MÓDULO 08
VÁLVULAS DE MOTOR
MÓDULO 8
VALVULAS DE MOTORES INTRODUCCIÓN 1 -- ¡Bienvenido! a la continuación del seminario sobre el análisis de las fallas. Si bien esta sesión está dedicada fundamentalmente a las válvulas, trataremos también algunos conceptos básicos sobre los asientos, guías, resortes, rotadores y retenedores.
2 -- En esta sesión estudiaremos primero la función y estructuras de las válvulas, asientos, guías, resortes, rotadores y retenedores. Luego discutiremos brevemente el modo en que esos componentes encajan y cuál es su índice normal de desgaste. Concluiremos la sesión con un repaso de los tipos de desgaste anormal y las posibles causas principales; para esto utilizaremos el método de los ocho pasos aplicables al análisis de fallas.
3 -- El manual “Analyzing Diesel and Natural Gas Engine Valve Failures” (SEBD0668) contiene información e ilustraciones útiles al hacer el análisis del desgaste anormal y de las fallas.
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FUNCIONES 4 -- Las válvulas cumplen seis funciones: 1. Controlan el flujo de gases de admisión y escape 2. Sellan las altas presiones de combustión 3. Toleran altas temperaturas y transmiten el calor a la culata de cilindros y a los lubricantes 4. Toleran condiciones de funciona- miento con acumulación de ácidos 5. Toleran cargas cíclicas de tracción 6. Suministran superficies de des- gaste reemplazables.
PARTES Y NOMENCLATURA 5 -- Las partes de las válvulas son: vástago, ranura para los retenedores, sección dónde se produjo la soldadura por inercia, radio del filete, cabeza y capa de endurecimiento.
6 -- Las válvulas de Caterpillar pueden ser de una sola pieza o de dos. Las válvulas de admisión de una pieza se usan en los motores de la serie 3200 y 3300. Todas las otras válvulas son de dos piezas y constan de una cabeza y un vástago, tal como lo muestra la ilustración.
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FABRICACIÓN 7 -- Todas las válvulas de una pieza y la parte superior o vástago de las válvulas de dos piezas, se fabrican con acero dulce con bajo contenido de carbono y tienen un índice de dureza Rockwell C30-40. La línea de textura sigue la dirección del vástago.
8 -- Para aumentar la resistencia y prolongar la vida útil de la zona para los retenedores, situado en la parte superior del vástago, se endurece esta sección por inducción hasta un índice de dureza Rockwell C48- 58. Este acero tiene una estructura de célula con centro en cuerpo y es muy magnético.
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9 -- En las válvulas de dos piezas, la cabeza se forja con acero inoxidable austenítico y que tolera altas temperaturas. Dicho acero tiene una estructura de célula con centro en cara y no es muy magnético. El proceso de forjado se va haciendo en distintas etapas para que la línea de textura del grano siga la forma de la cabeza y para que incremente, de este modo, la resistencia contra la formación de grietas. Por lo general, la dureza mínima de la cabeza tiene un índice Rockwell C24. La dureza máxima se halla en el área de la soldadura por inercia o donde la válvula ha sido endurecida por frotamiento y debería llegar a un índice Rockwell C42.
10 -- La capa de endurecimiento en las cabezas de las válvulas se lleva a cabo mediante soldadura de arco; en la cabeza se suelda una aleación de acero con alto contenido de níquel, 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 canalización y el desgaste.
12 -- El vástago se suelda a la cabeza por inercia o fricción. Esto se logra con un volante de rotación libre, que contiene una determinada cantidad de energía fija y sos- tiene el vástago y lo empuja contra la cabeza de la válvula. La energía del volante se convierte en calor por frotamiento y adhiere el vástago a la cabeza. La soldadura se completa al detenerse el volante. Todas las soldaduras por inercia se verifican posteriormente para comprobar su resistencia.
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13 -- Este vástago ha sido tratado con ácido para mostrar con más claridad el punto de la soldadura por inercia. Este tipo de soldaduras tiene la misma resistencia de los metales utilizados.
14 -- Dado que el vástago de la válvula es magnético y que la cabeza no lo es, con un imán resulta fácil determinar la ubicación de la soldadura por inercia. Sostengan la válvula con dos dedos de la ranura del retenedor y déjenla caer verticalmente. Coloquen el imán sobre el vástago, cerca de los dedos, y vayan bajando suavemente; cuando alcancen el punto de la soldadura por inercia el imán se desprenderá de la válvula.
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15 -- Los casquillos para los asientos de la válvula de admisión son de acero y cromo; los de los asientos de las válvulas de escape se fabrican en su mayor parte con acero al cromo y tungsteno con base de níquel y cobalto, porque esta aleación posee una excelente resistencia a la oxidación y al escurrimiento (escurrimiento está usado aquí como una deformación gradual debida a altas temperaturas).
16 -- Las guías de las válvulas se fabrican de hierro fundido gris. Este tipo de hierro tiene una gran cantidad de grafito libre, lo que suministra autolubricación y un buen índice de resistencia al desgaste, cuando la lubricación es escasa. Numerosas guías llevan también ranuras o estrías en el diámetro interior del vástago de la válvula para aumentar la lubricación sin tener que incrementar la tolerancia entre el vástago y la guía.
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17 -- Los resortes de las válvulas están hechos del más alto grado de acero de bajo carbono y templado en aceite; esto permite lograr un máximo de resistencia a las grietas por fatiga. El acero se selecciona cuidadosamente, evitando que tenga bolsas de contracción y costuras; y las superficies de los resortes se terminan sin costuras, sin rayaduras profundas ni picaduras. Los extremos de los resortes se fresan de manera tal que queden planos y perpendiculares a la línea central del resorte.
18 -- Los retenedores y los rotadores de las válvulas se fabrican con un acero dulce de bajo contenido de carbono. Con frecuencia los rotadores reciben un tratamiento térmico para mejorar la resistencia e incrementar su vida útil.
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19 -- Cuando se instalan las válvulas, el punto de la soldadura por inercia queda dentro de la guía y sólo la cabeza de la válvula se expone a las altas temperaturas de combustión. La cara y el asiento de la válvula se esmerilan a un ángulo levemente diferente para que la válvula apoye bien y se asegure de este modo la hermeticidad de las presiones de combustión. El vástago (especialmente en las válvulas de escape) se expone a fugas de los gases de escape, condensación de la humedad y acumulación de acidez. Para neutralizar la acidez, el vástago de la válvula depende del aditivo TBN (Número Base Total) del aceite lubricante.
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20 -- Al analizar las fallas de las válvulas, siempre debemos fijarnos si las marcas de identificación que aparecen en las cabezas son las de Caterpillar. En esta ilustración vemos dos sistemas de códigos de fecha diferentes, pero noten que las válvulas de Caterpillar tienen la marca registrada de Caterpillar.
21 -- Con frecuencia encontramos piezas falladas fabricadas por nuestros competidores, a las que habíamos juzgado erróneamente que eran de Caterpillar. Noten que los competidores pueden usar nuestros números de pieza, pero no están autorizados a usar la marca Caterpillar.
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CARGAS Y ESFUERZOS 22 -- Al comenzar a funcionar los motores, las cargas normales de las válvulas se dan con el resorte, el cierre de la válvula y los gases de la combustión.
23 -- Cuando la válvula está cerrada hay una leve carga de tracción entre la cara y los retenedores, producida por la fuerza del resorte. Cuando la válvula está fuera de su asiento, el resorte ejerce una carga de compresión entre el retenedor y el extremo del vástago. Estas cargas son ligeras y rara vez crean suficiente esfuerzo como para producir grietas por fatiga.
24 -- Cuando la válvula se cierra hace contacto con su asiento y el movimiento para en forma repentina. Esto produce un impacto significativo de tracción entre el retenedor y la cara de la válvula. Esta carga cíclica por impacto está directamente ligada al ajuste de la válvula y a las RPM del motor. Un ajuste flojo de la válvula permitirá que, al cerrarse, la velocidad sea demasiado elevada, incrementando el momentum y la carga cíclica de tracción. La sobrevelocidad del motor puede aumentar la frecuencia y la magnitud de la carga de tracción. Como los esfuerzos se concentran en las irregularidades del metal, sabemos que el radio del filete y las ranuras de los retenedores son áreas donde pueden formarse
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grietas si los esfuerzos cíclicos de tracción aumentan. Y puesto que el radio del filete al lado del vástago tiene menos material para soportar cargas anormales que la cara de la válvula, se producirán grietas en el lado del vástago.
25 -- Cuando las válvulas están cerradas, las presiones de combustión crean una gran carga cíclica de flexión sobre la cabeza de la válvula. Los motores diese1 con inyección directa tienen presiones máximas de 2000 psi y tratan de empujar las válvulas hacia adentro de los conductos de la culata. Esto crea cargas de tracción en el lado superior de la cabeza de la válvula y cargas de compresión en el lado inferior. La parte inferior del radio del filete concentra los esfuerzos de tracción del lado superior. Por lo tanto, en condiciones de presiones anormales de combustión o altas temperaturas, deberíamos suponer que empezarán grietas por fatiga en el lado superior de la cabeza y en el lado inferior del radio del filete.
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REUSABILIDAD 26 -- Por lo general las válvulas pueden reusarse en los reacondicionamientos, si su funcionamiento, aplicación y mantenimiento han sido adecuados. Es posible que las cabezas tengan una acumulación de carbón y cenizas y que exista algún desgaste en las caras y en los vástagos. Pero el vástago no debería tener indicios de atascamiento o picaduras; tampoco debería haber picaduras ni ranuras profundas en la cara, ni grietas térmicas, arqueado, picaduras o escamas por oxidación en la cabeza. Las válvulas que aparecen en la ilustración son de admisión y escape y tienen un desgaste normal. Otros componentes de válvulas, tales como resortes, guías y retenedores pueden volver a usarse sin inconvenientes, después de haberse limpiado, reacondicionado y verificado su condición.
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FALLA 27 -- Decimos que una válvula está fallada cuando es incapaz de llevar a cabo una o más de sus funciones. Aunque las válvulas o sus componentes pueden tener problemas que produzcan fallas, el desgaste anormal o la fractura de válvulas resulta por lo general de condiciones de funcionamiento negativas. Para determinar la causa principal más probable de una falla y para tomar las medidas que corrijan esa situación, deberíamos utilizar el método de los ocho pasos aplicables al análisis de fallas. Dicho método nos permite pensar en forma lógica frente 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 válvula se encuentran en las siguientes condiciones ambientales: 1. Las temperaturas de la válvula sobrepasan los 1200°F y pueden debilitar el metal, reducir la lubricación, producir una interferencia en la manera en que las válvulas encajan dentro de otras piezas, etc. 2. El desalineamiento (carga en los bordes) entre la cara de la válvula y su asiento puede producir una carga concentrada en un lado de la cara de la válvula. 3. El ajuste flojo de la válvula puede incrementar las cargas por impacto en el momento del cierre. 4. La lubricación inadecuada puede conducir a una acumulación excesiva de carbón y/o un desgaste por falta de aceite. Después del desmontaje, se esconde o se pierde la información recopilada sobre ajustes, alineamiento, lubricación, etc.; por lo tanto, es importante que se planifique la recopilación de información antes de empezar el desmontaje, y que se recopile esta información antes de comenzar el desarmado y durante el mismo. Cuando una válvula se rompe, por lo general el pistón y la culata destruyen la parte inferior y los indicios se pierden. El análisis de las fallas se ve así restringido al extremo del vástago y a una evidencia circunstancial.
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29 -- Al estudiar las fallas de las válvulas debemos prevenirnos contra las ideas preconcebidas, porque éstas nos pueden llevar a conclusiones apresuradas y a determinar erróneamente las causas principales. Por ejemplo, si la semana pasada determinamos que un ajuste demasiado alto del combustible fue la causa de la falla de una válvula, tenemos la tendencia de echar la culpa de la próxima falla de una válvula a la misma causa. Pero puede haber otras causas posibles de altas temperaturas: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Combustible que no corresponde Restricción en la admisión de aire Restricción en el escape Problemas en el sistema de refrigeración Problemas de sincronización del combustible o de las válvulas Válvula ajustada con insuficiente luz.
30 -- Si seguimos los indicios de desgaste y de fracturas, y si analizamos las fallas de las válvulas, podremos recopilar datos importantes y determinar la causa principal correcta.
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31 -- Los indicios de altas temperaturas se ven con más frecuencia en las cabezas de las válvulas de escape; aunque si hay sobretemperatura, las válvulas de admisión también pueden verse afectadas. Como entre la válvula y la guía la conducción del calor es buena, las altas temperaturas rara vez alcanzan el punto de soldadura por inercia o el vástago. Por lo general, las válvulas dañadas por altas temperaturas se rompen o pierden la cabeza entera o una parte de la misma. Los indicios de altas temperaturas se ven generalmente en las cabezas de las válvulas: 1. Grietas térmicas en el radio del filete 2. Escurrimiento (deformación) del metal de la cabeza de la válvula, lo que produce una apariencia combada o en forma de tulipán 3. Oxidación excesiva y acumulación de escamas 4. Varias válvulas con daños similares 5. Otras causas.
32 -- Esta cabeza de válvula tiene una grieta seria y de origen térmico, por fatiga, en el radio del filete, debido a temperaturas que sobrepasaron considerablemente los 1200°F. El desarrollo cíclico térmico produce grietas de este tipo; sin embargo, noten que la capa de endure- cimiento, que está diseñada para tolerar el desgaste del calor, no se ha dañado.
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33 -- Cuando las temperaturas sobrepasan los 1200°F durante las cargas elevadas de los gases, se produce muy rápidamente la apariencia combada o "de tulipán” de las cabezas. Dichas cargas cíclicas tratan de empujar la válvula a través de su asiento, arqueándola excesivamente y produciendo en forma lenta una deformación en el metal hasta quedar con la apariencia combada. Esto se ve más comúnmente en las válvulas de una pieza que en las de dos piezas, porque la cabeza de acero austenítico en estas últimas resiste mucho más las temperaturas elevadas.
34 -- La oxidación excesiva y la producción de escamas resultan de la combinación de alta temperatura y oxígeno. Aquí podemos ver que las escamas casi han borrado los números estampados en la cabeza de la válvula. Noten que casi no se arqueó la cabeza, debido a la gran resistencia del acero austenítico.
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35 -- Si en toda la superficie de la válvula hay indicios de temperaturas elevadas, debemos sospechar que existe un problema en el sistema de refrigeración y por eso las temperaturas elevadas llegaron aun al vástago.
36 Las cabezas de las válvulas, debilitadas por las temperaturas, se rompen en la parte superior del radio del filete, donde están con- centrados los esfuerzos y donde el área de la sección transversal es m6s pequeña. Por lo general, la fractura es dúctil y tiene una apariencia áspera y leñosa.
37 -- También pueden romperse en el extremo de la cara del radio del filete, tal como aparece en esta ilustración.
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38 -- Una inspección más detenida de esa fractura indica que se trata de una rotura de flexión por fatiga, originada en la parte superior de la superficie de la cabeza de la válvula por la carga de tracción. Las elevadas temperaturas debilitaron el metal y permitieron que la cabeza se doblara excesivamente bajo las presiones máximas del cilindro. Después de varios miles de ciclos, empieza a producirse una grieta por fatiga en el punto de mayor concentración de esfuerzo, o sea en la parte inferior del radio del filete. Noten que la grieta por fatiga siguió el camino de menor esfuerzo y se rompió con el grano del metal. Como la textura del grano sigue la forma de la cabeza, la grieta por fatiga es redondeada.
39 -- Siempre deberíamos llevar a cabo una inspección de todas las caras de una fractura para poder obtener la mayor cantidad de datos posibles. Noten que en este lado de la fractura el "oleaje" es más visible y se origina claramente en la parte superior. La fractura final es áspera y leñosa y tuvo lugar en la parte inferior. Esta válvula funcionó sólo 1800 horas pero a temperaturas excesivamente altas. Se determinó que la causa principal de dichas temperaturas era una combinación de la restricción de la admisión de aire y el motor funcionando sobrecargado.
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40 -- En la escuela aprendimos que una línea que conecta dos puntos de un círculo se llama cuerda. Por lo tanto, cuando una fractura corta sólo 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 temperaturas 2. Cargas en los bordes de las válvulas 3. Presiones excesivas en el cilindro 4. Concentradores de esfuerzos sobre las válvulas o dentro de ellas 5. Materiales defectuosos o problemas de fabricación de la válvula.
41 -- Los indicios que sugieren que hubo un desalineamiento entre la cara de la válvula y su asiento son: 1. Desgaste irregular del casquillo del asiento de la válvula 2. Válvulas dobladas 3. Guías de válvula gastadas 4. Fractura cordal en la cabeza 5. Fractura por fatiga y flexión giratoria encima del radio del filete 6. Pérdida y acanalamiento en la cara de la válvula 7. Sólo una válvula dañada; las otras tienen apariencia normal 8. Otras causas. Podemos ver que la falta de alineación es un resultado y no una causa, y que necesitamos obtener informaciones más especificas en áreas adecuadas para poder determinar cuál es la causa principal.
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42 -- Cuando las válvulas se rompen debido a falta de alineación, por lo general carecen de indicios de altas temperaturas. Sin embargo, el tipo y la ubicación de la fractura pueden ser similares. Noten que esta cabeza de válvula funcionó en condiciones normales y, sin embargo, tiene una grieta cordal por fatiga. La falta de alineación introdujo esfuerzos elevados de flexión que produjeron una fatiga del metal.
43 -- Un funcionamiento constante de una pieza agrietada resultará en una fractura total, tal como vemos aquí. Después que una pieza se rompe, la carga en los bordes, la desalineación y el agrietamiento aumentan en el resto de la cabeza.
44 -- Por lo general las fracturas secundarias son dúctiles y no siguen la textura del grano del metal. Comparen la cara de fractura por fatiga, más redondeada y pulida, - 21 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
en la parte superior, con la cara de fractura secundaria, áspera y plana, del lado derecho.
45 -- Si las válvulas rotas siguen en servicio, se producirán fracturas secundarias y el mecánico se encontrará con un muñón en lugar de una cabeza. Sin embargo, noten que la cara de la fractura primaria por fatiga es redondeada y todavía es posible identificarla. El vástago se ha oscurecido, lo que puede haber sido el resultado de un funcionamiento sin cabeza. Si las otras válvulas no tienen indicios de altas temperaturas, el mecánico debería ver si la causa principal no estuvo en una falta de alineación.
46 -- Las válvulas también pueden fracturarse en el extremo del vástago del radio del filete, especial- mente si éste está desalineado con su asiento. La falta de alineación puede producir una gran carga en los bordes; y a medida que la válvula gira, se va doblando constantemente en direcciones distintas. Esto puede producir grietas múltiples en las áreas de la superficie donde los esfuerzos son elevados, como el lado superior del radio del filete. Aquí vemos indentaciones que comienzan en la superficie y van hacia el interior, lo cual nos indica que se han formado grietas múltiples en la superficie y se han dirigido hacia el interior, donde se han unido. Esas indentaciones también nos indican que la válvula giró adecuadamente y que la fractura final se dio en el centro. Los indicios nos sugieren que debemos investigar las causas de desalineación, como válvulas dobladas, guías gastadas, asientos torcidos, guías torcidas, etcétera.
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47 -- Cuando encontramos "oleaje" en las caras de fracturas, como se ve aquí, y sabemos que se produjo lentamente una fractura por fatiga, hasta que la cabeza se separó de la válvula, debemos tener cuidado y no suponer que la válvula era débil. Es necesario tratar de determinar cuidadosamente el origen del "oleaje" para poder establecer 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 la parte 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 puntos de origen de la grieta. Como las grietas empiezan en un lado de la válvula, debemos preguntarnos si la válvula estaba girando adecuadamente y si estaba corrida de su asiento. Debemos comprobar también que el metal de la válvula no se había debilitado por efecto de elevadas temperaturas.
48 -- Una inspección general del vástago muestra que hubo corrosión y oxidación, especialmente cerca de la cabeza. Estos indicios sugieren que es necesario investigar si hubo altas temperaturas que pudieran haber debilitado el metal de la válvula, permitiendo que una carga normal causara una fractura por fatiga. Hacemos el mismo tipo de verificación con las otras válvulas para ver si hay evidencia de altas temperaturas y corrosión, leyendo los registros de mantenimiento, obteniendo hechos sobre el funcionamiento, etcétera. También deberíamos realizar inspección cuidadosa del rotador para ver si funcionaba bien.
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49 -- Si los ajustes de las válvulas están muy flojos, pueden causar cargas cíclicas elevadas que se ejercen sobre las válvulas y sobre los componentes del mecanismo de válvulas. Estas cargas son: 1. Carga de compresión cíclica en los componentes de apertura de la válvula 2. Carga de tracción cíclica sobre el vástago de la válvula, entre la cara y los retenedores 3. Carga cíclica por fuerzas cortantes en las partes salientes de los retenedores Si los ajustes son extremadamente flojos, pueden también producir aperturas inadecuadas y quemar las válvulas.
50 -- El árbol de leva está diseñado con un círculo de base y una rampa que abre y cierra la válvula. Hay zonas de transición de aceleración y desaceleración entre el círculo de base y las rampas de apertura y cierre para disminuir los esfuerzos cíclicos en el tren de válvulas. Cuando las válvulas están correctamente ajustadas, todo movimiento de las válvulas debe comenzar y terminar dentro de estas zonas de transición. Los ajustes flojos de una válvula hacen que los levantaválvulas empiecen la carrera en la rampa de levantamiento del árbol de levas, antes de que la válvula comience a abrirse. La velocidad del levantaválvulas es alta mientras está en la rampa de levantamiento, y se producirá una alta carga de compresión por impacto en el mecanismo de válvulas. De manera similar los ajustes flojos hacen que la cara de la válvula entre en contacto con el asiento, mientras que el levantaválvulas está todavía en la rampa de cierre del árbol de levas. La válvula hace su recorrido a alta velocidad mientras se encuentra en - 24 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
la rampa de cierre, y cuando la cara golpea su asiento correspondiente, el vástago produce cargas de tracción por impacto.
51 -- Cuando las válvulas reciben cargas cíclicas elevadas, debido a un ajuste flojo, los esfuerzos se concentran en el lado superior del radio del filete y en las ranuras del retenedor. Después de cierto tiempo, estos esfuerzos pueden dañar el metal y producir generalmente grietas en las ranuras de los retenedores o en la parte superior del radio del filete, por encima de la cabeza, tal como lo vemos aquí. Noten que el color y el desgaste del vástago son aparentemente normales y que no hay evidencia de alta temperatura o efecto de corrosión.
52 -- Una inspección más detenida de la cara de la fractura indica una apariencia áspera y leñosa. Deberíamos sospechar que fue una sobre- carga de tracción cíclica de la válvula la que produjo la fractura. Como el ajuste flojo es una causa principal posible de la caída de una válvula, el mecánico debería automáticamente recopilar datos sobre el ajuste, antes de desarmar el mecanismo de la válvula. A pesar de que no hay manera de verificar el ajuste de esta válvula rota, el mecánico puede observar y registrar información sobre los componentes de ajuste. Además puede también verificar el ajuste de las otras válvulas y tenerlas como referencia.
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53 -- Si una grieta comienza cerca del retenedor, usualmente empezará en la ranura inferior o en la muesca o escopladura donde se hallan las ranuras. Deberíamos inspeccionar esta zona antes de instalar las válvulas para asegurarnos que no tienen ningún daño en esa sección.
54 -- Una lubricación inadecuada representa otra condición negativa de funcionamiento y puede hacer que el vástago se pegue o se atasque en la guía, logrando que el pistón y la válvula entren en contacto y, en consecuencia, la válvula se doble o se rompa.
55 -- Cuando las válvulas se pegan a las guías, cuando se abren en forma desincronizada o cuando tienen materias extrañas, el pistón puede ejercer cargas muy elevadas de impacto sobre la válvula.
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La fractura por lo general se da en la parte superior del radio del filete y es áspera y leñosa con una apariencia cristalina; y las caras de la fractura tienen una distorsión considerable debido al daño por impacto secundario. A pesar de que los vástagos de la válvula se doblan cuando las cabezas golpean contra los pistones, a veces parecen estar derechos, como lo muestra esta ilustración. Al llevar a cabo una inspección de las válvulas rotas, deberíamos tratar de determinar el tipo de fractura y el tipo de desgaste correspondiente.
56 -- Por ejemplo, primero es necesario limpiar la válvula rota, para sacarle toda materia extraña, grasa o aceite y luego colocarla debajo de una buena fuente de luz. Esta válvula tiene una acumulación normal de carbón y sedimentos, una acumulación parcial de carbón y picaduras en la cara y, además, tiene dos fracturas: una en cada extremo del radio del filete. La fractura en el vástago parece cristalina y áspera. ¿Qué tipo de fractura es? (Rápida -- quebradiza o dúctil) La fractura de la cabeza al pie del radio del filete no es muy visible y necesita ser estudiada más detenidamente.
57 -- Con una lupa vemos que la fractura de la parte inferior es brillante y cristalina y que ha sido una fractura quebradiza y rápida. ¿Dónde comenzó? (Al pie de la cabeza) ¿Dónde es la fractura final? (En el radio del filete). Noten que esta fractura no siguió la orientación del grano de la cabeza, porque se había aplicado suficiente energía para romper el metal en dirección contraria a la textura del grano. Tampoco hay evidencia de alta temperatura (escamas por oxidación, grietas térmicas, arqueado, etc.). Estos hechos e indicios sugieren claramente que la válvula falló porque recibió un golpe violento desde la parte inferior. Ahora necesitamos determinar cómo y por qué se produjo esa carga por impacto.
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58 -- ¿Esta válvula rota es una causa o un resultado? (Un resultado.) ¿Es mejor observarla de cerca?
59 -- ¿Por qué creen ustedes que es un resultado? (Es un resultado porque la fractura es áspera y leñosa y porque hay otros indicios de daño por impactos visibles en los bordes y en la cara).
60 -- La inspección de la parte inferior de esta válvula muestra claramente que hay otras marcas causa- das por impacto, lo que sugiere que hubo materias extrañas. Ahora debemos investigar el tipo de materias extrañas y la razón por la cual se hallaban allí. Deberíamos verificar el estado de otras válvulas y pistones, recopilar
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muestras de posibles materias extrañas en todos los cilindros, obtener hechos proporcionados por el operador, etcétera.
61 -- Los otros componentes del mecanismo de válvulas confirmarán también que se trata de resultado de un daño por impacto, tal como se ve aquí. Cuando una válvula es golpeada por el pistón, la carga de compresión se ejerce en la varilla levantaválvulas y en el levantaválvulas mismo.
62 -- Es bastante común ver levantaválvulas de la serie 3200 fracturados en la sección central por efecto de este tipo de cargas. Noten que la cara de la fractura es brillante y cristalina, como debiera ser si resulta de una carga por impacto.
63 -- Si llevamos a cabo una inspección de los retenedores de las válvulas que han sufrido daño por impacto, por lo general descubrimos que los rebordes de retención sufrieron una seria deformación, debido a la carga por impacto que se ejerció en la válvula. Comparen el retenedor dañado de la izquierda con el de la derecha, que tiene desgaste normal.
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64 -- También es posible que los rebordes de retención del retenedor se dañen con impactos causados por el martillo y cubo que se usan para sacar las válvulas de las culatas durante las operaciones de reacondicionamiento. Noten que el retenedor de la izquierda está más pulido por haber sido sacado con martillo y cubo. El retenedor de la derecha se quitó con un compresor de resorte. Si se vuelven a usar retenedores que tienen un reborde de retención dañado, ese reborde se puede cortar por efecto de una carga cíclica normal, permitiendo que la válvula caiga dentro del cilindro. Al llevar a cabo la inspección de los retenedores debemos tener cuidado, y ver si tienen daño por cargas anormales procedentes de fallas o de operaciones de reacondiciona- miento.
65 -- De vez en cuando encontramos válvulas “quemadas” como resultado de pérdida de gases de la combustión a altas temperaturas; dichas pérdidas se encuentran entre la cara y el asiento de la válvula. Este tipo de desgaste se llama también canalización. En esta válvula vemos que la canalización ha ido avanzando a través de la cabeza y ha llegado hasta el vástago. Note que las temperaturas fueron tan elevadas que aún el asiento de la válvula se derritió y canalizó.
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66 -- La canalización comienza con una pérdida de gases a altas temperaturas, entre la cara de la válvula y su asiento. Las pérdidas pueden ser el resultado de materias extrañas, acuñadas entre el asiento y la cara de la válvula, de la desalineación o de depósitos en la cara que se van haciendo cada vez más gruesos hasta quebrarse y dar lugar a una fuga, como se ve aquí.
67 -- A medida que las pérdidas aumentan, la temperatura de la superficie de la válvula y del asiento también aumentan. Muy pronto escapan grandes cantidades de gases ardiendo y la temperatura sube tanto que el material de la cabeza de la válvula funde y se corroe.
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68 -- Noten que a medida que escapan gases a elevada temperatura en forma continua, la cabeza de la válvula se calienta más de lo normal y que el vástago muestra colores de temple y oxidación encima de la soldadura por inercia.
69 -- La cara de esta válvula sufrió canalización en diversas partes. Como la desalineación produce por lo general canalización en una área, este dato sugiere que la desalineación no fue probablemente la causa de este daño.
70 -- A medida que obtenemos más hechos es necesario recordar que se deben buscar y registrar los números de las piezas y el nombre del fabricante. Al mirar la parte inferior de la cabeza de esta válvula vemos que tiene la marca y el número de Caterpillar, por lo tanto sabemos que es una pieza genuina.
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71 -- Las válvulas también pueden estar picadas por corrosión, lo que puede producir pérdidas y canalización: El ambiente corrosivo puede ser el resultado de usar combustible diesel con alto contenido de azufre, intervalos de cambio de aceite prolongados, utilización de un aceite que no corresponde o de hacer funcionar el motor sin suficiente temperatura del refrigerante.
72 -- Las materias extrañas pueden meterse entre la cara y el asiento o quedar dentro del cilindro y producir serios daños, como vemos aquí, dejando "huellas" o indicios en la cabeza de la válvula.
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73 -- Si el ambiente es corrosivo, se acelera el desgaste de las guías y vástagos, especialmente en las válvulas de escape. Estas dos guías son de un motor de gas, serie 3500, que trabajaba en una instalación de tratamiento de aguas cloacales y que se contaminó con el aire de admisión. Ambas guías tienen daños por corrosión, resultante del aire de admisión malo. La guía de la izquierda funcionó durante miles de horas, mientras que la guía de la derecha funcionó solamente cientos de horas.
74 -- Noten el óxido y las burbujas en las ranuras estriadas de la guía que tuvo pocas horas de funcionamiento. Las temperaturas del refrigerante por debajo de 180°F pueden acelerar el desgaste corrosivo, permitiendo que pase humedad de combustión y quede en el vástago, la guía, los pistones, los anillos y las camisas.
75 -- La guía con varios miles de horas de funcionamiento tiene considerable, debido a las condiciones corrosivas. Noten que el desaparecido completamente y que hay burbujas de óxido y picaduras toda la guía. ¡La tolerancia ha aumentado 1/4 de pulgada en la parte guía!
un desgaste estriado ha a lo largo de inferior de la
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76 -- Los vástagos de la guía muestran oxidación, picaduras y desgaste, como resultado de condiciones corrosivas. Noten que el acero dulce de este vástago se dañó más seriamente que la cabeza, ya que ésta es más resistente por ser de acero austenítico.
77 -- Los asientos y caras de estas válvulas tienen desgastes y ranuras serias. Los productos de la corrosión se limpian fácilmente y cuando el nuevo proceso corrosivo empieza va debilitando los materiales y el desgaste avanza más rápidamente. Si siempre funcionan en ambiente corrosivo, la única manera de impedir las fallas es reemplazando las piezas con más frecuencia y acortando los intervalos de cambio de aceite y filtro.
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PROBLEMAS DE FABRICACIÓN 78 -- Hemos visto algunas condiciones negativas que pueden hacer que ciertas piezas, aunque estén en buenas condiciones, fallen y sufran algunos de los daños resultantes. Las piezas también pueden fallar si ha habido problemas con el diseño, los materiales y la mano de obra. Por ejemplo, si la soldadura por inercia fue débil, es posible que la cabeza se separe del vástago; si la pieza se ha manipulado sin cuidado puede torcerse o desarrollar otras muescas y escopladuras que concentran los esfuerzos normales y producen fracturas por fatiga. Es factible que la resistencia del metal se haya reducido por varias razones, por ejemplo, imperfecciones, tratamiento térmico inadecuado y errores de procesamiento. Cuando se identifican los problemas de las piezas, es necesario hablarlos con el distribuidor correspondiente de Caterpillar.
79 -- Las soldaduras por inercia en las válvulas deberían ser fuertes y durables y no deberían separarse durante el servicio o el reacondicionamiento. Esta soldadura no tuvo suficiente energía de inercia y los dos metales no se adhirieron como correspondía. Después de unos cientos de horas de servicio, la cabeza se separó del vástago y produjo una falla del motor. Noten la estructura arremolinada que se da durante el proceso de soldadura cuando la cabeza giratoria es forzada dentro del vástago.
80 -- Las soldaduras débiles pueden fallar también debido a cargas por impacto, como en el caso de esta válvula que se cayó de una mesa de trabajo durante el esmerilado y se rompió al golpearse contra el piso de hormigón.
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81 -- Una manipulación descuidada puede producir muescas y escopladuras que funcionan como concentradores de esfuerzo. Las piezas deberían inspeccionarse cuidadosamente para ver si tienen este tipo de daño, especialmente en aquellas áreas donde los esfuerzos son elevados, como por ejemplo filetes, áreas con cargas de tracción, etc.
82 -- Las piezas también pueden doblarse, si no se manejan con cuidado, como en el caso de esta válvula que se dobló mientras la desarmaban. Un mecánico cuidadoso verificó si la válvula estaba derecha, tratando de refrentarla. Inmediata- mente notó que la válvula se había doblado y decidió no reutilizarla. Si se usa una válvula doblada, es posible que se produzca una desalineación entre la cara y el asiento, creando cargas sobre un borde de la válvula. Esto ocasiona esfuerzos de flexión cíclicos en el vástago y puede llevar a fracturas de flexión por fatiga en el lado superior del radio del filete o a una fractura cordal por fatiga en la parte inferior del radio del filete.
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83 -- Las válvulas o los componentes relacionados con las válvulas también pueden haber tenido imperfecciones o problemas de tratamiento térmico, que debilitan el metal; o puede ser que la calidad del metal no sea suficientemente buena para transportar las cargas de trabajo. Además como actualmente la competencia de precios y productos es muy fuerte, los ingenieros de diseños se ven obligados a reducir al mínimo las capacidades de reserva para controlar los costos del producto. Si descubrimos que hay una fractura por fatiga en un momento en que el motor trabaja elevado número de horas y que el ambiente no es hostil, debemos sospechar que la fractura es el resultado de estos factores. Como las fracturas por fatiga dejan indicios reconocibles, debemos estar capacitados para determinar los problemas de estas piezas y tratar el tema con los representantes de Caterpillar para asegurarnos que el cliente recibe un tratamiento justo y que la fábrica corrige rápidamente la situación.
84 -- Un ejemplo de los problemas con la resistencia del metal se vio anteriormente, al hablar de los resortes de la válvula de la serie 3208. Después de miles de horas de servicio, los elevados esfuerzos de corte y de tracción en la superficie causan fractura por fatiga en el resorte. La fábrica tomó medidas inmediatas para corregir la situación; una de ellas fue diseñar un resorte más grande y determinar una composición diferente de metales. Noten que la fractura por fatiga comenzó en el lado izquierdo, (entre los espirales) y que la fractura final es áspera y leñosa, y está en un ángulo de 45° como resultado del esfuerzo torsional.
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85 -- Los rotadores de válvulas han tenido problemas ocasionales de tratamiento térmico que produjeron grietas finas en la superficie del me- tal. Durante el servicio dichas grietas se abrieron en el lado inferior del rotador hasta permitir el paso del retenedor cónico, dejando caer la válvula dentro del cilindro. La fábrica tomó las medidas necesarias; entre ellas, un aumento del tamaño del rotador y mejor tratamiento térmico. Sin embargo, es necesario recordar que los rotadores rotos pueden deberse a otras causas principales, y no tentarse y prejuzgar que cada rotador fallado representa un problema de fabricación.
86 -- Por ejemplo, los rotadores de resorte pueden también agrietarse y romperse si se les aplican sobrecargas, tales como las de un ajuste excesivo, que hacen que el rotador empuje contra un resorte completamente comprimido (denominado contacto pleno de la espiral), o cuando el motor está embalado, resultando en la sobrecarga de los rotadores. Cuando el motor está embalado, la velocidad del mecanismo de apertura de la válvula es muy rápida y el impulso de apertura de dicho mecanismo continúa abriendo la válvula hasta que la espiral del resorte se comprime en forma excesiva. En este momento, el rotador siente elevadas fuerzas de tensión de cargas de choque contra la superficie inferior. En el ciclo de cierre la velocidad del árbol de levas también es muy rápida y la leva se alejará del levantaválvulas antes que el resorte pueda empujarla hacia abajo. Además, el árbol de levas no reduce la velocidad del levantaválvulas, varilla de empuje y válvula, por lo que la válvula golpea contra su asiento a alta velocidad produciendo una carga de tracción por impacto en el vástago y en el rotador. Este tipo de carga es poco común y puede hacer que el rotador se agriete y que la válvula se caiga.
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87 -- El rotador roto, como lo vemos aquí, se parece mucho al rotador que falló por tratamiento térmico. Noten la textura leñosa y áspera de las caras de la fractura, causadas por sobrecarga.
88 -- Los resortes afectados por un motor muy embalado deben tener marcas de contacto completo entre las espiras (contacto de 360" entre todas las espiras) ¿Pueden ver desportillamiento por rozadura entre las espiras? Este desportillamiento indica que hubo contacto completo.
89 -- Con una lupa, más luz y mirando el área pintada se hace fácil verificar que este resorte tuvo un contacto completo entre las espiras. No se debe asociar este indicio solamente con un motor embalado. El contacto completo simplemente significa que las espiras han sido forzadas unas contra otras. Un motor embalado es una de las - 40 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
causas principales de este resultado. El ajuste excesivo puede ser otra. Otra causa puede ser la varilla de un levantaválvulas que no entra en el rebajo y produce demasiado levantamiento. Y hay más causas. Necesitamos buscar indicios en otras áreas y usarlos todos para identificar la verdadera causa original.
90 -- Comparen el rotador de la izquierda que se rompió a causa de un problema de resistencia del metal, con el rotador de la derecha, que se rompió como resultado de sobre- carga contra un resorte totalmente comprimido. Noten que hay más grietas y menos pulido en el de la izquierda que en el de la derecha. Menos pulido indica una carga menor contra el resorte. Muchas grietas indican la posibilidad de un esfuerzo interno residual. Si observamos cuidadosamente todos los detalles de las piezas rotas, podemos llegar a la causa principal por el camino correcto.
91 -- Al discutir las condiciones anormales y las fallas más comunes notamos que la mayoría de las fallas son resultados y que muy pocas de ellas son causas. Si analizamos cuidadosamente los indicios, podemos llegar a identificar la causa principal de la mayoría de las fallas.
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92 -- ¿Debemos considerar las fallas como un problema o como una oportunidad? (Como una oportunidad) ¿Qué tipo de oportunidad? (Diferentes respuestas de los alumnos) Con mucha frecuencia hemos tomado las fallas de válvulas como problemas, cuando en realidad representan una gran oportunidad para ayudar y servir a nuestros clientes; porque cuando ellos tienen válvulas que han fallado, es probable que se deba a condiciones ambientales hostiles y los clientes necesitan identificar esas condiciones y hacer lo necesario para solucionar el problema resultante.
93 -- Debemos cuidarnos de ideas preconcebidas que nos llevan a cometer errores y usar solamente los hechos asociados con cada falla.
94 -- Haciendo esto OBTENDREMOS LA RECOMPENSA, con los pasos seis, siete y ocho: 6. Comunicarse con el responsable de la falla y obtener las instrucciones para corregir 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 determinó y se tomaron las medidas necesarias para solucionar el problema. b. Que el cliente está satisfecho con el producto y el servicio que recibe.
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