MÓDULO 08
VÁLVULAS DE MOTOR
MÓDULO 8
VALVULAS DE MOTORES
INTRODUCCIÓN
1 -- ¡Bienvenido! a la continuación del seminario sobre el análisis de las fallas. Si bien
esta sesión está dedicada fundamentalmente a las válvulas, trataremos también
algunos conceptos básicos sobre los asientos, guías, resortes, rotadores y
retenedores.
2 -- En esta sesión estudiaremos primero la función y estructuras de las válvulas,
asientos, guías, resortes, rotadores y retenedores. Luego discutiremos brevemente el
modo en que esos componentes encajan y cuál es su índice normal de desgaste.
Concluiremos la sesión con un repaso de los tipos de desgaste anormal y las posibles
causas principales; para esto utilizaremos el método de los ocho pasos aplicables al
análisis de fallas.
3 -- El manual “Analyzing Diesel and Natural Gas Engine Valve Failures” (SEBD0668)
contiene información e ilustraciones útiles al hacer el análisis del desgaste anormal y
de las fallas.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
FUNCIONES
4 -- Las válvulas cumplen seis funciones:
1. Controlan el flujo de gases de admisión y escape
2. Sellan las altas presiones de combustión
3. Toleran altas temperaturas y transmiten el calor a la culata de cilindros y a los
lubricantes
4. Toleran condiciones de funciona- miento con acumulación de ácidos
5. Toleran cargas cíclicas de tracción
6. Suministran superficies de des- gaste reemplazables.
PARTES Y NOMENCLATURA
5 -- Las partes de las válvulas son: vástago, ranura para los retenedores, sección
dónde se produjo la soldadura por inercia, radio del filete, cabeza y capa de
endurecimiento.
6 -- Las válvulas de Caterpillar pueden ser de una sola pieza o de dos. Las válvulas
de admisión de una pieza se usan en los motores de la serie 3200 y 3300. Todas las
otras válvulas son de dos piezas y constan de una cabeza y un vástago, tal como lo
muestra la ilustración.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
FABRICACIÓN
7 -- Todas las válvulas de una pieza y la parte superior o vástago de las válvulas de
dos piezas, se fabrican con acero dulce con bajo contenido de carbono y tienen un
índice de dureza Rockwell C30-40. La línea de textura sigue la dirección del vástago.
8 -- Para aumentar la resistencia y prolongar la vida útil de la zona para los
retenedores, situado en la parte superior del vástago, se endurece esta sección por
inducción hasta un índice de dureza Rockwell C48- 58.
Este acero tiene una estructura de célula con centro en cuerpo y es muy magnético.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
9 -- En las válvulas de dos piezas, la cabeza se forja con acero inoxidable austenítico
y que tolera altas temperaturas. Dicho acero tiene una estructura de célula con centro
en cara y no es muy magnético.
El proceso de forjado se va haciendo en distintas etapas para que la línea de textura
del grano siga la forma de la cabeza y para que incremente, de este modo, la
resistencia contra la formación de grietas.
Por lo general, la dureza mínima de la cabeza tiene un índice Rockwell C24. La
dureza máxima se halla en el área de la soldadura por inercia o donde la válvula ha
sido endurecida por frotamiento y debería llegar a un índice Rockwell C42.
10 -- La capa de endurecimiento en las cabezas de las válvulas se lleva a cabo
mediante soldadura de arco; en la cabeza se suelda una aleación de acero con alto
contenido de níquel, cromo y molibdeno (a veces llamado estelita).
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
11 -- La capa de endurecimiento tiene 1/16 de pulgada y sirve para mejorar la
resistencia contra la canalización y el desgaste.
12 -- El vástago se suelda a la cabeza por inercia o fricción. Esto se logra con un
volante de rotación libre, que contiene una determinada cantidad de energía fija y
sos- tiene el vástago y lo empuja contra la cabeza de la válvula.
La energía del volante se convierte en calor por frotamiento y adhiere el vástago a la
cabeza. La soldadura se completa al detenerse el volante.
Todas las soldaduras por inercia se verifican posteriormente para comprobar su
resistencia.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
13 -- Este vástago ha sido tratado con ácido para mostrar con más claridad el punto
de la soldadura por inercia. Este tipo de soldaduras tiene la misma resistencia de los
metales utilizados.
14 -- Dado que el vástago de la válvula es magnético y que la cabeza no lo es, con un
imán resulta fácil determinar la ubicación de la soldadura por inercia.
Sostengan la válvula con dos dedos de la ranura del retenedor y déjenla caer
verticalmente. Coloquen el imán sobre el vástago, cerca de los dedos, y vayan
bajando suavemente; cuando alcancen el punto de la soldadura por inercia el imán se
desprenderá de la válvula.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
15 -- Los casquillos para los asientos de la válvula de admisión son de acero y cromo;
los de los asientos de las válvulas de escape se fabrican en su mayor parte con acero
al cromo y tungsteno con base de níquel y cobalto, porque esta aleación posee una
excelente resistencia a la oxidación y al escurrimiento (escurrimiento está usado aquí
como una deformación gradual debida a altas temperaturas).
16 -- Las guías de las válvulas se fabrican de hierro fundido gris. Este tipo de hierro
tiene una gran cantidad de grafito libre, lo que suministra autolubricación y un buen
índice de resistencia al desgaste, cuando la lubricación es escasa.
Numerosas guías llevan también ranuras o estrías en el diámetro interior del vástago
de la válvula para aumentar la lubricación sin tener que incrementar la tolerancia
entre el vástago y la guía.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
17 -- Los resortes de las válvulas están hechos del más alto grado de acero de bajo
carbono y templado en aceite; esto permite lograr un máximo de resistencia a las
grietas por fatiga.
El acero se selecciona cuidadosamente, evitando que tenga bolsas de contracción y
costuras; y las superficies de los resortes se terminan sin costuras, sin rayaduras
profundas ni picaduras. Los extremos de los resortes se fresan de manera tal que
queden planos y perpendiculares a la línea central del resorte.
18 -- Los retenedores y los rotadores de las válvulas se fabrican con un acero dulce
de bajo contenido de carbono. Con frecuencia los rotadores reciben un tratamiento
térmico para mejorar la resistencia e incrementar su vida útil.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
19 -- Cuando se instalan las válvulas, el punto de la soldadura por inercia queda
dentro de la guía y sólo la cabeza de la válvula se expone a las altas temperaturas de
combustión.
La cara y el asiento de la válvula se esmerilan a un ángulo levemente diferente para
que la válvula apoye bien y se asegure de este modo la hermeticidad de las presiones
de combustión.
El vástago (especialmente en las válvulas de escape) se expone a fugas de los gases
de escape, condensación de la humedad y acumulación de acidez. Para neutralizar la
acidez, el vástago de la válvula depende del aditivo TBN (Número Base Total) del
aceite lubricante.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
20 -- Al analizar las fallas de las válvulas, siempre debemos fijarnos si las marcas de
identificación que aparecen en las cabezas son las de Caterpillar. En esta ilustración
vemos dos sistemas de códigos de fecha diferentes, pero noten que las válvulas de
Caterpillar tienen la marca registrada de Caterpillar.
21 -- Con frecuencia encontramos piezas falladas fabricadas por nuestros
competidores, a las que habíamos juzgado erróneamente que eran de Caterpillar.
Noten que los competidores pueden usar nuestros números de pieza, pero no están
autorizados a usar la marca Caterpillar.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
CARGAS Y ESFUERZOS
22 -- Al comenzar a funcionar los motores, las cargas normales de las válvulas se dan
con el resorte, el cierre de la válvula y los gases de la combustión.
23 -- Cuando la válvula está cerrada hay una leve carga de tracción entre la cara y los
retenedores, producida por la fuerza del resorte. Cuando la válvula está fuera de su
asiento, el resorte ejerce una carga de compresión entre el retenedor y el extremo del
vástago. Estas cargas son ligeras y rara vez crean suficiente esfuerzo como para
producir grietas por fatiga.
24 -- Cuando la válvula se cierra hace contacto con su asiento y el movimiento para
en forma repentina. Esto produce un impacto significativo de tracción entre el
retenedor y la cara de la válvula. Esta carga cíclica por impacto está directamente
ligada al ajuste de la válvula y a las RPM del motor.
Un ajuste flojo de la válvula permitirá que, al cerrarse, la velocidad sea demasiado
elevada, incrementando el momentum y la carga cíclica de tracción. La
sobrevelocidad del motor puede aumentar la frecuencia y la magnitud de la carga de
tracción.
Como los esfuerzos se concentran en las irregularidades del metal, sabemos que el
radio del filete y las ranuras de los retenedores son áreas donde pueden formarse
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
grietas si los esfuerzos cíclicos de tracción aumentan. Y puesto que el radio del filete
al lado del vástago tiene menos material para soportar cargas anormales que la cara
de la válvula, se producirán grietas en el lado del vástago.
25 -- Cuando las válvulas están cerradas, las presiones de combustión crean una
gran carga cíclica de flexión sobre la cabeza de la válvula. Los motores diese1 con
inyección directa tienen presiones máximas de 2000 psi y tratan de empujar las
válvulas hacia adentro de los conductos de la culata. Esto crea cargas de tracción en
el lado superior de la cabeza de la válvula y cargas de compresión en el lado inferior.
La parte inferior del radio del filete concentra los esfuerzos de tracción del lado
superior. Por lo tanto, en condiciones de presiones anormales de combustión o altas
temperaturas, deberíamos suponer que empezarán grietas por fatiga en el lado
superior de la cabeza y en el lado inferior del radio del filete.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
REUSABILIDAD
26 -- Por lo general las válvulas pueden reusarse en los reacondicionamientos, si su
funcionamiento, aplicación y mantenimiento han sido adecuados.
Es posible que las cabezas tengan una acumulación de carbón y cenizas y que exista
algún desgaste en las caras y en los vástagos.
Pero el vástago no debería tener indicios de atascamiento o picaduras; tampoco
debería haber picaduras ni ranuras profundas en la cara, ni grietas térmicas,
arqueado, picaduras o escamas por oxidación en la cabeza.
Las válvulas que aparecen en la ilustración son de admisión y escape y tienen un
desgaste normal.
Otros componentes de válvulas, tales como resortes, guías y retenedores pueden
volver a usarse sin inconvenientes, después de haberse limpiado, reacondicionado y
verificado su condición.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
FALLA
27 -- Decimos que una válvula está fallada cuando es incapaz de llevar a cabo una o
más de sus funciones. Aunque las válvulas o sus componentes pueden tener
problemas que produzcan fallas, el desgaste anormal o la fractura de válvulas resulta
por lo general de condiciones de funcionamiento negativas.
Para determinar la causa principal más probable de una falla y para tomar las
medidas que corrijan esa situación, deberíamos utilizar el método de los ocho pasos
aplicables al análisis de fallas. Dicho método nos permite pensar en forma lógica
frente a los hechos y seguir los indicios hasta llegar a la causa principal de la falla.
28 -- Por lo general las causas principales de las fallas de una válvula se encuentran
en las siguientes condiciones ambientales:
1. Las temperaturas de la válvula sobrepasan los 1200°F y pueden debilitar el
metal, reducir la lubricación, producir una interferencia en la manera en que
las válvulas encajan dentro de otras piezas, etc.
2. El desalineamiento (carga en los bordes) entre la cara de la válvula y su
asiento puede producir una carga concentrada en un lado de la cara de la
válvula.
3. El ajuste flojo de la válvula puede incrementar las cargas por impacto en el
momento del cierre.
4. La lubricación inadecuada puede conducir a una acumulación excesiva de
carbón y/o un desgaste por falta de aceite. Después del desmontaje, se
esconde o se pierde la información recopilada sobre ajustes, alineamiento,
lubricación, etc.; por lo tanto, es importante que se planifique la recopilación
de información antes de empezar el desmontaje, y que se recopile esta
información antes de comenzar el desarmado y durante el mismo.
Cuando una válvula se rompe, por lo general el pistón y la culata destruyen la parte
inferior y los indicios se pierden. El análisis de las fallas se ve así restringido al
extremo del vástago y a una evidencia circunstancial.
- 14 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
29 -- Al estudiar las fallas de las válvulas debemos prevenirnos contra las ideas
preconcebidas, porque éstas nos pueden llevar a conclusiones apresuradas y a
determinar erróneamente las causas principales. Por ejemplo, si la semana pasada
determinamos que un ajuste demasiado alto del combustible fue la causa de la falla
de una válvula, tenemos la tendencia de echar la culpa de la próxima falla de una
válvula a la misma causa.
Pero puede haber otras causas posibles de altas temperaturas:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Combustible que no corresponde
Restricción en la admisión de aire
Restricción en el escape
Problemas en el sistema de refrigeración
Problemas de sincronización del combustible o de las válvulas
Válvula ajustada con insuficiente luz.
30 -- Si seguimos los indicios de desgaste y de fracturas, y si analizamos las fallas de
las válvulas, podremos recopilar datos importantes y determinar la causa principal
correcta.
- 15 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
31 -- Los indicios de altas temperaturas se ven con más frecuencia en las cabezas de
las válvulas de escape; aunque si hay sobretemperatura, las válvulas de admisión
también pueden verse afectadas. Como entre la válvula y la guía la conducción del
calor es buena, las altas temperaturas rara vez alcanzan el punto de soldadura por
inercia o el vástago. Por lo general, las válvulas dañadas por altas temperaturas se
rompen o pierden la cabeza entera o una parte de la misma. Los indicios de altas
temperaturas se ven generalmente en las cabezas de las válvulas:
1. Grietas térmicas en el radio del filete
2. Escurrimiento (deformación) del metal de la cabeza de la válvula, lo que
produce una apariencia combada o en forma de tulipán
3. Oxidación excesiva y acumulación de escamas
4. Varias válvulas con daños similares
5. Otras causas.
32 -- Esta cabeza de válvula tiene una grieta seria y de origen térmico, por fatiga, en
el radio del filete, debido a temperaturas que sobrepasaron considerablemente los
1200°F. El desarrollo cíclico térmico produce grietas de este tipo; sin embargo, noten
que la capa de endure- cimiento, que está diseñada para tolerar el desgaste del calor,
no se ha dañado.
- 16 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
33 -- Cuando las temperaturas sobrepasan los 1200°F durante las cargas elevadas
de los gases, se produce muy rápidamente la apariencia combada o "de tulipán” de
las cabezas. Dichas cargas cíclicas tratan de empujar la válvula a través de su
asiento, arqueándola excesivamente y produciendo en forma lenta una deformación
en el metal hasta quedar con la apariencia combada. Esto se ve más comúnmente en
las válvulas de una pieza que en las de dos piezas, porque la cabeza de acero
austenítico en estas últimas resiste mucho más las temperaturas elevadas.
34 -- La oxidación excesiva y la producción de escamas resultan de la combinación
de alta temperatura y oxígeno. Aquí podemos ver que las escamas casi han borrado
los números estampados en la cabeza de la válvula. Noten que casi no se arqueó la
cabeza, debido a la gran resistencia del acero austenítico.
- 17 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
35 -- Si en toda la superficie de la válvula hay indicios de temperaturas elevadas,
debemos sospechar que existe un problema en el sistema de refrigeración y por eso
las temperaturas elevadas llegaron aun al vástago.
36 Las cabezas de las válvulas, debilitadas por las temperaturas, se rompen en la
parte superior del radio del filete, donde están con- centrados los esfuerzos y donde
el área de la sección transversal es m6s pequeña. Por lo general, la fractura es dúctil
y tiene una apariencia áspera y leñosa.
37 -- También pueden romperse en el extremo de la cara del radio del filete, tal como
aparece en esta ilustración.
- 18 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
38 -- Una inspección más detenida de esa fractura indica que se trata de una rotura
de flexión por fatiga, originada en la parte superior de la superficie de la cabeza de la
válvula por la carga de tracción. Las elevadas temperaturas debilitaron el metal y
permitieron que la cabeza se doblara excesivamente bajo las presiones máximas del
cilindro. Después de varios miles de ciclos, empieza a producirse una grieta por fatiga
en el punto de mayor concentración de esfuerzo, o sea en la parte inferior del radio
del filete. Noten que la grieta por fatiga siguió el camino de menor esfuerzo y se
rompió con el grano del metal. Como la textura del grano sigue la forma de la cabeza,
la grieta por fatiga es redondeada.
39 -- Siempre deberíamos llevar a cabo una inspección de todas las caras de una
fractura para poder obtener la mayor cantidad de datos posibles. Noten que en este
lado de la fractura el "oleaje" es más visible y se origina claramente en la parte
superior. La fractura final es áspera y leñosa y tuvo lugar en la parte inferior. Esta
válvula funcionó sólo 1800 horas pero a temperaturas excesivamente altas. Se
determinó que la causa principal de dichas temperaturas era una combinación de la
restricción de la admisión de aire y el motor funcionando sobrecargado.
- 19 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
40 -- En la escuela aprendimos que una línea que conecta dos puntos de un círculo
se llama cuerda. Por lo tanto, cuando una fractura corta sólo una parte de la cabeza,
este tipo de fractura se denomina fractura cordal. Por lo general, este tipo de fracturas
se da por fatiga y se debe a (siguiendo un orden descendente de posibilidades):
1. Altas temperaturas
2. Cargas en los bordes de las válvulas
3. Presiones excesivas en el cilindro
4. Concentradores de esfuerzos sobre las válvulas o dentro de ellas
5. Materiales defectuosos o problemas de fabricación de la válvula.
41 -- Los indicios que sugieren que hubo un desalineamiento entre la cara de la
válvula y su asiento son:
1. Desgaste irregular del casquillo del asiento de la válvula
2. Válvulas dobladas
3. Guías de válvula gastadas
4. Fractura cordal en la cabeza
5. Fractura por fatiga y flexión giratoria encima del radio del filete
6. Pérdida y acanalamiento en la cara de la válvula
7. Sólo una válvula dañada; las otras tienen apariencia normal
8. Otras causas.
Podemos ver que la falta de alineación es un resultado y no una causa, y que
necesitamos obtener informaciones más especificas en áreas adecuadas para poder
determinar cuál es la causa principal.
- 20 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
42 -- Cuando las válvulas se rompen debido a falta de alineación, por lo general
carecen de indicios de altas temperaturas. Sin embargo, el tipo y la ubicación de la
fractura pueden ser similares. Noten que esta cabeza de válvula funcionó en
condiciones normales y, sin embargo, tiene una grieta cordal por fatiga. La falta de
alineación introdujo esfuerzos elevados de flexión que produjeron una fatiga del
metal.
43 -- Un funcionamiento constante de una pieza agrietada resultará en una fractura
total, tal como vemos aquí. Después que una pieza se rompe, la carga en los bordes,
la desalineación y el agrietamiento aumentan en el resto de la cabeza.
44 -- Por lo general las fracturas secundarias son dúctiles y no siguen la textura del
grano del metal. Comparen la cara de fractura por fatiga, más redondeada y pulida,
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
en la parte superior, con la cara de fractura secundaria, áspera y plana, del lado
derecho.
45 -- Si las válvulas rotas siguen en servicio, se producirán fracturas secundarias y el
mecánico se encontrará con un muñón en lugar de una cabeza. Sin embargo, noten
que la cara de la fractura primaria por fatiga es redondeada y todavía es posible
identificarla. El vástago se ha oscurecido, lo que puede haber sido el resultado de un
funcionamiento sin cabeza. Si las otras válvulas no tienen indicios de altas
temperaturas, el mecánico debería ver si la causa principal no estuvo en una falta de
alineación.
46 -- Las válvulas también pueden fracturarse en el extremo del vástago del radio del
filete, especial- mente si éste está desalineado con su asiento. La falta de alineación
puede producir una gran carga en los bordes; y a medida que la válvula gira, se va
doblando constantemente en direcciones distintas.
Esto puede producir grietas múltiples en las áreas de la superficie donde los
esfuerzos son elevados, como el lado superior del radio del filete. Aquí vemos
indentaciones que comienzan en la superficie y van hacia el interior, lo cual nos indica
que se han formado grietas múltiples en la superficie y se han dirigido hacia el
interior, donde se han unido. Esas indentaciones también nos indican que la válvula
giró adecuadamente y que la fractura final se dio en el centro. Los indicios nos
sugieren que debemos investigar las causas de desalineación, como válvulas
dobladas, guías gastadas, asientos torcidos, guías torcidas, etcétera.
- 22 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
47 -- Cuando encontramos "oleaje" en las caras de fracturas, como se ve aquí, y
sabemos que se produjo lentamente una fractura por fatiga, hasta que la cabeza se
separó de la válvula, debemos tener cuidado y no suponer que la válvula era débil. Es
necesario tratar de determinar cuidadosamente el origen del "oleaje" para poder
establecer los posibles concentradores de esfuerzo, como ranuras, muescas,
escopladuras o picaduras.
Noten que se han producido tres grietas por fatiga desde la superficie exterior de la
parte inferior de la cara de la fractura y que fueron creciendo al mismo tiempo,
produciendo dos mellas. No se observan concentradores de esfuerzo en los puntos
de origen de la grieta. Como las grietas empiezan en un lado de la válvula, debemos
preguntarnos si la válvula estaba girando adecuadamente y si estaba corrida de su
asiento. Debemos comprobar también que el metal de la válvula no se había
debilitado por efecto de elevadas temperaturas.
48 -- Una inspección general del vástago muestra que hubo corrosión y oxidación,
especialmente cerca de la cabeza. Estos indicios sugieren que es necesario
investigar si hubo altas temperaturas que pudieran haber debilitado el metal de la
válvula, permitiendo que una carga normal causara una fractura por fatiga. Hacemos
el mismo tipo de verificación con las otras válvulas para ver si hay evidencia de altas
temperaturas y corrosión, leyendo los registros de mantenimiento, obteniendo hechos
sobre el funcionamiento, etcétera. También deberíamos realizar inspección cuidadosa
del rotador para ver si funcionaba bien.
- 23 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
49 -- Si los ajustes de las válvulas están muy flojos, pueden causar cargas cíclicas
elevadas que se ejercen sobre las válvulas y sobre los componentes del mecanismo
de válvulas. Estas cargas son:
1. Carga de compresión cíclica en los componentes de apertura de la válvula
2. Carga de tracción cíclica sobre el vástago de la válvula, entre la cara y los
retenedores
3. Carga cíclica por fuerzas cortantes en las partes salientes de los retenedores
Si los ajustes son extremadamente flojos, pueden también producir aperturas
inadecuadas y quemar las válvulas.
50 -- El árbol de leva está diseñado con un círculo de base y una rampa que abre y
cierra la válvula. Hay zonas de transición de aceleración y desaceleración entre el
círculo de base y las rampas de apertura y cierre para disminuir los esfuerzos cíclicos
en el tren de válvulas. Cuando las válvulas están correctamente ajustadas, todo
movimiento de las válvulas debe comenzar y terminar dentro de estas zonas de
transición.
Los ajustes flojos de una válvula hacen que los levantaválvulas empiecen la carrera
en la rampa de levantamiento del árbol de levas, antes de que la válvula comience a
abrirse. La velocidad del levantaválvulas es alta mientras está en la rampa de
levantamiento, y se producirá una alta carga de compresión por impacto en el
mecanismo de válvulas.
De manera similar los ajustes flojos hacen que la cara de la válvula entre en contacto
con el asiento, mientras que el levantaválvulas está todavía en la rampa de cierre del
árbol de levas. La válvula hace su recorrido a alta velocidad mientras se encuentra en
- 24 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
la rampa de cierre, y cuando la cara golpea su asiento correspondiente, el vástago
produce cargas de tracción por impacto.
51 -- Cuando las válvulas reciben cargas cíclicas elevadas, debido a un ajuste flojo,
los esfuerzos se concentran en el lado superior del radio del filete y en las ranuras del
retenedor. Después de cierto tiempo, estos esfuerzos pueden dañar el metal y
producir generalmente grietas en las ranuras de los retenedores o en la parte superior
del radio del filete, por encima de la cabeza, tal como lo vemos aquí. Noten que el
color y el desgaste del vástago son aparentemente normales y que no hay evidencia
de alta temperatura o efecto de corrosión.
52 -- Una inspección más detenida de la cara de la fractura indica una apariencia
áspera y leñosa. Deberíamos sospechar que fue una sobre- carga de tracción cíclica
de la válvula la que produjo la fractura. Como el ajuste flojo es una causa principal
posible de la caída de una válvula, el mecánico debería automáticamente recopilar
datos sobre el ajuste, antes de desarmar el mecanismo de la válvula. A pesar de que
no hay manera de verificar el ajuste de esta válvula rota, el mecánico puede observar
y registrar información sobre los componentes de ajuste. Además puede también
verificar el ajuste de las otras válvulas y tenerlas como referencia.
- 25 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
53 -- Si una grieta comienza cerca del retenedor, usualmente empezará en la ranura
inferior o en la muesca o escopladura donde se hallan las ranuras. Deberíamos
inspeccionar esta zona antes de instalar las válvulas para asegurarnos que no tienen
ningún daño en esa sección.
54 -- Una lubricación inadecuada representa otra condición negativa de
funcionamiento y puede hacer que el vástago se pegue o se atasque en la guía,
logrando que el pistón y la válvula entren en contacto y, en consecuencia, la válvula
se doble o se rompa.
55 -- Cuando las válvulas se pegan a las guías, cuando se abren en forma
desincronizada o cuando tienen materias extrañas, el pistón puede ejercer cargas
muy elevadas de impacto sobre la válvula.
- 26 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
La fractura por lo general se da en la parte superior del radio del filete y es áspera y
leñosa con una apariencia cristalina; y las caras de la fractura tienen una distorsión
considerable debido al daño por impacto secundario. A pesar de que los vástagos de
la válvula se doblan cuando las cabezas golpean contra los pistones, a veces parecen
estar derechos, como lo muestra esta ilustración. Al llevar a cabo una inspección de
las válvulas rotas, deberíamos tratar de determinar el tipo de fractura y el tipo de
desgaste correspondiente.
56 -- Por ejemplo, primero es necesario limpiar la válvula rota, para sacarle toda
materia extraña, grasa o aceite y luego colocarla debajo de una buena fuente de luz.
Esta válvula tiene una acumulación normal de carbón y sedimentos, una acumulación
parcial de carbón y picaduras en la cara y, además, tiene dos fracturas: una en cada
extremo del radio del filete. La fractura en el vástago parece cristalina y áspera. ¿Qué
tipo de fractura es? (Rápida -- quebradiza o dúctil) La fractura de la cabeza al pie del
radio del filete no es muy visible y necesita ser estudiada más detenidamente.
57 -- Con una lupa vemos que la fractura de la parte inferior es brillante y cristalina y
que ha sido una fractura quebradiza y rápida. ¿Dónde comenzó? (Al pie de la cabeza)
¿Dónde es la fractura final? (En el radio del filete). Noten que esta fractura no siguió
la orientación del grano de la cabeza, porque se había aplicado suficiente energía
para romper el metal en dirección contraria a la textura del grano. Tampoco hay
evidencia de alta temperatura (escamas por oxidación, grietas térmicas, arqueado,
etc.). Estos hechos e indicios sugieren claramente que la válvula falló porque recibió
un golpe violento desde la parte inferior. Ahora necesitamos determinar cómo y por
qué se produjo esa carga por impacto.
- 27 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
58 -- ¿Esta válvula rota es una causa o un resultado? (Un resultado.) ¿Es mejor
observarla de cerca?
59 -- ¿Por qué creen ustedes que es un resultado? (Es un resultado porque la
fractura es áspera y leñosa y porque hay otros indicios de daño por impactos visibles
en los bordes y en la cara).
60 -- La inspección de la parte inferior de esta válvula muestra claramente que hay
otras marcas causa- das por impacto, lo que sugiere que hubo materias extrañas.
Ahora debemos investigar el tipo de materias extrañas y la razón por la cual se
hallaban allí. Deberíamos verificar el estado de otras válvulas y pistones, recopilar
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
muestras de posibles materias extrañas en todos los cilindros, obtener hechos
proporcionados por el operador, etcétera.
61 -- Los otros componentes del mecanismo de válvulas confirmarán también que se
trata de resultado de un daño por impacto, tal como se ve aquí. Cuando una válvula
es golpeada por el pistón, la carga de compresión se ejerce en la varilla
levantaválvulas y en el levantaválvulas mismo.
62 -- Es bastante común ver levantaválvulas de la serie 3200 fracturados en la
sección central por efecto de este tipo de cargas. Noten que la cara de la fractura es
brillante y cristalina, como debiera ser si resulta de una carga por impacto.
63 -- Si llevamos a cabo una inspección de los retenedores de las válvulas que han
sufrido daño por impacto, por lo general descubrimos que los rebordes de retención
sufrieron una seria deformación, debido a la carga por impacto que se ejerció en la
válvula. Comparen el retenedor dañado de la izquierda con el de la derecha, que
tiene desgaste normal.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
64 -- También es posible que los rebordes de retención del retenedor se dañen con
impactos causados por el martillo y cubo que se usan para sacar las válvulas de las
culatas durante las operaciones de reacondicionamiento. Noten que el retenedor de la
izquierda está más pulido por haber sido sacado con martillo y cubo.
El retenedor de la derecha se quitó con un compresor de resorte. Si se vuelven a usar
retenedores que tienen un reborde de retención dañado, ese reborde se puede cortar
por efecto de una carga cíclica normal, permitiendo que la válvula caiga dentro del
cilindro. Al llevar a cabo la inspección de los retenedores debemos tener cuidado, y
ver si tienen daño por cargas anormales procedentes de fallas o de operaciones de
reacondiciona- miento.
65 -- De vez en cuando encontramos válvulas “quemadas” como resultado de pérdida
de gases de la combustión a altas temperaturas; dichas pérdidas se encuentran entre
la cara y el asiento de la válvula. Este tipo de desgaste se llama también canalización.
En esta válvula vemos que la canalización ha ido avanzando a través de la cabeza y
ha llegado hasta el vástago. Note que las temperaturas fueron tan elevadas que aún
el asiento de la válvula se derritió y canalizó.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
66 -- La canalización comienza con una pérdida de gases a altas temperaturas, entre
la cara de la válvula y su asiento. Las pérdidas pueden ser el resultado de materias
extrañas, acuñadas entre el asiento y la cara de la válvula, de la desalineación o de
depósitos en la cara que se van haciendo cada vez más gruesos hasta quebrarse y
dar lugar a una fuga, como se ve aquí.
67 -- A medida que las pérdidas aumentan, la temperatura de la superficie de la
válvula y del asiento también aumentan. Muy pronto escapan grandes cantidades de
gases ardiendo y la temperatura sube tanto que el material de la cabeza de la válvula
funde y se corroe.
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68 -- Noten que a medida que escapan gases a elevada temperatura en forma
continua, la cabeza de la válvula se calienta más de lo normal y que el vástago
muestra colores de temple y oxidación encima de la soldadura por inercia.
69 -- La cara de esta válvula sufrió canalización en diversas partes. Como la
desalineación produce por lo general canalización en una área, este dato sugiere que
la desalineación no fue probablemente la causa de este daño.
70 -- A medida que obtenemos más hechos es necesario recordar que se deben
buscar y registrar los números de las piezas y el nombre del fabricante. Al mirar la
parte inferior de la cabeza de esta válvula vemos que tiene la marca y el número de
Caterpillar, por lo tanto sabemos que es una pieza genuina.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
71 -- Las válvulas también pueden estar picadas por corrosión, lo que puede producir
pérdidas y canalización: El ambiente corrosivo puede ser el resultado de usar
combustible diesel con alto contenido de azufre, intervalos de cambio de aceite
prolongados, utilización de un aceite que no corresponde o de hacer funcionar el
motor sin suficiente temperatura del refrigerante.
72 -- Las materias extrañas pueden meterse entre la cara y el asiento o quedar dentro
del cilindro y producir serios daños, como vemos aquí, dejando "huellas" o indicios en
la cabeza de la válvula.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
73 -- Si el ambiente es corrosivo, se acelera el desgaste de las guías y vástagos,
especialmente en las válvulas de escape. Estas dos guías son de un motor de gas,
serie 3500, que trabajaba en una instalación de tratamiento de aguas cloacales y que
se contaminó con el aire de admisión. Ambas guías tienen daños por corrosión,
resultante del aire de admisión malo. La guía de la izquierda funcionó durante miles
de horas, mientras que la guía de la derecha funcionó solamente cientos de horas.
74 -- Noten el óxido y las burbujas en las ranuras estriadas de la guía que tuvo pocas
horas de funcionamiento. Las temperaturas del refrigerante por debajo de 180°F
pueden acelerar el desgaste corrosivo, permitiendo que pase humedad de
combustión y quede en el vástago, la guía, los pistones, los anillos y las camisas.
75 -- La guía con varios miles de horas de funcionamiento tiene
considerable, debido a las condiciones corrosivas. Noten que el
desaparecido completamente y que hay burbujas de óxido y picaduras
toda la guía. ¡La tolerancia ha aumentado 1/4 de pulgada en la parte
guía!
un desgaste
estriado ha
a lo largo de
inferior de la
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
76 -- Los vástagos de la guía muestran oxidación, picaduras y desgaste, como
resultado de condiciones corrosivas. Noten que el acero dulce de este vástago se
dañó más seriamente que la cabeza, ya que ésta es más resistente por ser de acero
austenítico.
77 -- Los asientos y caras de estas válvulas tienen desgastes y ranuras serias. Los
productos de la corrosión se limpian fácilmente y cuando el nuevo proceso corrosivo
empieza va debilitando los materiales y el desgaste avanza más rápidamente. Si
siempre funcionan en ambiente corrosivo, la única manera de impedir las fallas es
reemplazando las piezas con más frecuencia y acortando los intervalos de cambio de
aceite y filtro.
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E. SOTO – 6 SIGMA – DESARROLLO TÉCNICO
PROBLEMAS DE FABRICACIÓN
78 -- Hemos visto algunas condiciones negativas que pueden hacer que ciertas
piezas, aunque estén en buenas condiciones, fallen y sufran algunos de los daños
resultantes. Las piezas también pueden fallar si ha habido problemas con el diseño,
los materiales y la mano de obra. Por ejemplo, si la soldadura por inercia fue débil, es
posible que la cabeza se separe del vástago; si la pieza se ha manipulado sin cuidado
puede torcerse o desarrollar otras muescas y escopladuras que concentran los
esfuerzos normales y producen fracturas por fatiga. Es factible que la resistencia del
metal se haya reducido por varias razones, por ejemplo, imperfecciones, tratamiento
térmico inadecuado y errores de procesamiento. Cuando se identifican los problemas
de las piezas, es necesario hablarlos con el distribuidor correspondiente de
Caterpillar.
79 -- Las soldaduras por inercia en las válvulas deberían ser fuertes y durables y no
deberían separarse durante el servicio o el reacondicionamiento. Esta soldadura no
tuvo suficiente energía de inercia y los dos metales no se adhirieron como
correspondía. Después de unos cientos de horas de servicio, la cabeza se separó del
vástago y produjo una falla del motor. Noten la estructura arremolinada que se da
durante el proceso de soldadura cuando la cabeza giratoria es forzada dentro del
vástago.
80 -- Las soldaduras débiles pueden fallar también debido a cargas por impacto,
como en el caso de esta válvula que se cayó de una mesa de trabajo durante el
esmerilado y se rompió al golpearse contra el piso de hormigón.
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81 -- Una manipulación descuidada puede producir muescas y escopladuras que
funcionan como concentradores de esfuerzo. Las piezas deberían inspeccionarse
cuidadosamente para ver si tienen este tipo de daño, especialmente en aquellas
áreas donde los esfuerzos son elevados, como por ejemplo filetes, áreas con cargas
de tracción, etc.
82 -- Las piezas también pueden doblarse, si no se manejan con cuidado, como en el
caso de esta válvula que se dobló mientras la desarmaban. Un mecánico cuidadoso
verificó si la válvula estaba derecha, tratando de refrentarla. Inmediata- mente notó
que la válvula se había doblado y decidió no reutilizarla. Si se usa una válvula
doblada, es posible que se produzca una desalineación entre la cara y el asiento,
creando cargas sobre un borde de la válvula. Esto ocasiona esfuerzos de flexión
cíclicos en el vástago y puede llevar a fracturas de flexión por fatiga en el lado
superior del radio del filete o a una fractura cordal por fatiga en la parte inferior del
radio del filete.
- 37 AFA Mod. 08 Válvulas de Motor - Fundamento
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83 -- Las válvulas o los componentes relacionados con las válvulas también pueden
haber tenido imperfecciones o problemas de tratamiento térmico, que debilitan el
metal; o puede ser que la calidad del metal no sea suficientemente buena para
transportar las cargas de trabajo. Además como actualmente la competencia de
precios y productos es muy fuerte, los ingenieros de diseños se ven obligados a
reducir al mínimo las capacidades de reserva para controlar los costos del producto.
Si descubrimos que hay una fractura por fatiga en un momento en que el motor
trabaja elevado número de horas y que el ambiente no es hostil, debemos sospechar
que la fractura es el resultado de estos factores.
Como las fracturas por fatiga dejan indicios reconocibles, debemos estar capacitados
para determinar los problemas de estas piezas y tratar el tema con los representantes
de Caterpillar para asegurarnos que el cliente recibe un tratamiento justo y que la
fábrica corrige rápidamente la situación.
84 -- Un ejemplo de los problemas con la resistencia del metal se vio anteriormente,
al hablar de los resortes de la válvula de la serie 3208. Después de miles de horas de
servicio, los elevados esfuerzos de corte y de tracción en la superficie causan fractura
por fatiga en el resorte. La fábrica tomó medidas inmediatas para corregir la situación;
una de ellas fue diseñar un resorte más grande y determinar una composición
diferente de metales.
Noten que la fractura por fatiga comenzó en el lado izquierdo, (entre los espirales) y
que la fractura final es áspera y leñosa, y está en un ángulo de 45° como resultado
del esfuerzo torsional.
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85 -- Los rotadores de válvulas han tenido problemas ocasionales de tratamiento
térmico que produjeron grietas finas en la superficie del me- tal. Durante el servicio
dichas grietas se abrieron en el lado inferior del rotador hasta permitir el paso del
retenedor cónico, dejando caer la válvula dentro del cilindro. La fábrica tomó las
medidas necesarias; entre ellas, un aumento del tamaño del rotador y mejor
tratamiento térmico.
Sin embargo, es necesario recordar que los rotadores rotos pueden deberse a otras
causas principales, y no tentarse y prejuzgar que cada rotador fallado representa un
problema de fabricación.
86 -- Por ejemplo, los rotadores de resorte pueden también agrietarse y romperse si
se les aplican sobrecargas, tales como las de un ajuste excesivo, que hacen que el
rotador empuje contra un resorte completamente comprimido (denominado contacto
pleno de la espiral), o cuando el motor está embalado, resultando en la sobrecarga de
los rotadores.
Cuando el motor está embalado, la velocidad del mecanismo de apertura de la
válvula es muy rápida y el impulso de apertura de dicho mecanismo continúa
abriendo la válvula hasta que la espiral del resorte se comprime en forma excesiva.
En este momento, el rotador siente elevadas fuerzas de tensión de cargas de choque
contra la superficie inferior. En el ciclo de cierre la velocidad del árbol de levas
también es muy rápida y la leva se alejará del levantaválvulas antes que el resorte
pueda empujarla hacia abajo. Además, el árbol de levas no reduce la velocidad del
levantaválvulas, varilla de empuje y válvula, por lo que la válvula golpea contra su
asiento a alta velocidad produciendo una carga de tracción por impacto en el vástago
y en el rotador. Este tipo de carga es poco común y puede hacer que el rotador se
agriete y que la válvula se caiga.
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87 -- El rotador roto, como lo vemos aquí, se parece mucho al rotador que falló por
tratamiento térmico. Noten la textura leñosa y áspera de las caras de la fractura,
causadas por sobrecarga.
88 -- Los resortes afectados por un motor muy embalado deben tener marcas de
contacto completo entre las espiras (contacto de 360" entre todas las espiras)
¿Pueden ver desportillamiento por rozadura entre las espiras? Este desportillamiento
indica que hubo contacto completo.
89 -- Con una lupa, más luz y mirando el área pintada se hace fácil verificar que este
resorte tuvo un contacto completo entre las espiras. No se debe asociar este indicio
solamente con un motor embalado. El contacto completo simplemente significa que
las espiras han sido forzadas unas contra otras. Un motor embalado es una de las
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causas principales de este resultado. El ajuste excesivo puede ser otra. Otra causa
puede ser la varilla de un levantaválvulas que no entra en el rebajo y produce
demasiado levantamiento. Y hay más causas. Necesitamos buscar indicios en otras
áreas y usarlos todos para identificar la verdadera causa original.
90 -- Comparen el rotador de la izquierda que se rompió a causa de un problema de
resistencia del metal, con el rotador de la derecha, que se rompió como resultado de
sobre- carga contra un resorte totalmente comprimido. Noten que hay más grietas y
menos pulido en el de la izquierda que en el de la derecha. Menos pulido indica una
carga menor contra el resorte. Muchas grietas indican la posibilidad de un esfuerzo
interno residual. Si observamos cuidadosamente todos los detalles de las piezas
rotas, podemos llegar a la causa principal por el camino correcto.
91 -- Al discutir las condiciones anormales y las fallas más comunes notamos que la
mayoría de las fallas son resultados y que muy pocas de ellas son causas. Si
analizamos cuidadosamente los indicios, podemos llegar a identificar la causa
principal de la mayoría de las fallas.
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92 -- ¿Debemos considerar las fallas como un problema o como una oportunidad?
(Como una oportunidad) ¿Qué tipo de oportunidad? (Diferentes respuestas de los
alumnos) Con mucha frecuencia hemos tomado las fallas de válvulas como
problemas, cuando en realidad representan una gran oportunidad para ayudar y servir
a nuestros clientes; porque cuando ellos tienen válvulas que han fallado, es probable
que se deba a condiciones ambientales hostiles y los clientes necesitan identificar
esas condiciones y hacer lo necesario para solucionar el problema resultante.
93 -- Debemos cuidarnos de ideas preconcebidas que nos llevan a cometer errores y
usar solamente los hechos asociados con cada falla.
94 -- Haciendo esto OBTENDREMOS LA RECOMPENSA, con los pasos seis, siete y
ocho:
6. Comunicarse con el responsable de la falla y obtener las instrucciones para
corregir lo que sea necesario.
7. Hacer reparaciones siguiendo las instrucciones del responsable de la falla.
8. Continuar en contacto con el cliente para asegurar:
a. Que la causa principal se determinó y se tomaron las medidas
necesarias para solucionar el problema.
b. Que el cliente está satisfecho con el producto y el servicio que recibe.
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