analisis falla valvulas de motor cat

7/30/2019 Analisis Falla Valvulas de Motor Cat

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MDULO 08

LVULAS DE MOTOR


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- 1 -AFA Mod. 08 Vlvulas de Motor - Fundamento

E. SOTO 6 SIGMA DESARROLLO TCNICO

MDULO 8

VALVULAS DE MOTORES

INTRODUCCIN1 -- Bienvenido! a la continuacin del seminario sobre el anlisis de las fallas. Si bienesta sesin est dedicada fundamentalmente a las vlvulas, trataremos tambinalgunos conceptos bsicos sobre los asientos, guas, resortes, rotadores yretenedores.

2 -- En esta sesin estudiaremos primero la funcin y estructuras de las vlvulas,asientos, guas, resortes, rotadores y retenedores. Luego discutiremos brevemente el

modo en que esos componentes encajan y cul es su ndice normal de desgaste.Concluiremos la sesin con un repaso de los tipos de desgaste anormal y las posiblescausas principales; para esto utilizaremos el mtodo de los ocho pasos aplicables alanlisis de fallas.

3 -- El manual Analyzing Diesel and Natural Gas Engine Valve Failures (SEBD0668)contiene informacin e ilustraciones tiles al hacer el anlisis del desgaste anormal yde las fallas.


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FUNCIONES

4 -- Las vlvulas cumplen seis funciones:

1. Controlan el flujo de gases de admisin y escape

2. Sellan las altas presiones de combustin3. Toleran altas temperaturas y transmiten el calor a la culata de cilindros y a los

lubricantes4. Toleran condiciones de funcionamiento con acumulacin de cidos5. Toleran cargas cclicas de traccin6. Suministran superficies de desgaste reemplazables.

PARTES Y NOMENCLATURA

5 -- Las partes de las vlvulas son: vstago, ranura para los retenedores, seccindnde se produjo la soldadura por inercia, radio del filete, cabeza y capa deendurecimiento.

6 -- Las vlvulas de Caterpillar pueden ser de una sola pieza o de dos. Las vlvulasde admisin de una pieza se usan en los motores de la serie 3200 y 3300. Todas lasotras vlvulas son de dos piezas y constan de una cabeza y un vstago, tal como lomuestra la ilustracin.


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FABRICACIN7 -- Todas las vlvulas de una pieza y la parte superior o vstago de las vlvulas dedos piezas, se fabrican con acero dulce con bajo contenido de carbono y tienen unndice de dureza Rockwell C30-40. La lnea de textura sigue la direccin del vstago.

8 -- Para aumentar la resistencia y prolongar la vida til de la zona para losretenedores, situado en la parte superior del vstago, se endurece esta seccin porinduccin hasta un ndice de dureza Rockwell C48- 58.

Este acero tiene una estructura de clula con centro en cuerpo y es muy magntico.


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9 -- En las vlvulas de dos piezas, la cabeza se forja con acero inoxidable austentico

y que tolera altas temperaturas. Dicho acero tiene una estructura de clula con centroen cara y no es muy magntico.

El proceso de forjado se va haciendo en distintas etapas para que la lnea de texturadel grano siga la forma de la cabeza y para que incremente, de este modo, laresistencia contra la formacin de grietas.

Por lo general, la dureza mnima de la cabeza tiene un ndice Rockwell C24. Ladureza mxima se halla en el rea de la soldadura por inercia o donde la vlvula hasido endurecida por frotamiento y debera llegar a un ndice Rockwell C42.

10 -- La capa de endurecimiento en las cabezas de las vlvulas se lleva a cabomediante soldadura de arco; en la cabeza se suelda una aleacin de acero con altocontenido de nquel, cromo y molibdeno (a veces llamado estelita).


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11 -- La capa de endurecimiento tiene 1/16 de pulgada y sirve para mejorar la

resistencia contra la canalizacin y el desgaste.

12 -- El vstago se suelda a la cabeza por inercia o friccin. Esto se logra con unvolante de rotacin libre, que contiene una determinada cantidad de energa fija ysos- tiene el vstago y lo empuja contra la cabeza de la vlvula.

La energa del volante se convierte en calor por frotamiento y adhiere el vstago a lacabeza. La soldadura se completa al detenerse el volante.

Todas las soldaduras por inercia se verifican posteriormente para comprobar suresistencia.


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13 -- Este vstago ha sido tratado con cido para mostrar con ms claridad el puntode la soldadura por inercia. Este tipo de soldaduras tiene la misma resistencia de losmetales utilizados.

14 -- Dado que el vstago de la vlvula es magntico y que la cabeza no lo es, con unimn resulta fcil determinar la ubicacin de la soldadura por inercia.

Sostengan la vlvula con dos dedos de la ranura del retenedor y djenla caerverticalmente. Coloquen el imn sobre el vstago, cerca de los dedos, y vayanbajando suavemente; cuando alcancen el punto de la soldadura por inercia el imn se

desprender de la vlvula.


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15 -- Los casquillos para los asientos de la vlvula de admisin son de acero y cromo;

los de los asientos de las vlvulas de escape se fabrican en su mayor parte con aceroal cromo y tungsteno con base de nquel y cobalto, porque esta aleacin posee unaexcelente resistencia a la oxidacin y al escurrimiento (escurrimiento est usado aqucomo una deformacin gradual debida a altas temperaturas).

16 -- Las guas de las vlvulas se fabrican de hierro fundido gris. Este tipo de hierrotiene una gran cantidad de grafito libre, lo que suministra autolubricacin y un buenndice de resistencia al desgaste, cuando la lubricacin es escasa.

Numerosas guas llevan tambin ranuras o estras en el dimetro interior del vstagode la vlvula para aumentar la lubricacin sin tener que incrementar la toleranciaentre el vstago y la gua.


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17 -- Los resortes de las vlvulas estn hechos del ms alto grado de acero de bajo

carbono y templado en aceite; esto permite lograr un mximo de resistencia a lasgrietas por fatiga.

El acero se selecciona cuidadosamente, evitando que tenga bolsas de contraccin ycosturas; y las superficies de los resortes se terminan sin costuras, sin rayadurasprofundas ni picaduras. Los extremos de los resortes se fresan de manera tal quequeden planos y perpendiculares a la lnea central del resorte.

18 -- Los retenedores y los rotadores de las vlvulas se fabrican con un acero dulce

de bajo contenido de carbono. Con frecuencia los rotadores reciben un tratamientotrmico para mejorar la resistencia e incrementar su vida til.


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19 -- Cuando se instalan las vlvulas, el punto de la soldadura por inercia queda

dentro de la gua y slo la cabeza de la vlvula se expone a las altas temperaturas decombustin.

La cara y el asiento de la vlvula se esmerilan a un ngulo levemente diferente paraque la vlvula apoye bien y se asegure de este modo la hermeticidad de las presionesde combustin.

El vstago (especialmente en las vlvulas de escape) se expone a fugas de los gasesde escape, condensacin de la humedad y acumulacin de acidez. Para neutralizar laacidez, el vstago de la vlvula depende del aditivo TBN (Nmero Base Total) delaceite lubricante.


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20 -- Al analizar las fallas de las vlvulas, siempre debemos fijarnos si las marcas deidentificacin que aparecen en las cabezas son las de Caterpillar. En esta ilustracinvemos dos sistemas de cdigos de fecha diferentes, pero noten que las vlvulas deCaterpillar tienen la marca registrada de Caterpillar.

21 -- Con frecuencia encontramos piezas falladas fabricadas por nuestroscompetidores, a las que habamos juzgado errneamente que eran de Caterpillar.Noten que los competidores pueden usar nuestros nmeros de pieza, pero no estnautorizados a usar la marca Caterpillar.


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CARGAS Y ESFUERZOS

22 -- Al comenzar a funcionar los motores, las cargas normales de las vlvulas se dancon el resorte, el cierre de la vlvula y los gases de la combustin.

23 -- Cuando la vlvula est cerrada hay una leve carga de traccin entre la cara y losretenedores, producida por la fuerza del resorte. Cuando la vlvula est fuera de suasiento, el resorte ejerce una carga de compresin entre el retenedor y el extremo delvstago. Estas cargas son ligeras y rara vez crean suficiente esfuerzo como paraproducir grietas por fatiga.

24 -- Cuando la vlvula se cierra hace contacto con su asiento y el movimiento paraen forma repentina. Esto produce un impacto significativo de traccin entre elretenedor y la cara de la vlvula. Esta carga cclica por impacto est directamenteligada al ajuste de la vlvula y a las RPM del motor.

Un ajuste flojo de la vlvula permitir que, al cerrarse, la velocidad sea demasiadoelevada, incrementando el momentum y la carga cclica de traccin. Lasobrevelocidad del motor puede aumentar la frecuencia y la magnitud de la carga detraccin.

Como los esfuerzos se concentran en las irregularidades del metal, sabemos que el

radio del filete y las ranuras de los retenedores son reas donde pueden formarse


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grietas si los esfuerzos cclicos de traccin aumentan. Y puesto que el radio del fileteal lado del vstago tiene menos material para soportar cargas anormales que la carade la vlvula, se producirn grietas en el lado del vstago.

25 -- Cuando las vlvulas estn cerradas, las presiones de combustin crean unagran carga cclica de flexin sobre la cabeza de la vlvula. Los motores diese1 coninyeccin directa tienen presiones mximas de 2000 psi y tratan de empujar lasvlvulas hacia adentro de los conductos de la culata. Esto crea cargas de traccin enel lado superior de la cabeza de la vlvula y cargas de compresin en el lado inferior.

La parte inferior del radio del filete concentra los esfuerzos de traccin del ladosuperior. Por lo tanto, en condiciones de presiones anormales de combustin o altastemperaturas, deberamos suponer que empezarn grietas por fatiga en el ladosuperior de la cabeza y en el lado inferior del radio del filete.


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REUSABILIDAD

26 -- Por lo general las vlvulas pueden reusarse en los reacondicionamientos, si sufuncionamiento, aplicacin y mantenimiento han sido adecuados.

Es posible que las cabezas tengan una acumulacin de carbn y cenizas y que existaalgn desgaste en las caras y en los vstagos.

Pero el vstago no debera tener indicios de atascamiento o picaduras; tampocodebera haber picaduras ni ranuras profundas en la cara, ni grietas trmicas,arqueado, picaduras o escamas por oxidacin en la cabeza.

Las vlvulas que aparecen en la ilustracin son de admisin y escape y tienen undesgaste normal.

Otros componentes de vlvulas, tales como resortes, guas y retenedores puedenvolver a usarse sin inconvenientes, despus de haberse limpiado, reacondicionado yverificado su condicin.


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FALLA

27 -- Decimos que una vlvula est fallada cuando es incapaz de llevar a cabo una oms de sus funciones. Aunque las vlvulas o sus componentes pueden tenerproblemas que produzcan fallas, el desgaste anormal o la fractura de vlvulas resulta

por lo general de condiciones de funcionamiento negativas.

Para determinar la causa principal ms probable de una falla y para tomar lasmedidas que corrijan esa situacin, deberamos utilizar el mtodo de los ocho pasosaplicables al anlisis de fallas. Dicho mtodo nos permite pensar en forma lgicafrente a los hechos y seguir los indicios hasta llegar a la causa principal de la falla.

28 -- Por lo general las causas principales de las fallas de una vlvula se encuentranen las siguientes condiciones ambientales:

1. Las temperaturas de la vlvula sobrepasan los 1200F y pueden debilitar elmetal, reducir la lubricacin, producir una interferencia en la manera en quelas vlvulas encajan dentro de otras piezas, etc.

2. El desalineamiento (carga en los bordes) entre la cara de la vlvula y suasiento puede producir una carga concentrada en un lado de la cara de lavlvula.

3. El ajuste flojo de la vlvula puede incrementar las cargas por impacto en elmomento del cierre.

4. La lubricacin inadecuada puede conducir a una acumulacin excesiva decarbn y/o un desgaste por falta de aceite. Despus del desmontaje, seesconde o se pierde la informacin recopilada sobre ajustes, alineamiento,lubricacin, etc.; por lo tanto, es importante que se planifique la recopilacinde informacin antes de empezar el desmontaje, y que se recopile estainformacin antes de comenzar el desarmado y durante el mismo.

Cuando una vlvula se rompe, por lo general el pistn y la culata destruyen la parteinferior y los indicios se pierden. El anlisis de las fallas se ve as restringido alextremo del vstago y a una evidencia circunstancial.


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29 -- Al estudiar las fallas de las vlvulas debemos prevenirnos contra las ideas

preconcebidas, porque stas nos pueden llevar a conclusiones apresuradas y adeterminar errneamente las causas principales. Por ejemplo, si la semana pasadadeterminamos que un ajuste demasiado alto del combustible fue la causa de la fallade una vlvula, tenemos la tendencia de echar la culpa de la prxima falla de unavlvula a la misma causa.

Pero puede haber otras causas posibles de altas temperaturas:

1. Combustible que no corresponde2. Restriccin en la admisin de aire3. Restriccin en el escape4. Problemas en el sistema de refrigeracin5. Problemas de sincronizacin del combustible o de las vlvulas

6. Vlvula ajustada con insuficiente luz.

30 -- Si seguimos los indicios de desgaste y de fracturas, y si analizamos las fallas delas vlvulas, podremos recopilar datos importantes y determinar la causa principalcorrecta.


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31 -- Los indicios de altas temperaturas se ven con ms frecuencia en las cabezas delas vlvulas de escape; aunque si hay sobretemperatura, las vlvulas de admisintambin pueden verse afectadas. Como entre la vlvula y la gua la conduccin del

calor es buena, las altas temperaturas rara vez alcanzan el punto de soldadura porinercia o el vstago. Por lo general, las vlvulas daadas por altas temperaturas serompen o pierden la cabeza entera o una parte de la misma. Los indicios de altastemperaturas se ven generalmente en las cabezas de las vlvulas:

1. Grietas trmicas en el radio del filete2. Escurrimiento (deformacin) del metal de la cabeza de la vlvula, lo que

produce una apariencia combada o en forma de tulipn3. Oxidacin excesiva y acumulacin de escamas4. Varias vlvulas con daos similares5. Otras causas.

32 -- Esta cabeza de vlvula tiene una grieta seria y de origen trmico, por fatiga, enel radio del filete, debido a temperaturas que sobrepasaron considerablemente los1200F. El desarrollo cclico trmico produce grietas de este tipo; sin embargo, notenque la capa de endurecimiento, que est diseada para tolerar el desgaste del calor,no se ha daado.


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33 -- Cuando las temperaturas sobrepasan los 1200F durante las cargas elevadasde los gases, se produce muy rpidamente la apariencia combada o "de tulipn delas cabezas. Dichas cargas cclicas tratan de empujar la vlvula a travs de suasiento, arquendola excesivamente y produciendo en forma lenta una deformacinen el metal hasta quedar con la apariencia combada. Esto se ve ms comnmente enlas vlvulas de una pieza que en las de dos piezas, porque la cabeza de aceroaustentico en estas ltimas resiste mucho ms las temperaturas elevadas.

34 -- La oxidacin excesiva y la produccin de escamas resultan de la combinacinde alta temperatura y oxgeno. Aqu podemos ver que las escamas casi han borradolos nmeros estampados en la cabeza de la vlvula. Noten que casi no se arque lacabeza, debido a la gran resistencia del acero austentico.


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35 -- Si en toda la superficie de la vlvula hay indicios de temperaturas elevadas,debemos sospechar que existe un problema en el sistema de refrigeracin y por esolas temperaturas elevadas llegaron aun al vstago.

36 Las cabezas de las vlvulas, debilitadas por las temperaturas, se rompen en laparte superior del radio del filete, donde estn con- centrados los esfuerzos y dondeel rea de la seccin transversal es m6s pequea. Por lo general, la fractura es dctily tiene una apariencia spera y leosa.

37 -- Tambin pueden romperse en el extremo de la cara del radio del filete, tal comoaparece en esta ilustracin.


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38 -- Una inspeccin ms detenida de esa fractura indica que se trata de una roturade flexin por fatiga, originada en la parte superior de la superficie de la cabeza de lavlvula por la carga de traccin. Las elevadas temperaturas debilitaron el metal y

permitieron que la cabeza se doblara excesivamente bajo las presiones mximas delcilindro. Despus de varios miles de ciclos, empieza a producirse una grieta por fatigaen el punto de mayor concentracin de esfuerzo, o sea en la parte inferior del radiodel filete. Noten que la grieta por fatiga sigui el camino de menor esfuerzo y serompi con el grano del metal. Como la textura del grano sigue la forma de la cabeza,la grieta por fatiga es redondeada.

39 -- Siempre deberamos llevar a cabo una inspeccin de todas las caras de unafractura para poder obtener la mayor cantidad de datos posibles. Noten que en estelado de la fractura el "oleaje" es ms visible y se origina claramente en la partesuperior. La fractura final es spera y leosa y tuvo lugar en la parte inferior. Estavlvula funcion slo 1800 horas pero a temperaturas excesivamente altas. Sedetermin que la causa principal de dichas temperaturas era una combinacin de larestriccin de la admisin de aire y el motor funcionando sobrecargado.


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40 -- En la escuela aprendimos que una lnea que conecta dos puntos de un crculose llama cuerda. Por lo tanto, cuando una fractura corta slo una parte de la cabeza,este tipo de fractura se denomina fractura cordal. Por lo general, este tipo de fracturas

se da por fatiga y se debe a (siguiendo un orden descendente de posibilidades):1. Altas temperaturas2. Cargas en los bordes de las vlvulas3. Presiones excesivas en el cilindro4. Concentradores de esfuerzos sobre las vlvulas o dentro de ellas5. Materiales defectuosos o problemas de fabricacin de la vlvula.

41 -- Los indicios que sugieren que hubo un desalineamiento entre la cara de lavlvula y su asiento son:

1. Desgaste irregular del casquillo del asiento de la vlvula2. Vlvulas dobladas3. Guas de vlvula gastadas4. Fractura cordal en la cabeza5. Fractura por fatiga y flexin giratoria encima del radio del filete6. Prdida y acanalamiento en la cara de la vlvula7. Slo una vlvula daada; las otras tienen apariencia normal8. Otras causas.

Podemos ver que la falta de alineacin es un resultado y no una causa, y quenecesitamos obtener informaciones ms especificas en reas adecuadas para poderdeterminar cul es la causa principal.


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42 -- Cuando las vlvulas se rompen debido a falta de alineacin, por lo generalcarecen de indicios de altas temperaturas. Sin embargo, el tipo y la ubicacin de lafractura pueden ser similares. Noten que esta cabeza de vlvula funcion en

condiciones normales y, sin embargo, tiene una grieta cordal por fatiga. La falta dealineacin introdujo esfuerzos elevados de flexin que produjeron una fatiga delmetal.

43 -- Un funcionamiento constante de una pieza agrietada resultar en una fracturatotal, tal como vemos aqu. Despus que una pieza se rompe, la carga en los bordes,la desalineacin y el agrietamiento aumentan en el resto de la cabeza.

44 -- Por lo general las fracturas secundarias son dctiles y no siguen la textura delgrano del metal. Comparen la cara de fractura por fatiga, ms redondeada y pulida,


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en la parte superior, con la cara de fractura secundaria, spera y plana, del ladoderecho.

45 -- Si las vlvulas rotas siguen en servicio, se producirn fracturas secundarias y elmecnico se encontrar con un mun en lugar de una cabeza. Sin embargo, notenque la cara de la fractura primaria por fatiga es redondeada y todava es posibleidentificarla. El vstago se ha oscurecido, lo que puede haber sido el resultado de unfuncionamiento sin cabeza. Si las otras vlvulas no tienen indicios de altastemperaturas, el mecnico debera ver si la causa principal no estuvo en una falta dealineacin.

46 -- Las vlvulas tambin pueden fracturarse en el extremo del vstago del radio delfilete, especialmente si ste est desalineado con su asiento. La falta de alineacinpuede producir una gran carga en los bordes; y a medida que la vlvula gira, se vadoblando constantemente en direcciones distintas.

Esto puede producir grietas mltiples en las reas de la superficie donde losesfuerzos son elevados, como el lado superior del radio del filete. Aqu vemosindentaciones que comienzan en la superficie y van hacia el interior, lo cual nos indicaque se han formado grietas mltiples en la superficie y se han dirigido hacia elinterior, donde se han unido. Esas indentaciones tambin nos indican que la vlvulagir adecuadamente y que la fractura final se dio en el centro. Los indicios nossugieren que debemos investigar las causas de desalineacin, como vlvulasdobladas, guas gastadas, asientos torcidos, guas torcidas, etctera.


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47 -- Cuando encontramos "oleaje" en las caras de fracturas, como se ve aqu, ysabemos que se produjo lentamente una fractura por fatiga, hasta que la cabeza se

separ de la vlvula, debemos tener cuidado y no suponer que la vlvula era dbil. Esnecesario tratar de determinar cuidadosamente el origen del "oleaje" para poderestablecer los posibles concentradores de esfuerzo, como ranuras, muescas,escopladuras o picaduras.

Noten que se han producido tres grietas por fatiga desde la superficie exterior de laparte inferior de la cara de la fractura y que fueron creciendo al mismo tiempo,produciendo dos mellas. No se observan concentradores de esfuerzo en los puntosde origen de la grieta. Como las grietas empiezan en un lado de la vlvula, debemospreguntarnos si la vlvula estaba girando adecuadamente y si estaba corrida de suasiento. Debemos comprobar tambin que el metal de la vlvula no se habadebilitado por efecto de elevadas temperaturas.

48 -- Una inspeccin general del vstago muestra que hubo corrosin y oxidacin,especialmente cerca de la cabeza. Estos indicios sugieren que es necesarioinvestigar si hubo altas temperaturas que pudieran haber debilitado el metal de lavlvula, permitiendo que una carga normal causara una fractura por fatiga. Hacemosel mismo tipo de verificacin con las otras vlvulas para ver si hay evidencia de altastemperaturas y corrosin, leyendo los registros de mantenimiento, obteniendo hechossobre el funcionamiento, etctera. Tambin deberamos realizar inspeccin cuidadosadel rotador para ver si funcionaba bien.


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49 -- Si los ajustes de las vlvulas estn muy flojos, pueden causar cargas cclicaselevadas que se ejercen sobre las vlvulas y sobre los componentes del mecanismode vlvulas. Estas cargas son:

1. Carga de compresin cclica en los componentes de apertura de la vlvula2. Carga de traccin cclica sobre el vstago de la vlvula, entre la cara y los

retenedores3. Carga cclica por fuerzas cortantes en las partes salientes de los retenedores

Si los ajustes son extremadamente flojos, pueden tambin producir aperturasinadecuadas y quemar las vlvulas.

50 -- El rbol de leva est diseado con un crculo de base y una rampa que abre ycierra la vlvula. Hay zonas de transicin de aceleracin y desaceleracin entre elcrculo de base y las rampas de apertura y cierre para disminuir los esfuerzos cclicosen el tren de vlvulas. Cuando las vlvulas estn correctamente ajustadas, todomovimiento de las vlvulas debe comenzar y terminar dentro de estas zonas detransicin.

Los ajustes flojos de una vlvula hacen que los levantavlvulas empiecen la carreraen la rampa de levantamiento del rbol de levas, antes de que la vlvula comience aabrirse. La velocidad del levantavlvulas es alta mientras est en la rampa delevantamiento, y se producir una alta carga de compresin por impacto en elmecanismo de vlvulas.

De manera similar los ajustes flojos hacen que la cara de la vlvula entre en contactocon el asiento, mientras que el levantavlvulas est todava en la rampa de cierre delrbol de levas. La vlvula hace su recorrido a alta velocidad mientras se encuentra en


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la rampa de cierre, y cuando la cara golpea su asiento correspondiente, el vstagoproduce cargas de traccin por impacto.

51 -- Cuando las vlvulas reciben cargas cclicas elevadas, debido a un ajuste flojo,los esfuerzos se concentran en el lado superior del radio del filete y en las ranuras delretenedor. Despus de cierto tiempo, estos esfuerzos pueden daar el metal yproducir generalmente grietas en las ranuras de los retenedores o en la parte superiordel radio del filete, por encima de la cabeza, tal como lo vemos aqu. Noten que elcolor y el desgaste del vstago son aparentemente normales y que no hay evidenciade alta temperatura o efecto de corrosin.

52 -- Una inspeccin ms detenida de la cara de la fractura indica una apariencia

spera y leosa. Deberamos sospechar que fue una sobrecarga de traccin cclicade la vlvula la que produjo la fractura. Como el ajuste flojo es una causa principalposible de la cada de una vlvula, el mecnico debera automticamente recopilardatos sobre el ajuste, antes de desarmar el mecanismo de la vlvula. A pesar de queno hay manera de verificar el ajuste de esta vlvula rota, el mecnico puede observary registrar informacin sobre los componentes de ajuste. Adems puede tambinverificar el ajuste de las otras vlvulas y tenerlas como referencia.


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53 -- Si una grieta comienza cerca del retenedor, usualmente empezar en la ranurainferior o en la muesca o escopladura donde se hallan las ranuras. Deberamosinspeccionar esta zona antes de instalar las vlvulas para asegurarnos que no tienen

ningn dao en esa seccin.

54 -- Una lubricacin inadecuada representa otra condicin negativa defuncionamiento y puede hacer que el vstago se pegue o se atasque en la gua,logrando que el pistn y la vlvula entren en contacto y, en consecuencia, la vlvulase doble o se rompa.

55 -- Cuando las vlvulas se pegan a las guas, cuando se abren en formadesincronizada o cuando tienen materias extraas, el pistn puede ejercer cargas

muy elevadas de impacto sobre la vlvula.


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La fractura por lo general se da en la parte superior del radio del filete y es spera yleosa con una apariencia cristalina; y las caras de la fractura tienen una distorsinconsiderable debido al dao por impacto secundario. A pesar de que los vstagos dela vlvula se doblan cuando las cabezas golpean contra los pistones, a veces parecenestar derechos, como lo muestra esta ilustracin. Al llevar a cabo una inspeccin de

las vlvulas rotas, deberamos tratar de determinar el tipo de fractura y el tipo dedesgaste correspondiente.

56 -- Por ejemplo, primero es necesario limpiar la vlvula rota, para sacarle todamateria extraa, grasa o aceite y luego colocarla debajo de una buena fuente de luz.

Esta vlvula tiene una acumulacin normal de carbn y sedimentos, una acumulacinparcial de carbn y picaduras en la cara y, adems, tiene dos fracturas: una en cadaextremo del radio del filete. La fractura en el vstago parece cristalina y spera. Qutipo de fractura es? (Rpida -- quebradiza o dctil) La fractura de la cabeza al pie delradio del filete no es muy visible y necesita ser estudiada ms detenidamente.

57 -- Con una lupa vemos que la fractura de la parte inferior es brillante y cristalina yque ha sido una fractura quebradiza y rpida. Dnde comenz? (Al pie de la cabeza)Dnde es la fractura final? (En el radio del filete). Noten que esta fractura no siguila orientacin del grano de la cabeza, porque se haba aplicado suficiente energapara romper el metal en direccin contraria a la textura del grano. Tampoco hayevidencia de alta temperatura (escamas por oxidacin, grietas trmicas, arqueado,etc.). Estos hechos e indicios sugieren claramente que la vlvula fall porque recibiun golpe violento desde la parte inferior. Ahora necesitamos determinar cmo y por

qu se produjo esa carga por impacto.


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58 -- Esta vlvula rota es una causa o un resultado? (Un resultado.) Es mejorobservarla de cerca?

59 -- Por qu creen ustedes que es un resultado? (Es un resultado porque lafractura es spera y leosa y porque hay otros indicios de dao por impactos visiblesen los bordes y en la cara).

60 -- La inspeccin de la parte inferior de esta vlvula muestra claramente que hayotras marcas causadas por impacto, lo que sugiere que hubo materias extraas.Ahora debemos investigar el tipo de materias extraas y la razn por la cual se

hallaban all. Deberamos verificar el estado de otras vlvulas y pistones, recopilar


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muestras de posibles materias extraas en todos los cilindros, obtener hechosproporcionados por el operador, etctera.

61 -- Los otros componentes del mecanismo de vlvulas confirmarn tambin que setrata de resultado de un dao por impacto, tal como se ve aqu. Cuando una vlvulaes golpeada por el pistn, la carga de compresin se ejerce en la varillalevantavlvulas y en el levantavlvulas mismo.

62 -- Es bastante comn ver levantavlvulas de la serie 3200 fracturados en laseccin central por efecto de este tipo de cargas. Noten que la cara de la fractura esbrillante y cristalina, como debiera ser si resulta de una carga por impacto.

63 -- Si llevamos a cabo una inspeccin de los retenedores de las vlvulas que hansufrido dao por impacto, por lo general descubrimos que los rebordes de retencinsufrieron una seria deformacin, debido a la carga por impacto que se ejerci en lavlvula. Comparen el retenedor daado de la izquierda con el de la derecha, quetiene desgaste normal.


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64 -- Tambin es posible que los rebordes de retencin del retenedor se daen conimpactos causados por el martillo y cubo que se usan para sacar las vlvulas de lasculatas durante las operaciones de reacondicionamiento. Noten que el retenedor de la

izquierda est ms pulido por haber sido sacado con martillo y cubo.

El retenedor de la derecha se quit con un compresor de resorte. Si se vuelven a usarretenedores que tienen un reborde de retencin daado, ese reborde se puede cortarpor efecto de una carga cclica normal, permitiendo que la vlvula caiga dentro delcilindro. Al llevar a cabo la inspeccin de los retenedores debemos tener cuidado, yver si tienen dao por cargas anormales procedentes de fallas o de operaciones dereacondiciona- miento.

65 -- De vez en cuando encontramos vlvulas quemadas como resultado de prdidade gases de la combustin a altas temperaturas; dichas prdidas se encuentran entrela cara y el asiento de la vlvula. Este tipo de desgaste se llama tambin canalizacin.En esta vlvula vemos que la canalizacin ha ido avanzando a travs de la cabeza yha llegado hasta el vstago. Note que las temperaturas fueron tan elevadas que anel asiento de la vlvula se derriti y canaliz.


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66 -- La canalizacin comienza con una prdida de gases a altas temperaturas, entrela cara de la vlvula y su asiento. Las prdidas pueden ser el resultado de materias

extraas, acuadas entre el asiento y la cara de la vlvula, de la desalineacin o dedepsitos en la cara que se van haciendo cada vez ms gruesos hasta quebrarse ydar lugar a una fuga, como se ve aqu.

67 -- A medida que las prdidas aumentan, la temperatura de la superficie de lavlvula y del asiento tambin aumentan. Muy pronto escapan grandes cantidades degases ardiendo y la temperatura sube tanto que el material de la cabeza de la vlvulafunde y se corroe.


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68 -- Noten que a medida que escapan gases a elevada temperatura en formacontinua, la cabeza de la vlvula se calienta ms de lo normal y que el vstagomuestra colores de temple y oxidacin encima de la soldadura por inercia.

69 -- La cara de esta vlvula sufri canalizacin en diversas partes. Como ladesalineacin produce por lo general canalizacin en una rea, este dato sugiere quela desalineacin no fue probablemente la causa de este dao.

70 -- A medida que obtenemos ms hechos es necesario recordar que se debenbuscar y registrar los nmeros de las piezas y el nombre del fabricante. Al mirar laparte inferior de la cabeza de esta vlvula vemos que tiene la marca y el nmero deCaterpillar, por lo tanto sabemos que es una pieza genuina.


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71 -- Las vlvulas tambin pueden estar picadas por corrosin, lo que puede producirprdidas y canalizacin: El ambiente corrosivo puede ser el resultado de usar

combustible diesel con alto contenido de azufre, intervalos de cambio de aceiteprolongados, utilizacin de un aceite que no corresponde o de hacer funcionar elmotor sin suficiente temperatura del refrigerante.

72 -- Las materias extraas pueden meterse entre la cara y el asiento o quedar dentrodel cilindro y producir serios daos, como vemos aqu, dejando "huellas" o indicios enla cabeza de la vlvula.


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73 -- Si el ambiente es corrosivo, se acelera el desgaste de las guas y vstagos,especialmente en las vlvulas de escape. Estas dos guas son de un motor de gas,serie 3500, que trabajaba en una instalacin de tratamiento de aguas cloacales y quese contamin con el aire de admisin. Ambas guas tienen daos por corrosin,resultante del aire de admisin malo. La gua de la izquierda funcion durante miles

de horas, mientras que la gua de la derecha funcion solamente cientos de horas.

74 -- Noten el xido y las burbujas en las ranuras estriadas de la gua que tuvo pocashoras de funcionamiento. Las temperaturas del refrigerante por debajo de 180Fpueden acelerar el desgaste corrosivo, permitiendo que pase humedad decombustin y quede en el vstago, la gua, los pistones, los anillos y las camisas.

75 -- La gua con varios miles de horas de funcionamiento tiene un desgasteconsiderable, debido a las condiciones corrosivas. Noten que el estriado ha

desaparecido completamente y que hay burbujas de xido y picaduras a lo largo detoda la gua. La tolerancia ha aumentado 1/4 de pulgada en la parte inferior de lagua!


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76 -- Los vstagos de la gua muestran oxidacin, picaduras y desgaste, comoresultado de condiciones corrosivas. Noten que el acero dulce de este vstago seda ms seriamente que la cabeza, ya que sta es ms resistente por ser de acero

austentico.

77 -- Los asientos y caras de estas vlvulas tienen desgastes y ranuras serias. Losproductos de la corrosin se limpian fcilmente y cuando el nuevo proceso corrosivoempieza va debilitando los materiales y el desgaste avanza ms rpidamente. Sisiempre funcionan en ambiente corrosivo, la nica manera de impedir las fallas esreemplazando las piezas con ms frecuencia y acortando los intervalos de cambio deaceite y filtro.


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PROBLEMAS DE FABRICACIN

78 -- Hemos visto algunas condiciones negativas que pueden hacer que ciertaspiezas, aunque estn en buenas condiciones, fallen y sufran algunos de los daosresultantes. Las piezas tambin pueden fallar si ha habido problemas con el diseo,

los materiales y la mano de obra. Por ejemplo, si la soldadura por inercia fue dbil, esposible que la cabeza se separe del vstago; si la pieza se ha manipulado sin cuidadopuede torcerse o desarrollar otras muescas y escopladuras que concentran losesfuerzos normales y producen fracturas por fatiga. Es factible que la resistencia delmetal se haya reducido por varias razones, por ejemplo, imperfecciones, tratamientotrmico inadecuado y errores de procesamiento. Cuando se identifican los problemasde las piezas, es necesario hablarlos con el distribuidor correspondiente deCaterpillar.

79 -- Las soldaduras por inercia en las vlvulas deberan ser fuertes y durables y nodeberan separarse durante el servicio o el reacondicionamiento. Esta soldadura notuvo suficiente energa de inercia y los dos metales no se adhirieron comocorresponda. Despus de unos cientos de horas de servicio, la cabeza se separ delvstago y produjo una falla del motor. Noten la estructura arremolinada que se dadurante el proceso de soldadura cuando la cabeza giratoria es forzada dentro delvstago.

80 -- Las soldaduras dbiles pueden fallar tambin debido a cargas por impacto,como en el caso de esta vlvula que se cay de una mesa de trabajo durante elesmerilado y se rompi al golpearse contra el piso de hormign.


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81 -- Una manipulacin descuidada puede producir muescas y escopladuras quefuncionan como concentradores de esfuerzo. Las piezas deberan inspeccionarse

cuidadosamente para ver si tienen este tipo de dao, especialmente en aquellasreas donde los esfuerzos son elevados, como por ejemplo filetes, reas con cargasde traccin, etc.

82 -- Las piezas tambin pueden doblarse, si no se manejan con cuidado, como en elcaso de esta vlvula que se dobl mientras la desarmaban. Un mecnico cuidadosoverific si la vlvula estaba derecha, tratando de refrentarla. Inmediata- mente notque la vlvula se haba doblado y decidi no reutilizarla. Si se usa una vlvuladoblada, es posible que se produzca una desalineacin entre la cara y el asiento,creando cargas sobre un borde de la vlvula. Esto ocasiona esfuerzos de flexincclicos en el vstago y puede llevar a fracturas de flexin por fatiga en el lado

superior del radio del filete o a una fractura cordal por fatiga en la parte inferior delradio del filete.


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83 -- Las vlvulas o los componentes relacionados con las vlvulas tambin puedenhaber tenido imperfecciones o problemas de tratamiento trmico, que debilitan elmetal; o puede ser que la calidad del metal no sea suficientemente buena para

transportar las cargas de trabajo. Adems como actualmente la competencia deprecios y productos es muy fuerte, los ingenieros de diseos se ven obligados areducir al mnimo las capacidades de reserva para controlar los costos del producto.Si descubrimos que hay una fractura por fatiga en un momento en que el motortrabaja elevado nmero de horas y que el ambiente no es hostil, debemos sospecharque la fractura es el resultado de estos factores.

Como las fracturas por fatiga dejan indicios reconocibles, debemos estar capacitadospara determinar los problemas de estas piezas y tratar el tema con los representantesde Caterpillar para asegurarnos que el cliente recibe un tratamiento justo y que lafbrica corrige rpidamente la situacin.

84 -- Un ejemplo de los problemas con la resistencia del metal se vio anteriormente,al hablar de los resortes de la vlvula de la serie 3208. Despus de miles de horas deservicio, los elevados esfuerzos de corte y de traccin en la superficie causan fracturapor fatiga en el resorte. La fbrica tom medidas inmediatas para corregir la situacin;una de ellas fue disear un resorte ms grande y determinar una composicindiferente de metales.

Noten que la fractura por fatiga comenz en el lado izquierdo, (entre los espirales) yque la fractura final es spera y leosa, y est en un ngulo de 45 como resultadodel esfuerzo torsional.


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85 -- Los rotadores de vlvulas han tenido problemas ocasionales de tratamientotrmico que produjeron grietas finas en la superficie del metal. Durante el serviciodichas grietas se abrieron en el lado inferior del rotador hasta permitir el paso del

retenedor cnico, dejando caer la vlvula dentro del cilindro. La fbrica tom lasmedidas necesarias; entre ellas, un aumento del tamao del rotador y mejortratamiento trmico.Sin embargo, es necesario recordar que los rotadores rotos pueden deberse a otrascausas principales, y no tentarse y prejuzgar que cada rotador fallado representa unproblema de fabricacin.

86 -- Por ejemplo, los rotadores de resorte pueden tambin agrietarse y romperse sise les aplican sobrecargas, tales como las de un ajuste excesivo, que hacen que elrotador empuje contra un resorte completamente comprimido (denominado contactopleno de la espiral), o cuando el motor est embalado, resultando en la sobrecarga delos rotadores.

Cuando el motor est embalado, la velocidad del mecanismo de apertura de lavlvula es muy rpida y el impulso de apertura de dicho mecanismo continaabriendo la vlvula hasta que la espiral del resorte se comprime en forma excesiva.En este momento, el rotador siente elevadas fuerzas de tensin de cargas de choquecontra la superficie inferior. En el ciclo de cierre la velocidad del rbol de levastambin es muy rpida y la leva se alejar del levantavlvulas antes que el resortepueda empujarla hacia abajo. Adems, el rbol de levas no reduce la velocidad dellevantavlvulas, varilla de empuje y vlvula, por lo que la vlvula golpea contra suasiento a alta velocidad produciendo una carga de traccin por impacto en el vstagoy en el rotador. Este tipo de carga es poco comn y puede hacer que el rotador seagriete y que la vlvula se caiga.


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87 -- El rotador roto, como lo vemos aqu, se parece mucho al rotador que fall portratamiento trmico. Noten la textura leosa y spera de las caras de la fractura,causadas por sobrecarga.

88 -- Los resortes afectados por un motor muy embalado deben tener marcas decontacto completo entre las espiras (contacto de 360" entre todas las espiras)Pueden ver desportillamiento por rozadura entre las espiras? Este desportillamientoindica que hubo contacto completo.

89 -- Con una lupa, ms luz y mirando el rea pintada se hace fcil verificar que esteresorte tuvo un contacto completo entre las espiras. No se debe asociar este indiciosolamente con un motor embalado. El contacto completo simplemente significa quelas espiras han sido forzadas unas contra otras. Un motor embalado es una de las


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causas principales de este resultado. El ajuste excesivo puede ser otra. Otra causapuede ser la varilla de un levantavlvulas que no entra en el rebajo y producedemasiado levantamiento. Y hay ms causas. Necesitamos buscar indicios en otrasreas y usarlos todos para identificar la verdadera causa original.

90 -- Comparen el rotador de la izquierda que se rompi a causa de un problema deresistencia del metal, con el rotador de la derecha, que se rompi como resultado desobre- carga contra un resorte totalmente comprimido. Noten que hay ms grietas ymenos pulido en el de la izquierda que en el de la derecha. Menos pulido indica unacarga menor contra el resorte. Muchas grietas indican la posibilidad de un esfuerzointerno residual. Si observamos cuidadosamente todos los detalles de las piezasrotas, podemos llegar a la causa principal por el camino correcto.

91 -- Al discutir las condiciones anormales y las fallas ms comunes notamos que lamayora de las fallas son resultados y que muy pocas de ellas son causas. Sianalizamos cuidadosamente los indicios, podemos llegar a identificar la causaprincipal de la mayora de las fallas.


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92 -- Debemos considerar las fallas como un problema o como una oportunidad?(Como una oportunidad) Qu tipo de oportunidad? (Diferentes respuestas de losalumnos) Con mucha frecuencia hemos tomado las fallas de vlvulas comoproblemas, cuando en realidad representan una gran oportunidad para ayudar y servir

a nuestros clientes; porque cuando ellos tienen vlvulas que han fallado, es probableque se deba a condiciones ambientales hostiles y los clientes necesitan identificaresas condiciones y hacer lo necesario para solucionar el problema resultante.

93 -- Debemos cuidarnos de ideas preconcebidas que nos llevan a cometer errores yusar solamente los hechos asociados con cada falla.

94 -- Haciendo esto OBTENDREMOS LA RECOMPENSA, con los pasos seis, siete yocho:

6. Comunicarse con el responsable de la falla y obtener las instrucciones paracorregir lo que sea necesario.

7. Hacer reparaciones siguiendo las instrucciones del responsable de la falla.8. Continuar en contacto con el cliente para asegurar:

a. Que la causa principal se determin y se tomaron las medidasnecesarias para solucionar el problema.

b. Que el cliente est satisfecho con el producto y el servicio que recibe.


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analisis falla valvulas de motor cat

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