GRIPAMIENTO EN EL PISTON DEL EQUIPO PESADO CAT 330D

Planteamiento y descripción  del Problema:

El calentamiento excesivo por combustión perturbada es la causa mas probable del problema con el gripamiento del piston, como se ve en la figura el daño parte de la cabeza del pistón, saltan a la vista fuertes huellas de agarrotamiento trazadas más o menos hacia el extremo de la falda.

Las superficies gripadas, parcialmente raspadas, tienen un color oscuro y muchas estrías. Las áreas gripadas están repartidas en toda la periferia del pistón. Los segmentos del pistón también están desgastados por todas partes, más las marcas del gripado pierden intensidad hacia el segmento rascador de aceite.

La cabeza del pistón se ha recalentado a tal extremo por la excesiva sobrecarga térmica de la cámara de combustión que ha puenteado el juego de rodadura por una parte, y por la otra, ha destruido cada vez más la película de aceite. Esto ha conducido finalmente a que la cabeza del pistón haya quedado gripada totalmente por la combinación de dos factores: la falta de juego y de lubricación. La falta de holgura en general al montar el pistón queda excluida porque en ese caso el daño comenzaría en el área de la falda.

Objetivos:

Objetivo General:

Diseñar un componente mecánico de un sistema de equipo pesado

Objetivos Específicos:

• Disminuir el daño por Gripamiento a causa de las elevadas temperaturas por     parte de la fallas por combustión.
• Seleccionar el tratamiento superficial apropiado de acuerdo con el trabajo a realizar al pistón.
• Diseñar la pieza con ayuda  del software AUTOCAD.

Marco Teorico:

Piston

El pistón es una pieza metálica tronco cónica compuesta por tres partes que son: la cabeza, el cuerpo y la pollera o falda. La parte superior o cabeza es la parte más reforzada del mismo ya que se encarga de recibir el empuje de la expansión de los gases dentro del cilindro durante el desarrollo del ciclo.Los pasadores de pistón están hechos de aluminio. Se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos o anillos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido. Entre las características que debe reunir se cuentan:

• Capacidad de soportar las condiciones extremas a las que se ven expuestos.

• Debe ser ligero para no transmitir excesivas inercias que aumenten las vibraciones del motor.

• Capacidad de dotar de perfecta estanqueidad al cilindro para así evitar una eventual fuga de gases.

A través de la articulación de biela y cigüeñal, su movimiento alternativo se transforma en rotativo en este último.

Los pistones de motores de combustión interna tienen que soportar grandes temperaturas y presiones, además de velocidades y aceleraciones muy altas. Debido a estos se escogen aleaciones que tengan un peso específico bajo para disminuir la energía cinética que se genera en los desplazamientos. También tienen que soportar los esfuerzos producidos por las velocidades y dilataciones.

Medidas del piston:

 Medidas del pistón:

(A) Altura del pistón alto... 105,00 ± 0,10 mm (4,134 ± 0,004 pulg)

Anillo de pistón superior

Rl anillo de pistón superior con el lado marcado "UP-1" hacia la parte superior del pistón. La franja azul apunta hacia la derecha del espacio entre los extremos del anillo.

Grosor del anillo de pistón superior nuevo... 3,93 mm (0,155 pulg).

Espacio libre entre los extremos del anillo de pistón en una perforación de la camisa del cilindro de 130 mm (5,1 pulg)... 0,35 ± 0,05 mm (0,014 ± 0,002 pulg).

Aumento en el espacio libre entre los extremos del anillo de pistón para cada 0,03 mm (0,001") aumento en la perforación de la camisa del cilindro... 0,09 mm (0,004 pulg).

Anillo de pistón intermedio

El anillo de pistón intermedio con el lado marcado "UP-2" hacia la parte superior del pistón. La franja azul apunta hacia la derecha del espacio entre los extremos del anillo de pistón. Grosor del anillo de pistón intermedio nuevo... 2,980 ± 0,010 mm (0,1173 ± 0,0004 pulg)

Espacio libre entre los extremos del anillo de pistón en una perforación de la camisa del cilindro de 130 mm (5,1 pulg)... 1,00 ± 0,125 mm (0,039 ± 0,005 pulg)

Aumento en el espacio libre entre los extremos del anillo de pistón para cada 0,03 mm (0,001") aumento en la perforación de la camisa del cilindro... 0,09 mm (0,004 pulg)

Anillo de pistón de control de aceite

El anillo del pistón de control de aceite deben estar a una distancia de 180 grados de espacio entre los extremos del anillo cuando se arma el anillo de pistón de control de aceite. La raya de color verde se puede encontrar a la derecha o a la izquierda del espacio entre los extremos del anillo.

Grosor del anillo de pistón de control de aceite nuevo... 3,980 ± 0,010 mm (0,1567 ± 0,0004")

Espacio libre entre los extremos del anillo de pistón en una perforación de la camisa del cilindro de 130 mm (5,1 pulg)... 0,45 ± 0,15 mm (0,018 ± 0,006 pulg.)

Aumento en el espacio libre entre los extremos del anillo de pistón para cada 0,03 mm (0,001") aumento en la perforación de la camisa del cilindro... 0,09 mm (0,004 pulg),después de haber instalado los anillos de pistón, gírelos de modo que los espacios entre los extremos estén a 120 grados entre sí.

Pasador del pistón

Lubrique completamente el pasador del pistón con aceite del motor limpio.

Diámetro exterior... 53,155 ± 0,005 mm (2,0927 ± 0,0002 pulg)

Diámetro interior... 23,00 ± 0,25 mm (0,906 ± 0,010 pulg)

Longitud... 92,00 ± 0,15 mm (3,622 ± 0,006 pulg)

Diámetro de la perforación para el pasador del pistón... 53,250 ± 0,010 mm (2,0965 ± 0,0004 pulg)

Ubicación del pistón y pasos para el desmontaje

Solución:

Ya a viendo evaluado la manera la cual puede producirse el problema principal

Se llega  la conclusión que dándole un recubrimiento a la cabeza del pistón que garantice que la temperaturas muy altas se queden dentro de la cámara de combustión claro está que los segmentos ganen el calor necesario para su desempeño optimo, Por otra parte al tener una mayor concentración de energía en la cámara de combustión por ende se ganaría más potencia para todo el sistema del motor.

Propagacion del calor en el piston

Aplicaremos el tratamiento superficial K-RAMIC

En general, los procesos de adhesividad termoquímica producen recubrimientos cerámicos que mejoran, no solamente la resistencia al desgaste y la abrasión, sino también, a la corrosión y a las altas temperaturas de la mayoría del sustrato inorgánico. Dicho proceso, denominado genéricamente K-RAMIC, consiste en una alternativa termoquímica, para formar recubrimientos cerámicos, que utiliza el CrO3 como agente adherente.

 rácticamente, cualquier material inorgánico puede ser tratado con el proceso K-RAMIC siempre que aquel sea estable, como mínimo a 540°C, insoluble en agua, y posea un oxido cualquiera, como constitutivo más abundante, en la capa superficial del  substrato (casos de metales).

El proceso en esencia consiste en la preparación de una lechada (pasta liquida) de óxidos, tales como AL2O3 o SIO2 que contenga CRO3 y que se aplica en la superficie del sustrato elegido.La lechada se calienta a 196°C con el objetivo de fundir el trióxido de cromo. Se continuando elevado la temperatura por debajo de los 540°C, obteniéndose así un compuesto de CR2O3 muy estable; este sesquióxido de cromo posee un punto de fusión, 199°C extremadamente alto, siendo prácticamente insoluble. La capa producida es casi tan porosa como la que se obtendría por rociado y llama (plasma) por lo que, resulta conveniente densificar el recubrimiento de CR2O3 obteniendo por impregnación de CRO3 y nueva aportación de calor.Así pues el número de impregnaciones (adiciones) de CRO3 y ciclos  de calentamiento correspondientes, determinan el grado de porosidad y dureza del recubrimiento en cuestión. La adherencia entre la capa cerámica de CR2O3 formada   y el sustrato se realiza por medio de  CRO3 que se sitúa entre aquellos.

El recubrimiento por el proceso K-RAMIC  descrito puede aplicarse pues a la mayoría de metales que funden por encima de los 540ºC entre los que se incluyen los aceros de bajo y alto contenido en C, fundiciones de hierro , algunos aceros inoxidables , titanio, aleaciones a base de NI y CO, y aleaciones refractarias

La expansión térmica de un recubrimiento, según lo hemos formulado, puede ajustarse convenientemente, por el control de la proporción de CRO3 y grado de porosidad obtenido del CR2O3al coeficiente de dilatación del sustrato. Los aceros y aleaciones de NI pueden hacerse también resistentes a la corrosión, al producirse, en el cambio iónico de la “interface” un cromado fuertemente adherido sobre la  superficie del substrato al que sella. Los recubrimientos obtenidos pueden conseguirse con diversos grados de calidad superficial, por el simple control de la composición de la lechada cerámica, del tamaño de las partículas y del proceso.

El aislamiento de las sucesivas capas puede realizarse por el control de la porosidad de la multicapas aplicadas. Evidentemente la capa superior debe densificarse y endurecerse al máximo para aumentar la resistencia al desgaste y a la abrasión del recubrimiento. 
Este proceso de “lechada” puede utilizarse para el tratamiento de partículas “whiskers”,  fibras inorgánicas y metálicas, usadas para reforzar a los materiales compuestos de matriz cerámica y metálica con el objeto de mejorar la adhesividad entre las “interface”  de los elementos reforzados (partícula,WINSHKERRS O FIBRAS) matrices.

Otra aplicación interesante del proceso en cuestión consiste en el endurecimiento elevado de ciertas piezas cerámicas voluminosas y complejas que no convenga tratar  térmicamente a temperaturas excesivamente altas para que no se produzcan fuertes dilataciones y contracciones con cambios de forma. El proceso se reduce pues en impregnar el material elegido con una pasta liquidad K-RAMIC.El CR2O3 que se forma en los poros de la pieza cerámica densifica i endurece la superficie de la misma resultando un material resistente al desgaste y a la abrasión a la corrosión al choque sobre un amplio campo térmico con superficies de baja fricción y en fin con buenas propiedades para ser utilizada en moldes complicados para vidrios. Dicho material puede mecanizarse antes de ser completamente endurecido por medio de herramientas convencionales circunstancia que no sucede con las cerámicas tenaces de alta dureza. 
Asimismo como el proceso en cuestión se lleva a cabo con relativamente bajas temperaturas (inferiores a 540ºC) este puede controlarse y automatizarse fácilmente.

Conclusiones:

•  Gracias a la búsqueda de información, logramos reforzar nuestros conocimientos sobre el funcionamiento del pistón, logrando identificar en donde este es más afectado en el momento de operación.
• Se seleccionó la recomendación indicada por el fabricante, para de esta manera ampliar los conceptos técnicos con una base sólida y confiable de esta manera garantizando la buena manipulación de las piezas.
•  Se identificó la manera correcta de recolección de datos para ser aplicados en la pieza evaluada y evitar daños por parte de las piezas ensambladas.
• Al utilizar el k-ramic mejoramos y adquirimos mejores propiedades para alargar y mejorar la vida útil del pistón, llegando a evitar pedidas económicas  

Planos del pistón dibujado en autodesk inventor

https://www.dropbox.com/s/gkkyg2dozotbwrs/planos.idw
Este es el pdf de los planos:
https://www.dropbox.com/s/qqifnppxc271jrb/planos%20final.pdf
https://www.dropbox.com/s/ougfvqtpiuljtsa/piston%20terminado-1.pdf
https://www.dropbox.com/s/mojo3i86r9qh2pu/piston%20terminado%202.pdf

vídeo del pistón trabajado en el software autodesk inventor.