Análisis de la causa de la fisura en la soldadura entre el alma y el eje del tambor de la grúa

Este análisis de fisuras en la soldadura del tambor de una grúa examina un caso en el que una grúa con larga vida útil desarrolló fisuras en la soldadura entre la placa del alma del tambor y el eje del tambor. Si bien el daño visible parece ser un problema localizado de fatiga del metal, las causas subyacentes pueden estar relacionadas con el diseño estructural, el procedimiento de soldadura, el estado del material, la transferencia de tensiones, la calidad de fabricación y montaje, y las condiciones de operación.

1. Relación entre el tambor de la grúa, la placa del alma, el cubo y el eje.

En los equipos de elevación, el tambor es un componente clave de la transmisión, utilizado para enrollar el cable de acero y levantar o tirar de la carga. La carcasa del tambor aloja el cable de acero, mientras que unas placas de unión suelen estar dispuestas en ambos extremos de la carcasa para conectarla con el cubo o el eje.

En una estructura común, el cubo se suelda al centro de la placa de alma. El cubo se conecta al eje del tambor mediante una chaveta, y el eje se apoya sobre cojinetes. En este caso, la placa de alma se suelda directamente al eje del tambor, que es un eje largo.

Por lo tanto, la placa de alma no es solo una placa de conexión. También transmite torsión y fuerza radial entre la carcasa del tambor y el eje del tambor. Las referencias generales sobre fallas en tambores suelen mencionar las grietas por fatiga como una condición para el reemplazo; este caso analiza más específicamente por qué pueden comenzar las grietas alrededor de la soldadura entre la placa de alma y el eje.

2. ¿Por qué aparece la grieta cerca del eje del tambor?

Desde una perspectiva mecánica, la placa del alma del tambor es una placa delgada sometida a torsión, flexión, tensión-compresión y cizallamiento en el plano. Cerca del eje del tambor, pueden presentarse simultáneamente varias condiciones desfavorables: un cambio repentino de sección, la influencia de las soldaduras y cargas cíclicas.

2.1 Concentración de tensiones por un cambio repentino de sección

En la zona cercana al eje del tambor, la estructura pasa de un eje relativamente grueso a una placa de alma más delgada. Para el posicionamiento axial y la soldadura, se suele disponer un tope del eje en la posición correspondiente de la placa de alma. Si el radio de transición es demasiado pequeño o la transición no es suave, puede producirse una concentración de tensiones.

Los defectos de soldadura, como la socavación y la penetración incompleta, también pueden convertirse en fuentes de inicio de grietas.

2.2 Esfuerzo cíclico y carga de impacto

Durante el funcionamiento del tambor, la fuerza de tracción generada por el enrollado del cable se transmite a través de la carcasa del tambor a la placa de refuerzo y, posteriormente, al eje del tambor. Cada acción de enrollado y elevación aplica una carga repetida a esta zona, lo que puede generar fatiga de bajo ciclo combinada con cargas de impacto localizadas.

2.3 Tensión residual de soldadura

Al soldar la placa del alma y el eje del tambor, la zona de soldadura experimenta altas temperaturas localizadas y una posterior contracción por enfriamiento. Si la estructura soldada no se recoce o se libera de tensiones completamente después de la soldadura, quedan tensiones residuales alrededor de la misma. Cuando estas tensiones residuales se combinan con la carga de operación, aumenta la probabilidad de que se produzcan grietas.

3. Proceso de desarrollo de la fisura en la placa del alma

El desarrollo de la grieta se puede observar en tres etapas.

La primera etapa es la iniciación. En la raíz de la soldadura o en el radio de transición, los defectos microscópicos pueden convertirse en fuentes de grietas bajo la acción combinada de la tensión residual de soldadura y la tensión de trabajo.

La segunda etapa es la propagación. Durante cada operación de elevación, la carga sigue la misma trayectoria de transferencia y la tensión máxima se repite. La grieta se propaga gradualmente a lo largo del límite de grano del material. La superficie de fractura puede presentar características radiales o en forma de concha.

La tercera etapa es la fractura. Cuando la sección efectiva restante ya no es suficiente para soportar la carga, puede producirse una fractura frágil repentina, posiblemente acompañada de desgarro de la placa del alma o separación del eje del tambor.

4. Causas comunes de agrietamiento en la soldadura entre el alma y el eje del tambor de la grúa

4.1 Factores de diseño estructural

Si la transición entre la placa del alma y el eje del cubo o tambor no utiliza un radio adecuado, la tensión puede variar bruscamente. Si el espesor de la placa del alma es insuficiente, el margen de resistencia a la fatiga también puede ser inadecuado. Una ubicación de soldadura mal elegida puede aumentar aún más el riesgo, especialmente si la soldadura se encuentra en una zona de alta tensión en lugar de una de baja tensión.

4.2 Factores de calidad de la soldadura

Los defectos comunes en las soldaduras incluyen penetración incompleta, inclusiones de escoria, porosidad, socavación y marcas de soldadura. Si no se realizan ensayos no destructivos, como pruebas ultrasónicas o radiográficas, después de la soldadura, pueden persistir defectos ocultos en la estructura durante mucho tiempo.

Los parámetros de soldadura no optimizados y un alivio de tensiones posterior a la soldadura insuficiente también pueden aumentar el riesgo. En el caso de grandes estructuras de tambor, el tratamiento térmico para el alivio de tensiones puede resultar difícil de realizar. El alivio de tensiones por vibración también puede ser difícil de aplicar por completo, y el envejecimiento natural u otros tratamientos de envejecimiento pueden verse afectados por los requisitos del cronograma del proyecto.

4.3 Cargas operativas que superan las condiciones de diseño

La sobrecarga prolongada que supera la carga nominal puede aumentar el riesgo de fatiga de la estructura. Los arranques y frenadas frecuentes durante el izamiento pueden generar grandes cargas de impacto. Si el cable de acero se coloca incorrectamente en el tambor, la distribución de la fuerza en este se vuelve desigual y la tensión local puede ser mucho mayor que el valor de diseño.

4.4 Errores de fabricación y montaje

Si el ajuste entre el orificio interior de la placa de unión y el eje es demasiado apretado o demasiado flojo, la tensión local inicial puede volverse desigual. La tensión de montaje que no se haya liberado por completo puede combinarse posteriormente con la tensión de funcionamiento.

4.5 Corrosión y factores ambientales

Cuando el tambor se expone a un ambiente húmedo o corrosivo durante mucho tiempo, la zona de soldadura es más propensa a la corrosión. Las zonas corroídas también son lugares comunes donde se inician las microfisuras.

5. Medidas de inspección, reparación y prevención

En equipos ya existentes, se pueden realizar periódicamente pruebas de partículas magnéticas o ultrasónicas alrededor de la soldadura entre la placa del alma y el eje del tambor. Si se detectan grietas, la placa del alma debe repararse mediante soldadura o sustituirse a tiempo, y debe revisarse la disposición del cable para evitar cargas excéntricas.

Para el diseño o la fabricación de nuevos tambores de grúa, se debe optimizar el radio de transición y la posición de la soldadura debe disponerse de manera que se evite, en la medida de lo posible, la zona de máxima tensión. El procedimiento de soldadura debe controlarse rigurosamente. Se puede utilizar la soldadura multipaso y la soldadura simétrica para reducir las tensiones residuales, y se puede aplicar envejecimiento por vibración o envejecimiento natural según las condiciones reales.

Para una gestión operativa óptima, deben evitarse las sobrecargas prolongadas y los arranques y frenadas frecuentes. La disposición de los cables debe cumplir con los requisitos aplicables, y los cables desgastados deben reemplazarse periódicamente.

Las grietas en las soldaduras del tambor de la grúa no suelen deberse a un solo factor. Un análisis detallado de la estructura, la soldadura, la carga, el montaje y el entorno ayuda a identificar el origen de la grieta y a seleccionar las medidas correctivas adecuadas a las condiciones específicas del lugar.

Cindy

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