propuesta de análisis por elementos finitos para un equipo pin disco en caliente

PROPUESTA DE ANÁLISIS POR EL MÉTODO DE

ELEMENTOS FINITOS DE UNA MÁQUINA PIN-DISCO A

ALTA TEMPERATURAJuan David Arango Castrillón

David Londoño OchoaDaniel Esteban Riveros NietoIsabel Cristina Soto Gómez

Diseño Mecánico Computacional2016-I

AGENDA 1. Introducción2. Descripción de la máquina3. Subsistemas• Sistema de calentamiento• Sistema de aislamiento térmico• Sistema de desplazamiento de los brazos porta-pin y porta-celda• Sistema de transmisión de movimiento al plato

4. Piezas de estudio5. Conclusiones

INTRODUCCIÓN [1/1]

Estudios tribológicos entre dos materiales

Figura 1. Esquema de máquina Pin-Disco. [1]

Fuerza aplicada

Velocidad de rotación

TemperaturaFuerza de

fricción entre el pin y el

disco

Pérdida de masa en el

pin y el disco

Formación de óxidos en el

pinASTM G99

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA [1/2]

Figura 2. Máquina a ser estudiada. [2]

Disco Pin Porta-pin

Manta térmica

Porta-celdaMotor

Manivela para controlar el porta-pin y el porta-celda

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA [2/2]

CONDICIONES DE TRABAJO [1/1]• 200 N de carga máxima.• 400 °C de temperatura máxima.• Entrada de par constante.• El motor debe permitir variar la velocidad angular,

manteniendo constante la velocidad requerida para elaborar el ensayo.• Las vibraciones del motor no deben afectar las pruebas.

SISTEMA DE CALENTAMIENTO

Características de la resistencia en espiral# de vueltas 5

Espesor del plato 20 mm

Espesor de la manta cerámica que protege al eje

20 mm

Alimentación 220 V

Tabla 1. Características de la resistencia en espiral. [2]

Fig. 3. Resistencia en espiral [2]

ANÁLISIS POR SUBSISTEMAS [1/5]

• La resistencia eléctrica tiene compromiso solidario con el disco giratorio, es necesario acoplar un sistema de escobillas para evitar que los cables eléctricos se enreden.

Fig. 4. Escobillas [2]

SISTEMA DE CALENTAMIENTO

ANÁLISIS POR SUBSISTEMAS [2/5]

Fig. 5. Cámara de aislamiento térmico. [2]

SISTEMA DE AISLAMIENTO

ANÁLISIS POR SUBSISTEMAS [3/5]

Fig. 6. Sistema de desplazamiento por manivela [2]

SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO DE BRAZO PORTA-PIN Y PORTA-CELDA

ANÁLISIS POR SUBSISTEMAS [4/5]

Fig. 7. Sistema de transmisión de potencia [2]

• Se plantea un motorreductor ⅓ HP a 1800 rpm, ubicado en posición M2 vertical en la parte inferior de la mesa.

SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO

ANÁLISIS POR SUBSISTEMAS [5/5]

Fig. 8. Brazo de soporte. [2]

• Estado multiaxial de esfuerzos.• Área transversal

variable.• Análisis estructural,

estático, lineal.• Susceptible de

optimización.• Se deben evitar

vibraciones

BRAZO DE SOPORTE

COMPONENTES DE ESTUDIO [1/4]

Fig. 9. Plato intermedio [2]

• Debe garantizarse el calentamiento uniforme.• Existe transferencia de calor

por conducción.• Estudio del comportamiento

de su geometría a la máxima temperatura de trabajo (400°C)

PLATO INTERMEDIO

COMPONENTES DE ESTUDIO [2/4]

Fig. 10. Ubicación celda de carga.Modificada de [2]

• Mide fuerzas de fricción.• Es solidario al brazo que

soporta el pin.• Debe estar aislada de

vibraciones.• Debe garantizarse

horizontalidad.

PORTA CELDA DE CARGAS

COMPONENTES DE ESTUDIO [3/4]

Fig. 11. Disco de pruebas [2]

• Debe garantizarse horizontalidad.• Desalineación máxima: ±1°.• Deben evitarse vibraciones

para no afectar la prueba. • Análisis estructural y modal.

DISCO DE PRUEBAS

COMPONENTES DE ESTUDIO [4/4]

CONCLUSIONES [1/1]• El diseño presentado por [2] permite realizar la prueba pin disco

en caliente, sin embargo, no se muestra un respaldo matemático para el dimensionamiento de los componentes, por consiguiente se hace importante realizar la verificación del diseño considerando que las condiciones de diseño del equipo requiere de análisis estructural, térmico y dinámico. • Queda como objeto de estudio la selección del material para la

construcción del equipo, ya que se plantea el uso de acero inoxidable 304, el cual aumenta el costo del equipo.

REFERENCIAS• [1] Tribolab, “Equipment.” [Online]. Available:

http://tribolab.mas.bg.ac.rs/english/images/equipment/T-62_sketch.jpg. [Accessed: 20-Feb-2016].• [2] F. R. Buitrago Velez and J. C. Hernández Gómez, “Diseño de

Detalle de Una Pin-Disco a Alta Temperatura para Ensayos de Desgaste,” Universidad Nacional, 2011.