Eje Cigüeñal, Construcción, Características Y Empleo En Los Buques Mercantes

MEMORIA PROFESIONAL PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO JEFE DE MAQUINAS

“Eje Cigüeñal, Construcción, Características Y Empleo En Los Buques Mercantes”

Seudónimo Kemipizulu

Año 2010

Página | 1

INDICE

TEMA

PAGINA RESUMEN 4

INTRODUCCIÓN

5 CAPÍTULO I EL CIGÜEÑAL:

1. Generalidades

7 2. Destalles Constructivos 10

a. Materiales para su construcción

11 b. Cigüeñales Pequeños 12

c. Cigüeñales Grandes

14 3. Trabajo del Cigüeñal 19

4. Amortiguador de Vibraciones Torsionales

20 5. Manivelas o Brazos 23

6. Balance o Equilibrio Dinámico antes de su Montaje

26 CAPITULO II: FACTORES QUE AFECTAN LA VIDA DEL CIGÜEÑAL

1. Materiales

29 2. Diseño 31

3. Lubricación

45 4. Combustión 48

5. Orden de Encendido

56 6. Velocidad Crítica 65

7. Desgaste Normal

73 CAPITULO III LOS COJINETES

1. Generalidades

77 2. Tipos de Cojinetes 77

Página | 2

TEMA

PAGINA 3. Causas del Desgaste y sus Soluciones 82

4. Materiales y Propiedades de los Descansos

90 a. Cojinetes de metal blanco o babbitt 91

b. Los descansos de cadmio

94 c. Cojinete de Bronce al plomo 96

d. Descansos de Metales Ligeros

97 e. Descansos de Bronce 97

f. Aleaciones de zinc para descanso

98 g. Descanso de latón 99

h. Los descansos de fundición

99 i. Los metales de polvos sinterizados 100

j. Los descansos de material sintético

100 CAPITULO IV AVERIAS DEL CIGÜEÑAL

1. Mala Alineación (Deflexión)

105 2. Corrosión 115

3. Rayaduras

118 4. Ovalización y Conocidad Anormal 121

5. Pérdida de Dureza

125 6. Pruebas No Destructivas 133

7. Ejemplos de Fallas

146 CONCLUSIONES 163

GLOSARIO

164 BIBLIOGRAFIA 171

Página | 3

INDICE DE TABLAS

N°

NOMBRE

PAGINA 1 Esfuerzos admisibles para cigüeñales fundidos y forjados 30

2

Composición química para cigüeñales construidos al carbono y carbono-manganeso

31 3 Orden de encendido de motores de cuatro tiempos en línea 61

4

Orden de encendido para motores de cuatro en “V”

64 5 Desgaste Excesivo, Problemas y Soluciones 83

6

Material para Metales

91 7 Composición química me metal blanco a base de estaño – plomo 92

8

Composición química de metal blanco a base de cadmio

94 9 Composición de bronces 98

10

G = Fundido, Velocidad de Resbalamiento = 0,1 m / seg.

99 11 Deflexión Eje Cigüeñal 110

12

Tolerancia de acuerdo al diámetro de los muñones

123 13 Dureza Rockwell 131

14

Dureza Rockwell Superficial

131 15 Tabla de correspondencia entre escalas Brinell, Rockwell (C y D) y Vickers 132

INDICE DE GRAFICOS

N°

NOMBRE

PAGINA 1 Agentes que intervienen en la vida útil del Eje Cigüeñal 76

2

Dureza de distintos metales de cojinetes a 20° y 200°C

93 3 Dureza en caliente de metales blancos a base de plomo, zinc y estaño 94

Página | 4

RESUMEN

La presente memoria mostrará la importancia del cigüeñal dentro del ámbito de las maquinas marinas, exponiendo a la vez sus principales características físicas como también se presenta un análisis de los cojinetes utilizados en los motores marinos, las posibles fallas, soluciones de montaje y sus propiedades, debido al intenso trabajo al que está sometido, influenciado por determinados agentes entre ellos principalmente el diseño, los materiales usados en su fabricación, lubricación, combustión , orden de encendido, velocidad crítica y desgaste normal.

Se analizan las fallas del cigüeñal mediante pruebas destructivas y no destructivas, dentro de las cuales se presentan con mayor frecuencia la mala alineación, la corrosión, las rayaduras, la ovalización y conicidad, además de la pérdida de dureza por desgaste.

Página | 5

INTRODUCCION

El motor Diesel es una máquina de combustión interna que debe su nombre a su inventor el Ingeniero alemán Rudolf Diesel, quien lo patentó en la ciudad de Munich en 1982, para luego construir el primero de esta serie de motores en 1986.

En este tipo de motor, solamente se comprime aire dentro de los cilindros, para luego, cuando el aire ya está lo suficientemente comprimido, inyectar la carga de combustible finamente atomizada dentro del cilindro logrando la ignición por el calor producido gracias a la compresión del aire, la que varía a razón de entre 12 y 24:1.

Las partes de movimiento de un motor diesel son aquellas unidades que convierten las fuerzas desarrolladas en los cilindros productos de la combustión del combustible, en energía mecánica que es llevada al cigüeñal, estas partes están distribuidas en forma tal que el movimiento lineal alternativo es transformado a movimiento circular uniforme. Dichas piezas están divididas en tres grupos principales que son las que tienen movimiento rotatorio (los cigüeñales y ejes de levas), las que tienen movimientos alternativos (los pistones, los pasadores del pistón y anillos) y las que tienen movimientos rotatorios y alternativos (las bielas). En el primer grupo se encuentran los elementos que a juicio de muchos expertos, son los que revisten una especial importancia para el buen funcionamiento de los motores propulsores, cualquiera sea su tipo, forma o tamaño. Es por este motivo que la presente memoria pretende profundizar el estudio de todos los aspectos relacionados con el cigüeñal.

Página | 6

Los cigüeñales necesitan de un cuidado exclusivo ya que están sometidos a grandes esfuerzos flexotorsionales periódicos, por lo tanto, se debe evitar que exista la más mínima distorsión de su estructura ya que un pequeño descuido u omisión de una simple calibración puede traer graves consecuencias a la vida de una máquina, ocasionando hasta la paralización de la nave, lo que implica elevadísimos costos para los armadores.

Página | 7

CAPITULO I

EL CIGÜEÑAL

1. GENERALIDADES

El cigüeñal es una de las piezas más importante de un motor de combustión interna, tiene la función de convertir el movimiento lineal alternativo del pistón, producido por la presión de los gases de combustión y por intermedio de la biela en movimiento circular uniforme, como se aprecia en la Figura N°1.

El Cigüeñal también puede ser llamado en forma compuesta como Eje Cigüeñal, Árbol de Manivelas o Eje Motor. Los ejes están definidos como órganos de sustentación de las piezas de máquinas que están animadas por movimientos de rotación en V o de oscilación y han de permitir, por consiguiente, un movimiento de rotación completa o parcial a otros componentes (alrededor de su eje

Figura N°1: Mecanismo Pistón, Cruceta Biela y Cigüeñal

Página | 8

geométrico), como por ejemplo: ruedas, poleas, balancines y palancas. Los ejes destinados a servir de sostén a otros órganos se denominan con frecuencia “ejes de carga”, los cuales están sometidos únicamente a flexión bajo la acción de su propio peso, el de las piezas que han de sostener y de las fuerzas exteriores, pero nunca están sometidos a torsión por estas últimas. Sin embargo, estos ejes no dejan de sufrir un esfuerzo de torsión debido a la resistencia de rozamiento que se genera en la superficie de los muñones, pero su valor es tan insignificante que puede ser despreciado en el cálculo. Si el eje, además de servir de soporte, transmite momentos de rotación, entonces estos ejes están sometidos a esfuerzos de flexión y torsión a la vez.

El cigüeñal es sin duda el componente más caro, debido a los elevados costos de diseño y fabricación. En los primeros tiempos, el motor típico de combustión interna era monocilíndrico y el cigüeñal, al tener una sola manivela, era completamente semejante al antiguo “berbiquí” de carpintero, denominado en francés “Vilebrequin”, cuyo término es aún hoy día el apelativo francés correspondiente al español cigüeñal. Los ingleses lo llaman “Crankshaft”, cuya traducción significa árbol-manivela.

El cigüeñal está compuesto por: (Ver Figura N°2)

 Muñones, Puños o Alfileres de Bancada

 Muñones, Puños o Alfileres de Biela

 Manivela, Codo o Brazo de Cigüeñal

 Contrapesos

 Extremos de Caja del Distribución y del Amortiguador de Vibraciones

 Extremo del Volante de Inercia y Conductos de Lubricación

Página | 9

Cada muñón de biela está formado por dos brazos llamados “manivela, brazo de cigüeñal o cigüeña” (Figura N°3). Este muñón de biela y los muñones de bancada giran sobre los cojinetes principales de bancada, los cuales soportan al cigüeñal. La disposición de los apoyos de bancada obedece a razones de resistencia, repartición de fuerzas, ciclo de trabajo (según sea el motor de dos o de cuatro tiempos), y orden de encendido.

El número de descansos de bancada puede variar bastante, tal como se ilustra en la Figura N°4. La elección depende de razones técnicas y económicas, la solución más económica es un cigüeñal con solo dos apoyos en los extremos o dos

Figura N°2: Componentes del Cigüeñal

Figura N° 3:

Sección de Cigüeñal y Partes que la Compones

Página | 10

descansos principales de bancada

...