PROPUESTA DE TECNOLOGÍA PARA LA REPARACIÓN DE EJES DE PROPULSIÓN DE BARCOS

PROPOSED TECHNOLOGY FOR THE REPAIR OF SHIP PROPULSION SHAFTS

 

Raúl Rodríguez-Muñoz¹

E-mail: rrodrguezl@gmail.com

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3448-2290

Dayron Gutiérrez-Hidalgo²

E-mail: dayrongutierrezhidalgo@gmail.com

ORCID: https://orcid.org/0009-0004-1751-3053

Yovany Llody-García²

E-mail: yllody@ucf.edu.cu

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3561-1528

¹ Convenio Universidad Metropolitana de Ecuador-Universidad de Cienfuegos “Carlos Rafael Rodríguez”. Cuba.

² Universidad de Cienfuegos “Carlos Rafael Rodríguez”. Cuba.

 

RESUMEN

En el trabajo se plantean los resultados de un estudio para la recuperación y diseño de tecnologías de ejes de propulsión en barcos. Muestra como desde el aprendizaje en proyectos de investigación pueden lograse resultados prácticos muy necesarios en cualquier contexto. Desde esta perspectiva, el objetivo fue identificar una propuesta de factibilidad técnico-económica para la fabricación de la Línea de eje de un barco que se encuentra en el taller Varadero de la Empresa de Astillero del Caribe ASTICAR Cienfuegos, en Cuba. El análisis de la teoría existente, así como la caracterización de la empresa y teorización de la gestión de reparación de piezas sirvió de punto de partida. La metodología privilegia el cálculo empleado para dar solución a la problemática planteada, así mismo se efectúa un análisis técnico económico de la factibilidad de ejecución de la propuesta de reparación y fabricación. Este plan se logra, organizando los tipos de propulsiones existentes, los daños típicos en estos buques y las reparaciones que deben hacerse. Finalmente se propone la reparación de la pieza con mejoras del material de la misma, dándole solución al problema planteado en el estudio. Desde la perspectiva didáctica y de aprendizaje por proyectos se evidencia un cambio sustancial en la formación de competencias del futuro ingeniero.

Palabras clave:

Reparación, propulsión, eje, técnica.

 

ABSTRACT

The paper presents the results of a study for the recovery and design of propulsion shaft technologies in ships. It shows how learning from research projects can achieve much needed practical results in any context. From this perspective, the objective was to identify a technical-economic feasibility proposal for the manufacture of the shaft line of a ship located in the Varadero workshop of the Caribbean Shipyard Enterprise ASTICAR Cienfuegos, in Cuba. The analysis of the existing theory, as well as the characterization of the company and theorization of parts repair management served as a starting point. The methodology privileges the calculation used to provide a solution to the proposed problem, as well as a technical-economic analysis of the feasibility of executing the repair and manufacturing proposal. This plan is achieved by organizing the types of existing propulsions, the typical damages in these ships and the repairs to be made. Finally, the repair of the piece is proposed with improvements of the material of the same, giving solution to the problem raised in the study. From the didactic and project-based learning perspective, a substantial change in the formation of competences of the future engineer is evidenced.

Keywords:

Repair, propulsion, axis, technique.

 

INTRODUCCIÓN

La maestranza naval, es una de las áreas más importantes de un astillero y por no decirlo así, en, es dónde se presentan los mayores problemas y puntos álgidos en los conflictos con el Armador así la historia de las reparaciones para este fin y posibles soluciones ha variado sobre la base de estudios de las estructuras y composiciones, pero manteniendo la lógica de la tecnología (Mariscal, 2004; Menéndez & De la Rosa, 2022; Quispe, 2022; López, 2023). Las embarcaciones llegan al astillero ocultando golpes o daños ocurridos durante las faenas, cuestión que ha sido tratada recientemente por García (2018); y Gutiérrez (2022). Sin embargo, existen distintas visiones de la trasferencia de tecnología y la recuperación en si misma tal y como sugiere Rodríguez (2021), en lo referente a los espacios para transferir las tecnologías al sector productivo, es decir la reparación exige utilizar tecnologías y estas deben ser asumidas con respaldo en patentes u otras formas de protección.

Lo anterior es considerado para la recuperación del sistema de propulsión que es la columna vertebral del buque y basta con una radiografía para saber la salud del individuo.

Algunas veces estos daños se repiten volviendo monótona la reparación. En otras ocasiones los sistemas traen daños que implican un análisis profundo, minucioso y detallado de lo que habría ocurrido, convirtiéndose estas reparaciones en una gran experiencia, ya que enriquece el conocimiento el hallar la solución verdadera y aumenta los buenos deseos de hacer siempre algo más por la industria naval.

Durante mi estancia en Asticar, nunca tuve la oportunidad de ver en profundidad los elementos que componen la transmisión del torque hasta la hélice, más allá del motor principal y la reductora, lo que motivó mi curiosidad acerca de cómo se diseña y como se repara el acoplamiento de la línea de eje de un barco con él coopling del reductor de un barco.

La metodología a seguir es de extraer la información en base a observaciones realizadas durante los años de experiencia de los tecnólogos, a un sinnúmero de chequeos y reparaciones a los sistemas propulsores de numerosos buques. Algunos buques inclusive han regresado luego de su periodo de trabajo normal para los mantenimientos de rutina, presentando los desgastes comunes en la propulsión fruto del trabajo continuo, los trabajos forzados y las paradas no planificadas.

Indicando cuáles son las herramientas más comunes empleadas en la maestranza, se puede establecer un procedimiento que indique lo que se debe hacer u observar desde que los ejes de propulsión son retirados de los buques y llegan a la maestranza, así como también, que materiales se deben emplear para reponer o reparar y el procedimiento para la ejecución de los trabajos.

Las reparaciones de estos buques se relacionan con las tecnologías y roturas tales como: construcción de ejes nuevos por rotura, desgaste de ejes por fricción, desgaste de ejes por corrosión, problemas de fricción porque la grasa no llega uniforme a todos los descansos o el maquinista se descuidó por un tiempo, desalineamientos de la línea propulsiva y problemas de vibración por la excesiva corrosión en las bases de los mismos.

Otra de las inquietudes dentro de los trabajos en la maestranza naval, es la de dar tratamiento térmico o no a las piezas de ajuste para introducir en los ejes, por ejemplo, si la pieza va a ser instalada con nitrógeno líquido, la tolerancia y ajuste es menor que si se instala con proceso de calor. Dar solución a los problemas sin estudios consecuentes de las causas conducen a costos elevados, también pérdida de tiempo en dique, así mismo puede provocar despido de personal por ineptitud o inexperiencia, pérdida del cliente o Armador, entre otros.

Al analizar la situación se identificó en la empresa Asticar, del municipio de la provincia de Cienfuegos como problemática de la línea de eje (eje de cola) del barco (Constructora II) una avería o falla por Fatiga, creando una concentración de esfuerzos o sobreesfuerzos adicionales sobre el sistema propulsor; entre las posibles causas debido a su condición de trabajo; o sea, acelerar a todas las RPM el motor principal y en ocasiones detenerse violentamente en su marcha, ocasionando que el barco quede fuera de servicio. Es por ello que el objetivo del estudio fue elaborar la tecnología de reparación de la línea de eje de la L/P Constructora II. En síntesis, que satisfaga sus necesidades, para dar solución a sus daños típicos y buscar afianzar los conocimientos que se tienen acerca de este fenómeno. Como un segundo objetivo elaborar una guía o plan que estandarice las reparaciones a seguir, planteándose los lineamientos de lo que se debe chequear, medir y visualizar. De tal caso se proyectaron los siguientes objetivos específicos que se relacionan a continuación:

• Obtener diferentes piezas mecánicas que hayan sufrido diferentes tipos de fallas y recopilar información bibliográfica acerca de estudios sobre análisis de falla relacionados con los componentes mecánicos obtenidos.
• Realizar pruebas de laboratorio tales como inspección visual, análisis metalográfico y análisis de dureza, bajo normatividad internacional que permitan evidenciar las posibles causas raíz de fallo.
• Determinar las posibles causas de fallo de las piezas seleccionadas mediante la aplicación de la metodología del análisis de causa raíz con el fin de emitir un concepto técnico para evitar la falla de componentes similares debido a la misma causa.

Siguiendo las experiencias formativas en la Universidad Metropolitana del Ecuador y la Universidad de Cienfuegos Carlos Rafael Rodríguez se orientó al estudiante reorientar los escritos como insumo para socializar la tecnología propuesta a partir del presente escrito.

En este sentido se formuló como Hipótesis. La elaboración de la tecnología del acoplamiento de la línea de eje, de un barco con él coopling del reductor, con la aplicación de un material que se ajuste al régimen de trabajo requerido, en la empresa Asticar, para así continuar prestando sus servicios.

DESARROLLO

El sistema de ejes es esencialmente el enlace entre la hélice y el motor principal y debe ser operable en todas las condiciones de trabajo sin que falle. Estos sistemas de ejes tienen el equipamiento necesario para convertir el movimiento de rotación de la maquinaria principal, en potencia de empuje necesaria para lograr la propulsión de la embarcación; debe cumplir con varios objetivos, los cuales son vitales para la operación del buque.

En resumen, los objetivos para lograr una buena operación del buque son trasmitir la potencia desde la maquinaria principal al propulsor (hélice). En segundo lugar, estar libre de formar vibraciones perjudiciales. Por otra parte, soportar al propulsor, transmitir el empuje desarrollado por el propulsor al casco, soportar con seguridad la carga de operaciones transitorias (cambios de marcha, maniobras a alta velocidad, etc.).

El análisis de estos sistemas partió de lograr una adecuada descripción. El sistema de propulsión es el conjunto de los elementos que permite que un buque se desplace, a través de las aguas, de un punto a otro operando en todas las condiciones de trabajo sin que falle, durante el tiempo de vida útil del mismo. Los túneles de propulsión no son completamente aislados de tal manera que ingresa agua de mar a la propulsión, esto significa, que el sistema de propulsión tiene una carga adicional por corrosión y desgaste durante su operación y que definitivamente es una condición a considerar durante el mantenimiento.

Tecnología de fabricación o recuperación de la pieza

Se estimó más conveniente recuperar el eje de cola de la lancha de pasaje constructora, debido a la opinión de varios tecnólogos, además la empresa no cuenta con los recursos necesarios para la fabricación de la pieza, otro elemento es que sería un gasto excesivo en comparación con la recuperación, por otra parte, si bien lleva tiempo lograr la misma, permite mantener la explotación de los equipos de mantenimiento (Goméz & Martín, 2002; Chacón, 2004; Cortizo & Rodríguez, 2005; Carrero et al., 2016; Alberca, 2020). Con apoyo en la literatura señalada a continuación se establecen las líneas de recuperación iniciando por la tecnología para recuperar la superficie por recargado.

Tecnología soldadura

En este caso lo primero que se realiza son los cálculos de parámetros de soldadura. Con profundo estudio de la estructura de la pieza y su composición se determinó tal y como se muestra en la tabla 1 y 2 cuál debe ser la composición del acero.

Metal base: Acero inoxidable 316L

Dureza 180 HB

Tabla 1. Composición de este acero.

Tabla 2. Soldabilidad considerando el contenido de carbono.

Teniendo en cuenta la suma de los elementos de aleación y la soldabilidad con respecto al contenido de carbono %, el Acero 316L tiene buena soldabilidad. Desarrollamos los cálculos por las fórmulas de Seferian mostradas, en distintas figuras a continuación. En figura1 cálculo de carbono equivalente químico. En figura 2 determinación de temperatura de precalentamiento.

Luego en las restantes se procede a mostrar el resto de las operaciones en figura 4 Cálculo de régimen de la soldadura y estrechamente relacionada con el paso anterior continua con la figura 5 en la que se determina el tiempo y se relaciona con el número de pasadas de los electrodos. En cuanto a la figura 6 podemos distinguir como se logró calcular el número de electrodos.

 

 

Figura 1. Cálculo de carbono equivalente químico. Elaborado por los autores.

 

Figura 2. Determinación de temperatura de precalentamiento.

 

 

Figura 3. Determinación del electrodo.

 

Características de la soldadura

Electrodo 316L pueden soldarse bien en todas las posiciones. Tienen un arco estable. El depósito es a prueba de grietas, resistente al envejecimiento y no se ve afectado por las impurezas de los aceros. Puede utilizarse corriente CA / CC + / -

Calculo de Régimen de la soldadura

Rellenar las chavetas con una longitud de 180 con ancho de 22mm

Figura 4. Cálculo de régimen de la soldadura.

Figura 5. Determinación de tiempo y número de pasadas.

Cálculo de la cantidad de electrodo

Figura 6. Cálculo de la cantidad de electrodos.

Secuencia tecnológica de soldadura.

1.      Montar el eje en el torno. (Sujetar en una bancada con 2 puntos de apoyo para la posibilidad de rotar el árbol y así poder aplicar el cordón de soldadura)
2.      Proceder a maquinar hasta eliminar todas las impurezas.
3.       Aplicar soldadura en cruz, es decir a 180 cada cordón del anterior en forma longitudinal hasta que se complete toda la superficie. El torno permite rotar el eje. Entre cordón y cordón se deja enfriar el eje para evitar cambios mecánicos en su configuración.
4.      Proceder a maquinar a la medida original del eje, y verificar las porosidades, grietas o socavaciones. (Chequear posibles poros o grietas en el cordón de soldadura y en la zona de influencia térmica de la soldadura)
5.      Si existe mayor del 10%, volver a repetir desde c). 
6.        Proceder a pulir para eliminar la fricción con el descanso. (Luego de terminar el proceso de soldadura se rebajan los cordones de soldadura con piedra o en un torno)             

El siguiente paso es calcular en maquinado a realizar atendiendo a la operación que corresponde.

Cálculo de régimen de corte para el torneado

Los datos a emplear

• Material de la pieza: Acero inoxidable austenítico (acero 316, norma AISI/SAE)
• Dureza: HB 180
• Máquina Herramienta: Torno 165.
• Operación: Torneado cónico con plaquitas estándar.
• Paso: Cilindrado de acabado.

Para la elaboración del cono se realiza por la inclinación del carro orientable

Aplicación de mecanizado: acabado F.

Tiempo de vida útil de la herramienta: T = 15 min.

Se escoge la forma de la plaquita y el ángulo de posición: f_p = C y  =95^o, porque se realiza un cilindrado exterior donde hay presente un escalón a 90º. La forma rómbica es la más usada para escalones a 90º, aunque para la pasada de acabado también se pueden usar las placas trigonales.

En la tabla seleccionada para estos casos se obtiene el código del vástago: PCLNR 20 20 K 12

 Dimensiones del Vástago:

• Altura 20 mm,
• Ancho 20 mm
• Longitud 125 mm (K).

Estas dimensiones están dadas por el portaherramientas del torno a utilizar.

Se entra en la tabla seleccionada para estos fines con el paso tecnológico y la aplicación de mecanizado, y se obtiene:

• Calidad (Q)  - GC 2015
• Geometría (G)  - MF
• Código de la plaquita  - CNMG
• Vc tabla = 200 m/min.
• = 0,15 mm/rev.
• ap máxima = 1.0 mm

En la misma tabla seleccionada para este fin se entra con el material de pieza, M (acero inoxidable austenítico), y se obtiene:

  Kc = 2300 N/mm²

Profundidad de corte (t)

 i =1 y se realiza el cálculo de profundidad de corte visto en la siguiente figura 7.

Figura 7. profundidad de corte.

Sm es la sobremedida y ap es la máxima profundidad de corte que se admite, ambos en mm.

El cálculo de la velocidad de corte teórica constituye uno de los pasos del mecanizado ver figura 8 donde se aprecia su estructura y composición.

 

Figura 8. Fórmula para la determinación de la velocidad.

Vc teórica = V_T  Kd  K_T ; [m/min]

V_T -Velocidad obtenida en la tabla.

Kd - Coeficiente de corrección de dureza.

KT - Coeficiente de corrección de T.

El coeficiente Kd es la diferencia entre la dureza de la tabla y la del material es cero, por lo tanto Kd = 1.

En la Tabla par esta finalidad, se obtiene el factor de corrección para la vida útil de la herramienta Kt = 1.0 para T = 15 min.

A partir de la velocidad teórica se podrá observar en la figura 9 los cálculos correspondientes al número de revoluciones por minuto (r.p.m); velocidad real de corte y potencia de corte.

 

Figura 9. Cálculos correspondientes al número de revoluciones por minuto, velocidad de corte y potencia de corte.

Donde,

• Vc_r - es la velocidad de corte real, en m/min.
• t - es la profundidad de corte, en mm.
• fn_r - es el avance real, en mm/rev.
• Kc - es un coeficiente de potencia específica de corte, que se obtiene en la tabla referenciada para este fin.
•  φ es el ángulo de posición del borde cortante principal.

Finalmente se obtiene la potencia en Kw, observe en la siguiente figura 10

Figura 10. Potencia de corte en KW.

Donde,

• Nm - es la potencia del motor principal del torno, en kw. Datos de torno.
• Π es el rendimiento de la cadena cinemática del movimiento principal (%).
• La potencia disponible Pd se compara con la potencia necesaria para el corte Pc.

Como Pc  Pd, se puede realizar el paso tecnológico. Debe notarse que para las pasadas de acabado no vale la pena calcular la potencia que se consume para compararla con la disponible, porque la potencia necesaria para el corte resulta siempre pequeña.

Cálculo del tiempo principal (tp) es otro de los cálculos necesarios e imprescindibles para un buen régimen de corte, observe en la siguiente figura 11.

Figura 11. Tiempo de corte en minutos.

-  : Separación de entrada de la cuchilla, mm.

- l: Longitud a tornear, mm.

El  de entrada puede asumirse entre 1 y 5 mm.

Resultados obtenidos.

• Código de la Plaquita CNMG 12 04 08-PM.
• Calidad GC2015.
• Código del Vástago PCLNR 20 20 K 12
• Vc = 197.9 m/min
• n = 630 rpm.
• fnr = 0,15 mm/rev
• i = 1 pasada.
• t = 1 mm.
• tp = 2.27 min.

Secuencia tecnológica de maquinado

Reparación con mecanizado, rectificar cono.

I-Torneado

1.      Montar el eje en el torno, y fijar entre puntos y luneta
2.      Se procede alinear el eje en el torno siguiendo el procedimiento mostrado en 1.5´´ Parámetros de alineamiento del eje en el torno.
3.       Se verifica la concentricidad del cono, es decir, que no se encuentre desalineado el centro de la tuerca con relación al eje.
4.      Proceder a maquinar a la medida original del eje
5.      d)- Invertir pieza colocar y fijar entre puntos y luneta
6.        Proceder a maquinar a la medida original del eje

Nota: Se acerca la cuchilla a hacer contacto en la superficie del cono y se le da la profundidad de corte a lograr la medida original deseada, después se procede a cilindrar.

Cálculo de régimen de corte para el fresado se describe a continuación y en la figura 12 se muestran la determinación de los datos.

Fresadora: Posee un motor eléctrico de una potencia de 7,5 KW y una eficiencia de 0,85%. Ofrece una gama de 18 avances y 18 velocidades de husillo.

Fresa de disco de 3 mm de ancho.

Profundidad de Corte. t = 7 mm

2. Desplazamiento de trabajo(L).

Avance por diente.

SZ =(0,04 –0,08 ) mm/rev S real = mm/rev

4. Vida útil.

T = (60 – 180) minuto.

5. Cálculo de la Velocidad de Corte.

Figura 12. Fórmulas y resultados de cálculos del fresado.

II-Fresado

1.      a)- colocar el eje en la mesa de la fresadora, entre dos pontos de apoyo y sujetada con un mecanismo de sujeción para evitar movimientos
2.      Elaboración de chavetero en el cono donde va la hélice a L=15mm de la cara, a lograr una L=180mm con a una profundidad=7mm con b=22mm
3.       b)- invertir pieza y realizar lo mencionado en el a)
4.      Elaboración de chavetero en el cono donde va el copling a L=20mm de la cara, a lograr una L=90mm con a una profundidad=7mm con b=22mm

Nota: Elaborar Chavetero en otro punto de la superficie cónica, o sea no donde se reparó)

Cálculo de Costo para su rediseño.

Valoración de los costos de producción.

 El Costo de fabricación de los procesos tecnológicos es la expresión monetaria de los gastos en que incurre la Empresa durante la ejecución de los trabajos. Dentro de los costos de fabricación se incluyen: los gastos de materias primas y materiales auxiliares empleados, los gastos en salarios, el costo de la energía consumida, los gastos generales producto de la amortización de los equipos y los gastos indirectos.

Costos directos.

Aquí están incluidos los costos de las materias primas, los gastos de salario y el costo de la energía consumida.

Gasto en materiales y materias primas.

Estos gastos incluyen el valor de las materias primas que se usaron en los procesos tecnológicos que se describen en este trabajo. La Tabla 3 nos muestra la relación de los materiales con sus precios y el Gastos en Materiales necesarios para la recuperación del eje de cola.

 

Tabla 3. Gastos en materiales.

Materiales	U/M	cantidad	Costo/Unidad		Costo		Total
			USD/kg	MN/kg	USD	MN	(MN)
Electrodo E-316L	1	30	14.99	1798.8	14.99	1798.8	1798.8

Gasto en salarios.

Aquí se recogen los gastos relacionados con los salarios de los operarios que intervienen en los procesos tecnológicos antes mencionados. Además de sumarle el concepto de las vacaciones y la seguridad social.

Donde el número de horas multiplicado por la tarifa es el salario que se le pagará al operario por la cantidad de horas que le dedicó al proyecto.

Gasto Generado por la amortización de los equipos.

La amortización es el traspaso del valor de los medios de trabajo, a medida que se desgastan, a los productos que se elaboran y la utilización de ese valor para la reproducción ulterior de los fondos fijos de producción. La amortización incluye los gastos calculados a partir del valor inicial de los activos fijos tangibles, aplicándole las tazas de amortización establecidas para cada equipo.

Para la realización del cálculo se tomaron en cuenta los precios de los equipos, el porcinito establecido para cada uno y el tiempo efectivo de utilización de los mismos.

Total de Gastos Directos:

Considerando: 1 USD = 120 MN

El total de Gastos Directos es igual a la suma de los Gastos en Materiales, Salarios, Amortización y Energía.

De acuerdo con los análisis realizados en la construcción del proyecto presentado se destacan las motivaciones del estudiante en la propuesta de una solución real al mismo tiempo que la formación en metodología de la investigación y la combinación con los resultados de la práctica laboral, donde el colectivo laboral de la empresa le apoyó en la construcción de su propuesta analizando y discutiendo cuales debían ser las mejores opciones.

En particular los cambios en la integración de los contenidos como se observa en la propuesta evidencia tal y como señalan Arias (2017); Ambrosio & Hernández (2018); y Forero & Bennasar (2024), se integra en los procesos formativos a partir del trabajo en los colectivos con base a las actividades innovadoras de aprendizaje. En este caso el llamado a identificar información que se plantea como parte de la determinación de las causas, es decir los registros de roturas y el estado del arte y procesos afines ayuda a los estudiantes a encontrar soluciones en línea con los avances científicos y tecnológicos ya aplicados.

CONCLUSIONES

La reparación de ejes de propulsión de barcos es uno de los temas más importantes en el funcionamiento mecánico de la embarcación, ya que de ella depende la vida útil de la misma y su seguridad. Los tratamientos que se dan al eje de cola son los mismos que deben darse a los contraejes, ya que trabajan de igual forma con bridas, encamisados en algunos casos, puntas cónicas para acoples y apoyo de descansos.

El alineamiento del eje en el torno es el pilar fundamental para obtener buenos trabajos y se considera como “buenas prácticas de reparación” el de cumplir con este punto de la mejor forma posible. De identificar la información, se concluye que la mayor causa de daños de ejes es por sobreesfuerzos de la hélice, debido a las contramarchas, es decir los movimientos bruscos de adelante y atrás durante las maniobras de los barcos de pasaje. Los pasos indicados para cada uno de los procedimientos son los mínimos a realizar e incrementar pasos adicionales debería mejorar los buenos resultados obtenidos en la reparación. Por el peso de los equipos, se debe seguir el procedimiento en orden, ya que resulta en tiempo y costo económico el estar moviendo las partes arriba y debajo de los tornos.

Por otra parte, se valoró como positivo los resultados del aprendizaje por proyectos dado que la solución satisface a la empresa receptora y a su vez el estudiante logró las competencias necesarias en el tratamiento de la información tecnologías y métodos aplicados a un caso de estudio.

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