Análisis de la fractura de una biela de compresor de refrigeración

A fracture study of a connecting rod from a refrigeration compressor

En este artículo se analiza la fractura de una biela de compresor de refrigeración usado en la industria de productos alimenticios. De acuerdo con las características de funcionamiento del mecanismo biela-manivela, la pieza estudiada se encuentra sometida a ciclos de carga variable; en funcionamiento normal las cargas sobre la biela son compresivas pero el aumento del coeficiente de fricción induce cargas de flexión. Con base en análisis metalográfico y fractográfico, y la estimación del estado de esfuerzos de la biela, se concluyó que la causa de la falla fue la pérdida de lubricación en el par biela-cigüeñal, que produjo: scuffing, desgaste severo y aumento del coeficiente de fricción. De la misma forma, los resultados mostraron que cuando el coeficiente de fricción se incrementa a valores límites como 0,4 los esfuerzos alcanzan valores muy por encima de los aceptables para el material de la biela (aleación aluminio-silicio fundida) en estudio. Los defectos de manufactura, poros y fisuras, aumentaron la concentración de esfuerzos, contribuyendo a la falla del elemento mecánico.

Introducción

Los compresores son equipos industriales utilizados para aumentar la presión de un fluido en estado gaseoso, y se pueden clasificar de acuerdo a su principio de operación en compresores de desplazamiento positivo y compresores de paletas. Los primeros se subdividen en rotativos y reciprocantes o alternativos. Los compresores alternativos son máquinas muy empleadas en sistemas de baja capacidad y se construyen como unidades horizontales o verticales, con cilindros radiales dispuestos en X, V, o en línea. Las bielas convierten el movimiento reciprocante del pistón en movimiento rotatorio del cigüeñal.

Una biela se encuentra sometida a altas cargas compresivas, convirtiéndola en el elemento más tensionado de la máquina (Lee et ál., 2006). Las bielas, además, están sometidas a cargas de flexión que se originan en las excentricidades, la deformación de la pared del cilindro y alta fricción entre los elementos deslizantes. Por lo tanto, una biela debe ser capaz de transmitir las cargas axiales, así como la de flexión. Adicionalmente, ella es sometida a millones de repeticiones de ciclos de carga y, por lo tanto está diseñada para vida infinita a fatiga.

Diferentes causas de falla de bielas han sido reportadas en la literatura. En un trabajo de investigación Cravino et ál. (2003) analizaron una biela de motor de automóvil fracturada y concluyeron que ésta superó la tensión de fluencia del material y falló por pandeo plástico, que produjo una notable deformación plástica macroscópica, que devino en la rotura del componente. En otros trabajos (Roger, 1996; Wang et ál., 2005) la causa de la falla fue fatiga y el análisis por elementos finitos condujo a mejoras en el diseño del componente. También el excesivo desgaste puede constituirse en una causa de falla en este tipo de componentes mecánicos. Así, los materiales con los cuales son fabricados los componentes de un compresor deben ser capaces de soportar las cargas a las cuales son sometidos, pero además, tener un buen comportamiento tribológico.