Análisis de Falla de Balancines en Motores Diesel Usando El Método de Elementos Finitos

 

ANÁLISIS DE FALLA DE BALANCINES EN MOTORES DIESEL USANDO EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS Resumen. El balancín es una palanca alternativa que se utiliza como herramienta para la combustión interna del motor para transferir el movimiento de la varilla de empuje al vástago de la válvula. El Método de elementos finitos (FEM) utiliza el software ANSYS Workbench para predecir la tensión, la deformación y la fractura que se producen en el orificio del balancín con dos modelos de carga. Diseño de balancín con Autodesk Inventor Software y el material utilizado es fundición de hierro gris. La fuerza introducida en la simulación es de 550 lb igual a 2446.52 N. Los resultados de la simulación muestran que el esfuerzo equivalente, el esfuerzo  principal y el esfuerzo cortante máximo en el modelo de carga 1 son más altos que el modelo de carga 2. Para la deformación, el valor es muy bajo. debido a las propiedades del material quebradizo, incluida la prueba de simulación de grietas no puede producir valores de J-Integral y factores de intensidad de tensión (K1). INTRODUCCIÓN El eje del balancín es la parte que soporta la válvula de entrada y drenaje del motor que  pasa a través del balancín. El balancín es una palanca alternativa que se utiliza en motores de combustión interna para transferir el movimiento de la leva o la varilla de empuje al vástago de la válvula. Los resultados del cuestionario sobre partes problemáticas de vehículos revelaron que la falla del balancín representó repres entó el 30% de los errores del motor y fue la principal causa de accidentes de tránsito fatales. fata les. También se informa que el balancín experimentó fracturas durante las rutinas de inspección de vehículos deportivos con un motor diesel de cuatro cilindros. Las fracturas que a menudo ocurren en los balancines son fracturas en el orificio orifici o del balancín y en el cuello del balancín [[1, 1, 2]. La ubicación de la fractura en el balancín se muestra en la Figura 1.

(a) fractura en el orificio del balancín

(b) fractura en el cuello del balancín

 

  El daño material (grieta) generalmente comienza por la falla en la superficie del material debido a la influencia de factores ambientales como la corrosión o el desgaste debido a la interacción con otros componentes [4]. Según la explicación anterior, ante rior, para que el balancín contenido en un motor diesel tenga una larga vida, es necesario planificar un diseño eficaz y eficiente. Junto con el propósito de conocer los efectos de daño causados por la carga dinámica que actúa sobre el balancín, se necesita un análisis de simulación del balancín  para determinar la distribución de tensiones, deformaciones y fracturas que ocurren.

Figura 2. Detalles del brazo oscilante de la marca YQL [10] SIMULACIÓN Para la simulación de la resistencia del material se utiliz utilizaa el software ANSYS Workbench. El proceso de simulación del brazo oscilante comienza con 2 tipos de condiciones de carga. Para el tipo de fuerza de carga que se muestra en la Figura 3. La entrada de fuerza es de 550 lb igual a 2446.52 N. Esta fuerza es la fuerza máxima de una carga de un motor diesel [11]. En simulación con mallado de 2 mm. Los resultados del análisis de simulación realizado, obtuvieron tensión y deformación en el balancín debido a la carga para condiciones máximas. Los resultados del análisis son la base para analizar la fractura del  balancín, ya que el balancín tiene fractura (ver Figura 1). La ubicación de la fractura se  basa en los resultados de la tensión principal máxima, con dimensiones de 1 mm (radio mayor), 0.2 mm (radio menor) y un tamaño de malla de 2 mm.

(a) Tipo de carga 1

(b) Tipo de carga

2 Figura 3. Tipo de posición de carga

 

RESULTADO Y DISCUSIÓN Estrés y deformación

(a) Carga tipo 1

(b) Carga tipo 2

Figura 4. Estrés equivalente (von-Mises)

(a) Carga tipo 1

(b) Carga tipo 2

Figura 5. Máxima tensión principal

a) Carga tipo 1

(b) Carga tipo 2 Figura 6. Esfuerzo cortante máximo

 

 

a) Carga tipo 1

(b) Carga tipo 2 Figura 7. Deformación total

Los resultados de la simulación de tensión equivalente (von-mises) usando carga tipo 1 indican un valor máximo de 100.5 MPa y un valor mínimo de 7.8911e-6 MPa. Mientras que el valor máximo de carga tipo 2 es 51.419 MPa y el valor mínimo es -3.23434 MPa como se muestra en la Figura 4. Luego, para simular la tensión máxima, la tensión  principal muestra un valor máximo de 109.5 MPa y un valor mínimo de -14.5 MPa en la carga tipo 1 , para la carga tipo 2, el resultado es menor que la carga tipo 1, que es un valor máximo de 51.419 MPa y un valor mínimo de -3.2234 MPa que se puede p uede ver en la Figura 5. Además, la Figura 6 muestra los resultados de la simulación del esfuerzo cortante máximo condicionado a los tipos de carga car ga 1 y 2. En la Figura 6 (a) se puede ver que el valor máximo de esfuerzo cortante es 15.8 MPa y el valor mínimo es -16.254 MPa, mientras que en la Figura 6 (b) muestra un valor máximo de 42.418 MPa y un valor mínimo de 0.00032 MPa. Si se realiza un escrutinio adicional, los resultados de tensión (todos) del tipo de carga 1 obtienen un valor máximo más alto en comparación con la salida de tensión (todos) del tipo de carga 2. Esto se debe a que la ubicación soportada del tipo de carga 1 es más corta que la tipo de carga 2. Por lo tanto, el estrés recibido por el tipo de carga uno será mayor ma yor debido a la distancia más corta y viceversa. La figura 7 muestra los cambios de deformación total t otal experimentados por el balancín. La deformación puede interpretarse como una condición de resistencia del material a la energía de tracción o compresión si la energía no excede las características físicas del material. La deformación en sí se divide en dos, a saber, la deformación plástica (no puede volver a su forma original) y la deformación elástica (puede volver a su forma original) [12]. En el tipo de carga 1, la deformación total máxima es de 0.047524 mm y el valor

 

mínimo es de 0 mm, mientras que en el tipo de carga 2 el valor máximo es de 0.019868 mm y el valor mínimo es de 0 mm. Los valores bajos de deformación indican que el  balancín con material de fundición gris no experimenta una deformación significativa, esto se debe a las propiedades del material de fundición frágil. La intensidad del material es contraria a la tenacidad, mientras que la altura de la deformación está influenciada por la tenacidad de un material. Cuanto mayor es la tenacidad de un material, mayor es el valor de deformación. 3.2 Prueba de grietas

a) Carga tipo 1

(b) Carga tipo 2

Figura 8. Fractura / Grieta Los resultados del análisis de simulación de la prueba de grietas en el balancín experimentan un error y no pueden mostrar el valor integral J y el factor de intensidad de tensión (SIF) K1. El valor J-Integral es la tasa de liberación de energía de deformación de un cuerpo de grietas por unidad que aumenta la longitud de grietas que ocurre en el cuerpo. Mientras que el valor SIFS (K1) funciona para determinar d eterminar el factor de intensidad de tensión (K) de un material con cierta forma geométrica en condiciones de carga car ga elástica [13]. Se puede decir que el error experimentado cuando la prueba de grietas ocurre después de la grieta de malla es una prueba exitosa de grietas de malla pero no muestra el valor de propagación de fractura. Esto ocurre como resultado de la deformación total que es demasiado baja. El bajo valor de deformación deformaci ón está influenciado por la suavidad de un material. Esto se debe a que los resultados de la prueba metalúrgica muestran que la adición de magnesio para el hierro fundido puede producir grafito redondeado. En cuanto a sus propiedades mecánicas, la resistencia a la tracción del grafito puede duplicarse y su ductilidad es comparable a la del acero al carbono. El magnesio reacciona primero con

 

azufre para formar una esfera de grafito. Las escamas esféricas de grafito hacen que la fuerza de trabajo no se concentre; en su lugar, se extiende al arco de la esfera de grafito  para que pueda soportar cargas más pesadas [14]. Para que el material quebradizo experimente una propagación de grietas muy rápida. Es por eso que en la simulación de  prueba de crack no se pueden obtener valores valores J-Integral y SIFS (K1). 4. Conclusiones Los resultados del análisis de la simulación del balancín anterior están de acuerdo con la carga máxima que se ha determinado utilizando 2 tipos de condiciones de carga. Los resultados de la simulación del esfuerzo equivalente, el esfuerzo principal máximo y el esfuerzo cortante máximo en la carga tipo 1 tienen un valor más alto en comparación con la carga tipo 2. Esto está influenciado por la distancia entre las posiciones de soporte fijo en la carga 1 más cerca de la fuerza. Para llaa deformación, el valor es muy  bajo, esto está influenciado por la agilidad del material del balancín que es de fundición de hierro gris. Debido a que el valor de deformación que es demasiado bajo en la fractura / grieta de la prueba de simulación no puede mostrar los valores JJ-Integral -Integral y SIFS (K1).