Análisis de fisuras presentadas en los ejes de tracción de los elevadores de
pasajeros o carga
J. Jesús Nieto Miranda
Miguel Ángel Paredes Rueda
Pedro Nicolás Bernardo Sánchez
División de Estudios de Posgrado, Instituto Tecnológico de Tlanepantla. Av. Instituto
Tecnológico s/n, Apdo. postal 750, CP 54070, Tlanepantla de Baz, Edo. De México.
MÉXICO
En este trabajo se presenta el procedimiento y análisis del control por
ultrasonido aplicado en la detección de fisuras originadas en el eje de las
máquinas de tracción que utilizan los elevadores de pasajeros o carga. Los
esfuerzos por flexión que se generan en dicho eje, ocasionados por las cargas
que soporta, se determinan y analizan por el método del elemento finito y el
programa de cómputo ANSYS 5.5. Ambas técnicas se conjugan para verificar
el estado mecánico del eje, con el fin de garantizar su integridad estructural
durante el funcionamiento del elevador.
El eje es la parte rotatoria del mecanismo de tracción del elevador, ya sea de
carga o de pasajeros, cuya función es subir o bajar una cabina por medio de la
transmisión de momentos rotacionales del reductor al eje. La transmisión se
logra con el uso de chavetas. Éstas se usan normalmente para fijar piezas a
sus ejes, como sucede en engranes o poleas, de modo que puedan transmitir
momentos rotacionales, Un pasador posee la doble función de transmitir
momentos rotacionales e impedir el desplazamiento axial relativo entre piezas
ensambladas, de esta manera se considera que los esfuerzos se distribuyen
uniformemente a lo largo de la chaveta. Los puntos de ruptura inicial están
condicionados por la forma de la pieza, en general a causa de una transición
de contornos demasiado brusca por el efecto del mecanizado. Estas
transiciones, un tanto violentas, existen muchas veces en los chaveteros,
roscas, zonas de transición en piezas roscadas y otros cambios de sección.
Durante el largo ciclo de vida de los elevadores (20 años o mas) a pesar del
mantenimiento regular y sus sistemas de seguridad, se pueden generar fallas
que llegan a la ruptura teniendo consecuencias catastróficas. El eje es un
elemento crítico donde se puede originar y propagar una grieta, en la figura se
ilustra de manera gráfica este problema. Se propician por diferentes
circunstancias, entre las que se pueden mencionar: defectos de material,
inadecuada fabricación, diseño defectuoso, mal manejo en el transporte o
sobrepeso de la cabina. Todo ello produce esfuerzos de flexión e incluso la
generación y transmisión de vibraciones mecánicas.
Entre las partes del elevador, el eje del mecanismo de tracción es el que
presenta un monitoreo más difícil, por lo que una falla en el puede tener varias
consecuencias, por eso se usan las técnicas de ultrasonido ya que permite
detectar fisuras no visibles al ojo humano y su beneficio puede extenderse a la
mayor parte de los ejes de todo tipo de máquinas.
El instrumental que se usa es un equipo de ultrasonido marca Krautkramer
US10, que cuenta con un palpador Krautkramer Z4NB3 de 4MHz, cuyo
diámetro es de 20 mm. Además, se cuenta con zapatas con suela de cuña de 0
a 3 grados, así como de una impresora conectada en serie al equipo US10.
El principio de control se basa en la emisión vertical, con optimización de la
dirección de radiación con suelas de cuñas de 0 a 3 grados, como se muestra
en la siguiente figura.
Como eco de referencia se utiliza el eco de la pared de fondo y con ello se
regula la amplificación, ver la figura de abajo. Para los demás controles,
regularmente se emplea el eco del principio de la ranura de chaveta prevista.
Por ser éste semiredondo, sólo es un reflector moderado. Las pequeñas fisuras
originan ecos, cuyas alturas son del mismo orden de magnitud que el de
ranura.
Este sistema tiene varias etapas de control para poder obtener los resultados
requeridos, en cada una de ellas se detalla los pasos o procesos que se
llevaron a cabo.
Control I. Medición e la longitud del eje.
 Emisión del lado de la polea de tracción del eje.
 Gama de profundidad conforme a la longitud del eje.
 Suela de cuña de 0 grados.
 Eco de fondo del eje: se ajusta al 80% de la altura de la pantalla.
 Se mide con el diafragma la longitud del eje.
Control 2. Medición de la chaveta de la polea de tracción, por el lado de la
polea de tracción.
 Emisión del lado de la polea de tracción.
 Gama de profundidad, 500mm
 Suela de cuña de 3 grados.
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Amplificación: se adecua al eco e la chaveta de la polea de tracción al
80% de la altura de la pantalla.
Se mide con el diafragma la profundidad de dicho eco.
Si en e control 2 no se muestra otro eco, que no sea el de principio de la
chaveta, se prosigue directamente con el control 4.
En caso de mostrar un segundo eco, se ha de verificar si se trata simplemente
de un eco fantasma o de forma, o el ocasionado por una fisura real. Si esto
ultimo sucede, se emplea el control 3 con que se mide la profundidad del eco
adicional.
Control 3. Medición de la profundidad del eco adicional.
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Emisión del lado de la polea de tracción.
Gama de profundidad, 500mm.
Suela de cuña de 3 grados.
Amplificación: se ajusta el eco de la chaveta de la polea de tracción al
80% de la altura de la pantalla.
Se mide con el diafragma la profundidad del eco adicional.
A continuación se calcula la diferencia entre la longitud del eje y la profundidad
de los ecos adicionales medidos. Posteriormente se inspecciona del lado del
reductor; si se localiza un eco defectuoso en el mismo lugar, entonces se trata
de una fisura. En caso contrario, el segundo eco del control 2 es un eco
fantasma o de forma.
Control 4. Medición de la chaveta de la polea de tracción, por el lado reductor.
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Emisión del lado reductor.
Gama de profundidad, 1000 mm.
Suela de cuña e 3 grados.
Amplificación: se ubica el eco de la chaveta de la polea de tracción al
80% de la altura de la pantalla.
Se mide con el diafragma la profundidad de este eco.
Se verifica y se mide algún eco de un posible defecto, encontrado en el
control 2.
En caso de que se sospeche que existe alguna fisura inicial, son necesarios
controles suplementarios.
Control 5. Medición de la chaveta del reductor, por el lado del reductor.
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Emisión del lado del reductor.
Gama de profundidad, 500mm.
Suela de cuña de 3 grados.
Amplificación: se ajusta el eco de la chaveta del reductor al 80% de la
altura de la pantalla.
Se mide con el diafragma la profundidad de este eco.
Después de haber realizado las etapas de control, se efectúa un análisis
numérico en el cual se tienen muchos aspectos a evaluar.
o La evaluación del acero SAE 1055 con módulo de elasticidad al cortante
de 80Gpa y su relación de Poisson de 0.30.
o Se supone que el eje de tracción está sobre tres soportes regidos, que le
impiden desplazamientos sobres los ejes x,y,z.
o Se considera que el eje soporta 6 cargas que son:
a. Peso de la cabina (1800 Kg)
b. Contrapeso (1800 Kg)
c. Capacidad de carga (13 personas, 910 Kg)
d. Peso de polea de tracción (7 ranuras, 240 Kg)
e. Peso del cable (7 cables, 645.5 Kg)
f. Peso del reductor (80 Kg)
Las cargas que soporta el eje se clasifican en dos sistemas: El peso de la
polea, la cabina, el contrapeso, el cable y la capacidad de carga se aplican en
la chaveta de la polea de tracción. El peso del reductor se aplica en la chaveta
del reductor.
Por ultimo basados en la tabla de distribución de esfuerzos de Von Mises se
encuentran o deducen los diferentes tipos de ejes dañados o fisurados, lo cual
es el objetivo principal de este proyecto.
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