Engranaje helicoidal Diagnóstico de falla — Cinco modos, cómo diferenciarlos y qué significa cada uno para su especificación

El desgaste visible anual no es normal para un conjunto de engranajes helicoidales correctamente especificado en condiciones industriales normales. Un conjunto correctamente especificado y lubricado debería presentar un desgaste medible en el flanco del diente de aproximadamente 0,01–0,03 mm durante 5000 horas de funcionamiento, generalmente años en lugar de meses antes de que sea necesario reemplazarlo. Si reemplaza la rueda anualmente, uno o más parámetros de especificación son incorrectos: diferencia de dureza, tipo de lubricante, contaminación del lubricante o sobrecarga. El enfoque correcto no es aceptar el reemplazo anual como mantenimiento normal, sino identificar el mecanismo de desgaste acelerado y corregirlo. El recuento de partículas de desgaste en muestras de aceite a intervalos de 500 horas mostrará si la tasa de desgaste es estable (aceptable) o si está aumentando (problema que requiere intervención).

En una transmisión correctamente especificada, el eje siempre es la superficie más dura y la rueda la de desgaste. Las marcas de desgaste en los flancos de la rosca del eje son anormales e indican (a) contaminación abrasiva que desgasta ambas superficies simultáneamente, o (b) inversión de la diferencia de dureza: el eje no se ha endurecido adecuadamente. Compruebe la dureza del eje con un durómetro Rockwell portátil. Si la dureza del eje está por debajo de la especificación, se confirma la falla por diferencia de dureza. El daño en el eje generalmente mostrará marcas de desgaste direccionales paralelas a la hélice de la rosca, mientras que el daño en la rueda mostrará marcas paralelas a la dirección de deslizamiento de la cara del diente.

A veces, pero las condiciones para la recuperación son específicas. El picado inicial (cráteres aislados que aún no se han fusionado, sin cráteres de más de 0,5 mm de profundidad, confinados a la zona de la línea de paso) puede estabilizarse si la carga se reduce por debajo del límite de fatiga de Hertz. En la práctica, esto significa reducir el par a aproximadamente 60–70% del valor que causó el picado. Más comúnmente, el picado inicial proporciona los puntos de inicio de grietas para la fatiga por picado progresiva, y la tasa de picado se acelera. Si se detecta picado en una revisión programada del análisis de aceite, aproveche la oportunidad para planificar el reemplazo de un engranaje antes del próximo intervalo de mantenimiento; no espere a que el picado se convierta en una fractura de diente.

El aceite correcto es un aceite mineral para engranajes ISO VG 220–460 o un aceite sintético PAO específicamente descrito como "apto para engranajes helicoidales", "compatible con bronce" o "apto para metales amarillos". Estas designaciones confirman que la formulación no incluye aditivos de extrema presión (EP) a base de azufre, que reaccionan con el contenido de cobre de las ruedas helicoidales de bronce y latón para formar productos de corrosión de sulfuro de cobre. Este problema aparece con frecuencia en los análisis de fallas porque el aceite estándar para engranajes industriales (el aceite en el almacén de mantenimiento para los trenes de engranajes helicoidales en la misma línea de producción) generalmente contiene aditivos EP a base de azufre y es totalmente apropiado para engranajes helicoidales. El personal de mantenimiento que rellena un engranaje helicoidal con el mismo recipiente que usa para los reductores de engranajes helicoidales introduce aditivos EP que inician un ataque corrosivo en la rueda de bronce. Etiquete siempre claramente los engranajes helicoidales con la especificación de aceite específica requerida.

No continúe utilizando una unidad si sospecha que presenta desgaste por fricción. El desgaste por fricción es un mecanismo adhesivo activado térmicamente con retroalimentación positiva: cada evento de desgaste aumenta la rugosidad de la superficie, lo que incrementa la temperatura local en los contactos de malla subsiguientes, facilitando así un mayor desgaste. La progresión desde las marcas iniciales de desgaste hasta una falla catastrófica puede tardar de horas a días, dependiendo de la carga, la velocidad y el estado del lubricante. Detenga la unidad, verifique el nivel de aceite, drene el aceite e inspeccione si hay residuos metálicos desgarrados; verifique la temperatura de la carcasa. Si el aceite presenta una cantidad significativa de residuos metálicos o la carcasa está caliente, no la reinicie hasta que se inspeccionen los flancos de los dientes y se identifique la causa raíz.

La distribución de los cráteres de picadura lo explica todo. La picadura causada por sobrecarga tiende a distribuirse a lo largo de la banda de contacto de la mayoría o de todos los dientes, con una densidad de cráteres aproximadamente uniforme: la carga se distribuye entre todos los dientes y todos ellos están sometidos a la misma tensión por encima del límite de fatiga. Por el contrario, la picadura causada por un patrón de contacto deficiente se concentra en una banda estrecha que corresponde a la zona de contacto real (que es más estrecha que la zona de contacto de diseño) y puede ser particularmente severa en la cara de entrada del diente. Si observa picaduras en una banda más estrecha que la mitad del ancho de la cara del diente, es probable que el patrón de contacto sea el factor contribuyente, incluso si también hay sobrecarga.

Antes y durante la puesta en marcha después del reemplazo de la fractura del diente: (1) Enjuague completamente la carcasa con aceite limpio y drene; no simplemente rellene; (2) Inspeccione visualmente la rosca del eje del tornillo sin fin para detectar rayaduras por impacto o fragmentos circulantes; si el eje muestra daños significativos en la rosca, reemplace también el eje; (3) Al volver a ensamblar, gire manualmente el conjunto de engranajes varias rotaciones completas de la rueda y confirme que no haya ruido de contacto metálico; (4) Llene con aceite nuevo hasta el nivel correcto; (5) Comience con una carga de 20% y manténgala durante 30 minutos mientras monitorea la temperatura de la carcasa; (6) Aumente a una carga de 50% durante 1 hora, verifique la temperatura nuevamente; (7) Confirme el funcionamiento a plena carga durante 2 horas antes de volver a la producción.

Casi con toda seguridad, se trata de un problema de viscosidad del lubricante, no de una falla mecánica. A bajas temperaturas ambiente, la viscosidad del aceite mineral estándar para engranajes aumenta drásticamente: el aceite mineral ISO VG 460 a 5 °C puede tener una viscosidad de 5 a 8 veces mayor que a la temperatura de funcionamiento. Este aceite frío de alta viscosidad crea una importante resistencia viscosa a medida que el tornillo sin fin gira a través de él, y la resistencia desigual produce ruido y vibración. Si el ruido desaparece en 10 a 20 minutos de funcionamiento a medida que el aceite se calienta, los engranajes no están dañados. Cambie a aceite sintético PAO ISO VG 220, que se mantiene más fluido a bajas temperaturas. Si el ruido no desaparece a medida que la transmisión se calienta, o si ha ido aumentando progresivamente durante semanas independientemente de la temperatura, investigue si hay desgaste abrasivo o picaduras prematuras.