Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores

i Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores Autor: Álvaro Romero Macías Tutor: Jaime Domínguez Abascal Dep. Ingeniería Mecánica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 ii iii Trabajo Fin de Grado Grado Ingeniería en Tecnologías Industriales Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores Autor: Álvaro Romero Macías Tutor: Jaime Domínguez Abascal Profesor titular Dep. de Ingeniería Mecánica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 iv v Trabajo Fin de Grado: Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores Autor: Álvaro Romero Macías Tutor: Jaime Domínguez Abascal vi El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 El Secretario del Tribunal vii viii ix Agradecimientos A D. Jaime Domínguez Abascal por permitirme participar en este proyecto, así como formarme con sus explicaciones y consejos. A Mercedes Fernández por su ayuda y disposición en cualquier asunto con respecto al proyecto. A Marta Martínez-Darve y José Guareño por su acogida en el laboratorio, al igual que por la ayuda prestada a la hora de los ensayos. A D. Carlos Navarro por su ayuda prestada para elaborar la adquisición de datos. A toda mi familia y en especial a mi madre, por darme la oportunidad de estudiar esta carrera y apoyarme fervientemente en todos los proyectos en los que me he sumergido. Álvaro Romero Macías Sevilla, 2017 xvi Índice de figuras Figura 1. Fallo por fatiga del McDonnell Douglas MD-88 2 Figura 2. Esquema de superficie con rotura por fatiga 3 Figura 3. Ejemplo Curva S-N 4 Figura 4. Vista del conjunto explosionado 6 Figura 5. Elementos de montaje 7 Figura 6. Anillo instrumentado 8 Figura 7. Disposición del puente de Wheatstone 8 Figura 8. Arandelas calibradas 9 Figura 9. Elemento sujeción conjunto 10 Figura 10. Hendidura hexagonal 10 Figura 11. Conjunto montado y vista del corte 11 Figura 12. Llave dinamométrica 11 Figura 13. Disposición del anillo en la calibración 12 Figura 14. Curva de calibración 14 Figura 15. Unión atornillada antes y después de la aplicación de una fuerza 15 Figura 16. Gráfica ensayo rigideces 17 Figura 17. Sistema de cargas en un filete desarrollado 20 Figura 18. Esquema tornillo-tuerca 20 Figura 19. Zona afectada por la tuerca 25 Figura 20. Zona sin dañar por la tuerca 25 Figura 21. Altura filete crítico 26 Figura 22. Esquema de la distribución de tornillos en la pala 27 Figura 23. Tornillos limpios y marcados 28 xvii Figura 24. Conjunto listo para el apriete 29 Figura 25. Esquema de cargas aplicadas en el apriete 29 Figura 26. Diagrama de Goodman 30 Figura 27. Conjunto montado en Instron 8833 32 Figura 28. Ratón 33 Figura 29. Acondicionador de señal 33 Figura 30. Tarjeta de adquisición National Instruments 33 Figura 31. Esquema de las conexiones 34 Figura 32. Pantalla principal del programa de Labview 34 Figura 33. Ejemplo de archivo .txt para cada tornillo 35 Figura 34. Vida a fatiga de los tornillos ensayados 37 Figura 35. Tensión equivalente frente al Nº de ciclos de cada tornillo 38 Figura 36. Aproximación curva S-N para cada grupo de tornillos 39 Figura 37. Tensión equivalente frente al número de ciclos 39 Figura 38. Unión Vástago-Sujeción rota por fatiga 42 Figura 39. Célula de carga rota por fatiga 42 Figura 40. Célula de carga rota por fatiga 2 43 Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 1 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS El mundo de las energías renovables se encuentra hoy en día en pleno auge. Aun así, se enfrentan a grandes problemas económicos debido a la gran inversión que se requiere para poder ejecutar cualquier proyecto de mediano tamaño de esta índole. Con esto, la optimización y el estudio detallado de todos los componentes de estos proyectos se convierte en una parte esencial para la reducción de costes del mismo, convirtiéndose así en un problema de Ingeniería. Este proyecto surje de la necesidad de caracterizar el comportamiento de los tornillos que residen en las uniones de las palas de un aerogenerador. Debido a los esfuerzos que sufren estos durante el funcionamiento del aerogenerador, hay tornillos que son encontrados rotos en el suelo. Este suceso puede desembocar en catástrofe, ya que al dejar de trabajar cada tornillo que se cae, se produce otro reparto de cargas haciendo sufrir más a cada tornillo. Por tanto, si esto no se detecta a tiempo, se podría dar la caída de la pala pudiendo ocasionar, aparte de una pérdida económica, daños físicos de algún trabajador de la planta. Hoy en día y cada vez más, se va tomando conciencia de la importancia de la seguridad en cualquier actividad industrial. Cierto es que el factor económico siempre juega un importante papel, pero es claro que si se descuida la seguridad y ocurre algún accidente grave, el proyecto puede verse en una situación complicada. Para ello, con este proyecto se intentará aportar una solución o mejora a un problema que afecta a estos aspectos: economía y seguridad. Para dar solución a un problema, lo primero es conocerlo. En este caso, estos tornillos están sometidos a un fenómeno conocido como fatiga que será explicado en el siguiente apartado. A modo de resúmen, este fenómeno se da en cualquier objeto que es sometido a una carga ciclíca, como es en los tornillos de un aerogenerador. Por tanto, estos romperán en un tiempo a priori desconocido y debido a este fenómeno. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 2 1.1. Introducción al fenómeno de fatiga El fenómeno de fatiga se encuentra muy presente el campo de la Ingeniería. Es objeto de constantes estudios y siempre ha de tenerse en cuenta a la hora de elaborar cualquier proyecto de esta índole. De esta manera, la teoría que abarca este fenómeno es de grandes dimensiones, por lo que, al no estar centrado en este fenómeno en concreto este proyecto, se dará una únicamente una introducción sobre el mismo. Una pieza compuesta por un material cualquiera, que a la vista parece estar en perfectas condiciones, a nivel microestructural presenta discontinuidades. Cuando dicha pieza se somete a cargas cíclicas o alternantes, esto es, esfuerzos que no son constantes y que varían con el tiempo, se produce un proceso de iniciación de microcrietas y el posterior crecimiento de dichas microgrietas. Éstas se vuelven cada vez mayores hasta alcanzar el punto en el que la pieza falla a pesar de que los esfuerzos sean muy inferiores a los que en teoría es capaz de resistir. Un ejemplo se puede ver en la siguiente fotografía, del fallo ocurrido en Pensacola (Florida) en 1996 1 , en el que durante el despegue se produjo el fallo por fatiga del disco, debido a un taladro incorrectamente realizado con daño metalúrgico. Figura 1. Fallo por fatiga del McDonnell Douglas MD-88 La presencia de este fenómeno, se ve favorecida por distintos factores como puede ser la temperatura, acabado superficial de la pieza, defectos de fabricación en general, vibraciones o concentradores de tensiones. Todo aquel factor que favorezca el crecimiento o aparición de una grieta influye negativamente en este fenómeno, ya que la carga ciclíca se encargará de que esta se propague a lo largo del tiempo. La característica más típica del fallo por fatiga en los materiales son las conocidas como “Marcas de playa”, como se muestra en la figura 2. Estas marcas indican la posición del frente de grieta durante la etapa de fatiga y suelen ser por paradas en el proceso o modificaciones en el régimen de carga. 1 http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/138576-Integridad-de-pieza-Concierne-a-un-mecanizador.html Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 3 Cuando la grieta ha progresado lo suficiente, la porción restante de material falla por rotura catastrófica (fractura frágil o dúctil). Estas marcas son las señas de identidad más claras de la fractura por fatiga. Durante la etapa de propagación, el borde de la grieta es un gran concentrador de tensiones. Cada vez que la grieta se abre por un esfuerzo de tensión de magnitud suficiente, el borde de la grieta se deforma plásticamente, enromando ligeramente el borde de la grieta y produciéndose pequeñas microfracturas en dicho frente. Esto causa que la fractura avance, creando una nueva estriación. Figura 2. Esquema de superficie con rotura por fatiga Para caracterizar la fatiga en un material, se hace uso de lo mencionado anteriormente como Curva S-N (Stress-Number of cycles). El nº de ciclos requeridos para que el fallo por fatiga ocurra en un punto, depende del material y de la fluctuación de las tensiones. Esta información, para ciertos materiales férricos, nos la proporciona la dicha curva. Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a tracción) contándose los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes. La curva S-N de un material define valores de tensiones alternas vs. el número de ciclos requeridos hasta que se produzca el fallo, un ejemplo se muestra en la Figura 3. El eje-Y representa la tensión alterna y el eje-X representa el nº de ciclos. Para cada material se pueden definir múltiples curvas S-N con diferentes valores de tensión media. Para casi todos los aceros, se puede determinar gráficamente el diagrama S-N con bastante buena aproximación, dado que para estos materiales ocurre que: • Para N= ciclos, la rotura a fatiga ocurre aproximadamente cuando la tensión aplicada alcanza el valor de S = 0,9·Su siendo Su el límite de rotura del acero para esfuerzos estáticos. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 4 • Para N= 6 ciclos (vida infinita), el límite de fatiga del acero vale aproximadamente S'n = 0,5·Su Figura 3. Ejemplo Curva S-N La curva S-N se basa en la vida a fatiga media o en una probabilidad de fallo dada. Para la elaboración de esta curva es necesario que se realicen numerosos ensayos para contabilizar el número de ciclos. En este proyecto, se realizarán estos ensayos con el fin de obtener las curvas S-N y la vida residual de cada uno de los tornillos. (1) 1.2. Necesidad de la determinación de la vida residual y proceso para su determinación Con este proyecto se pretende determinar la vida residual que existe en los tornillos, para así caracterizar su comportamiento, conocer el daño aproximado que tienen en cada momento y poder llevar un mantenimiento predictivo adecuado. Esto repercutirá en la seguridad, de manera que no se produzcan accidentes por caídas de palas. Además, al encontrar tornillos rotos en el suelo, se hace necesario el cambio de todos los tornillos de la pala para prevenir la caída de la misma, ya que se desconoce el estado de los tornillos restantes. Para ello, este estudio supondría también un importante ahorro económico. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 5 Para llevar a cabo esto, se estudiarán el comportamiento a fatiga de tornillos ya usados pertenecientes a distintas posiciones de la pala y de tornillos nuevos. Con los resultados obtenidos, se podrá hacer una comparativa entre ambos, determinando la vida resiudal de los tornillos de campo. Además, se obtendrán las curvas S-N explicadas en el apartado anterior. En la Tabla 1, se recogen todas las características de los tornillos a ensayar Propiedad M20x130 10.9 Diámetro resistente, [mm] 19.16 Paso [mm] 1.5 Diámetro sobre flancos, [mm] 20.84 Área efectiva, [ ] 244.45 Límite elástico convencional, [MPa] 900 Resistencia nominal a la tracción, [MPa] 1000 Resistencia mínima a la tracción, [MPa] 1040 Tabla 1. Propiedades de los tornillos Por otro lado, el procedimiento seguido para la determinación de la vida residual, de forma resumida será el siguiente: 1. Dado que hay tornillos con diferentes condiciones de carga debido a su posición la pala, se selecciona cuatro grupos de tornillos de cuatro zonas diferentes de la pala. 2. Además, se elige un grupo de tornillos nuevos que servirán como referencia. 3. Definición de las cargas a aplicar. Serán parecidas a las de funcionamiento pero superiores para conseguir el fallo entre 100000 y 300000 ciclos. 4. Ensayo de los 4 grupos de tornillos a las mismas cargas. 5. Obtención de la vida residual de cada grupo. 6. % de vida restante de cada grupo. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 6 2 UTILLAJE DE ENSAYO Para llevar a cabo estos ensayos es necesaria la fabricación de un utillaje específico. Este utillaje debe adaptarse a las dimensiones de los tornillos a ensayar, al igual que debe soportar los ciclos de carga a los que serán sometidos los tornillos. Además este utillaje ha sido diseñado siguiendo recomendaciones de la Norma ISO 3800:1993. A continuación se detallan las partes del conjunto montado: Figura 4. Vista del conjunto explosionado Todas estas piezas son fabricadas mediante mecanizado con acero F1270. Se trata de un acero aleado y templado de gran resistencia, con aplicaciones de elevada responsabilidad y con una buena tenacidad. Las características de este acero, en concreto del que ha sido utilizado para fabricar el utillaje, viene dado por el fabricante y son las siguientes:  Temple entre 830-850  Enfriado en aceite  Resistencia ( 𝑢 : 86 ÷ 110 kg / N Nº Descripción 1 1 Vástago 2 2 Unión Vásago-Sujeción 3 3 Arandela Cabeza 4 4 Sujeción del Tornillo 5 5 Anillo con galgas 7 6 Arandelas de ajuste 7 7 Tuerca 8 8 Tornillo Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 7 2.1. Elementos de montaje Este apartado se refiere a aquellas piezas que sirven de unión entre la máquina y el tornillo. Su función principal es hacer que la carga aplicada en la máquina se transmita al tornillo. Su diseño y fabricación es de extrema importancia ya que deberán cumplir requisitos como que el conjunto esté perfectamente alineado, que tengan una resistencia suficiente para soportar la carga y que esta sea transmitida correctamente al tornillo. Figura 5. Elementos de montaje 2.2. Anillo instrumentado Para conocer las tensiones que sufre el tornillo, lo más inmediato sería instrumentar mediante galgas extensométricas este mismo de manera que obteniendo las microdeformaciones se puedan obtener las tensiones directas. Sin embargo, este método implica unas modificaciones complejas en el utillaje para poder sacar el cableado de las galgas además de que habría que instrumentar cada tornillo (4 galgas por tornillo) lo que supondría un elevado coste. Por ello, se decide fabricar un anillo de acero el cual encaje en las sujeciones mencionadas en el apartado anterior. Este anillo ya permitirá colocar las galgas y cableado de manera que no interfieran con ningún otro elemento. Además será diseñado para soportar unas fuerzas mayores de las que se estiman para los ensayos, quedando así del lado de la seguridad. Observando las dimensiones en el plano del casquillo y teniendo en cuenta que el material con el que se ha fabricado, se observa que el casquillo diseñado cumple con los requisitos: Vástago Unión Vástago-Sujección Sujeción Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 8 Fuerza máxima sufrida por el anillo durante los ensayos = 200 kN Área anillo = 123 Tensión en el anillo: = 517 MPa Figura 6. Anillo instrumentado Este anillo constará de dos puentes completos de Wheatstone. Un puente de Wheatstone es un circuito eléctrico que se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, midiendo todas ellas. Cada puente, al ser completo, elimina los efectos de flexión. Estos son colocados a 90° para hacer la media y corregir la distribución irregular de las tensiones. Figura 7. Disposición del puente de Wheatstone Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 15 Figura 15. Unión atornillada antes y después de la aplicación de una fuerza En un primer momento se tiene una fuerza de apriete inicial 𝐹 que se traduce en una fuerza de tracción en el tornillo y en una de compresión en el anillo instrumentado. La fuerza aplicada en la máquina no se traduce directamente en la que sufre el tornillo, debido a la diferencia de rigideces entre los elementos. Para obtener la fuerza que sufre el tornillo en función de la aplicada en la máquina, será necesario hacer este cálculo de rigideces. La fuerza aplicada en la unión atornillada en cuestión se reparte entre el tornillo y el anillo. Es por esto que el incremento de fuerza en la máquina será: 𝐹 𝐹 𝐹𝑡 (2) -Incremento de fuerza en el anillo: 𝐹 𝑑 -Incremento de fuerza en el tornillo: 𝐹𝑡 𝑡𝑑𝑡 Siendo y 𝑡 la rigidez del anillo y el tornillo y 𝑑 y 𝑑𝑡 el desplazamiento del anillo y el tornillo respectivamente. Teniendo en cuenta que el desplazamiento que sufre el anillo y el tornillo es el mismo (𝑑 𝑑𝑡 : 𝐹 𝑑 𝑡𝑑𝑡 𝑑 𝑡𝑑 (3) 𝐹 𝐹𝑡 𝑡 𝐹 𝑡 𝐹𝑡 𝐹𝑡 ( 𝑡) 𝐹𝑡 (4) Por tanto, 𝐹 𝑘𝑡+𝑘𝑎 𝑘𝑡 𝐹𝑡 , teniendo así la fuerza que sufre el tornillo en función de la fuerza aplicada en la máquina La relación de rigideces anterior se puede obtener aplicando una fuerza en la máquina al conjunto y observando la fuerza que sufre el tornillo para varios puntos. Obteniendo así una relación entre las rigideces. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 16 El valor que podemos medir es el que da el anillo. Sin embargo, al ser la fuerza de la máquina la suma de la que se lleva el tornillo más la que se lleva el anillo, restándole a la de la máquina la medida por el anillo, obtendremos la fuerza sufrida por el tornillo tal y como muestra la expresión (5). 𝐹 𝐹 𝐹𝑡 (5) La Tabla 4 recoge los valores tomados y calculados para el ensayo de rigidez. Para cada fuerza aplicada en la máquina, se anota el valor que marca cada puente (Voltaje 1, Voltaje2). Estos valores de voltaje, multiplicados por el factor de conversión kN/V calculado a través de la calibración del anillo, se traducen en una fuerza en cada puente (Fuerza 1, Fuerza 2). Haciendo la media de la fuerza de cada puente, se obtiene la fuerza total en el anillo. Conocida la fuerza de la máquina y la del anillo, mediante la ecuación (5) es posible determinar la fuerza sufrida por el tornillo y por ende, la tensión que este alcanza (Sigma Torn). F. maq (kN) Voltaje 1 (V) Voltaje 2 (V) Fuerza 1 (kN) Fuerza 2 (kN) Fza. Anillo (kN) Fza Tornillo(kN) Sigma Torn (MPA) 0 3,45 3,69 134,8 138,4 136,6 136,6 558,9 13 3,25 3,475 127,0 130,4 128,7 141,7 579,6 20,4 3,135 3,33 122,5 124,9 123,7 144,1 589,6 40 2,755 2,925 107,7 109,7 108,7 148,7 608,3 60,7 2,33 2,53 91,0 94,9 93,0 153,7 628,7 80,7 1,975 2,11 77,2 79,2 78,2 158,9 649,9 100,35 1,59 1,715 62,1 64,3 63,2 163,6 669,2 119,5 1,215 1,33 47,5 49,9 48,7 168,2 688,0 140,4 0,79 0,885 30,9 33,2 32,0 172,4 705,4 159,8 0,42 0,49 16,4 18,4 17,4 177,2 724,9 177,75 0,07 0,105 2,7 3,9 3,3 181,1 740,8 Tabla 4. Valores ensayo rigideces Tras obtener los datos del ensayo, se elabora una gráfica que enfrente la fuerza de la máquina con la fuerza del anillo para obtener la pendiente. De esta manera, se podrá establecer la fuerza de la máquina necesaria para obtener las tensiones requeridas en el tornillo mediante las ecuaciones (4) Y (5): 𝐹 𝐹 ( 𝑡 ) (6) Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 17 Denominando K como factor de rigidez: ( 𝑡 ) (7) La Figura 16 muestra para cada valor de fuerza aplicada en la máquina, la fuerza sufrida por el anillo así como su aproximación lineal. De esta manera, una vez obtenida la pendiente de la reca de tenedencia, se obtendrá el factor de rigidez especificado en la expresión (7). Figura 16. Gráfica ensayo rigideces Como se trata de una relación entre las dos rigideces no es necesario hallarlas, sino que dándole valor a una se puede obtener la otra. Pendiente recta de tendencia lineal en valor absoluto = 1.322 = 𝑘𝑡+𝑘𝑎 𝑘𝑎 , por lo que: 𝑡 322 De esta manera, siguiendo la relación entra la fuerza aplicada en la máquina y la fuerza del tornillo se obtiene: 𝑡 𝑡 𝐹𝑡 4 6 𝐹𝑡 4 6 (8) 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 Fuerza anillo (kN) Fza. anillo - Fza. Máquina Fza. Anillo (kN) Lineal (Fza. Anillo (kN)) Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 18 3.3. Ensayo de apriete Para observar el comportamiento del tornillo durante el apriete y determinar el par necesario, se han llevado a cabo unos ensayos previos. Estos ensayos consistirán en proporcionar distintos pares de apriete y observar que tensiones se alcanzan en el tornillo, para así ver qué par sería necesario para que el tornillo alcanzase la precarga deseada. El criterio que se ha seguido para determinar la precarga del tornillo y todos sus factores, se han cogido de la norma CETA 00520-11.69 (Centro de Estudios Técnicos de Automoción), la cual dice: - Aproximadamente el 90% del par de apriete se utiliza en vencer los rozamientos. - El factor de rozamiento es muy variable, y a igualdad de par puede haber grandes variaciones en los esfuerzos desarrollados. - Los valores de los momentos de apriete, que figuran en las tablas, se han calculado adoptando como carga de tracción el 80% del límite elástico mínimo exigible de la calidad aplicable En este caso, para estar del lado de la seguridad se ha establecido que la carga de tracción será el 70% del límite elástico. Con todo esto se puede establecer la pretracción del tornillo y con ello el voltaje que debe medir el equipo. Área efectiva tornillos = 244 45 ; Límite elástico tornillos = 900 MPa Tensión incial = 0.7 * 900 = 630 MPa ; Pretracción = 630 * 244.45 = 154 kN Esta pretracción según la calibración del anillo corresponde a unos 3,95 V en el puente 1 y a unos 4,05 en el puente 2. Una vez establecidos los parámetros que hay que controlar, se harán los ensayos con y sin lubricación. Para tener una idea de los pares que deben aparecer, se hace uso de la norma CETA 00520-11.69, recordando que las dimensiones de los tornillos en cuestión son M20x1.5 10.9 y que llevan un recubrimiento de acero con zincado. La Tabla 5 recoge los coeficientes de rozamiento según el recubrimiento y el engrase del tornillo mientras que la Tabla 6 detalla los pares de apriete según dimensiones del tornillo y coeficiente de rozamiento. Con esto, una vez determinado el coeficiente de rozamiento en la Tabla 5, se es capaz de conocer mediante la Tabla 6 el par de apriete necesario. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 19 Tabla 5. Coeficientes de rozamiento 2 Tabla 6. Pares de apriete según características tornillo y coeficiente de rozamiento 3 Como se ha mencionado en el párrafo anterior, estas tablas son meramente orientativas. Con esto se pretende conocer el par de apriete aproximado que se le debe dar al conjunto para posteriormente compararlo con el par de apriete final. Así pues, el par de apriete que marca la tabla con las condiciones anteriormente expuestas es de 450 Nm. 2 http://www.tornillera.com/archivos/info_tecnica/esp/pares_apriete.pdf 3 http://www.tornillera.com/archivos/info_tecnica/esp/pares_apriete.pdf Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 20 3.3.1. Cálculo teórico En primer lugar se ha de conocer el sistema de fuerzas que se produce en una unión atornillada. En la Figura 17 se esquematizan las fuerzas en un filete. En primer lugar se tiene la fuerza F que es la fuerza que la pieza hace sobre el filete cuando esta intenta ir hacia arriba. Esta fuerza genera dos reacciones, la fuerza normal y la fuerza de fricción de valor 𝜇 que se opone al movimiento. Por último, se encuenta la fuerza P que es debida al par de torsión que produce el par de apriete. Si se dispone de una tuerca enroscada en el tornillo, al hacer girar el tornillo 360º, la tuerca recorre sobre el plano inclinado una longitud de circunferencia igual a π·dm siendo dm el diámetro medio de la rosca, y se traslada una distancia p según la dirección axial o longitudinal del tornillo. Figura 17. Sistema de cargas en un filete desarrollado Figura 18. Esquema tornillo-tuerca Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 21 Haciendo equilibrio de fuerzas se obtiene: ∑𝐹 𝜇 (9) ∑𝐹 𝐹 𝜇 (10) Eliminando N, despejando P y sabiendo que 𝜇 tan (𝜑 , siendo 𝜑 el ángulo de rozamiento, se obtiene: 𝐹 tan tan𝜑 tan tan𝜑 𝐹 tan ( 𝜑 (11) Dado que la fuerza P se aplica sobre el diámetro medio de la rosca, el par será: 𝑑 2 𝐹 𝑑 2 tan( 𝜑 (12) Para el cálculo del par total necesario para producir un movimiento o fuerza en uno u otro sentido, habrá que sumarle el par producido por el apoyo axial del tornillo: 𝑡 𝐹 µ (13) De manera que el par total de apriete necesario para una unión, en función de la fuerza de tracción viene dada por la siguiente expresión: 𝑡 𝐹 (µ 𝑑 2 tan(𝜑 (14) Donde: o 𝑡: par total aplicado o F: fuerza de tracción en el tornillo. Se estima un 70% del límite elástico siendo 154 kN aproximadamente. o µ : coeficiente de rozamiento en la cabeza del tornillo. o : radio de cabeza del tornillo. + 9 67 4 4 92 o 𝑑 : diámetro medio. 𝑑 8 376 , según UNE_17704_2002 Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 22 o 𝜑 µ c s (𝛽 , siendo 𝛽 el ángulo de la rosca métrica y µ el coeficiente de rozamiento o : ángulo de hélice Además, se tienen las siguientes simplificaciones: µ µ tan(𝜑 ~ 𝜑 µ (𝛽 2) Quedando la expresión del par como: 𝐹(µ 𝑑 2 ( µ (𝛽 2) (15) Donde: 𝑃 𝑠𝑜 𝑟𝑚 5 18 376 26 , siendo el radio medio. 𝛽 6 ° , según UNE_17701_2002 Sustiuyendo todos los parámetros en la expresión del par se obtiene: o T = 454 Nm , para tornillos lubricados (µ ) o T = 793 Nm , para tornillos sin lubricación (µ 2) Se observa como los resultados obtenidos, son muy parecidos a los que marcan las tablas 5 y 6. 3.3.2. Sin lubricación En un primer lugar se procede a hacer los ensayos limpiando los tornillos de la grasa inicial que poseen y sin aportarle ningún tipo de lubricación. Este estado del tornillo no se contempla en la tablas anteriores, pero es conocido que el coeficiente de rozamiento será altísimo (alrededor de 0.2) y por tanto habrá que aplicar un par de apriete muy alto para llegar a alcanzar las tensiones deseadas. A continuación, se recogen en la Tabla 7 los valores fuerza sufrida por el tornillo para cada par de apriete. Se tiene una fuerza por cada puente y conocida el área resistente del tornillo, se obtienen directamente las tensiones alcanzadas en el tornillo con la media de ambos puentes. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 23 Par Apriete [Nm] Fza 1 [kN] σ 1 [MPa] Fza 2 [kN] σ 2 [MPa] σ media [MPa] 100 20,68 84,62 15,70 64,24 74.43 200 42,13 172,36 35,62 145,73 159.05 300 58,99 241,31 50,94 208,40 224.86 400 72,78 297,72 63,97 261,68 279.70 500 91,93 376,07 75,84 310,26 343.17 600 99,59 407,41 94,61 387,04 397.23 700 113,00 462,25 102,27 418,37 440.31 800 137,89 564,10 127,17 520,23 542.17 900 139,43 570,37 130,62 534,33 552.35 1000 150,15 614,24 140,58 575,07 594.66 Tabla 7. Fuerza y tensión axial ensayo de apriete sin lubricación Como se puede observar en los resultados, aun dándole un par de 1000 Nm, no se consiguen alcanzar las tensiones deseadas en el tornillo. Esto es, como se ha explicado antes, debido a que la mayoría del par que se le da al apriete se centra en vencer el rozamiento. 3.3.3. Con lubricación A continuación se probará a hacer el mismo ensayo lubricando los tornillos. La lubricación se hará con aceite MEROPA 320, cuyas características se muestran en la Tabla 8. Tabla 8. Características aceite MEROPA 320 Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 24 El procedimiento será igual que en el caso anterior, solo que una vez limpiado exhaustivamente el tornillo, se procederá a lubricarlo con el aceite ya mencionado. Se procurará que toda la rosca esté igualmente lubricada para evitar variaciones de rozamiento a lo largo de ella. La Tabla 9 recoge exactamente lo mismo que la Tabla 7, elaborada para el ensayo sin lubricación. Par Apriete [Nm] Fza 1 [kN] σ 1 [MPa] Fza 2 [kN] σ 2 [MPa] σ media [MPa] 100 42,13 172,36 32,56 133,19 305.55 200 68,95 282,05 47,11 192,73 237.39 300 107,25 438,74 102,27 418,37 428.56 400 130,23 532,76 118,74 485,75 509.26 500 157,05 642,45 147,47 603,27 622.86 600 165,47 676,92 153,98 629,91 653.42 700 176,96 723,93 173,90 711,39 717.66 800 183,48 750,57 179,26 733,33 741.95 Tabla 9. Fuerza y tensión axial ensayo de apriete lubricado con MEROPA 320 Observando los resultados del ensayo se puede apreciar cómo alrededor de los 500 Nm se alcanzan las tensiones deseadas, resultado muy aproximado al que marca la Tabla 6. Además, se comprueba cómo al disminuir el coeficiente de rozamiento se alcanzan unas tensiones de tracción más elevadas. Por otro lado, una vez aflojada la tuerca, se comprueba el perfecto estado de la rosca del tornillo. Con toda esta información se decide hacer los ensayos definitivos utilizando esta lubricación. 4 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO En este apartado se explicarán los distintos pasos para poder llevar a cabo un ensayo completo. Para esto habrá que tener en cuenta desde la preparación de los tornillos hasta la determinación de los parámetros de ensayo. Cada paso que se dé es de extremada importancia, ya que las condiciones a las que se tienen que someter los tornillos en los ensayos deben de ser las mismas para todos. De esta manera se garantiza que los resultados serán fiables y que no habrá dispersión por condiciones de ensayo desiguales. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 31 Para esto, se ha elaborado un documento Excel en el que introduciendo los valores del voltaje medido a la hora del apriete, se puede variar la fuerza de la máquina hasta llegar a la tensión deseada. Los pasos son los siguientes: 1. Medir voltaje en el apriete y mediante el factor de conversión kN/V establecer la precarga que tiene el tornillo. (Voltaje 1 * Factor 1 + Voltaje 2 * Factor 2) / 2 = Fuerza apriete 2. Tras esto se establece la fuerza máxima y mínima de la máquina. Con ellas y mediante el ensayo de rigidez realizado anteriormente, es posible determinar las fuerzas máximas y mínimas que sufrirá el tornillo durante el ensayo. Cabe decir que la fuerza mínima de la máquina se establecerá siempre en 10 kN para asegurar que el conjunto no entra en compresión. Recordando del ensayo de rigideces que 4 6 𝐹𝑡  Fuerza de apriete: F0  Fuerza máxima en la máquina: Fmax  Fuerza mínima en la máquina: Fmin  Fuerza máxima en el tornillo: Fmax_tor = F0 + (Fmax / 4.106)  Fuerza mínima en el tornillo: Fmin_tor = F0 + (Fmin / 4.106) 3. Conociendo todas las fuerzas y el área resistente del tornillo, es posible determinar las tensiones máximas y mínimas en el tornillo. Con esto, se obtendrán las tensiones alternas y medias para posteriormente obtener, mediante Goodman, la tensión equivalente. Sabiendo que 𝑢 es el límite de rotura del material, siendo 1000 MPa en este caso. 𝑛 2 𝑛 2 𝑛 𝑢 (17) De esta manera para cada tornillo, únicamente introduciendo el valor del apriete y ajustando los valores de la máquina, se podrá obtener la tensión equivalente deseada. Normalmente los valores de fuerza máxima oscilarán entre los 175 y 190 kN. Por otro lado la máquina, una Instron 8833 con 250 kN de fuerza en dinámico y 500 kN en estático, trabajará a 4 Hz debido a las limitaciones físicas que posee. Esto supondrá, teniendo en cuenta el número aproximado de ciclos que se van a realizar, una duración de los ensayos de 20 h aproximadamente. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 32 Figura 27. Conjunto montado en Instron 8833 5 ADQUISICÓN Y PROCESADO DE DATOS Por último hay que recopilar los datos de todos los tornillos ensayados. Las condiciones de carga y tensionales a las que se ha sometido a los tornillos se han determinado antes de los ensayos, como se ha visto. Sin embargo, una vez acabado el ensayo deben conocerse cuántos ciclos ha tardado el tornillo en fallar, para así poder elaborar la curva S-N. Para todo esto es necesario un conjunto de equipos que serán explicados en los siguientes apartados. Una vez obtenidos los datos necesarios, se procederá a calcular la vida residual de cada tornillo ensayado. A continuación, se describe el proceso de adquisición y los equipos empleados para ello. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 33 5.1. Procesado de datos Para la adquisición y procesado de los datos se utilizarán distintos equipos. En un primer lugar, el anillo se encuentra conectado a un “ratón”, mostrado en la Figura 28, cuya misión es configurar el puente y hacer las conexiones. Por otro lado, se tiene el acondicionador de señal con equipo de medida acoplado que se muestra en la Figura 29, que conectado al “ratón” se encargará de la medida de los valores. Figura 28. Ratón Figura 29. Acondicionador de señal A su vez, a este equipo de medida se le conecta una tarjeta de adquisición de National Instruments. Esta tarjeta digitaliza los datos del acondicionador de señal, que pasan al ordenador en tiempo real para poder procesarlos. Figura 30. Tarjeta de adquisición National Instruments Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 34 Figura 31. Esquema de las conexiones El sistema de adquisición está controlado mediante un programa realizado especialmente para estos ensayos por el profesor Carlos Navarro con el software Labview. El programa en cuestión, controla la adquisición y convierte la señal de tensión de los dos puentes en fuerza mediante los factores de conversión kN/V de cada puente. Con esto, ya se tienen los valores de fuerza en cada instante de tiempo. Además, todos estos valores se van guardando en un archivo .txt en el propio ordenador. Al mismo tiempo, en la pantalla del ordenador se van mostrando en tiempo real los valores de fuerzas que se están midiendo, así como una gráfica con la onda senoidal correspondiente al ciclo de carga. Gracias a esta gráfica y esos indicadores, se puede ir observando si el ensayo transcurre con normalidad, si hay algún fallo o si el tornillo está plastificando en el caso de que se empiece a observar una disminución de la carga. Como se aprecia en la Figura 32, los cuadros que aparecen con “Max” y “Min” son la fuerza máxima y mínima en cada puente y el cuadro que se encuentra justo encima corresponde al factor de conversión. Por otro lado, en la esquina superior izquierda se encuentra el botón de apagado y dos cuadros que indican los puntos de muestreo que deseamos. Por último, a la derecha se tiene la gráfica y un cuadro en su parte superior en el que se especifica la ruta donde se desea guardar el archivo generado. Figura 32. Pantalla principal del programa de Labview Máquina de tracción Anillo instrumentado Acondicionador de señal Tarjeta de adquisición Ordenador Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 35 Al finalizar el ensayo, se obtendrán dos archivos. El primero se guarda en el ordenador conectado a la consola de la Instron. Este archivo guarda las cargas máximas y míminas que mide la célula de carga, así como los desplazamientos máximos y mínimos del pistón. Este archivo únicamente servirá para comprobar que las cargas aplicadas durante todo el ensayo son las deseadas, observar cualquier fallo en caso de que el ensayo se pare o como archivo de seguridad en caso de pérdida de datos. Por otro lado, el archivo guardado gracias al programa de Labview en el ordenador portátil será el que registre los datos de fuerzas en el anillo, que servirán para determinar las fuerzas y tensiones soportadas por el tornillo, mediante las ecuaciones (6) y (8). En este archivo se guardará, para cada ciclo, la fuerza máxima y mínima sufrida en el casquillo para cada puente. En la Figura 33 se muestran algunos registros del archivo generado tras un ensayo. Figura 33. Ejemplo de archivo .txt para cada tornillo 5.2. Cálculo de la vida residual Una vez ensayados todos los tornillos se obtienen las tensiones aplicadas y, de ahí las tensiones equivalentes mediante la ecuación (17), así como los ciclos a los que han fallado. Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 36 Por otro lado, con los resultados de los tornillos nuevos se calculará la vida residual de todos los tornillos usados que se han ensayado mediante el procedimiento que se describe a continuación. En la siguiente tabla, se han agrupado los tornillos por zona de trabajo e indicado todos los parámetros de su ensayo. En ella se representa, en la primera columna la zona a la que corresponde cada tornillo; en la segunda la identificación de cada tornillo; en la tercera el número de ciclos hasta el fallo; y en la siguientes por orden, tensión equivalente, carga máxima, carga mínima, tensión máxima, tensión mínima, tensión equivalente y tensión alterna de cada ensayo. Zona Tornillo Nº Ciclos Sn (MPa) Qmax (kN) Qmin (kN) Smax (MPa) Smin (MPa) Sm (MPa) Sa (MPa) Presión 54 286216 226 199,3 173 815,5 707,7 761,6 53,9 55 211008 242,2 204,6 179,1 836,8 732,5 784,7 52,2 56 313484 237,7 202,8 176,8 829,6 723,3 776,5 53,1 57 234828 228,5 200,6 174,6 820,7 714,4 767,5 53,1 58 291540 217,9 196,3 169,5 803,1 693,4 748,3 54,9 Media 1 9 328932 230,9 201,2 175,3 823,2 717,1 770,1 53,1 10 216184 226,6 201,3 176 823,5 720,1 771,8 51,7 11 313476 226,6 200,7 175,1 821 716,2 768,6 52,4 12 290084 215,8 198,3 172,9 811,2 707,2 759,2 52 13 294212 245,2 203,8 177,5 833,9 725,9 779,9 54 Succión 24 378480 219,6 197,4 170,9 807,5 699,1 753,3 54,2 25 257748 200,3 192,7 166,7 788,1 682 735 53,1 26 237448 216,6 197,1 170,9 806,2 699,1 752,7 53,6 27 228564 214,8 197,4 171,7 807,6 702,3 754,9 52,6 28 260452 210,5 194,2 167,4 794,5 684,9 739,7 54,8 Media 2 39 262944 229,4 200 173,5 818 709,7 763,8 54,2 40 263008 241,2 204,2 178,6 835,2 730,5 782,9 52,4 41 203600 231,2 202,7 177,5 829,1 726,3 777,7 51,4 42 234128 224,8 199,9 174 817,7 711,9 764,8 52,9 43 292144 235,3 203,3 177,9 831,5 727,9 779,7 51,8 Nuevo 70 498790 225,5 197,3 169,8 807 694,6 750,8 56,2 Tabla 11. Parámetros ensayo por tornillo Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 37  Proceso para la determinación de la vida residual: Una vez obtenido los datos de cada ensayo, es podible determinar la vida residual de todos los tornillos. A continuación, en la Figura 34 se muestra una comparación de la vida a fatiga de todos y cada uno de los tornillos. Se han agrupado por la zona que ocupan en la pala para facilitar su visualización. Figura 34. Vida a fatiga de los tornillos ensayados Como se puede observar, la vida a fatiga de los tornillos usados es notablemente menor que la del tornillo nuevo, como era de esperar. Sin embargo, esta gráfica no llega a ser representativa del conjunto a la hora de comparar los distintos grupos de tornillos. Esto ocurre, debido a desajustes a la hora del apriete, ya que no en todos los tornillos se consiguen las mismas tensiones de tracción en el apriete. Por eso se elaborará una gráfica que represente la tensión equivalente para cada tornillo frente al número de ciclos, como la mostrada en la Figura 35. En ella, la tensión equivalente, 𝑛 , se ha obtenido mediante la ecuación (17). En esta gráfica se puede observar que los tornillos que se encuentran más abajo y a la izquierda son aquellos que tienen mayor daño acumulado teniendo por tanto una vida menor. Así mismo, se aprecia que el tornillo nuevo se encuentra en la parte derecha de la gráfica, alejado del resto de tornillos. 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 020 40 60 80 Nº de ciclos Nº Tornillo Presión Media 1 Succión Media 2 Nuevo Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 38 Figura 35. Tensión equivalente frente al Nº de ciclos de cada tornillo Tomando el tornillo nuevo para trazar una curva S-N de referencia, se traza un punto en la gráfica anterior correspondiente a N = 1000 ciclos y 𝑛 9 𝑢 (900MPa). A partir de este nuevo punto y el que representa la vida de cada tornillo nuevo 4 ensayado, se traza una línea que pase por el primer punto y el punto del tornillo nuevo, esta será la curva S-N de referencia. Dicha curva ha sido obtenida de la relación teórica entre S y N que depende de dos constantes ( 𝑦 ) que son la pendiente y la ordenada en el origen en escala logarítmica. La Figura 36 representa las curvas S-N para cada grupo de tornillos incluyendo los nuevos haciendo uso de la ecuación (1). 4 Sólo hay un tornillo nuevo por la dificultad para conseguir un mayor nº de ellos iguales a los usados y del mismo suministrador, varios años después de los usados. 190 200 210 220 230 240 250 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Sn Nº de ciclos Presión Media 1 Succión Media 2 Nuevo Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 39 Figura 36. Aproximación curva S-N para cada grupo de tornillos A continuación, para poder comparar todos los tornillos, es necesario representar la curva S-N de todos ellos para una misma tensión equivalente ( 𝑛 23 𝑀 𝑎 . Esto dará el número de ciclos que soporta cada tornillo para una misma tensión equivalente, pudiendo calcular así la vida residual de todos ellos. En la Figura 36 se representan las curvas S-N de todos los tornillos para una misma tensión equivalente. Figura 37. Tensión equivalente frente al número de ciclos 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 50000 500000 Sn Nº de ciclos Presión Media 1 Succión Media 2 Nuevo Procedimiento para la determinación de la vida residual de tornillos en aerogeneradores 40 Tras esta gráfica es posible determinar la vida residual de todos los tornillos. Para esto se hará uso de la siguiente ecuación: ( ( ) (18) Donde es el número de ciclos hasta la rotura de un tornillo nuevo y igual pero para el tornillo del ensayo i. De esta manera, y con los datos obtenidos en los ensayos se establece la Tabla 12, que refleja la vida residual para cada grupo de tornillos. Para este cálculo se ha tenido en cuenta que durante el apriete se partieron algunos tornillos. A estos, se le ha asignado una vida residual nula, haciendo el cálculo con y sin ellos, saliendo una vida residual del 37% sin tener en cuenta los rotos en el apriete y un 25% teniéndolos en cuenta. Zona Tornillo Ciclos Ensayo Sn = 230 MPa Vida Residual (%) Media Por Zonas Presión 11 266638 57,9 57 % 12 260426 56,5 14 358055 77,7 15 228627 49,6 16 234194 50,8 Media 1 30 333936 72,5 60 % 31 203346 44,1 32 294820 64,0 33 224018 48,6 34 381535 82,8 35 313614 68,1 Succión 39 147041 31,9 37 % // 25 % 40 0 0 43 185991 40,4 44 0 0 47 173294 37,6 48 181656 39,4 Media 2 52 260245 56,5 57 % 53 318900 69,2 54 207781 45,1 55 213220 46.3 56 320209 69,5 58 295003 64.0 Nuevo 70 460690 100,0 100 % Tabla 12. Vida residual de cada tornillo