1.- Introducción y campo de aplicación
El propósito de este tema es dar a conocer el llamado efecto leva “cam effect” y sus consecuencias, para de este modo poder valorar las operaciones de reparación y acondicionado de un eje de cigüeñales al encontrarnos con este desgaste en las muñequillas del mismo, o poder evitar los daños que este efecto produce.
La propia experiencia en distintos tipos de motores de tronco (cuatro tiempos) y plantas, tanto a flote como en tierra, nos da a conocer un número determinado de casos en los cuales se produce este tipo de desgaste en las muñequillas del cigüeñal. Produciéndose este fenómeno principalmente en motores de media velocidad, los cuales tienen varios miles de horas de funcionamiento, incluyendo periodos en los cuales el lubricante usado contiene partículas abrasivas en suspensión. Dichas partículas, como bien se conoce, producen un deterioro rápido del metal de las superficies de los cojinetes, llegando incluso a la rotura de los mismos si no se pone remedio y mejora la calidad del lubricante en circulación del motor.
Como particularidad común a todos los casos en los que aparece el efecto leva, los cojinetes de cabeza de biela son de los dotados de acanaladura completa en su parte central en la mitad inferior del cojinete.
2.- Descripción del “efecto leva”
El efecto leva (cam effect) es un fenómeno de desgaste no uniforme el cual resulta en una desviación de la geometría de las muñequillas del cigüeñal. Esta desviación de la geometría deriva en la forma de leva de la propia muñequilla, la cual pasa de tener una forma perfectamente cilíndrica, a presentar la forma de una leva, de tal manera que la superficie original se encuentra en la parte central de la muñequilla mientras que el desgaste corre de manera angular hacia los brazos del cigüeñal (digamos que presenta una protuberancia en la parte central y a partir de dicha protuberancia existe una inclinación hacia los laterales debido al desgaste abrasivo de las partículas suspendidas en el aceite). En la imagen nº1 podemos ver este efecto.
El propósito de este tema es dar a conocer el llamado efecto leva “cam effect” y sus consecuencias, para de este modo poder valorar las operaciones de reparación y acondicionado de un eje de cigüeñales al encontrarnos con este desgaste en las muñequillas del mismo, o poder evitar los daños que este efecto produce.
La propia experiencia en distintos tipos de motores de tronco (cuatro tiempos) y plantas, tanto a flote como en tierra, nos da a conocer un número determinado de casos en los cuales se produce este tipo de desgaste en las muñequillas del cigüeñal. Produciéndose este fenómeno principalmente en motores de media velocidad, los cuales tienen varios miles de horas de funcionamiento, incluyendo periodos en los cuales el lubricante usado contiene partículas abrasivas en suspensión. Dichas partículas, como bien se conoce, producen un deterioro rápido del metal de las superficies de los cojinetes, llegando incluso a la rotura de los mismos si no se pone remedio y mejora la calidad del lubricante en circulación del motor.
Como particularidad común a todos los casos en los que aparece el efecto leva, los cojinetes de cabeza de biela son de los dotados de acanaladura completa en su parte central en la mitad inferior del cojinete.
2.- Descripción del “efecto leva”
El efecto leva (cam effect) es un fenómeno de desgaste no uniforme el cual resulta en una desviación de la geometría de las muñequillas del cigüeñal. Esta desviación de la geometría deriva en la forma de leva de la propia muñequilla, la cual pasa de tener una forma perfectamente cilíndrica, a presentar la forma de una leva, de tal manera que la superficie original se encuentra en la parte central de la muñequilla mientras que el desgaste corre de manera angular hacia los brazos del cigüeñal (digamos que presenta una protuberancia en la parte central y a partir de dicha protuberancia existe una inclinación hacia los laterales debido al desgaste abrasivo de las partículas suspendidas en el aceite). En la imagen nº1 podemos ver este efecto.
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| Imágen 1: Muñequilla afectada por el efecto leva. |
Este fenómeno trae consigo la formación de esa protuberancia en la parte central de la muñequilla cuando se emplean cojinetes de cabeza de biela partidos en los cuales la mitad inferior está dotada de acanaladura y orificios de lubricación.
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| Imágen 2: Cojinetes de cabeza de biela desgastados. La mitad superior del cojinete (el situado abajo en la imágen) presenta su parte central decolorada debido a la protuberancia de la muñequilla. |
El efecto leva afecta a motores con más de 50.000 horas de funcionamiento, estando en relación directa al proceso de este desgaste una inadecuada calidad del aceite lubricante sumado a un pobre cuidado y mantenimiento de todo el sistema de lubricación de la máquina. De hecho el desgaste que se produce en la superficie de la muñequilla a ambos lados de la protuberancia o leva, es debido a la cantidad de partículas abrasivas que se interfieren en el espacio de la capa de lubricación entre los cojinetes de cabeza de biela y la propia muñequilla.
El mecanismo de desgaste se tiene lugar cuando el motor se encuentra trabajando a bajas cargas y cuando el pistón del cilindro en cuestión se encuentra moviéndose en dirección hacia el punto muerto alto en el comienzo de la admisión. En este punto de la carrera del pistón es cuando más trabaja la parte inferior del cojinete de cabeza de biela, ya que sufre una reacción corta pero violenta en forma de contrapresión, debido a la inercia de los componentes del tren alternativo al cambiar estos también repentinamente de dirección en su movimiento hacia el punto muerto bajo.
Cuando el lubricante presenta contaminación por partículas abrasivas, la fase activa en la parte inferior del cojinete de cabeza de biela, comentada en el párrafo anterior conlleva la aparición del efecto leva, debido a la acción de las partículas contaminantes presentes en el aceite. Las cuales desgastan la superficie de la muñequilla a ambos lados de la acanaladura central que presenta la mitad inferior del cojinete, conformándose la forma de una leva (ver imagen 5).
Cuando una muñequilla ha sufrido este desgaste y la consiguiente aparición de la leva o protuberancia en su parte central, el daño se traslada a la parte superior del cojinete de cabeza de biela, el cual sufre desgaste en el metal de su parte central durante el resto de tiempos (compresión, expansión y escape). De hecho debido a la formación de la leva, la parte superior del cojinete sufre un stress debido a la sobrecarga local que se produce en el mismo en su parte central (ver imagen 6). El resultado de esta sobrecarga local en la mitad superior del cojinete de cabeza de biela en un primer momento da lugar a un desgaste pronunciado en la parte central del material antifricción que lo recubre, siguiéndole un deterioro anormal (marcado y rayado de la superficie del material, ver imagen 3). Este deterioro anormal trae consigo la posibilidad que se sobrepase el límite de fatiga del metal del cojinete (imagen 4). Y como última y catastrófica fase, el fallo total del cojinete con consecuencias tan graves como la rotura del eje de cigüeñales.
Es por todo ello que el efecto leva es un fenómeno a tener en cuenta cuando se dan las circunstancias que lo propician, ya que compromete seriamente la seguridad de funcionamiento del motor.
Nota: cuando se montan cojinetes de cabeza de biela nuevos en muñequillas que presentan desgaste por efecto leva, la tasa de deterioro de sus metales antifricción es más alta que la que se venía produciendo en las mitades de cojinete usadas, las cuales ya se encontraban adaptadas a la forma característica que fue adquiriendo progresivamente la muñequilla debido al desgaste tipo leva. Es por ello que cuando un cigüeñal presente este tipo de desgaste, se debe mecanizar y rectificar la superficie de las muñequillas (siempre entre las tolerancias máximas permitidas por el fabricante) antes de montar cojinetes de cabeza de biela nuevos. Se han dado casos reales en los cuales se ignoró este desgaste y solo se procedió a la sustitución de los cojinetes debido al desgaste que presentaban. Y durante las pruebas de rodaje de los motores el resultado fue nefasto al producirse en algunas de estas máquinas deterioros significativos en los cigüeñales que conllevaron a la sustitución de éstos por unos nuevos.
3.- Métodos de detección del efecto leva
Después de lo explicado, el fenómeno de desgaste por efecto leva puede ser evaluado mediante tres métodos diferentes.
Marcado por azul de Prusia: este chequeo cualitativo se lleva a cabo usando un cojinete de cabeza de biela nuevo y completo (las dos mitades). Después de desmontar el tren alternativo completo y limpiar a conciencia la superficie de la muñequilla de restos de aceite de lubricación, las dos superficies de ambas mitades del cojinete de cabeza de biela se pintan con una capa muy fina y uniforme de azul de Prusia, que es un tinte marcador. Después se monta de nuevo el tren alternativo realizando el apriete de todas las partes del mismo según el manual de instrucciones del fabricante. Una vez hecho esto y valiéndonos del sistema de virado del motor, éste ha de girar, al menos, una vuelta completa (360º). Luego, el tren alternativo vuelve a desmontarse para poder ver la huella dejada en la superficie de la muñequilla por los semicojinetes de cabeza de biela nuevos (tanto el semicojinete superior como el inferior, ya que gracias al peso del tren alternativo, nos marcarán el desgaste, barriendo y limpiando el azul de Prusia de la zona superficial de la muñequilla (ver imágenes 7 y 8).
Método de la regla: este es otro procedimiento de comprobación cualitativo del estado superficial de las muñequillas de un eje de cigüeñales afectadas por el efecto leva. El útil empleado es llamado “regla de borde recto” y la comprobación es de carácter macroscópico debido a que se hace de manera visual. Se posiciona la regla patrón de borde recto perpendicularmente al brazo o guitarra del cigüeñal y se coloca una fuente de luz e uno de los lados de la muñequilla, para de este modo ver si algún haz de luz pasa entre la superficie de la muñequilla y el canto recto de la regla. Así comprobaremos la zona de la superficie que hace contacto con la regla (la que no deja pasar la luz) y la que no hace contacto y podremos conocer si dicha muñequilla está dotada de protuberancia debido a este fenómeno de desgaste abrasivo.
Molde de resina: de la parte afectada por el efecto. Este es el único método para poder evaluar el daño ocasionado por este fenómeno de manera cuantitativa, sin tener que desmontar el cigüeñal (operación no siempre factible, además que costosa). El proceso consiste en elaborar un molde de la parte de la muñequilla que ha sufrido desgaste en forma de leva en el que se vierte resina de alta dureza. Una vez seca la resina, se desmolda y obtendremos un negativo que nos va a presentar las irregularidades superficiales de esa zona afectada (ver imágenes nº10 y nº 11).
Una vez la réplica o negativo en el laboratorio, emplearemos un medidor de rugosidad, aparato por el cual, valiéndose de una punta o palpador, nos dibujará con suma precisión todas la irregularidades de la superficie de la muñequilla de manera gráfica y fácilmente medible (ver imágenes 12 y 13).
Con los valores obtenidos en la gráfica que nos proporciona el medidor electrónico de rugosidad superficial deberemos consultar la calidad del acabado que el fabricante proporciona a las muñequillas y comparar ambas medidas. Aunque, como norma general diremos que los cigüeñales se engloban en las categorías N6 o N7 en cuanto al grado de rugosidad, las cuales comprenden valores de 0,8 µm y 1,6 µm respectivamente. Esto significa que el acabado superficial de un cigüeñal pertenece a las aplicaciones de alta exigencia (0,6-1,6 µm) y que son todas aquellas superficies de deslizamiento muy fatigadas con ajustes de presión desmontables. Pero la consulta con el fabricante sobre el grado de rugosidad máxima del cigüeñal en cuestión siempre debe realizarse, así como otras especificaciones como tolerancias en la medida, paralelismo entre superficies, concentricidad, etc. En la imagen siguiente se muestra el ejemplo del plano mecánico de un cigüeñal.
El mecanismo de desgaste se tiene lugar cuando el motor se encuentra trabajando a bajas cargas y cuando el pistón del cilindro en cuestión se encuentra moviéndose en dirección hacia el punto muerto alto en el comienzo de la admisión. En este punto de la carrera del pistón es cuando más trabaja la parte inferior del cojinete de cabeza de biela, ya que sufre una reacción corta pero violenta en forma de contrapresión, debido a la inercia de los componentes del tren alternativo al cambiar estos también repentinamente de dirección en su movimiento hacia el punto muerto bajo.
Cuando el lubricante presenta contaminación por partículas abrasivas, la fase activa en la parte inferior del cojinete de cabeza de biela, comentada en el párrafo anterior conlleva la aparición del efecto leva, debido a la acción de las partículas contaminantes presentes en el aceite. Las cuales desgastan la superficie de la muñequilla a ambos lados de la acanaladura central que presenta la mitad inferior del cojinete, conformándose la forma de una leva (ver imagen 5).
Cuando una muñequilla ha sufrido este desgaste y la consiguiente aparición de la leva o protuberancia en su parte central, el daño se traslada a la parte superior del cojinete de cabeza de biela, el cual sufre desgaste en el metal de su parte central durante el resto de tiempos (compresión, expansión y escape). De hecho debido a la formación de la leva, la parte superior del cojinete sufre un stress debido a la sobrecarga local que se produce en el mismo en su parte central (ver imagen 6). El resultado de esta sobrecarga local en la mitad superior del cojinete de cabeza de biela en un primer momento da lugar a un desgaste pronunciado en la parte central del material antifricción que lo recubre, siguiéndole un deterioro anormal (marcado y rayado de la superficie del material, ver imagen 3). Este deterioro anormal trae consigo la posibilidad que se sobrepase el límite de fatiga del metal del cojinete (imagen 4). Y como última y catastrófica fase, el fallo total del cojinete con consecuencias tan graves como la rotura del eje de cigüeñales.
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| Imágen 3: Cojinete marcado y rayado. |
Nota: cuando se montan cojinetes de cabeza de biela nuevos en muñequillas que presentan desgaste por efecto leva, la tasa de deterioro de sus metales antifricción es más alta que la que se venía produciendo en las mitades de cojinete usadas, las cuales ya se encontraban adaptadas a la forma característica que fue adquiriendo progresivamente la muñequilla debido al desgaste tipo leva. Es por ello que cuando un cigüeñal presente este tipo de desgaste, se debe mecanizar y rectificar la superficie de las muñequillas (siempre entre las tolerancias máximas permitidas por el fabricante) antes de montar cojinetes de cabeza de biela nuevos. Se han dado casos reales en los cuales se ignoró este desgaste y solo se procedió a la sustitución de los cojinetes debido al desgaste que presentaban. Y durante las pruebas de rodaje de los motores el resultado fue nefasto al producirse en algunas de estas máquinas deterioros significativos en los cigüeñales que conllevaron a la sustitución de éstos por unos nuevos.
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| Imágen 4: Fallo total del cojinete. |
3.- Métodos de detección del efecto leva
Después de lo explicado, el fenómeno de desgaste por efecto leva puede ser evaluado mediante tres métodos diferentes.
Marcado por azul de Prusia: este chequeo cualitativo se lleva a cabo usando un cojinete de cabeza de biela nuevo y completo (las dos mitades). Después de desmontar el tren alternativo completo y limpiar a conciencia la superficie de la muñequilla de restos de aceite de lubricación, las dos superficies de ambas mitades del cojinete de cabeza de biela se pintan con una capa muy fina y uniforme de azul de Prusia, que es un tinte marcador. Después se monta de nuevo el tren alternativo realizando el apriete de todas las partes del mismo según el manual de instrucciones del fabricante. Una vez hecho esto y valiéndonos del sistema de virado del motor, éste ha de girar, al menos, una vuelta completa (360º). Luego, el tren alternativo vuelve a desmontarse para poder ver la huella dejada en la superficie de la muñequilla por los semicojinetes de cabeza de biela nuevos (tanto el semicojinete superior como el inferior, ya que gracias al peso del tren alternativo, nos marcarán el desgaste, barriendo y limpiando el azul de Prusia de la zona superficial de la muñequilla (ver imágenes 7 y 8).
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| Imágen 7: Muñequilla marcada por azul de prusia. |
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| Imágen 8: Zonas de desgaste marcadas por medio del azul de prusia. |
Método de la regla: este es otro procedimiento de comprobación cualitativo del estado superficial de las muñequillas de un eje de cigüeñales afectadas por el efecto leva. El útil empleado es llamado “regla de borde recto” y la comprobación es de carácter macroscópico debido a que se hace de manera visual. Se posiciona la regla patrón de borde recto perpendicularmente al brazo o guitarra del cigüeñal y se coloca una fuente de luz e uno de los lados de la muñequilla, para de este modo ver si algún haz de luz pasa entre la superficie de la muñequilla y el canto recto de la regla. Así comprobaremos la zona de la superficie que hace contacto con la regla (la que no deja pasar la luz) y la que no hace contacto y podremos conocer si dicha muñequilla está dotada de protuberancia debido a este fenómeno de desgaste abrasivo.
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| Imágen 9: Regla de borde recto para comprobar el estado superficial de las muñequillas. |
Molde de resina: de la parte afectada por el efecto. Este es el único método para poder evaluar el daño ocasionado por este fenómeno de manera cuantitativa, sin tener que desmontar el cigüeñal (operación no siempre factible, además que costosa). El proceso consiste en elaborar un molde de la parte de la muñequilla que ha sufrido desgaste en forma de leva en el que se vierte resina de alta dureza. Una vez seca la resina, se desmolda y obtendremos un negativo que nos va a presentar las irregularidades superficiales de esa zona afectada (ver imágenes nº10 y nº 11).
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| Imágen 10: Elaboración de un molde de resina para inspección de la muñequilla. |
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| Imágen 11: Análisis del molde de resina, nos proporciona una copia de la superfície de la muñequilla. |
Una vez la réplica o negativo en el laboratorio, emplearemos un medidor de rugosidad, aparato por el cual, valiéndose de una punta o palpador, nos dibujará con suma precisión todas la irregularidades de la superficie de la muñequilla de manera gráfica y fácilmente medible (ver imágenes 12 y 13).
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| Imágen 12: Con instrumentos de control dimensional electrónicos se puede analizar el estado superficial del molde de resina. |
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| Imágen 13: Gráfica que nos proporciona el instrumento electrónico de medición de rugosidad superficial. |
Con los valores obtenidos en la gráfica que nos proporciona el medidor electrónico de rugosidad superficial deberemos consultar la calidad del acabado que el fabricante proporciona a las muñequillas y comparar ambas medidas. Aunque, como norma general diremos que los cigüeñales se engloban en las categorías N6 o N7 en cuanto al grado de rugosidad, las cuales comprenden valores de 0,8 µm y 1,6 µm respectivamente. Esto significa que el acabado superficial de un cigüeñal pertenece a las aplicaciones de alta exigencia (0,6-1,6 µm) y que son todas aquellas superficies de deslizamiento muy fatigadas con ajustes de presión desmontables. Pero la consulta con el fabricante sobre el grado de rugosidad máxima del cigüeñal en cuestión siempre debe realizarse, así como otras especificaciones como tolerancias en la medida, paralelismo entre superficies, concentricidad, etc. En la imagen siguiente se muestra el ejemplo del plano mecánico de un cigüeñal.
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| Imágen 14: Plano dimensional de la muñequilla del cigueñal. |
4.- Acciones correctivas
En base a todo lo comentado en este anexo, se deduce que es de vital importancia realizar la revisión del estado de las muñequillas cuando un motor ha pasado de las 50000 horas o cuando se vaya a realizar el desmontaje de los trenes alternativos del mismo. Sobre todo cuando consume combustibles residuales tipo fueloil y más aún cuando ha trabajado con una concentración relevante de partículas abrasivas en suspensión en su aceite de lubricación.
Cabe mencionar que cuando se vayan a sustituir los cojinetes de cabeza de biela por unos nuevos es todavía más importante la revisión y comprobación de las muñequillas del cigüeñal, ya que estos semicojinetes nuevos no están adaptados como los usados, a la geometría característica de una muñequilla afectada por el fenómeno del desgaste abrasivo en forma de protuberancia o leva.
La presencia de menor o mayor desviación en la geometría de las muñequillas tiene que ser estudiada pormenorizadamente en cada caso. Y siempre y cuando el reacondicionado de la muñequilla quede entre los valores de tolerancia de eje aceptados por el fabricante, el rectificado y/o pulido de estas superficies está más que justificado.
En muchos casos, los menos graves, con un pulimentado es más que suficiente para lograr una geometría adecuada de la superficie de las muñequillas afectadas por el efecto leva. En la siguiente imagen podemos ver el antes y el después de uno de estos casos, comprobando como en la imagen de la derecha el marcado con azul de Prusia es casi uniforme después del esmerilado fino mediante pulimento de una de estas superficies.
En base a todo lo comentado en este anexo, se deduce que es de vital importancia realizar la revisión del estado de las muñequillas cuando un motor ha pasado de las 50000 horas o cuando se vaya a realizar el desmontaje de los trenes alternativos del mismo. Sobre todo cuando consume combustibles residuales tipo fueloil y más aún cuando ha trabajado con una concentración relevante de partículas abrasivas en suspensión en su aceite de lubricación.
Cabe mencionar que cuando se vayan a sustituir los cojinetes de cabeza de biela por unos nuevos es todavía más importante la revisión y comprobación de las muñequillas del cigüeñal, ya que estos semicojinetes nuevos no están adaptados como los usados, a la geometría característica de una muñequilla afectada por el fenómeno del desgaste abrasivo en forma de protuberancia o leva.
La presencia de menor o mayor desviación en la geometría de las muñequillas tiene que ser estudiada pormenorizadamente en cada caso. Y siempre y cuando el reacondicionado de la muñequilla quede entre los valores de tolerancia de eje aceptados por el fabricante, el rectificado y/o pulido de estas superficies está más que justificado.
En muchos casos, los menos graves, con un pulimentado es más que suficiente para lograr una geometría adecuada de la superficie de las muñequillas afectadas por el efecto leva. En la siguiente imagen podemos ver el antes y el después de uno de estos casos, comprobando como en la imagen de la derecha el marcado con azul de Prusia es casi uniforme después del esmerilado fino mediante pulimento de una de estas superficies.
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| Imégen 15: Recuperación de muñequilla por medio de esmerilado fino, la imágen de la izquierda es antes y la derecha después de realizar la operación de esmerilado. |
Cuando el efecto leva es demasiado acusado, se requiere un maquinado del cigüeñal mediante rectificado del mismo (torneado), aunque siempre respetando los límites máximos de sobre medida de los semicojinetes de cabeza de biela a instalar según las recomendaciones del fabricante.
Debemos recordar siempre que el funcionamiento durante más o menos largos periodos de tiempo con unas condiciones de calidad del lubricante bajas (en este caso en presencia de partículas abrasivas), puede llegar a provocar el desgaste abrasivo tipo leva, cuando el tamaño de dichas partículas en menor que la holgura entre las muñequillas del cigüeñal y los semicojinetes pero mayor que la propia capacidad de incrustación en el material antifricción de los mismos.
Autor: Santiago Rey García (Jefe de Maquinas y profesor en Technical Courses)
Debemos recordar siempre que el funcionamiento durante más o menos largos periodos de tiempo con unas condiciones de calidad del lubricante bajas (en este caso en presencia de partículas abrasivas), puede llegar a provocar el desgaste abrasivo tipo leva, cuando el tamaño de dichas partículas en menor que la holgura entre las muñequillas del cigüeñal y los semicojinetes pero mayor que la propia capacidad de incrustación en el material antifricción de los mismos.
Autor: Santiago Rey García (Jefe de Maquinas y profesor en Technical Courses)
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cuantas causas hay por la que se puede presentar el efecto de levas en un cigueñal de motor diesel marino
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