la inercia de la columna del lubricante. Las burbujas que se crean son colapsadas cuando se restablece la presión. La foto adjunta es un cojinete de un motor que opero a velocidades constantes por extensos periodos mostrando diferentes aéreas erosionadas desplazadas de acuerdo a cada velocidad de servicio. Esta falla es más común en motores que funcionan a velocidades constantes por el efecto acumulativo en un mismo lugar. Pulsación Es creada por las oscilaciones de presión en el flujo del lubricante. Un caso típico es en los cojinetes de bancada con ranura en la posición superior (la menos cargada) y sin ranura en la inferior. En la foto superior se observa la erosión producida por la cavitación en el empalme de la ranura de lubricación del cojinete liso con la del cojinete ranurado ( no mostrado en la foto). Para asegurar la alimentación permanente de lubricante a la biela hay un orificio en el cigüeñal con dos salidas a 180 grados. La alimentación del lubricante se alterna entre una y otra salida. Cuando un orifico deja la ranura Análisis de la Erosión El daño acumulativo es facilitado porque las aéreas erosionadas sirven de gatillo para la implosión de las próximas burbujas. El desgaste de la Cavito-Erosión es por fatiga superficial. De todas formas se puede distinguir los daños por fatiga debido a cargas mecánicas de la por erosión.

4 En la imagen a la superior se analiza el recuadro amarillo con 10x y en la imagen inferior con 50x. Se observa pitting con orientación axial a nivel de la micropelícula. Se analizo la zona remarcada en rojo con una imagen SEM y con EDS para determinar el espectro de los materiales. La flecha roja indica un lugar donde el aluminio del material antifricción está expuesto comprobándose que la erosión penetro mas allá de la micropelícula. Este cojinete debe reemplazarse inmediatamente. En la figura de la superior podemos observar una micrografía clásica de cavito erosión donde el desgaste se extiende más allá de la micropelícula. La forma de sus bordes es de un cráter redondeado. En cambio la figura debajo de la anterior es de una fatiga mecánica de la micropelícula con la completa remoción de la barrera entre la micropelícula y el sustrato. Se distingue de la anterior por los bordes verticales y la presencia de fisuras verticales. La cavito erosión puede destruir la micropelícula y la barrera de níquel dejando al descubierto el material antifricción que es propenso a su corrosión por el ataque acido de los aceites. Una de las funciones de la micropelícula es proteger el material antifricción de la corrosión. A su vez a esta micropelícula se la separa con una barrera inerte (usualmente níquel) del material antifricción para evitar la migración del estaño que afecta su vida útil. La destrucción de la barrera facilita la corrosión acortando la vida útil del cojinete. El cojinete de la foto siguiente presenta una cavito- erosión extendida y se busco determinar si alcanzo al material de aluminio del sustrato. Calidad de la Micropelícula. Una pobre adherencia de la barrera de níquel existente entre la micropelícula y el sustrato facilita la erosión de la micropelícula para similares grados de cavitación. Los cojinetes mostrados son del mismo motor y poseen daños distintos. El más severo es el Nro. 1. Observado por microscopio óptico se ve el clásico desgaste de la cavito erosión con bordes romos en

5 los límites de la zona de desgaste. Se realizaron micrografías de la zona dañada y áreas adyacentes no deterioradas. Estaño son mejores que las base plomo y es preferible una estructura del grano del material más fino. Una tabla de diferentes materiales ensayados es mostrada Material Dureza Resistencia a la corrosión Perdida por erosión Cu80Pb10Sn10 15T80 81% Cu73Pb24Sn3 15T73 72%.0008 Al90Sn6Cu1 40 Brin 99%.016 En la zona con mayor daño se observa la micropelícula y la barrera de níquel totalmente removidas por la erosión (en forma limpia). En un área límite de la zona dañada se observa la micropelícula removida y la adherencia de la barrera al material antifricción deteriorada y a punto de romperse. Por último en un área exterior a la zona erosionada pero cercana se observa una mala adherencia de la barrera de níquel con el material antifricción. Las conclusiones en este caso es que el mayor deterioro del cojinete Nro1 se debió a la baja adherencia de la barrera de Níquel al material antifricción. El defecto puede deberse a que durante el proceso de deposición de la barrera los baños de limpieza intermedios estaban contaminados. Materiales La mayor dureza de la capa superficial del cojinete mejora la resistencia a la erosión por cavitación. También las micropelículas base Al79Sn20Cu1 38 Brin 99%.0155 De todas formas los ensayos en el campo no son demasiados concluyentes. Conclusiones La mejor forma de prevenir la cavito erosión es evitar los cambios bruscos de dirección del lubricante haciendo lo bordes y empalmes de las ranuras y orificios de lubricación lo más suaves posibles evitando bordes agudos. El aumento del ancho de las ranuras y de los orificios de lubricación para disminuir las restricciones al flujo y reducir las velocidades de circulación es beneficioso. Extender las ranuras del cojinete al cojinete inferior liso es otra buena práctica de diseño aunque es más costosa y puede disminuir la presión de aceite y la superficie de trabajo. Aumentar la presión y caudal de alimentación del aceite, mantener la temperatura del lubricante por debajo de los 100grados y el aumento de la viscosidad del aceite ayuda a disminuir los efectos de la cavitación. Otra recomendación es mantener las luces de aceite en el mínimo especificado BIBLIOGRAFIA 1) Erosion Damage un Engine Bearings- R.O. James Glacier ltd 2) Semienaberichte- BHW ) Bearings Failures Glacier 4) Mechan ism of Cavitation STLE nro 89-TC ) Federal Mogul Technical Center. Technical Reports