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REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIN
UNIVERSITARIA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGA DEL OESTE
MARISCAL SUCRE
INGENIERA MANTENIMIENTO
ANALISIS DE FALLAS
PROFESOR Msc. PASTOR NIAZOA
Anlisis de un elemento
daado del sistema de
conexin de los vagones
INTEGRANTE
DUGARTE JOHAN
RESUMEN
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El funcionamiento de trenes de pasajeros en diferentes
continentes an se
diferencia por la variedad de sistemas de conexiones de vagones.
La conexin
predominante de vagones en Norteamrica y Australia es el sistema
de enganche
automtico. El sistema de ganchos de traccin y amortiguadores han
dejado de
ser frecuentes. En Europa los sistemas de ganchos de traccin y
amortiguadores
estn an en amplio uso. En particular la mayor!a de trenes de
pasajeros en
"umania tienen vagones conectados por ganchos de traccin y
sistemas de
amortiguadores. Este documento presenta una situacin inusual
para el anlisis
de un elemento da#ado de sistemas de gancho de traccin y donde
se ha perdido
la informacin $sica acerca de las causas de la falla. %e$ido a
la falta de
informacin el anlisis tiene un alto grado de suposiciones
estando $asada en
escenarios de fallas. El elemento averiado es una placa de
v!nculo hecha de aceroforjado. %espus de un examen inicial de la
superficie de la fractura se o$serv la
existencia de un defecto estructural en el material del cual se
inici una grieta por
fatiga. El anlisis involucra una evaluacin experimental de las
propiedades
mecnicas del material del componente fallido seguido por el
modelado del
comportamiento del sistema de conexin de acuerdo a la posicin
donde se
coloca so$re el tren. &asado en el modo de propagacin de
grietas por fatiga
corresponde con el nivel de carga del sistema de conexin
diferentes escenarios
han sido hechos so$re el tiempo de propagacin. %e$ido a 'ue
importante
informacin acerca de las causas de la falla se perdi el anlisis
fue representado
tomando en cuenta casi todos los factores 'ue podr!an
influenciar la propagacin
de grietas por fatiga.
Este anlisis lleg a completar las investigaciones hechas por
especialistas en
(eguridad )ial en las l!neas de trenes.
Intr!"cc#$n
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Los vagones de ferrocarril son algunos de los ms importantes
medios de
transporte para pasajeros y carga. Los acoplamientos unen los
vagones para
formar una entidad llamada *tren+. En el movimiento longitudinal
de los trenes los
acoplamientos tienen un importante papel al conectar vagones
adyacentes y la
locomotora mientras se permite la transmisin de la fuer,a de
traccin locomotora
so$re la direccin axial. Adems de la condicin antes mencionada
los
acoplamientos de$en permitir movimientos relativos entre vagones
am$os en
direccin vertical producida por las suspensiones de cada vagn y
determinada
hori,ontalmente por el conducto elctrico. Adems en algunos casos
esto de$e
permitir un movimiento de rotacin alrededor de su propio eje.
-tra exigencia
impuesta a los acoplamientos yace en su ha$ilidad para
amortiguar los impactos
reci$idos por los vagones. La seguridad del funcionamiento del
acoplamiento delos vagones depende principalmente de su ha$ilidad
para resistir las fuer,as
dinmicas de traccin y presin generadas por la propulsin o freno
del tren. El
incremento en tonelaje y velocidad simultneamente con el cam$io
de fuer,as 'ue
acta so$re los acoplamientos gu!a a la reduccin de la
resistencia de los
acoplamientos del vagn de$ido a las fallas de algunos
componentes. or otro
lado la alta densidad de micro/defectos en las estructuras de
los materiales de los
componentes de sistemas de acoplamiento y $aja calidad de las
superficies
especialmente en reas cr!ticas son tam$in motivos de da#o por
fatiga del
sistema de acoplamiento.
Esta gu!a presenta un anlisis de fallas de un acoplamiento de
vagones de un tren
de pasajeros con 0 vagones arrastrada por una locomotora
elctrica de diesel. La
falla del acoplamiento fue causada por la fractura de un aplaca
de v!nculo de$ido a
la iniciacin y propagacin de una grieta por fatiga. El presente
estudio consiste en
un anlisis de la superficie de la fractura y las propiedades
mecnicas del materialde enlace seguido por el anlisis del
acoplamiento de las cargas del vagn
durante el movimiento y un anlisis 1E2 y &E2 del elemento
fallido. %e cual'uier
forma el estudio se dificult por el descuido de la superficie de
la fractura la cual
lleva a 'ue se oxide.
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E% s#st&'( !& (c)%('#&nt !& %s *(+n&s cn
t"&rc(s , +(nc-s !&
tr(cc#$n !&scr#)c#$n.
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Los resultados de la prue$a experimental so$re el material
pro$ado fueron
comparados con las propiedades mecnicas del material
especificado en la
recomendacin standard @93 7B para la ejecucin del componente
fallido.
45a$la:6.
En la ta$la 7 se dan los resultados del anlisis 'u!mico llevado
a ca$o en el
material muestreado comparado con las recomendaciones standard.
Ensayos de
traccin fueron llevados a ca$o so$re el material muestreado de
acuerdo a (" EN
:8887/:. C:8D y los resultados se dan en la ta$la =.
3onsiderando 'ue el acoplamiento est sujeto a cargas dinmicas
durante
el movimiento del tren es necesario determinar la energ!a del
impacto de la
fractura del cual est hecho el componente roto. En orden las
prue$as de
resistencia han sido llevadas a ca$o so$re prue$as nivel ) con
dimensiones
transversales de :8 x :8 mm $asado en el cual fue determinada la
energ!a de
impacto 3harpy a la temperatura de 7< FC. Las pruebas han
sido llevadas a cabo
de acuerdo a SR EN ISO 148-1, tabla 4.
%espus de la evaluacin del comportamiento mecnico del
material
muestreado se podr!a hacer una primera o$servacin so$re el
anlisis de fallo
del elemento del acoplamiento. Gay una diferencia entre
composicin 'u!mica y
propiedades mecnicas del material pro$ado y los materiales
esta$lecidos en los
modelos @93 para la ejecucin de conexiones de acoplamientos. La
composicin
'u!mica indica un acero $ajo en car$ono A9(9 :87> y
pro$a$lemente de$ido al
tratamiento trmico yHo 'ue el componente esta hecho mediante
forjado las
propiedades mecnicas son ms altas 'ue el usual acero A9(9
:87> estirado en
fr!o a altas temperaturas C:7:=D.
E% (n4%#s#s !& %( s")&r5#c#& !& %( 5r(ct"r(
El anlisis de la superficie de la fractura fue dif!cil de$ido a
su oxidacin y
prdida de alguna informacin acerca de la propagacin de la grieta
por fatiga. %e
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cual'uier forma la superficie de la fractura se limpi
cuidadosamente y se
examin con un microscopio ptico Girox.
Luego del examen inicial algunas estriaciones fueron o$servadas
indicando
el rea desde la cual la grieta por fatiga se inici 1ig < a y
$. &asado en unexamen microscpico se o$serv 'ue la iniciacin de
la grieta por fatiga se caus
por la existencia de un defecto estructural en el material muy
cercano al l!mite
lateral de la seccin fig >. El defecto
9nicial 'ue form la grieta es del tipo de un agujero resultado
del vaciado del
material. Normalmente esto ser!a detectado por un control
ultrasonido. El tama#odel defecto fue alrededor 8.B>mm. Al
determinar el tama#o se midi el dimetro
del defecto en el plano de la seccin de la fractura 1ig. >
4dI 8.;= cm6 y calculada
el rea AdI 8.B8/ C477 K:6 x :
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Anali,ando la superficie de la fractura a una magnificacin de
788 veces fue
posi$le so$resaltar en detalle las estriaciones as! como
esta$lecer la distancia
entre ellas en diferentes reas de la fractura por fatiga 1ig
B.
&asado en anlisis microscpico la superficie de la fractura
se dividi en tres
regiones 1ig ; para cada regin se estim un l!mite del tama#o y
una distancia
promedio entre las separaciones semejantes comoJ
An4%#s#s '#crsc$)#c !& %( s")&r5#c#& !& %(
5r(ct"r(
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- "egin 9/el l!mite del tama#o de la grieta era alrededor de
;.0;B mm y la
distancia promedio era 7x:8/= mm
- "egin 99/el l!mite del tama#o de la grieta era alrededor de
:=.:
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topograf!a circuito de curvatura material rodante y
caracter!sticas del $ogie y
caracter!sticas de conexin del vagn. 5am$in este funcionamiento
de un tren
puede ser descrito por un sistema de ecuaciones diferenciales.
3on el propsito
de esta$lecer las ecuaciones modelos y simulacin usualmente se
asume 'ue
no hay movimiento lateral o vertical de los vagones.
ara el caso anali,ado el funcionamiento dinmico longitudinal del
tren se hi,o
tomando en cuenta las caracter!sticas tcnicas de los vagones y
la locomotora
5a$la > y respectivamente el diagrama de movimiento del tren
so$re la ruta donde
la falla del acoplamiento ocurri 1ig :8. En el diagrama de
movimiento se
representa la variacin de la velocidad de la locomotora cuando
la velocidad
aumenta de 8a B8 ?mHh. Asi como en el diagrama se contaron
alrededor de 788
de semejante aceleracin.
Entonces las ecuaciones sonJ
%onde tHd$ es la fuer,a del freno dinmica y de traccin de la
locomotora res la
cantidad de fuer,a resistente ! es la fuer,a gravitacional
causada por la
inclinacin de la pista " es la proporcionalidad del factor del
sistema deacoplamiento #i/4iI:.7O:86 es el peso del vagn a i
/4iI:7O:86 es la
aceleracin del vagn v i/ 4iI:7O:86 es la velocidad del vagn Ci
/4iI:7O:86 es
la constante de amortiguacin.
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En la 1ig 0 se descri$e el tren con esos 0 vagones indicndose la
posicin de
cada vagn por un punto de referencia en el momento tI$ s.
ara resolver las ecuaciones de movimiento del tren se necesit
determinar la
constante de proporcionalidad del sistema de acoplamiento
mientras 'ue la decompresin result del freno o aceleraciones la
carga se toma por los
amortiguadores montados en los vagones.
Los acoplamientos del vagn pueden ser descritos por un modelo
tipo resorte 1ig
:: en la cual la fuer,a de carga del acoplamiento es una funcin
del
despla,amiento entre 7 vagones adyacentesJ
ara determinar la constante de proporcionalidad del acoplamiento
%,
ensayos de traccin se llevaron a ca$o en una m'uina de prue$a de
:888 ?N
model )E&/Per?stoffprQf 2aschinen Leip,ig. %e$ido a la
excesiva longitud del
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%espus de ser esta$lecidos todos los parmetros re'ueridos para
resolver las
ecuaciones se determinaron las fuer,as de acoplamiento para dos
casos cuando
E% (n4%#s#s n"'6r#c !&% c')n&nt& !(7(!
%e acuerdo a la recomendacin standard @937B -" el acoplamiento
de$e
resistir una fuer,a de traccin de =>8 ?N sin deformaciones
permanentes y una
fuer,a de >8 ?N sin grietas o fracturas.
3onsiderando esto un anlisis 1E2 se llev a ca$o para determinar
la presin y elestado de deformacin del componente da#ado por los
casos donde el
acoplamiento estar!a cargado con =>8888N pero tam$in con
valores mximos
de las fuer,as calculadas por los primeros > acoplamientos en
el tren.
ara el anlisis numrico se reali, un modelo geomtrico 'ue se
import al
softPare AN(R( Sor?$ench versin :: C:>D. (e engran el modelo
en elementos
tetradricos finitos tipo slido. "especto a las condiciones
limite se aplic un
soporte cil!ndrico so$re el tornillo el cual no permite el
desplace axial y radial y encam$io permite la rotacin del montaje.
En la superficie de friccin entre grillete y
gancho se aplic una presin correspondiente a las fuer,as
calculadas 1ig :;.
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En las 1igs. :/78 se dan la presin normal y respectivamente las
distri$uciones
de la deformacin en seccin transversal del componente
da#ado.
Los resultados del anlisis 1E2 muestra 'ue am$os la presin y los
estados de
deformacin estn en los l!mites acepta$les de fuer,a en el
material de enlace del
acoplamiento por la fuer,a de =>8888 N. Al mismo tiempo puede
ser visto 'ue el
rea con mxima concentracin de la presin normal es el $orde
lateral de la
seccin transversal del enlace desde donde la grieta inici 1ig
78
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5am$in en la 1ig. 7: estn los mximos valores de la presin normal
en las
transversales del componente da#ado correspondiente a los
valores mximos de
las fuer,as calculadas en el caso 9 para los primero >
acoplamientos del tren.
&asado en las fuer,as de acoplamiento determinadas
anal!ticamente en el caso 9se llev a ca$o un anlisis &E2 usando
un softPare 1ranc =% versin =.7 C:BD.
ara este anlisis se consider una
grieta inicial semi/el!ptica con un
tama#o de 8.B> mm en el lugar donde
la grieta por fatiga inici. or diferentes
valores de las fuer,as de
acoplamiento el tama#o de la grietainicial se extendi en variaos
pasos
hasta alcan,ar el estado inesta$le
1igs. 77 y 7=.
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ara cada paso de ampliacin se determin la superficie de la
grieta la longitud
de la grieta frontal y respectivamente los factores de
intensidad de presin en la
grieta frontal 4%i,%ii, & %iii'.
En la 1ig. 7< se representa el factor de intensidad de presin
e'uivalentedependiendo del tama#o de la grieta por la fuer,a de
=>8888 N y
respectivamente 777>0N. El segundo valor considerado
representa la fuer,a
mxima calculada en el caso 9 por el acoplamiento 0 del tren.
%e$e notarse 'ue en todas las simulaciones llevadas a ca$o la
fuer,a aplicada en
el enlace es la mitad de la fuer,a la cual carga el
acoplamiento.
@sando el mdulo del aumento de la grieta por fatiga en 1ranc =%
se
estim la curva de propagacin de funcin de la grieta del nmero de
ciclos por el
valor mximo de las fuer,as de acoplamiento. &asado en las
fuer,as calculadas
en el caso 9 se han definido espectros de carga con "I8 y las
fuer,as mximas
correspondientes a los primeros > acoplamientos del tren. Las
constantes de
propagacin fueron esta$lecidas de las referencias C:D y C:0D.
43I:.>:>O..
Las curvas de propagacin anal!ticas determinadas se compararon
con las
estimadas del anlisis de la seccin de la fractura. En la 1ig
7> se muestran las
curves de la propagacin de la grieta por fatiga determinadas
anal!ticamente por
los primeros > acoplamientos del tren y el estimado so$re la
seccin de fractura.
(e puede o$servar 'ue el estado final de la propagacin de la
grieta antes del
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rompimiento est muy prximo a la curva de propagacin de la grieta
determinada
por el =er acoplamiento del tren. As! como se puede decir 'ue el
nivel de carga
del enlace da#ado antes del rompimiento era similar al nivel de
carga del
acoplamiento =
Cnc%"s#n&s
La falla del enlace se reali, por la presencia de un defecto
estructural
el cual causa el inicio de una grieta por fatiga. El material
del enlace anali,ado es diferente del especificado en la
recomendacin standard @93 7B. La fuer,a de carga del
acoplamiento da#ado se estim en alrededor de
770 ?N y la curva de propagacin estimada so$re la seccin de
fractura
es cercana a la calculada para el acoplamiento nmero =.
&asado en la estimacin del nmero total de ciclos por propagacin
de
la grieta 4alrededor de B
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