¿Cuáles son las causas más comunes de fallas en las piezas forjadas de cajas de engranajes de turbinas eólicas?

Las causas más comunes de fracaso en Forjas de cajas de cambios de turbinas eólicas son Fatiga del material, defectos de inclusión en el subsuelo, tratamiento térmico inadecuado, concentraciones de tensión inducidas por desalineación y falla de la lubricación. . Los estudios del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) muestran que las fallas en las cajas de engranajes representan aproximadamente 20% del tiempo de inactividad de los aerogeneradores , lo que los convierte en la mayor fuente de costos de mantenimiento no planificado en la industria. Comprender las causas fundamentales a nivel de forja y materiales es el camino más eficaz para prevenir fallas prematuras.

Fatiga del material: el principal modo de fallo mecánico

La fatiga es responsable de la mayoría de las fallas en el forjado de cajas de engranajes en turbinas eólicas en funcionamiento. A diferencia de la sobrecarga estática, el daño por fatiga se acumula de forma invisible durante millones de ciclos de carga antes de que una grieta se propague a la superficie.

Cómo se inicia la fatiga en las forjas

En las coronas dentadas de las cajas de cambios, los portasatélites y los ejes de salida, las cargas de flexión y torsión cíclicas crean microfisuras en los puntos de concentración de tensiones, como chaveteros, filetes e intersecciones de orificios transversales. Según un análisis de 2019 publicado en Energía Eólica (wiley), Más del 60% de las fallas en los dientes de los engranajes. en las cajas de engranajes de las turbinas eólicas se originan a partir de grietas por fatiga que comenzaron en la superficie de contacto o justo debajo de ella.

El espectro de carga variable agrava la fatiga

Las turbinas eólicas experimentan espectros de carga muy irregulares. Las ráfagas, las turbulencias y los ciclos de arranque y parada significan que los componentes de la caja de cambios rara vez experimentan una carga en estado estable. Esta carga de amplitud variable acelera la acumulación de daños por fatiga en comparación con las condiciones de prueba de laboratorio de amplitud constante, razón por la cual muchos índices de fatiga estándar subestiman la vida útil en el mundo real.

Inclusiones del subsuelo y defectos internos

Incluso una forja de alta calidad puede albergar defectos internos que sirven como sitios de iniciación para el agrietamiento prematuro. Las más problemáticas son las inclusiones no metálicas (óxidos, sulfuros y silicatos) introducidas durante la fabricación del acero o retenidas mediante un procesamiento inadecuado.

Tipos de inclusión y sus efectos

Fuente: ASM Internacional, Análisis de fallas de componentes de acero tratados térmicamente , 2008.

Para las piezas forjadas de cajas de engranajes grandes (los portasatélites que pesan más de 2.000 kg son comunes en las turbinas de 3 MW), la descamación inducida por hidrógeno es un riesgo particularmente grave si no se siguen estrictamente los procedimientos de recocido o enfriamiento lento posteriores a la forja.

Tratamiento térmico inadecuado y fallas en el endurecimiento

Las piezas forjadas de las cajas de engranajes deben lograr un equilibrio preciso entre una capa superficial dura y resistente al desgaste y un núcleo resistente y dúctil. Cuando el tratamiento térmico no está bien controlado, este equilibrio se pierde y ocurren rápidamente fallas en el servicio.

Errores comunes en el tratamiento térmico

• Profundidad de caja insuficiente en engranajes carburados o nitrurados, lo que provoca grietas por fatiga en la subcarcasa
• Endurecimiento no uniforme debido a una agitación de enfriamiento inadecuada, dejando puntos blandos en la forja
• Descarburación de la capa superficial durante el forjado o la normalización, reduciendo la resistencia a la fatiga superficial hasta en 30% (Fuente: AGMA 923-B05, Especificación metalúrgica para engranajes de acero)
• Apagar el agrietamiento debido a gradientes térmicos excesivos en componentes de sección gruesa
• Austenita retenida por encima de los umbrales aceptables, que se transforma bajo tensión de servicio y provoca inestabilidad dimensional.

Para las coronas dentadas de cajas de engranajes de turbinas eólicas, que pueden tener espesores de pared superiores a 150 mm, lograr un endurecimiento uniforme requiere grados de acero cuidadosamente seleccionados con una templabilidad adecuada (normalmente 18CrNiMo7-6 o 20MnCr5) y perfiles de temperatura y medios de enfriamiento controlados con precisión.

Defectos en la línea de flujo de forjado y estructura deficiente del grano

Las propiedades mecánicas de una caja de cambios forjada terminada están determinadas directamente por el flujo de grano interno creado durante el proceso de forja. Los troqueles de forjado mal diseñados o las relaciones de reducción incorrectas pueden crear defectos que permanecen ocultos hasta que el componente falla en servicio.

Defectos estructurales clave de la práctica de forjado

• Vueltas y cierres fríos: Se forma cuando el metal se pliega sobre sí mismo durante el llenado del troquel, creando una costura que actúa como una grieta preexistente.
• Defectos de flujo: Ocurre cuando el material fluye incorrectamente alrededor de los núcleos o mandriles, lo que altera la continuidad del grano.
• Bandas de grano grueso: Resultado de una reducción insuficiente del trabajo en caliente o de un recalentamiento por encima de la temperatura de engrosamiento del grano, lo que reduce la tenacidad al impacto hasta en un 40% en comparación con microestructuras de grano fino (Fuente: estándares de tamaño de grano ASTM E112 y datos de forja de la industria)
• Líneas centrales de segregación: En ejes forjados de gran diámetro, la segregación de la aleación del lingote original puede persistir incluso después de la forja, creando zonas de diferente dureza y resistencia a la fatiga.

Los fabricantes de alta calidad abordan estos riesgos mediante un diseño de proceso riguroso, que incluye relaciones de reducción de forjado adecuadas (normalmente una reducción mínima de 4:1 del lingote), temperaturas de recalentamiento controladas y pruebas ultrasónicas (UT) obligatorias de todas las piezas forjadas terminadas según normas como EN 10228-3 o ASTM A388.

Falla de lubricación y su conexión con la calidad de la superficie de forjado

Las fallas de lubricación a menudo se tratan como un problema puramente operativo, pero el acabado de la superficie y la precisión dimensional de las piezas forjadas de las cajas de engranajes determinan directamente qué tan bien se mantiene la película lubricante bajo carga.

Cómo la condición de la superficie acelera el desgaste

Las superficies de forjado rugosas o irregulares, incluso después del mecanizado, crean presiones de contacto de alta aspereza que perforan la película lubricante elastohidrodinámica (EHL). Una vez que se produce el contacto metal con metal, las temperaturas de la superficie en los puntos de microcontacto pueden exceder 300 grados centígrados localmente (Fuente: Tribology International, Vol. 44, 2011), lo que provoca microsoldaduras, raspaduras y fatiga superficial rápida conocida como micropicaduras.

Gearbox Reliability Collaborative (GRC) de NREL identificó micropicaduras en los dientes de los engranajes planetarios y solares como un modo de daño principal en las cajas de engranajes devueltas en campo, con valores de rugosidad de la superficie superiores a Ra 0,4 micrones que aumentan significativamente el riesgo de micropicaduras incluso con la viscosidad correcta del lubricante.

Contaminación del lubricante por residuos de forja

Las incrustaciones, las partículas de óxido o los medios residuales del granallado que quedan en las cavidades internas de las carcasas de las cajas de engranajes o en los ejes huecos pueden circular en el aceite de servicio, provocando un desgaste abrasivo de los tres cuerpos que daña las pistas de los cojinetes y los flancos de los engranajes mucho más rápido de lo que suponen las predicciones de diseño.

Desalineación y concentraciones de tensión inducidas por el ensamblaje

Incluso una caja de cambios forjada perfectamente fabricada puede fallar prematuramente si la caja de cambios se ensambla incorrectamente o si la desalineación del tren motriz transmite momentos de flexión inesperados a la carcasa y los ejes de la caja de cambios.

Fuentes de desalineación en las transmisiones de turbinas eólicas

• Desgaste del cojinete principal que permite la deflexión del eje del rotor que carga asimétricamente el eje de entrada de la caja de cambios
• Asentamiento de la torre o distorsión de la bancada de la góndola que introduce una desalineación angular entre la caja de cambios y el generador
• Instalación incorrecta del casquillo del brazo de torsión, concentrando las fuerzas de reacción en puntos específicos del forjado de la carcasa de la caja de cambios.
• La desalineación del orificio del portasatélites excede 0,05 milímetros , que descarga algunos engranajes planetarios mientras sobrecarga otros, un factor conocido que contribuye a las fallas prematuras de los engranajes planetarios y los cojinetes (Fuente: GL Garrad Hassan Wind Turbine Technology, 2012)

Corrosión y degradación ambiental

Las turbinas eólicas marinas y costeras exponen los componentes de las cajas de engranajes a la humedad, la niebla salina y los ciclos de temperatura que aceleran la fatiga por corrosión, una combinación de fatiga mecánica y ataque corrosivo que es más dañina que cualquiera de los dos factores por separado.

Investigación publicada en el Revista internacional de fatiga (2017) demostraron que la fatiga por corrosión reduce el límite de fatiga de los ejes de cajas de engranajes de acero de baja aleación en hasta 50% en comparación con las pruebas realizadas en aire seco. Las picaduras superficiales debidas a la corrosión actúan como concentradores de tensión con factores de intensidad de tensión efectivos comparables a las muescas mecanizadas.

Para aplicaciones costa afuera, las especificaciones de forjado de cajas de engranajes deben abordar la resistencia a la corrosión a través de la selección de materiales, recubrimientos protectores y sistemas de lubricación sellados, no simplemente confiar en estándares de componentes de grado terrestre.

Cómo las piezas forjadas de alta calidad reducen el riesgo de fallas

La selección de piezas forjadas producidas bajo una rigurosa gestión de calidad aborda directamente las causas fundamentales enumeradas anteriormente. Los indicadores de calidad clave a especificar incluyen:

1. Producción de acero limpio con desgasificación al vacío (VD) o refundición por arco al vacío (VAR) para minimizar el contenido de inclusiones.
2. Relaciones de reducción de forjado controladas y diseños de matrices validados para garantizar un flujo de grano constante
3. Trazabilidad completa de los registros de tratamiento térmico, incluidos gráficos de tiempo y temperatura para cada lote
4. Pruebas 100 % ultrasónicas (UT) según EN 10228-3 Clase 3 o equivalente, además de inspección por partículas magnéticas (MPI) de todas las superficies acabadas.
5. Certificados de ensayos mecánicos (tracción, impacto, dureza) de muestras cortadas de prolongaciones de ensayo forjadas integralmente con el componente.

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Resumen: Causas de fallas de un vistazo