ANALISIS DE FALLA DE PISTON DE UN AUTOMOVIL 2015 I

ANALISIS DE FALLA DE PISTON DE UN AUTOMOVIL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIADepartamento de ingeniería Mecánica y Mecatronica

Diego Fernando Vargas Camargo, Cod: 25471814

Jeison Nicolás Vargas Parra,Cod: 25471584

Joan Camilo Poveda Fajardo,Cod: 25471724

RESUMEN: La falla de un componente mecánico puede traer graves consecuencias económicas y en ocasiones de vidas humanas; el análisis de falla es la manera común de determinar las causas de dicha falla e incluso ofrece bases para aplicar soluciones. Este análisis depende en gran medida de la cantidad y calidad de información que se tenga (antecedentes, composición estimada) y que se genere de los ensayos destructivos o no destructivos realizados (estereoscopıa, composición química, metalografía). En los informes se presenta el análisis de falla de un pistón de un carro; incluye toda la metodología aplicada teniendo en cuenta la información que se tiene y la que se recolecta a través del semestre. Este documento se enfoca a la inspección visual hecha al pistón (macroscopía).

PALABRAS CLAVE: Análisis de Falla, Pistón,

Inspección visual, Tipos de falla. Sobrecalentamiento.

ABSTRACT: The failure of a mechanical component can have serious economic and sometimes of life consequences; failure analysis is the common way to determine the causes of such failure and even provides basis for implementing solutions. This analysis depends largely on the amount and quality of information (background, estimated composition) will have to be generated and the destructive or non-destructive tests performed (stereoscopy, chemical composition, and metallography). Reports failure analysis of piston of car is presented; includes all methodology taking into account the information you have and which is collected throughout the semester. This paper focuses on visual inspection made to the piston (macroscopic).

KEY WORDS: Failure Analysis, Piston, visual, Types of failure. Overheating.

1. INTRODUCCIÓN

Los componentes mecánicos en ingeniería son creados para llevar a cabo funciones específicas. Lastimosamente, un alto porcentaje de estos fallan debido a múltiples causas (deficiencias de diseño, imperfecciones en los materiales, defectos de fabricación, entre otras).La mayoría de las fallas no son significativas y sus consecuencias son tolerables, pero algunas otras llegan a ser

catastróficas teniendo como consecuencia daños a las propiedades y hasta pérdida de vidas humanas. Cuando ocurre una falla se debe realizar un análisis minucioso para determinar su causa específica. Este proceso se conoce como análisis de falla. Una vez que la causa es determinada, deben tomarsen medidas correctivas para prevenir recurrencias futuras. Los expertos en esta área examinan toda la información sobre el caso, establecen hipótesis y desarrollan procedimientos para comprobar objetivos.

El proceso de análisis depende de la naturaleza de la falla lo que fija la profundidad del estudio y la secuencia de investigación para identificar las causas que la provocan. Los procesos de examen siguen una serie de etapas y los resultados en cada una determinan la manera en la cual proceden las siguientes fases. Con base en la información obtenida en cada etapa, es posible plantear una hipótesis sobre los mecanismos de falla como puede ser una inspección visual de la superficie fracturada y oros ensayos mucho más específicos.En el presente trabajo se expone la inspección visual tal vez la etapa de mayor importancia ya que conduce a un diagnostico preliminar de la falla que es confirmado, modificado o descartado por ensayos de laboratorio.Se tiene en cuenta la existencia de concentraciones de tensiones y evidencias de abuso de servicio como: colación por exceso de temperatura, productos de corrosión y apariencia y abrasión.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL: Determinar por medio de ensayos la causa de falla de un pistón.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Determinar qué elementos y materiales componen la pieza.

Discutir las causas más probables de la falla, sea por mal diseño o mal uso del pistón.

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Comparar la falla producida en el pistón escogido con otros casos similares de otras referencias de pistones.

3. ETAPAS DE UN ANALISIS DE FALLA:

3.1) Antecedentes: Es la etapa más importante, consiste solamente en estudiar la evidencia, hacerse preguntas detalladas acerca de las partes de la pieza, las circunstancias de la falla y plantearse hipótesis. Inicialmente el analista se reúne con el personal involucrado (ingenieros de mantenimiento, procesos, etc.) para discutir el problema.

Es responsabilidad del analista realizar preguntas relevantes concernientes a la pieza, tales como:

_ Proceso involucrado._ Tipo de material _ Parámetros de diseño._ condiciones de servicio._ Registros de mantenimiento._ Frecuencia de falla._ Secuencia de eventos que procedieron a la falla.

3.2) Ensayos Y Cálculos:

_Examen preliminar (visual) de la parte que fallo._Ensayos no destructivos (líquidos penetrantes)_Tratamientos metalográficos._Si es necesario se hace un ensayo tipo SEM (Microscopia electrónica de barrido).Continuación se presentan los materiales que se necesitan para esta

práctica.

3.3) Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones:

En esta etapa se combina toda la información (antecedentes y resultados de los ensayos)y se discute la causa más probable de falla. En las conclusiones se resume el modo de fractura y la causa de la falla. En las recomendaciones se presentan puntos de vista acerca de las posibles soluciones del problema.

4. OBTENCION DE LA PIEZA

La pieza conseguida es un pistón, la cual es un componente importante del motor. Es por esto que sus daños son sumamente comunes y los hay por diversos factores. El pistón mencionado fue conseguido en un taller de mecánica automotriz ubicado en el norte de la ciudad de Bogotá donde fue cambiada unos días antes, y que por suerte la pieza no fue llevada a una chatarrería antes. Los antecedentes de la pieza serán citados en el transcurso del presente documento.

En la Figuras [1] y [2].se muestra el estado actual de la pieza.

Figura [1]. Pistón para el análisis.

Figura [2]. Pistón para el análisis.

4.1) Antecedentes de la pieza:

Según los datos que se nos propino el lugar en donde fue encontrada la pieza se trata de un pistón lastimosamente se desconoce el origen de la pieza del carro puesto que en el sitio donde se encontró tenían muchas del mismo tipo y con distintas fallas, por esto era de difícil reconocimiento, de esta pieza se desconoce los mantenimientos realizados puesto que no se sabe el origen de esta. En la Figura [3] se observa el daño sufrido de la pieza tal como fue encontrada.

Figura [3]. Fractura del Pistón.

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4.2) Composición del pistón: El pistón es de forma cilíndrica y suele estar fabricado con una aleación de aluminio. Debe lograrse la resistencia adecuada para soportar el desgaste causado por la temperatura y movimiento.El pistón está constituido por varias secciones fácilmente reconocibles: la cabeza del pistón y la falda. En la cabeza del pistón se encuentra en su parte superior la corona, cerrando la cabeza del pistón (ésta junto con las hendiduras en la tapa de cilindros formando la cámara de combustión). La corona soporta el impacto provocado por la expansión de los gases de la combustión y requiere materiales extremadamente resistentes y livianos.Debajo de la corona y también integrando la cabeza del pistón existe una sección con ranuras, aquí es donde los anillos se asientan. Debajo de la cabeza se encuentra la denominada falda.El pasador consiste en un agujero destinado a conectar la biela en la Figura [4]. se ilustra un pistón común.

Figura [4]. Pistón Ref[5]

4.3) Función del pistón: La función del pistón es dirigir la fuerza generada por la combustión de la mezcla a la biela (la cual a su vez la dirige al cigüeñal).Al cambiar de dirección en su recorrido descendente-ascendente y viceversa el pistón del motor debe vencer la inercia resultante, razón por la que se busca mantener el peso del pistón lo más liviano posible.El pistón se encuentra dentro del cilindro con la corona dirigida hacia arriba, mientras que su parte inferior abierta entra a la biela conectada por el pasador.Los pistones son ajustados a una pequeña distancia de las paredes del cilindro contemplándose así la dilatación del material a causa del calor y también el espacio necesario para el lubricante.

Figura [5]. Esquema Pistón-Cilindro. Ref. [6]

5. ANALISIS DE FALLA

Según análisis de fallas las formas en que puede fallar un pistón son muy diversas pero pueden determinarse con un análisis muy detenido ya que cada falla deja una huella única en el mismo:

5.1) Sobrecalentamiento de la corona:

Figura [6]. Tipos defalla por sobrecalentamiento de la corona Ref. [7]

Figura [7]. Tipos defalla por sobrecalentamiento de la corona Ref. Ref. [7]

Una inadecuada combustión produce una temperatura excesivamente alta. Posibles causas de una combustión inadecuada:

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_Mala pulverización del combustible._Goteo de combustible._Combustible con un número de cetano muy bajo._Inadecuada regulación del tiempo de inyección._Entrega de combustible excesiva de la bomba

inyectora.

5.2) Sobrecalentamiento de la falda:Puede ser causado por el sobrecalentamiento de la corona, falta de refrigeración o de lubricación.A continuación se observan imágenes de los distintos tipos de falla originados por un sobrecalentamiento de la falda:

Figura [8]. Tipo de falla originada por sobrecalentamiento de la falda. Ref. [7]

5.3) Falla por materiales extraños:Los daños en la corona tienen una apariencia de “mordida” o de un picado extendido.

Figura [9]. Pistón dañado por fugas de combustible (izq.) y por un material extraño (der). Ref. [7]

Figura [10]. Tipos de falla por materiales extraños. Ref. [7]

5.3) Fallas por técnicas de operación:

Engrana miento del pistón por dilución del aceite: La película del lubricante entre el cilindro y el conjunto pistón/anillos ha sido “lavada “por el combustible, permitiendo entonces un roce metálico directo.

Figura [11]. Tipo de falla por operación Ref. [12]

Figura [12]. Largos periodos en marcha lenta (izq.), arranques en frio (centro),apagado del motor en

caliente(der). Ref. [7]

5.4) Fallas por Medios corrosivos:Son señales características de la existencia de medios corrosivos:

_El picado excesivo en la superficie interior de la camisa del cilindro._La presencia de manchas oscuras en la parte superior del área de movimiento del anillo contra la camisa.

Figura [13]. Fallas por medios corrosivos.Ref. [7]

5.5)Fallas por lubricación:Las posibles causas de una lubricación insuficiente son:

_Bajo nivel de aceite.

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_La malla de succión, la tubería u orificios obstruidos._Desalineamiento del orificio de aceite del cojinete._Bomba o filtro deficientes._Fugas de succión._Angularidad impropia del Carter._Procedimientos incorrectos de arranque en frio._Periodos excesivamente largos en marcha lenta._Paradas del motor en caliente._Fugas por el sello de aceite en el cigüeñal.

Figura [14]. Lubricación insuficiente (izq.), combustible en el lubricante (centro),agua en el lubricante(der). Ref. [7]

6. CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y TRABAJO A FUTURO.

Según la inspección de ojo al desnudo se concluye e que la pieza encontrada para este análisis presenta un gran desgaste que pudo haber sido causado por la temperatura y movimiento sufrido en su funcionamiento, en esta se puede observar una rotura en la parte lateral encima de los anillos,

específicamente en el separador de los anillos

Este análisis se da gracias al historial de fallas comunes que presenta este tipo de piezas. Debido a que aún se desconoce la causa por la cual se produjo esta rotura en el separador de los anillos y es casi imposible definir a solo ojo si se dio por diseño, falta de mantenimiento o mal uso por parte de los dueños.

En el transcurso del semestre se ira demostrando y descartando las razones por la cual el Pistón fallo c con ayuda de los diversos ensayos que se irán asignando según se vea pertinente hacerlos.

7. REFERENCIAS

[1] (2015, marzo 7)

[2] (2015, marzo 7)

[3] (2015, marzo 7) Heavy Duty Technology: Piston Failure Analysis Análisis de falla en pistones http://www.enginebuildermag.com/2002/04/heavy-duty-technology-piston-failure-analysis/

[4] (2015, marzo 7) Imagen tomada de:

[5] (2015, marzo 7) Imagen tomada de:

[6] (2015, marzo 7) Análisis de Inspección de motores, Manual Técnico; http:www.stmeu.com.

[7] (2015, marzo 7) Imagenes tomadas de STM EU, Picture taken and released into the public.

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