Édgar Espejo Mora - Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos

© Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica

© Vicerrectoría de Sede Bogotá

Dirección de Investigación y Extensión - Dieb

© Vicerrectoría de Investigación

Editorial Universidad Nacional de Colombia

© Édgar Espejo Mora

Héctor Hernández Albañil

Primera edición, diciembre de 2017

ISBN 978-958-783-022-4 (papel)

ISBN 978-958-783-023-1 (digital)

ISBN 978-958-783-024-8 (IBD)

Colección Ingenio Propio

Serie Notas de Clase

Facultad de Ingeniería

Edición

Editorial Universidad Nacional de Colombia

direditorial@unal.edu.co

www.editorial.unal.edu.co

Coordinación editorial: Edicsson Quitián

Diseño de la colección: Ángela Pilone Herrera

Diagramación en LATEX: Ana Patricia Chávez

Bogotá, D. C., Colombia, 2017

Conversión a ePub

Manuvo Colombia SAS/ Mákina Editorial

https://makinaeditorial.com/

Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales

Catalogación en la publicación Universidad Nacional de Colombia

Espejo Mora, Édgar, 1975-

Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos / Édgar Espejo Mora, Héctor Hernández Albañil. – Primera edición. – Bogotá : Universidad Nacional de Colombia (Sede Bogotá). Facultad de Ingeniería, 2017.

734 páginas : ilustraciones (principalmente a color), diagramas, figuras. – (Colección Ingenio Propio. Serie Notas de Clase)

“Lecturas recomendadas y referencias” al final de cada capítulo e índices de figuras, tablas y temático

ISBN 978-958-783-022-4 (papel). – ISBN 978-958-783-023-1 (digital). –

ISBN 978-958-783-024-8 (IBD).

1. Fallas estructurales 2. Resistencia de materiales 3. Fractura de sólidos 4. Deformaciones (Mecánica) 5. Desgaste mecánico 6. Corrosión con esfuerzo 7. Fractografía 8. Ejes de transmisión 9. Engranajes 10. Cojinetes (Maquinaria) 11. Cables 12. Calderas I. Hernández Albañil, Héctor, 1943- II. Título III. Serie

CDD-23 620.1126 / 2017

A todas las empresas, personas naturales, laboratoristas y estudiantes, que de manera directa o indirecta colaboraron con los autores del texto, suministrando piezas, realizando análisis de laboratorio o llevando a cabo la diagramación de escritos anteriores.

A la Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá, por la oportunidad brindada de organizar los escritos que condujeron al presente texto, durante la comisión de año sabático otorgada al profesor Édgar Espejo Mora entre julio del 2011 y julio del 2012.

Todas las máquinas y estructuras son susceptibles de presentar fallas, ya que las condiciones reales de utilización, de fabricación, o las características de los materiales pueden discrepar de las que esperaba el diseñador; también desde el diseño se pueden cometer errores u omisiones. Por lo tanto, cada vez que ocurre una falla de un elemento mecánico, se debe implementar una metodología de análisis de falla, con el fin de establecer las causas y tomar acciones correctivas hacia el futuro.

En el 2002 los autores publicaron el libro titulado Mecánica de fractura y análisis de falla, que combinaba un componente teórico de la mecánica de cuerpos agrietados, con un resumen de la metodología del análisis de fallas, el cual estaba orientado a servir de texto guía a un curso de posgrado que integraba ambas áreas. Con el paso del tiempo se vio la necesidad de dividir la temática en tres cursos separados, uno dedicado a la mecánica de la fractura, otro al análisis de fallas y un tercero a los análisis de integridad estructural (aptitud para el servicio), con lo cual se inició el presente escrito centrado en el análisis de fallas.

En este texto se exponen los fundamentos metodológicos del análisis de fallas de componentes mecánicos y estructuras, y se presenta la teoría básica asociada con los modos de falla más comunes que muestran estos elementos. El contenido del texto es un resumen de tópicos tomados de varias fuentes bibliográficas, complementado con la experiencia ganada por los autores y los casos de falla analizados, a través de la labor de consultoría llevada a cabo durante cerca de doce años. Las gráficas y fotografías incluidas en el texto, corresponden a casos de análisis de falla adelantados por los autores.

En el capítulo 1 se presenta una introducción a los conceptos básicos relacionados con el análisis de fallas, los cuales se requieren para llevar a cabo la lectura de los demás apartados del texto. En los capítulos 2 a 5 se trata la teoría de los modos de falla relacionados con deformación, fractura, desgaste y corrosión, la cual es básica para poder identificar un determinado modo de falla que esté presente en un elemento fallado. El capítulo 6 presenta algunas deficiencias comunes de material y proceso de fabricación, que pueden inducir fallas en elementos mecánicos o estructuras. En los capítulos 7 y 8 se presenta la metodología básica para abordar un análisis de falla, incluyendo casos de ejemplo que muestran su aplicación. Los capítulos 9 a 16 están dedicados a modos de falla y sus causas más comunes en elementos mecánicos o estructuras específicas, como son los ejes, los engranajes, los cables, los rodamientos, los cojinetes, los tornillos, las uniones soldadas, las tuberías y los cuerpos de caldera.

Este escrito está orientado a servir como texto guía, tanto en cursos de pregrado como de posgrado en el área, y también se pretende que se constituya como una herramienta útil de consulta para los diferentes profesionales que en su vida laboral deban adelantar análisis de fallas de componentes mecánicos en diferentes ramos industriales.

El contenido del texto está diseñado para lectores con conocimiento básico de mecánica de sólidos, mecánica de la fractura, mecánica de fluidos, materiales de ingeniería, procesos de manufactura, máquinas térmicas, química y diseño de elementos de máquinas. A lo largo del libro el lector encontrará lecturas sugeridas que le permitan refrescar conocimientos en estos temas si ello es requerido.

Al final del libro se encuentra un índice de palabras clave en análisis de fallas de elementos mecánicos y estructuras, donde se adicionan algunas traducciones en el idioma inglés, para que el lector pueda buscar literatura científica especializada en cada tópico.

Cuando se ha detectado la ocurrencia de una falla de un elemento mecánico, se debe adelantar un procedimiento lógico y sistemático cuyo objetivo sea establecer el mecanismo de falla y el modo o modos de falla presentes en este, con lo cual se responde la pregunta ¿cómo falló?; también se busca determinar las causas organizacionales y humanas que permitieron la ocurrencia de dicho evento de falla, es decir, responder la pregunta ¿por qué falló?; a todo este procedimiento se le denomina análisis de fallas. Como consecuencia de un análisis de fallas se establecen responsabilidades y se toman las acciones correctivas necesarias que minimicen la recurrencia futura de la falla. Cuando el objetivo último de un análisis de fallas es determinar responsabilidades legales por pérdidas económicas, de vidas, reclamos de garantías, pagos de seguros, etcétera, allí se habla de que se hace un análisis de ingeniería forense. En la figura 1.1 Figura 1.1 Diagrama de bloques que esquematiza la relación entre los análisis de fallas y los de ingeniería forense Fuente: elaboración propia. se muestra la relación entre los análisis de fallas y los de ingeniería forense.