sepi esime ua
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INSTITUTO POLITÉCNICO
NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica
Unidad Azcapotzalco
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE
COMPONENTES AUXILIARES PARA UNA
MÁQUINA DE TORSIÓN EN CALIENTE”.
T E S I NA PARA OBTENER EL DIPLOMA DE
ESPECIALIZACIÓN
EN INGENIERÍA MECÁNICA CON OPCIÓN:
INGENIERÍA DE PROYECTO MECÁNICO
PRESENTA:
ING. JOSE IVAN GARDUÑO MENDOZA
.
DIRECTOR:
DRA. JUANA ELOÍNA MANCILLA TOLAMA
MÉXICO D. F. DICIEMBRE DEL 2012
SIP-14-E
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALSECRETARíA DE INVESTIGACiÓN Y POSGRADO
ACTA DE REVISIÓN DE TESINA
En la Ciudad de México siendo las 14:00 horas del día
Noviembre del 2012 se reunieron los miembros de la Comisión Revisora de la
por el Colegio de Profesores de Estudios de Posgrado e Investigación de ESIME
para examinar la tesina titulada:"Diseño v construcción de comconentes auxiliares cara una máauina de torsiónlen caliente"
08 del mes de
esina, designadacacotzalco
Presentada por el alumno:Garduño
Apellido paternoMendoza
Apellido maternoJoselvan
Nombre(s)
Con registro:
aspirante al diploma de:
Especialización en Ingeniería Mecánica
Después de intercambiar opiniones los miembros de la Comisión manifestaron A~OBAR LA TESINA, envirtud de que satisface los requisitos señalados por las disposiciones reglamentaria~ vigentes.
LA COMISiÓN REVISORA
Director(a) de tesina
Dr. Carlos Adolfo Hernández Carreón
--
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIOfALSECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y posa
CARTA CESIÓN DE DERECHOS
En la Ciudad de México el día 08 del mes Noviembre- Idel año
2012 . el (la) que suscribe Jose Ivan Garduño Mendoza alumno (a) del
Programa de Especialidad en ingeniería Mecánica con número de regtstr Bl10137,
adscrito a SEPI-ESIME VA . manifiesta Iquf es autor (a)
intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección de Dra. Juana Eloína Mancilla
Tolama y cede los derechos del trabajo intitulado Diseño Y! cbnstrucción decomponentes auxiliares para una máquina de torsión en caliente , al Idstifuto Politécnico
Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual,
trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este
escribiendo a la siguiente dirección [email protected] illseivan 009ú!V,hotmail.com. Si
el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente Ycitar la fuente
del mismo.
Ing., Jose Ivan Garduño MendozaNombre y firma
1
1
INDICE
RESUMEN ....................................................................................................................... 3
ABSTRAC ........................................................................................................................ 4
CAPITULO 1 .................................................................................................................. 5
1.1 Descripción del problema ........................................................................................... 5
1.2 Objetivos ..................................................................................................................... 5
1.3 Objetivos particulares ................................................................................................. 5
1.4 Introducción ................................................................................................................ 6
1.5 Justificación ................................................................................................................ 7
CAPITULO 2 .................................................................................................................. 8
MARCO TEÓRICO. ...................................................................................................... 8
2.1 Ensayo de torsión. ...................................................................................................... 8
2.2 Sistema de torsión a altas temperaturas .................................................................... 10
2.2.1 Sistema Mecánico .............................................................................................. 11
2.2.2 Sistema de acondicionamiento de la probeta. .................................................... 12
2.2.2.1. Calentamiento por Inducción Electromagnética. ....................................... 12
2.2.2.2 Equipo de calentamiento por inducción. ..................................................... 14
2.2.2.3 Fuente de frecuencia de alta potencia para calentamiento de inducción. .... 15
2.2.2.4 Estación remota de la marca RDO induction L. L. C. ............................. 16
2.2.2.5 Módulo de enfriamiento ............................................................................. 17
2.2.2.6 Bobina de inducción. .................................................................................. 17
2.4.2.6 Pirómetro óptico .......................................................................................... 18
2.3 Selección de materiales para diseño. ........................................................................ 19
CAPITULO 3 ................................................................................................................ 24
DESARROLLO EXPERIMENTAL .......................................................................... 24
3.1 Diseño de elementos mecánicos para máquina de torsión en caliente ..................... 24
3.1.1 Palanca de sujeción ............................................................................................ 24
3.1.2 Tina para temple ................................................................................................ 26
3.1.3 Mesa antimagnética de PTR y Mesa de soporte para estación remota para el
sistema de calentamiento. ........................................................................................... 27
Mesa de soporte para estación remota de la marca RDO induction L. L. C. ... 28
3.1.4 Adaptación para la sujeción de pirómetro óptico de cuatro ejes. ...................... 30
3.2 Análisis experimental de esfuerzos. ......................................................................... 35
2
3.3 Análisis modal .......................................................................................................... 35
3.4 Modos de vibración en la estructura modelada. ....................................................... 36
3.4.1 Primer modo de vibración. ................................................................................. 37
3.4.2 Segundo modo de vibración .............................................................................. 38
3.4.3 Tercer modo de vibración .................................................................................. 39
3.4.4 Cuarto modo de vibración .................................................................................. 40
3.4.5 Quinto modo de vibración ................................................................................. 42
3.5 Diseño, selección de materiales y análisis estático de esfuerzos del sistema de
sujeción del pirómetro óptico de cuatro ejes. ................................................................. 43
3.5.1 Especificaciones técnicas. .................................................................................. 43
3.5.2 Análisis y selección de materiales. .................................................................... 43
3.5.3 Partes componentes del diseño. ......................................................................... 46
3.5.4 Estudio del comportamiento de la estructura. .................................................... 47
CAPITULO 4 ................................................................................................................ 54
RESULTADOS. ............................................................................................................ 54
CONCLUSIONES ........................................................................................................ 58
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................ 59
3
RESUMEN
El modernizado, instrumentado y automatizado de una máquina de torsión en caliente
marca SETARAM con funcionamiento completamente manual a través de interruptores
y contactos, es para fortalecer la actividad de investigación, avance del conocimiento y
actividades de enseñanza, así como también, para el desarrollo de proyectos de talla
internacional, en especial en el área del comportamiento plástico de los materiales
metálicos. El equipo nos permitirá la programación de ensayos de torsión a altas
temperaturas y la realización automática de varios ciclos de deformación. Así como
también, la simulación de deformaciones sucesivas que se realizan por fases de torsión
sucesivas con intervalos de pausa (bloqueando la probeta por medio del freno
magnético). La amplitud de la deformación y el tiempo de pausa se regulan
individualmente, fase a fase. La velocidad de deformación es variable de una operación
a la otra: Incrementándola progresivamente, se podría simular un incremento en la
velocidad. Su funcionamiento es para estimular, esencialmente al personal investigador
en formación o de becarios que estén realizando su trabajo. Estos tienen oportunidad de
familiarizarse y aprender estas técnicas y de realizar sus ensayos en las condiciones que
la investigación que realizan requiera. Para ello se realizó un diagnóstico general en la
máquina de torsión y fue necesario sustituir componentes (algunos fueron rehabilitados
o rediseñados), y equipos auxiliares para tener un Sistema de Ensayos de Torsión a
Altas Temperaturas, que permita el manejo automático de los datos desde un
computador personal, aumentando su capacidad y productividad y haciendo plenamente
confiables los resultados de los ensayos de torsión a altas temperaturas. El trabajo de
esta tesina consistió en la realización de los diseños y fabricación de algunos
componentes de la máquina de torsión en caliente: tina para temple, mesa antimagnética
PTR, mesa de soporte para estación remota, sistema de sujeción de pirómetro óptico de
cuatro ejes y utilajes de acero inoxidable para la sujeción de algunos de estos equipos
auxiliares, esto es construido en base a las especificaciones que se requieren, tomando
en cuenta el diseño se prosiguió a desarrollar el análisis estático y modal, en donde los
resultados obtenidos fueron apropiados para el desarrollo de cada pieza, este se realizo
con un programa de elemento finito ANSYS. Así mismo se realizó la selección de los
materiales adecuados tomando en cuenta el costo para su fabricación. Es importante
destacar que esto es el resultado de una de las etapas necesarias para la modernización,
instrumentación y automatización del sistema de torsión a altas temperaturas.
4
ABSTRAC
The modernizing and automating implemented a hot-torsion machine brand SETARAM
with full manual operation through switches and contacts, is to strengthen the research
activity, advance knowledge and teaching activities, as well as for the development of
projects of international stature, especially in the area of the plastic behavior of metallic
materials. The equipment allows us programming to torsional tests at high temperature
and automatically carrying out several cycles of deformation. As well as the
deformation simulation carried out by phases of torque successive with pause intervals
(blocking the specimen through magnetic brake). The amplitude of the deformation and
break time are regulated individually, phase to phase. The strain rate is variable from
one operation to the other: increasing it gradually, one could simulate an increase in
speed. It operation is to stimulate, essentially research trainees or fellows who are doing
their work. They have an opportunity to familiarize and learn these techniques and to
perform their tests under conditions that do require investigation. For this general
analysis was performed on the machine torque and needed replacing components (some
were rehabilitated or redesigned), and auxiliary equipment for a Torsion Test System at
High Temperatures, enabling automatic handling of data from a personal computer,
increasing its capacity and productivity by fully reliable and the results of torsion tests
at high temperatures. The work of this thesis consisted the design and manufacture of
some components of the hot torsion machine: tub for tempering , PTR-magnetic table,
support table for remote station, the fastening system of four-axis optical pyrometer and
stainless steel components for clamping some of these auxiliary equipment, this is
constructed based on the specifications required, taking into The design has continued
to develop static and modal analysis, where the results obtained were suitable for the
development of each piece, this was done with a finite element program ANSYS. It was
also made the selection of suitable materials taking into account the cost for
manufacturing. Importantly, this is the result of one of the steps needed to modernize,
instrumentation and automation of torsion system at high temperatures.
5
CAPITULO 1
1.1 Descripción del problema
La falta de equipamiento científico-tecnológico en las instituciones no hace posible el
desarrollo de la actividad de investigación, avance del conocimiento y actividades de
enseñanza, es una herramienta necesaria para la investigación y se ha convertido en una
de las principales fortalezas de las instituciones, así como también, para el desarrollo de
proyectos de talla internacional. Para ello se está modernizando la máquina de torsión
en caliente con la sustitución e incorporación de algunos componentes y equipos
auxiliares y la instrumentación necesaria, con la finalidad de sistematizarla de tal forma
que permita el manejo automático de los datos desde un computador personal,
aumentando su capacidad y productividad y haciendo plenamente confiables los
resultados de los ensayos de torsión que debe cumplir el equipo, lo cual generará
proyectos futuros y servicios al sector industrial bajo las normas Internacionales de
Calidad.
1.2 Objetivos
Diseño de piezas y construcción de componentes de una máquina de torsión en caliente
para realizar ensayos de torsión.
1.3 Objetivos particulares
Diseño de piezas y componentes para una máquina de torsión en caliente.
Estudio de fuerzas, tensiones y desplazamientos mediante análisis de elemento
finito (ANSYS), para comprobar el correcto funcionamiento de las piezas
diseñadas.
Análisis y selección de materiales para los elementos diseñados.
Construcción de piezas mecánicas diseñadas.
6
1.4 Introducción
La máquina de torsión en caliente para realizar ensayos de torsión a altas temperaturas
fue donada por la UAM Azcapotzalco a la SEPI ESIME Azcapotzalco, actualmente se
encuentra ubicada en el laboratorio de ingeniería de materiales de la SEPI. La máquina
de torsión en caliente marca SETARAM tiene una antigüedad aproximada de 40 años
por lo que algunos de sus componentes principales se encontraron en mal estado y
módulos analógicos grandes y poco eficientes. En México se adquirieron desde finales
de la década de 1970 dos equipos para la realización de ensayos de torsión en caliente
en materiales metálicos. En la compra del equipo no se adquirieron las opciones de
instalación, paquete con accesorios para la instalación y la puesta a punto del equipo,
por lo cual el equipo no fue instalado correctamente.
Se realizó un diagnóstico general a la máquina de torsión para conocer su estado físico.
Además se realizó un análisis en cada uno de los componentes de la máquina de torsión:
mecánicos, eléctricos, neumáticos, hidráulicos, electrónicos, cables etcétera. Para ello
fue necesario el remplazo y rediseño de componentes en el equipo de torsión que fueron
entregados en este trabajo.
Es importante mencionar que la meta principal de la modernización y automatización de
la máquina de torsión a altas temperaturas es para realizar ensayos de torsión a
temperaturas elevadas, ya que es un ensayo sencillo y eficaz para simular los procesos
de conformado mecánico en caliente de metales y aleaciones en condiciones de
laboratorio que permite un control muy estricto de las variables de la deformación
(como temperatura, velocidad de la deformación, deformación, etcétera), reproduce
fielmente la evolución microestructural desarrollada en la laminación en caliente.
También nos permite obtener valores de deformaciones muy elevados donde no se
presenta el fenómeno de la estricción (típica en los ensayos de tracción), a velocidad
constante no aparecen fricciones parásitas que inciden sobre la plasticidad del metal.
Bajo ciertas condiciones de temperatura y velocidad, la regeneración del material puede
ser tan rápida que es posible alcanzar deformaciones ilimitadas y por tanto la probeta no
se fractura. En el ensayo la deformación es unidimensional (corte simple), lo cual
facilita la interpretación teórica. Aun cuando la deformación varía a lo largo del radio de
la probeta, permanece uniforme a lo largo de la longitud de la probeta, y se mantiene un
gradiente de temperatura lo más bajo posible, entonces el ensayo puede considerarse
isotérmico. Este equipo constituirá un gran aporte científico en el IPN.
7
1.5 Justificación
La demanda de equipos científicos requiere de grandes inversiones para desarrollar
tareas de investigación relacionadas con el comportamiento plástico de materiales
metálicos que nos permite a la comunidad investigadora el acceso a nuevas fronteras de
conocimiento. Para ello es fundamental la modernización de la máquina de torsión en
caliente con la sustitución e incorporación de algunos componentes y equipos auxiliares
y la instrumentación necesaria, con la finalidad de sistematizarla de tal forma que
permita el manejo automático de los datos desde un computador personal, aumentando
su capacidad y productividad y haciendo plenamente confiables los resultados de los
ensayos de torsión que debe cumplir el equipo, lo cual generará proyectos futuros y
servicios al sector industrial bajo las normas Internacionales de Calidad.
8
CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO.
2.1 Ensayo de torsión.
Como se ha mencionado anteriormente en este equipo se realizan ensayos de torsión, ya
que es un ensayo sencillo y eficaz para simular los procesos de conformado mecánico
en caliente de metales y aleaciones en condiciones de laboratorio que permite un control
muy estricto de las variables de la deformación (como temperatura, velocidad de la
deformación, deformación, etcétera), reproduce fielmente la evolución microestructural
desarrollada en la laminación en caliente. También nos permite obtener valores de
deformaciones muy elevados donde no se presenta el fenómeno de la estricción (típica
en los ensayos de tracción), a velocidad constante no aparecen fricciones parásitas que
inciden sobre la plasticidad del metal. Bajo ciertas condiciones de temperatura y
velocidad, la regeneración del material puede ser tan rápida que es posible alcanzar
deformaciones ilimitadas y por tanto la probeta no se fractura. En el ensayo la
deformación es unidimensional (corte simple), lo cual facilita la interpretación teórica.
Aun cuando la deformación varía a lo largo del radio de la probeta, permanece uniforme
a lo largo de la longitud de la probeta, y se mantiene un gradiente de temperatura lo más
bajo posible, entonces el ensayo puede considerarse isotérmico. Su desventaja es que la
deformación a lo largo del radio de la probeta no es homogénea, por lo cual debe
tenerse cuidado en la interpretación de los datos y las microestructuras resultantes.
El ensayo de torsión se lleva a cabo por la deformación en condiciones de corte de una
probeta de acero cilíndrico, la cual se calienta a una temperatura programada por
inducción eléctrica. Para evitar la oxidación de la probeta se protege dentro de un tubo
de cuarzo con una atmosfera de gas inerte. Uno de los extremos de la probeta se sujeta a
la mordaza del cabezal del motor, mientras que el otro extremo se deja libre hasta
segundos antes del inicio del ensayo para sujetarlo a un cabezal fijo donde se localiza el
sensor piezoeléctrico que mide el ángulo de giro.
Figura 2.1 Ensayo de torsión en caliente mostrado desde una vista superior
9
De esta manera la probeta fija al cabezal del motor girara a las revoluciones por minuto
(rpm) del mismo programadas (equivalente a la velocidad de deformación) por un
determinado número de giros (equivalente a la deformación), obteniéndose una
determinada respuesta de par de torsión (equivalente al esfuerzo). La curva resultante se
presenta en el monitor de la computadora.
El principio de la conversión de las magnitudes del ensayo de torsión a magnitudes
generalizadas depende del principio de equivalencia, el cual señala que: Si dos metales
con idéntica composición química y microestructura inicial se someten en un periodo de
tiempo dado a las mismas leyes de deformación generalizada y temperatura, sus estados
en cualquier momento serán idénticos, cualquiera que sea el proceso de deformación
aplicado (conformado mecánico).
Para la probeta de ensayo: los extremos se sujetan de tal manera que la longitud útil de
la probeta no varía durante el ensayo y por lo tanto conserva su forma original, de tal
forma que la deformación local siempre corresponderá exactamente al movimiento
impuesto en su extremo libre y no dependerá de la reacción del metal. En los ensayos de
tracción, compresión o flexión, las dimensiones de la probeta cambian continuamente
durante la prueba, complicando la interpretación de resultados, las especificaciones de
la probeta de ensayo se muestran en la figura 2.2.
Fig. 2.2 Especificaciones de la probeta para ensayo en maquina de torsión en caliente.
Para la máquina: es muy simple la cinemática ya que el giro es aplicado a la probeta
por medio de una flecha de transmisión mecánica como parte de un sistema de
embrague y freno electromagnético. De esta manera el número de vueltas aplicado no
está limitado más que por las propiedades del material a la fractura.
La forma constante de la probeta permite valores de deformación elevados ya que no se
presenta el fenómeno de la estricción, típica en los ensayos de tracción. Bajo ciertas
condiciones de temperatura y velocidad, la regeneración del material puede ser tan
rápida que es posible alcanzar deformaciones ilimitadas y por lo tanto la probeta no se
fractura. En el ensayo la deformación es unidimensional (corte simple), lo cual facilita
la interpretación teórica.
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2.2 Sistema de torsión a altas temperaturas
La máquina de torsión en caliente se conforma de subsistemas y módulos, como se
muestra en el siguiente diagrama de flujo de la figura 2.3. Aquí se describe brevemente
cada una de los subsistemas y módulos con que está constituido el sistema de torsión a
altas temperaturas.
Figura 2.3 Diagrama de bloques de la interconexión entre los subsistemas del sistema de torsión
en caliente
En la figura 2.3 se muestra un esquema general de la máquina de torsión. Se describe
brevemente cada una de los subsistemas con que está constituido el sistema de torsión a
altas temperaturas.
Para la modernización del equipo se han utilizado las tecnologías de automatización y
control más modernas, lo cual configuran tecnológicamente un sistema de ensayos de
torsión a temperaturas elevadas como se muestra en figura 2.4, este sistema podrá ser
programado desde una computadora personal, que servirá como supervisora para los
distintos módulos del sistema y con ello programar los ensayos de torsión en caliente.
11
PIROMETRO
BOBINA Y
ESTACION DE
CALENTAMIENTO
HORNO DE INDUCCION
CONTROLADOR
DE TEMPERATURA
CONTROLADOR
DE VELOCIDAD
TRANSDUCTOR
DE TORQUE
Y FUERZA
BANCADA
MOTOR
TRANSMISION
EMBRAGUE Y
FRENOSTC PC
SISTEMA DE TORSION EN CALIENTE
(Esquema Gráfico)
Figura 2.4 Esquema General del Sistema de torsión a altas temperaturas.
2.2.1 Sistema Mecánico
El sistema mecánico se subdivide en:
a) Motor
b) Ventilador
c) Caja de engranes
d) Embregue y freno
En la tabla 1 se muestra las especificaciones del motor de imán permanente de CD.
Motor Mavilor Ibérica S.A.
Volts 220 VCD
RPM 3000
WATTS 4.3Kw(7.5 HP)
AMPERS 21
Tabla 1. Especificaciones del motor de imán permanente de CD.
La máquina de torsión en caliente está constituida por una bancada que soporta:
Un motor de corriente continua de 5kw de potencia nominal que esta acoplado a
un generador de impulsos óptico de 1200 puntos y de dinamo taquimétrico.
Una caja de transmisión de velocidades de relaciones 1/10 y 1/1.
Un freno-embrague electromagnético.
12
Una flecha de salida del freno-embrague, una mordaza equipada con un disco de
posición y un ensamble de detección optoeléctrico.
Un ensamble de medición de esfuerzos que porta una mordaza fija.
Todos estos componentes se montan sobre placas de soporte pudiendo deslizarse sobre
la bancada. El ventilador del sistema mecánico es independiente al motor y sirve como
un medio de enfriamiento del mismo, siendo su alimentación trifásica a 220 VCA.
La transmisión (caja de engranes) consta de dos velocidades, esto es, 1:1 y 1:1/10. La
aplicación del cambio de velocidad se debe hacer en forma manual y solo cuando el
motor este apagado o en su defecto, que este girando a una frecuencia muy baja (de
preferencia a menor a un Hertz). La caja de velocidades tiene acoplado un interruptor
limite que sensa la velocidad actual con que trabaja la caja de engranes.
Para realizar el embrague y frenado, se cuenta con un sistema mecánico basado en dos
bobinas, una para embrague y otra para freno, las cuales son energizadas con corriente
directa para lograr el efecto deseado de embrague y freno como muestra la fig. 2.5.
Figura 2.5 Sistema mecánico de la máquina de torsión en caliente
2.2.2 Sistema de acondicionamiento de la probeta.
El módulo de calentamiento por inducción proporciona la alimentación a una bobina de
inducción, entregando una alta corriente a una alta frecuencia de 50 a 450 KHz.,
logrando así el rango de temperaturas requeridas de 700 a 1300 .
2.2.2.1. Calentamiento por Inducción Electromagnética.
La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan
campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los
portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica
en el conductor. Cualquier dispositivo (batería, pila) que mantiene la diferencia de
potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.
13
La fuerza electromotriz ε (FEM) de una fuente se define como el trabajo realizado por el
dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son los
voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un
conductor, nos referimos a que aparece una FEM (llamada FEM inducida) de modo que
las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).
La explicación teórica del calentamiento por inducción se hace por la aplicación de las
leyes de inducción (ley de Faraday y ley de ampere) y del efecto joule, que es el efecto
de calentamiento que se produce cuando una corriente atraviesa una resistencia. Dentro
de este efecto se incluye también el calentamiento producido por las corrientes de
inducción, que se producen en el interior del conductor cuando es introducido a un
campo magnético variable. En primer lugar tememos que si aplicamos una corriente a
un conductor, este genera un campo magnético que cuya distribución viene dada por la
ley de Ampere.
∮ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ (1)
Dónde:
I es la corriente que circula por el conductor, N es el número de espiras, l es la longitud
del circuito y H es el campo magnético.
Si la corriente que aplicamos al conductor es variable en el tiempo, el campo que se
genera, también lo es y por tanto generara un flujo magnético cambiante. Aplicando la
ley de Faraday en un conductor sometido a un flujo magnético variable se generará una
fuerza electromotriz cuyo valor es
(2)
Donde es la FEM inducida, N el número de espiras y Ø el flujo del campo
magnético. Esta fuerza electromotriz inducida en el interior de conductor, generan una
corriente (corriente de inducción ó corriente de Foulcault) que es la responsable del
calentamiento, por efecto Joule:
Dónde P es la potencia disipada en la resistencia equivalente por la que circula la
corriente i. Todo este entramado es equivalente al funcionamiento de un transformador,
en el cual el primario es nuestra bobina de inducción, y el secundario es el elemento a
calentar, que es equivalente a una sola espira, cerrada con una resistencia, que es la
resistencia equivalente. Como se observa en la fig. 2.6.
14
Figura 2.6 Principio de funcionamiento del calentamiento por inducción electromagnética.
Este método de calentamiento se caracteriza por alcanzar altas temperaturas en un lapso
de tiempo muy corto y sus aplicaciones están relacionadas con los cambios de
propiedades de materiales. Los componentes básicos para comprender el
funcionamiento del sistema de calentamiento por inducción son:
a) Fuente de frecuencia de alta potencia
b) Estación remota de calentamiento
c) Modulo de enfriamiento
d) Bobina de inducción
e) Pieza de trabajo(probeta)
La fuente de potencia transmite corriente alterna por la bobina (donde es colocada la
probeta), actuando así los campos magnéticos a lo largo de la probeta donde aparecen
corrientes por efecto de la inducción en su interior, generándose calor puro en
cantidades precisas y localizadas sin que exista un contacto físico directo.
2.2.2.2 Equipo de calentamiento por inducción.
El módulo de calentamiento antiguo para la máquina de torsión se sustituyó por el
sistema de calentamiento de la marca RDO, modelo Flex Heat-Series Universal
Induction Heating System Flex Heat 5/8 KW. El Flex Heat 5/8 es una sistema de
calentamiento general para propósitos de inducción diseñado para trabajar con una gran
variedad de bobinas personalizadas. La unidad está controlada digitalmente a través de
un panel de control situado en la fuente de alimentación delantera. Ambos, la fuente de
alimentación y la estación de remota están encerrados en estuches compactos. Los
cables resistentes y flexibles son la interfaz de la fuente de alimentación con la estación
de calor. A continuación se enlistan los componentes de este sistema y se muestran las
especificaciones necesarias para realizar los diseños de alojamiento del sistema de
calentamiento.
15
2.2.2.3 Fuente de frecuencia de alta potencia para calentamiento de
inducción.
Normalmente recibe un voltaje de 380 a 400V, está a su vez es rectificada y regulada.
Luego alimenta el conversor de frecuencia, quien permite la generación del campo
magnético en el espiral. El equipo requiere de un sistema de enfriamiento, que circule
en todo el equipo (conversor de frecuencia) incluso por el la bobina para mantener una
temperatura estable dentro del equipo. En la figura 2.7 se muestra la fuente de
frecuencia de alta potencia para el calentamiento por inducción electromagnética.
Figura 2.7 Fuente de alimentación para sistema de calentamiento por inducción.
En la tabla 2 se muestran algunas características de la fuente de frecuencia de alta
potencia y las especificaciones a las cuales trabaja el equipo.
Especificaciones
Enfriamiento Refrigerado por agua de 1 Lpm
(0.25GPM)
Velocidad de flujo
mínimo requerido
Dimensiones del
módulo
W x D x H in/(mm)
17” x 21”x 15.7” (430 x 530 x 400)
Dimensiones máximas
sin asas
Peso 62 lb (28 kg)
Peso neto
Potencia máxima
Flex Heat 5 - 5.0 kW
Flex Heat 8 - 8.0 Kw
230 VAC entrada
(nominal)
Rangos de temperatura 32°F (0°C) to + 104°F (40°C)
-4°F (-20°C) to + 150°F (65°C)
Operación
Almacenamiento
Tabla 2. Especificaciones de fuente de alimentación.
16
2.2.2.4 Estación remota de la marca RDO induction L. L. C.
La estación remota posee una serie de capacitores de resonancia que tienen por finalidad
ajustar la frecuencia y/o el voltaje de operación a la aplicación y material particulares.
Las estaciones de calentamiento son enfriadas por circulación de agua. Las terminales
de conexión eléctrica y de agua de enfriamiento van conectadas a la bobina de
inducción para poder calentar la probeta de ensayo, esta a su vez es enfriada por agua
por medio del sistema de enfriamiento para mantener una temperatura estable como
podemos observarlo en la Figura 2.8. La tabla 3 muestra algunas de las especificaciones
más importantes de la estación remota.
Figura 2.8 Estación remota para sistema de calentamiento por inducción
Especificaciones
Enfriamiento
Refrigerado por agua de
4,5 Lpm (1,2 GPM )
Velocidad de flujo mínimo
requerido
Dimensiones del modulo
W x D x H in/(mm)
21,1” x 17,3” x 10,4” (537
x 440 x 265)
Dimensiones máximas sin
bobina
Peso
55 lb (25 kg)
Peso neto
volts de salida
600 V
Max (dependiendo de la
tapa del tanque
Nota)
Tabla 3. Especificaciones de estación de calor.
17
2.2.2.5 Módulo de enfriamiento
Para lograr un enfriamiento eficiente dentro de la máquina de torsión se utiliza un
enfriador tipo chiller, que es un sistema basado en un radiador y una bomba para la
recirculación del fluido refrigerante. Se le introducen seis galones de agua destilada
como elemento enfriador manteniendo así a los transistores, transformadores, módulo
de potencia y a la bobina de inducción en una temperatura menor a 20 con una
presión entre 40 a 60 psi y un flujo de 5.7 LPM. Este elemento es de la marca RDO
induction L. L. C. como se muestra en la figura. 2.9.
Figura 2.9 Módulo de enfriamiento
2.2.2.6 Bobina de inducción.
Normalmente está fabricado con tubos de cobre enfriados por agua, normalmente de
diámetros entre 1/8” y 3/16”, y el tamaño y la forma del mismo dependen de la pieza a
calentar y de las variables del proceso particular. Un adecuado diseño del espiral es
crítico para logra un perfil de calentamiento apropiado y una máxima eficiencia de la
energía consumida, sin sacrificio de la facilidad de inserción y extracción de la pieza a
trabajar.
La bobina de inducción es un diseño especial para trabajar a altas temperaturas y está
fabricada de cobre electrolítico. En la figura 2.10 se puede observar el diseño, las
especificaciones y dimensiones de la bobina usado para el calentamiento por inducción
electromagnética.
18
Figura 2.10 Especificaciones de la bobina de inducción electromagnética.
2.4.2.6 Pirómetro óptico
Para efecto de aplicación en la maquina de torsión en caliente, el método mas seguro
para la medición de temperatura es por radiación térmica. Por no tener contacto con el
objeto lo hace más confiable en cada proceso de ensayos de torsión, específicamente el
de pirometría óptica.
Con el pirómetro óptico se mide la temperatura de la superficie mediante el color de
radiación emitida. Conforme se calienta la superficie también cambia el color, en
general de color rojo oscuro, luego naranja y por ultimo blanco.
En cuanto al sensado de la temperatura de la probeta, se cuenta con un pirómetro óptico
de doble espectro de la marca Raytek, el cual es utilizado para la medición de altas
temperaturas donde no es recomendable o no es posible el contacto con la fuente de
calor. Su principio se basa en medir radiación térmica de un objeto (zona infrarroja del
espectro de frecuencia) en longitudes de onda muy cercanas, el pirómetro óptico de dos
colores determina el valor de la temperatura que tiene el cuerpo dado, en base a la
cantidad de energía emitida en una banda cercana de la segunda longitud de onda, las
figuras 2.11 y 2.12 presentan una vista del pirómetro óptico utilizado.
19
Figura 2.11 Pirómetro óptico
Figura 2.12 Caratula de medición del pirómetro óptico
El sistema de calentamiento por inducción electromagnética se encarga de calentar la
probeta hasta una temperatura específica para posteriormente poder realizar el ensayo
de torsión a altas temperaturas. Los componentes básicos de un sistema de
calentamiento por inducción son: la fuente de frecuencia de alta potencia, la estación
remota, módulo de enfriamiento, pirómetro óptico y bobina de inducción.
2.3 Selección de materiales para diseño.
En este trabajo se desarrolló el diseño y fabricación de los componentes arriba
mencionados. Para ello es de suma importancia la selección de los materiales. El
proceso de selección de materiales para aplicaciones de diseño puede ser mejorado
usando un diagrama de flujo como se muestra en la figura 2.13 donde se observan las
interrelaciones entre las propiedades de los materiales, la geometría de diseño y
procesos de fabricación.
En la figura 2.14 se muestra un diagrama de flujo más detallado para su uso en la
selección del material, para ello es fundamental determinar en primer lugar la
aplicación y la configuración (forma) de la estructura o el montaje. Los problemas
ambientales que la estructura encontrara durante el transporte, almacenamiento y
servicio son entonces identificados. Por último, una base de datos de material de
20
propiedad integral se desarrolla, que incluye las propiedades mecánicas y resistencia a
la corrosión requeridos para obtener un rendimiento óptimo bajo las condiciones de
operación esperados de los diseños. Estas propiedades incluyen:
Resistencia a la tracción
0,2% de compensación para el limite elástico
Resistencia al impacto
Dureza
Resistencia a la fractura
La corrosión y resistencia al desgaste
Peso (este factor es muy importante para los vehículos de aire, tierra y mar)
Figura 2.13 Relación entre las propiedades del material, la geometría del diseño y las
características de fabricación.
Una vez que estos parámetros iniciales se definen y los datos son recogidos, el ingeniero
de diseño construye una lista del material candidato más adecuado donde el mejor
material es elegido para la aplicación estructural específica.
Esta lista incluye la fabricación y las prácticas de aseguramiento de calidad aplicadas
durante la fabricación de cada material candidato, porque la garantía de fabricación y la
calidad tienen una influencia significativa en las propiedades del material y en el costo
del producto final.
21
Figura 2.14 Diagrama de flujo del proceso de selección de materiales.
Aquí se puede determinar el mejor material para la aplicación deseada, basado en el
costo de cada material candidato. Farag se ha ocupado de estos aspectos de la selección
de materiales mediante la comparación de los costos de los diversos materiales de
ingeniería metálicos, no metálicos y materiales compuestos. Las figuras 2.15 y 2.16
ilustran los datos de costos comparativos para los materiales de construcción, utilizando
el costo del acero al carbono laminadas en caliente como una base.
22
Figura 2.15 Comparación de materiales de ingeniería en base del costo por unidad de volumen
relativo comparado con el costo del acero rolado en caliente.
Figura 2.16 Comparación de materiales de ingeniería en base al costo por unidad de peso
relativo comparado con el costo del acero rolado en caliente.
En la figura 2.17 se observa un diagrama donde se muestra densidad vs esfuerzo a la
cedencia máximo para la selección del material adecuado.
23
2.17 Diagrama esfuerzo a la cedencia vs densidad
Las decisiones finales de selección de materiales deben basarse en la totalidad de los
datos recogidos en el transcurso de la toma de decisiones. Los factores de selección de
materia prima se enumeran a continuación se debe utilizar en todos los casos en que
debe ser una decisión tomada a favor o en contra de la selección de un material
estructural.
• Requisitos funcionales y restricciones
• Propiedades mecánicas
• Diseño de configuración
• Los materiales disponibles y alternativas
• Fabricabilidad
• La corrosión y resistencia a la degradación
• Estabilidad
• Propiedades de interés único
• Costo
.
24
CAPITULO 3
DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.1 Diseño de elementos mecánicos para máquina de torsión en caliente
Para el diseño de los componentes de este trabajo se realizó primero un diagnóstico
general de la máquina de torsión en caliente para determinar que componente debían ser
sustituidos o rehabilitar elementos obsoletos, así como agregar equipos auxiliares para
su modernización y automatización con tecnologías de automatización y control más
modernas, lo cual configuran tecnológicamente un Sistema de Ensayos de Torsión a
Temperaturas Elevadas que podrá ser programado desde una computadora que servirá
como supervisora para que los distintos módulos de control del sistema y con ello
programar los ensayos de torsión a alta temperatura. Posteriormente se realizó una
inspección más profunda para conocer el estado físico del equipo, para poder efectuar
un análisis de cada uno de los componentes mecánicos de la máquina de torsión en
caliente. De esta manera se obtuvo un diagnostico real de la situación de la misma, a
partir de la cual se realizara una rehabilitación o sustitución de aquellos elementos y/o
sistemas que tengan daño o estén obsoletos. En este trabajo se diseñaron y fabricaron
los siguientes componentes de la máquina de torsión:
1. Palanca de sujeción
2. Tina para temple
3. Mesa antimagnética PTR
4. Mesa de soporte para estación remota
5. Sistema de sujeción de pirómetro óptico de cuatro ejes
Con la ayuda del software auto CAD se diseñaron estos componentes. A continuación
se describirá cada elemento detallando las dimensiones y especificaciones necesarias
para su fabricación.
3.1.1 Palanca de sujeción
La máquina tiene dos palancas de sujeción, que sirven de punto de apoyo para poder
mover un carro dentro de una guia en la maquina de torsion. Cabe señalar que
solamente servía una de las palancas y fue necesario diseñar y fabricar la faltante.
El diseño desarrollado fue en base a la palanca que sirve de apoyo para mover el carro
dentro de una guia de la máquina de torsión, se midio por medio de un cuenta hilos la
cuerda de la palanca para ensamblarse a la máquina con facilidad, en la siguientes
figuras 3.1 y 3.2 podeos observar las dimenciones finales del diseño para su fabricación.
25
Figura 3.1 Diseño de palanca de sujección.
Figura 3.2 Detalles del diseño de palanca de sujeción.
26
3.1.2 Tina para temple
Este componente se usa para recoger el agua usada en la de prueba de tratamiento
térmico de la probeta. La tina para temple es uno de los componentes faltantes dentro de
la máquina de torsión por ello se presto mucha atención en sus dimensiones y
especificaciones finales. Para su fabricación se utilizo acero inoxidable 316 ya que sus
propiedades anticorrosivas son adecuadas para el diseño, ya que será expuesto a agua
proveniente de la prueba de tratamiento térmico.
Figura 3.3 Diseño de tina para temple.
Las especificaciones para su diseño son:
La tina tiene medidas de 33 cm de largo por 19.2 de ancho y una altura de 9.5 cm,
medidas necesarias para asegurarnos que el agua no caerá fuera del contenedor y
reducir espacio aprovechable como podemos ver en la figura 3.2.
Barreno central con 4 pendientes y un ángulo de 5 grados para asegurarnos que el
agua no quede estancada y pueda fluir libremente hacia la tubería de desagüe, en la
parte inferior del barreno se colocó un redondo de 1.5 cm de largo por 2 cm de
diámetro para posteriormente poder colocar una manguera que sirva para poder
evacuar el agua que se deposite en la tina
Dos aletas soldadas en la parte frontal con un barreno de ½ pulgadas para poder
aprovechar 2 barrenos que ya se encontraban en la máquina. Con esto nos
aseguramos que no tendrá ningún movimiento ya que estará fija en la estructura de
la máquina.
27
Pata en forma de L en la parte trasera de la tina para evitar que el peso se cargue
hacia la parte trasera.
Material seleccionado: Para la fabricación de la tina se utilizó una lámina de 1/8 de
acero inoxidable 316. En figura 3.3 se muestra el esquema del diseño con las
especificaciones mencionadas de la tina para las pruebas de temple.
3.1.3 Mesa antimagnética de PTR y Mesa de soporte para estación remota
para el sistema de calentamiento.
Para la modernización y automatización del equipo de torsión en caliente se obtuvieron
nuevos equipos de inducción para realizar el ensayo de torsión a altas temperaturas, es
por ello que fue necesario diseñar nuevos elementos para alojar el nuevo equipo
adquirido.
Estos componentes sirven para soportar la fuente de frecuencia de alta potencia para
calentamiento de inducción y el recirculador de agua de la marca RDO induction L. L.
C., Cabe señalar que este equipo sustituye al módulo de calentamiento original.
Figura 3.4 Diseño de mesa antimagnética PTR.
28
Especificaciones del diseño:
Medidas: 69 cm de largo por de 50.5 cm de ancho con una altura de 74 cm.
Estructura antimagnética, ya que el equipo de frecuencia de alta potencia para
calentamiento, genera un campo magnético que sería perjudicial para la estructura si
se fabricara de un material magnético.
Fabricado con PTR de acero inoxidable de 1x1 pulgadas y servirá para alojar la
fuente de frecuencia de alta potencia para calentamiento de inducción y recirculador
de agua de la marca RDO induction L. L. C.
. El diseño final con sus respectivas especificaciones se puede observar en la figura 3.4.
Mesa de soporte para estación remota de la marca RDO induction L. L. C.
Esta mesa servirá para alojar la estación remota de la marca RDO induction es por ello
que se necesitan medidas exactas, ya que será el lugar donde se coloque la bobina de
inducción. A continuación se presentan las especificaciones finales del diseño.
Especificaciones del diseño:
Esta estructura fue pensada en un principio para que fuera una ménsula fijada a la
bancada de la maquina donde se alojaría la estación remota, en ese diseño inicial se tuvo
muchas dificultades con respecto al espacio a la hora de fijarlo debido a que no se
tomaron en cuentan todos los componentes que formarían parte del sistema, por lo que
se tuvo que hacer un trabajo de reingeniería para arreglar el problema y poder utilizar la
estructura que ya se había fabricado.
4 barrenos en la parte superior de la estructura para fijar la estación remota para
evitar algún movimiento y se pueda caer.
4 patas de PTR de 1x1 pulgadas soldadas a la ménsula, para evitar que las patas
pudieran abrirse con el peso se colocó un cinturón en la parte inferior para
asegurarnos de que mantuvieran la rigidez necesaria.
El diseño final se observa en la figura 3.5 con sus respectivas especificaciones.
29
Figura 3.5 diseño de Mesa de soporte para estación remota
Barras de sujeción :
Figura 3.6 diseño detalle de barra de sujeción
30
Otro inconveniente que se presento fue que la estructura no estaba fija con ningún
elemento, lo que conllevaría a que la estructura estuviera en peligro de moverse y salir
de la posición continuamente, por lo que se decidió por medio de unas barras de
sujeción anclar la estructura de las patas a la bancada para evitar movimiento. El detalle
de las barras de sujeción se puede observar en la figura 3.6
3.1.4 Adaptación para la sujeción de pirómetro óptico de cuatro ejes.
El pirómetro original era muy viejo, por esto se decidió sustituirlo por un pirómetro
óptico marca Raytek maratón series, así que fue necesario ajustarlo en la estructura
original remplazando al antiguo pirómetro solo que las medidas del nuevo pirómetro
eran muy diferentes por esto se tuvo que diseñar un nuevo sistema de ensamble con una
característica especial de movimiento sobre cuatro ejes diferentes, para poder posicionar
adecuadamente y a voluntad distancias y enfoques requeridos sobre la probeta.
Para este diseño se encontraron varios problemas que restringían el diseño de la
estructura como eran: la distancia entre el pirómetro y la probeta, el espacio útil
disponible, el movimiento sobre diferentes ejes, el tamaño del pirómetro.
La primera restricción sobre el diseño y en la que prestamos mayor atención debido a su
importancia, ya que influiría directamente con los resultados obtenidos en el ensayo de
torsión es la distancia que se requería entre el lente del pirómetro y la superficie de la
probeta, según especificaciones del pirómetro óptico la distancia mínima de medición
debía estar entre un rango de 25 a 27 cm con un ángulo de inclinación de 45°. Para ello
se sacaron las mediciones correspondientes de la máquina de torsión y con ayuda del
programa AUTO CAD 2011 se obtuvieron las medidas necesarias para cada una de los
diferentes componentes del sistema de sujeción tomando en cuenta el ángulo adecuado
de enfoque mencionado anteriormente.
El segundo problema que se presento fue como se sujetaría el pirómetro a la estructura,
fue una decisión difícil ya que el tamaño y la forma del pirómetro nos hiso imposible
diseñar un sistema de una sola pieza así que se generaron dos piezas de ensamble que
pudieran sostener al pirómetro, este presenta una parte que se ensambla por medio de
una rosca así que aprovechamos esta pieza para introducir la primera pieza del diseño
figura 3.7 después se ensambla la segunda pieza figura 3.8 y se atornilla para ensamblar
la estructura.
31
Figura 3.7 Primera pieza de sujeción del pirómetro
Figura 3.8 Segunda pieza de sujeción del pirómetro óptico.
32
Lo siguiente fue diseñar las estructuras necesarias para que el pirómetro se pudiera
mover sobre cuatro ejes diferentes. El tercer componente del sistema es una estructura
en forma de Y como puede observarse en la figura 3.9 que será colocada sobre la
estructura del pirómetro anterior, este componente nos ayudara a obtener el movimiento
ascendente-descendente según se requiera sobre el eje “y”.
Para lograr este movimiento se barreno dos correderas de 8 cm de juego sobre cada
aleta lateral de la estructura, para sujetar y ajustar la altura se usara un torillo de una
pulgada, adecuado para soportar el peso del pirómetro óptico y evitar algún desgaste por
fatiga y darle una vida útil más larga a nuestro sistema de sujeción.
Figura 3.9 Elemento de movimiento en el eje Y del sistema de sujeción del pirómetro óptico.
El siguiente diseño es una estructura con dos partes rectangulares en cada lado con una
corredera de 8 cm que servirá para realizar el movimiento enfrente-atrás sobre el eje “z”
unido por una barra circular de 2 cm de diámetro con la cual se obtendrá un movimiento
lateral izquierda-derecha sobre el eje “x”. Para lograr que la barra quedara rígida y no
tuviera algún movimiento, se colocaron dos seguros truack para evitar que la barra se
recorriera o pudiera salirse de su posición.
33
Figura 3.10 sistema de movimiento en el eje” x” y “z” de la estructura del pirómetro óptico.
Figura 3.11 Cubo de ensamble y movimiento en el eje x
34
Ahora solo queda el diseño del cuarto movimiento, este es un movimiento de rotación
para ajustar el ángulo adecuado que de acuerdo a las especificaciones es de 45°, para
ello se diseñó un pequeño cubo que será insertado dentro de la barra para que pueda
girar a voluntad, con dos tornillos de ajuste pueda ser apretado y mantener la posición
adecuada y así poder obtener el ángulo adecuado.
Este cubo de paso servirá de sistema para ensamble para unir los sistemas de
movimiento y el sistema de sujeción del pirómetro. El diseño final se puede observar en
la figura 3.11
Figura 3.12 Estructura del pirómetro en 3D.
En la figura 3.12 podemos observar el modelo en 3D de la estructura de sujeción para el
pirómetro óptico. Esta estructura fue diseñada especialmente para que el pirómetro
pudiera tener un desplazamiento sobre 4 ejes diferentes y así poder ajustar y modificar
el enfoque del pirómetro asía la probeta de ensayo.
Esta estructura tiene un movimiento arriba-abajo sobre el eje “y”, un movimiento lateral
izquierda-derecha sobre el eje “x”, un movimiento enfrente-atrás sobre el eje “z” y un
movimiento rotacional sobre el eje x. Esta estructura como se mencionó anteriormente
fue fabricada en acero inoxidable.
35
3.2 Análisis experimental de esfuerzos.
El método de elemento finito permite analizar tensiones, fuerzas y desplazamientos a
los que están sometidos los diseños correspondientes con el objeto de comprobar el
correcto diseño de las estructuras y predecir posibles fallas.
A continuación se analiza mediante elemento finito (ANSYS), la estructura de sujeción
del pirómetro óptico y la mesa de soporte para estación remota, se lleva a cabo un
análisis estático y modal para ver cómo se comportan estas estructuras al aplicarles una
carga determinada.
3.3 Análisis modal
Análisis modal del diseño de la Mesa de soporte para estación remota de la marca
RDO induction L. L. C.
A la estructura del diseño de la mesa de soporte para estación remota se le realizó un
análisis modal donde se analiza la frecuencia natural con ayuda del software ANSYS
para análisis de esfuerzos. Se analizaron 5 modos diferentes de vibración para esto se
seleccionó un elemento tipo Shell 63 y los resultados se muestran en las siguientes
figuras. La estructura estará fue fabricada de acero inoxidable 316 cuyas propiedades
mecánicas son las siguientes:
E= 210x109 N/m
2
RP= 0.29
Figura 3.13 Vista de la estructura de la mesa soporte modelada en ANSYS con sus respectivos
apoyos y cargas aplicadas.
36
La estructura tiene cuatro apoyos en sus diferentes patas, solo se restringe el
movimiento en el eje “y”. También tiene apoyos en las barras frontales donde tiene una
restricción de movimiento total ya que estas barras irán atornilladas y empotradas a la
bancada y esto no permitirá su movimiento.
A la estructura se le aplicaron cargas distribuidas en toda el área de la parte superior de
100 N como se puede observar en la figura 3.12.
Figura 3.14 Mallado de la estructura y aplicación de la carga correspondiente (área roja)
3.4 Modos de vibración en la estructura modelada.
Al diseño de la estructura de la Mesa de soporte para estación remota se realizó un
análisis modal con 5 diferentes modos de vibración para analizar su comportamiento,
estos diferentes modos de vibración se presentan a continuación.
37
3.4.1 Primer modo de vibración.
Figura 3.15 Vista en isométrico del primer modo de vibración.
Figura 3.16 Vista lateral del primer modo de vibración
En las figuras 3.15, 3.16 y 3.17 podemos observar el primer modo de vibración, aquí se
observa que el movimiento es de forma lateral y el mayor desplazamiento en la
estructura se encuentra en las patas traseras de la estructura, lo cual es lógico ya que la
estructura será empotrada en la parte frontal y aquí es donde se presenta la menor
deformación.
38
Figura 3.17 Vista superior del primer modo de vibración
3.4.2 Segundo modo de vibración
Figura 3.18 Vista isométrica del segundo modo de vibración
39
Figura 3.19 Vista lateral del segundo modo de vibración.
En la figura 3.18 y 3.19 podemos observar el movimiento del segundo modo de
vibración, este movimiento solo afecta la parte frontal de la estructura donde la mayor
deformación se observa en la parte frontal de las barras de sujeción inferior.
3.4.3 Tercer modo de vibración
Figura 3.20 Vista en isométrico del tercer modo de vibración
40
Figura 3.21 Vista inferior del tercer modo de vibración.
En la figura 3.20 y 3.21 podemos observar el movimiento del tercer modo de vibración,
este movimiento es parecido al modo de vibración dos solo que en este modo de
vibración se presenta un movimiento asía enfrente y asía atrás e igualmente que en el
movimiento numero dos la mayor deformación se presenta en las barras de sujeción
inferiores.
3.4.4 Cuarto modo de vibración
Figura 3.22 Vista en isométrico del tercer modo de vibración.
41
Figura 3.23 Vista lateral del cuarto modo de vibración.
Figura 3.24 Vista superior del cuarto modo de vibración.
En las figuras 3.22, 3.23 y 3.24 se muestran el cuarto modo de vibración, aquí los
movimientos nos son uniformes en una sola dirección, se observa que los movimientos
tienen un cierto ángulo y los mayores desplazamientos se localizan en las patas traseras
de la estructura principalmente en las partes inferiores.
42
3.4.5 Quinto modo de vibración
Figura 3.25 Vista en isométrico del quinto modo de vibración
Figura 3.26 Vista lateral del quinto modo de vibración
En las figuras 3.25 y 3.26 se observa el movimiento del quinto modo de vibración,
donde se aprecia que las máximas deformaciones se encuentran en las patas delanteras
de la estructura, el movimiento de vibración es de un modo lateral con una intensidad
mayor en la parte superior y la parte inferior sobre la estructura.
43
3.5 Diseño, selección de materiales y análisis estático de esfuerzos del
sistema de sujeción del pirómetro óptico de cuatro ejes.
Al sistema de sujeción de pirómetro óptico de cuatro ejes se realizó un análisis estático
donde se analizaron los desplazamientos máximos y los esfuerzos críticos, para verificar
que las dimensiones y el material seleccionado se comportan de manera eficiente esto se
realizo con ayuda del software ANSYS para análisis de esfuerzos.
Para esta estructura se seleccionó un elemento tipo shell63 y los resultados se muestran
en las siguientes figuras. A continuación se presenta el análisis y selección del material
adecuado para el diseño del sistema de sujeción para pirómetro óptico de cuatro ejes
tomando en cuenta propiedades y costo respectivo, también se hiso un análisis de
elemento finito para verificar que el diseño funcione adecuadamente y comprobar que el
material seleccionado fue el correcto.
3.5.1 Especificaciones técnicas.
Para poder realizar el análisis de la estructura debemos partir de conocer las condiciones
de explotación a que va estar sometido el mecanismo, además de las medidas necesarias
para su correcto funcionamiento, partiendo de este análisis previo tuvimos que el
mecanismo se someterá a una carga de ocho kilogramos que se concentrara en la parte
central de la barra superior donde se presenta el movimiento izquierda-derecha, ya que,
en ese lugar se producen las desviaciones máximas del material, además según las
medidas tomadas en el área de trabajo, la barra circular tendrá 15 cm de longitud y una
circunferencia de 2 cm de diámetro, lo que la hace factible para el desarme. Con todos
estos datos partimos a realizar el estudio y dimensionamiento de las partes componentes
de la estructura de sujeción del pirómetro óptico para así dar una propuesta final del
diseño.
3.5.2 Análisis y selección de materiales.
1.- Recolección de datos (consideraciones)
Propiedades del material
Propiedades
Resistencia a la fricción
Resistencia al desgaste
Resistencia a la corrosión
Bajo peso
Confiabilidad
Medio ambiente
Vida
Costo
44
Geometría del diseño
Cargas
Medio ambiente
Calidad
Fabricación disponible
Vida
Masa (bajo peso)
o Apariencia (Barra buena calidad superficial)
Características de fabricación
Equipo
Efecto sobre materiales
Configuración
Herramientas
Costo
2.- Se construye una lista del material candidato (Verificar tratamiento térmico)
o Acero inoxidable 316
o Hierro dúctil nodular A 536
o Aleación de aluminio 2014
El acero inoxidable 316 presenta una gran resistencia a la corrosión además que tiene
buenas propiedades no magnéticas y las piezas pueden recibir tratamiento térmico
después del maquinado para obtener mejores propiedades. Su buena resistencia a la
corrosión ambiental y su resistencia a la fatiga lo hace un material adecuado para
nuestro diseño
El hierro nodular tiene las siguientes características mecánicas como la combinación de
resistencia, ductilidad y tenacidad, Buena respuesta al endurecimiento superficial así
que puede endurecerse por medio de tratamientos térmicos
La aleación de aluminio 2014 es una aleación endurecible por precipitación con buena
resistencia después del tratamiento térmico. Es usada comúnmente en la manufactura
de estructuras de aviones y de camiones. La maquinabilidad es buena cuando la aleación
está en condición de recocido, se presentan ciertas dificultades para mecanizarla cuando
ha sido tratada térmicamente. Como podemos observar en la figura 3.27. En las
herramientas de corte deben usarse ángulos de 15º para el de salida de viruta frontal, 20º
de ángulo de salida de viruta lateral y 10º de ángulo de desahogo. En el mecanizado se
recomienda utilizar siempre el uso de lubricantes como aceites o queroseno. Puede
realizarse tratamiento térmico y de forja
45
Figura 3.27 Diagrama de flujo para selección de materiales
3.- Usar gráficas para comparar costos
En esta grafica (figura 3.28) se comparan algunos materiales de ingeniería en base al
costo por unidad de peso relativo comparado con el costo del acero rolado en caliente.
La grafica es de gran utilidad para comparar y hacer un análisis rápido del precio de
algunos materiales comerciales usados en ingeniería. En la grafica se observan la
relación de precios de los materiales seleccionados (acero inoxidable, aleación de
aluminio 2014 y hierro nodular A536) y se observa de manera clara que la aleación de
aluminio 2014 tiene un precio mayor en comparación a los otros materiales
seleccionados aunque tiene la densidad más baja en comparación al acero inoxidable
46
316 y al hierro nodular A536, aun así su precio lo pone fuera de cualquier posibilidad a
ser seleccionado.
Figura 3.28 Grafica comparativa de precios en base al costo por unidad de peso
La decisión final se efectuó entre el hierro nodular dúctil y el acero inoxidable 316, el
hierro nodular A536 sería perfecto para nuestro diseño ya que presenta gran
maquinabilidad puede ser endurecido por tratamiento térmico y su precio es
relativamente más bajo que el acero inoxidable. La única inconveniencia que presenta
este tipo de material es la disponibilidad, ya que es un material que pocas empresas lo
fabrican y su uso se centra exclusivamente en el área aeroespacial y militar.
Por lo que el acero inoxidable 316 es el material final y se selecciona por sus grandes
propiedades de resistencia a la corrosión y al desgaste además que puede recibir
tratamiento superficial como un pavonado para proteger los diseños contra el desgaste,
tiene una densidad alta pero como se verá más adelante en el análisis de deformación y
de esfuerzos, es el material que presenta una mayor resistencia y tiene una deformación
muy pequeña debido a su alta resistencia.
3.5.3 Partes componentes del diseño.
El diseño consta de siete partes componentes para realizar el ensamble del mismo
partiendo de:
1. Elemento de movimiento sobre el eje “y” movimiento ascendente-descendente. La
cual se une con las dos piezas que permiten el movimiento sobre el eje “z”. Dos postes
de sección anular para soportar el efecto de pandeo.
47
2-3. Dos barra guía, que sirve para que se logre el movimiento sobre el eje z enfrente-
Atrás y a su vez se pueda realizar el movimiento sobre el eje “y”.
4. Barra circular. Permite el ensamble de la barra guía y el cubo de rotación y a su vez
sobre este se realiza el movimiento sobre el eje “x” el movimiento izquierda-derecha.
5. Cubo de rotación. Sirve para realizar el movimiento sobre la barra circular y a su vez
permite el movimiento sobre el eje “x” movimiento izquierda-derecha.
6. Elemento de sujeción del pirómetro. Este es la primera pieza que sirve para sujetar el
pirómetro y va unido al elemento 7 mediante tres tornillos de ¼ de diámetro para
asegurar su fijación.
7. Elemento de sujeción pirómetro-cubo de rotación. Este elemento va en la parte
trasera del pirómetro y sirve como sistema de unión entre el elemento de sujeción del
pirómetro y el cubo de rotación.
Para tener una mejor óptica, así como, las medidas del diseño por cada pieza
realizaremos de forma breve una muestra de cada pieza y de ser necesarias mayores
especificaciones, remitirse al dibujo en el software auto CAD.
3.5.4 Estudio del comportamiento de la estructura.
Para tener un panorama más claro de cómo se comportaría la estructura con los
diferentes tipos de materiales seleccionados se realizo un análisis de elemento finito por
medio del software ANSYS para analizar los esfuerzos principales y las deformaciones
máximas. Para analizar la estructura se tomaron los valores de la tabla 4 de tres
diferentes materiales.
Material DENSIDAD MODULO DE
ELASTICIDAD
Coeficiente de
poisson
Aluminio
2014
2800kg/m3
70GPa 0.33
Acero
inoxidable 316
8000 kg/m3 193GPa 0.28
Hierro dúctil
A536
7100 kg/m3 172GPa 0.28
Tabla 4. Propiedades de los materiales estudiados.
A continuación se presentan imágenes del análisis de esfuerzos únicamente del material
seleccionado (acero inoxidable 316) y al final se presenta una tabla comparativa entre
los resultados de los análisis con los tres diferentes tipos de materiales.
48
Análisis estático de la estructura con movimiento sobre el eje “y”
Los análisis de esfuerzos del soporte 1 se desarrollaron mediante elemento finito con
ayuda del software ANSYS donde se aplicaron elementos BEAM sobre las barras y
elementos SHELL a las placas de la estructura. La estructura fue sometida a una carga
máxima de 8 Kg y fue empotrada en la parte de la barras de movimiento. A
continuación se presentan los análisis de deformación y esfuerzos principales para el
soporte 1.
Deformación máxima
Figura 3.29 Vista isométrica de la deformación máxima de la estructura
ESFUERZOS PRINCIPALES
Figura 3.30 Vista del primer esfuerzo principal de acero inoxidable.
49
En la figura 3.30 podemos observar que los esfuerzos se presentan principalmente en las
correderas de la estructura y en la parte baja de la estructura ya que soporta la carga
aplicada y el propio peso de la estructura.
Figura 3.31 Segundo esfuerzo principal del soporte 1 de acero inoxidable.
En la figura 3.31 se puede observar que los esfuerzos principales se concentran en la
parte superior e inferior de las correderas y en la parte donde se unen la barra inferior
con la placa de la estructura.
Figura 3.32 Tercer esfuerzo principal del soporte 1 de acero inoxidable.
En la figura 3.32 se marca de manera más clara donde se concentran los esfuerzos, la
parte de color roja indica la zona crítica donde se concentran los esfuerzos y se ratifica
que estos se presentan en las correderas y en la placa inferior de la estructura.
50
INTENSIDAD DE ESFUERZOS
Figura 3.33 Intensidad de esfuerzos en el soporte 1 de acero inoxidable.
La figura 3.33 nos muestra la intensidad de esfuerzos en la estructura y vemos que el
diseño fue bien diseñado ya que la forma circular que tiene las correderas nos ayuda a
tener una distribución de esfuerzos dentro de un área mayor.
Análisis estático del soporte 2 estructura con movimiento sobre el eje “x”
Los análisis de esfuerzos del soporte 2 (figura 3.34) también se desarrollaron mediante
elemento finito con ayuda del software ANSYS donde se aplicaron elementos BEAM
sobre las barras y elementos SHELL a las placas de la estructura. La estructura fue
sometida a una carga máxima de 8 kg y es empotrada en las correderas de la estructura.
Figura 3.34 Estructura en 3D del soporte 2 con su respectivo mallado.
51
Figura 3.35 Estructura en 3D del soporte 2 con su carga aplicada.
A la estructura se le aplicó una carga de 8 kg y es empotrado en la parte de las
correderas ya que ira sujetada con tornillos en esa parte como se observa en la figura
3.35.
Deformación máxima
Figura 3.36 Vista isométrica de la deformación máxima del soporte 2.
La deformación máxima de la estructura se presenta en la parte de la barra circular de la
estructura donde se llevará acabo el movimiento lateral, se presenta una deformación
uniforme como se observa en la figura 3.36.
52
Esfuerzos principales
Figura 3.37 Primer esfuerzo principal sobre el soporte 2.
El esfuerzo principal y la concentración de esfuerzos se presentan en la parte central de
la barra donde se aplicó la carga como se observa en la figura 3.37.
Figura 3.38 Segundo esfuerzo principal sobre el soporte 2.
En la figura 3.38 se observa el segundo esfuerzo principal y estos son de manera
parecida al primer esfuerzo principal ya que estos se concentran en la parte central de la
barra donde es aplicada la carga.
53
Figura 3.39 Tercer esfuerzo principal sobre el soporte 2.
El tercer esfuerzo principal se puede observar en la figura 3.39 donde se puede ver que
los esfuerzos se siguen presentando en la parte central de la barra donde se aplicó la
carga, solo que ahora se muestran de una manera más uniforme.
Intensidad de esfuerzos
Figura 3.40 intensidad de esfuerzos sobre el soporte 2.
La barra circular es la parte de la estructura más afectada ya que aquí es donde se
aplican las cargas y por consiguiente es la parte donde se presenta la intensidad de
esfuerzos como podemos observar en la figura 3.40.
54
CAPITULO 4
RESULTADOS.
En la tabla 5 se muestran los resultados del análisis modal del diseño de la mesa de
soporte para estación remota de la marca RDO induction, aquí se muestran las
frecuencias y los desplazamientos de 5 diferentes modos de vibración.
MODO DE
VIBRACIÓN
ANÁLISIS MODAL CON CARGA 30 kg
FRECUENCIA HZ DESPLAZAMIENTO
MAXIMO (cm)
1 1.625 0.3879
2 2.887 0.2087
3 3.054 0.2094
4 3.219 0.4242
5 4.392 0.4131
Tabla 5. Resultados del análisis modal para la mesa soporte.
En está tabla se presentan sus respectivas frecuencias y su desplazamiento máximo
expresado en cm del resultado del análisis modal aplicado a la mesa soporte con 5
diferentes modos de vibración. Se presta mayor atención al modo de vibración cuatro y
cinco, ya que es donde se presenta un mayor desplazamiento 0.4242 cm con una
vibración de 3.219 Hz y 0.4131 cm con una frecuencia de 4.329 Hz, los demás modos
de vibración pasan desapercibidos debido a su mínimo desplazamiento por lo que no se
presta mayor atención como se muestra en la gráfica 1 de la figura 4.1.
Figura 4.1 Grafica 1 Modos de vibración vs desplazamiento.
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En la gráfica 2 de la figura 4.2 se observa que cada modo de vibración es diferente, este
incrementa la frecuencia de menor a mayor Hz, así que la mayor frecuencia se tiene en
el modo de vibración 5.
Figura 4.2 Grafica 2 Modo de vibración vs frecuencia
El modo de vibración cuatro presenta un movimiento no estable como se mostro en la
figura 3.22 del capitulo 3 donde se observa que las máximas deformaciones se
encuentran en las patas delanteras de la estructura, con una intensidad mayor en la parte
superior y en la parte inferior de la estructura.
En este cuarto modo se aprecia una mínima vibración a la mesa de soporte y por tanto
los desplazamientos son mínimos y tolerables a la estación remota, ya que su
desplazamiento es de 0.4242 cm y su mayor movimiento se presenta en las patas
delanteras, esto es normal ya que no se encuentran ancladas a la bancada como las patas
traseras por lo que se concluye que las medidas son correctas para la mesa de soporte de
la estación remota y también el material seleccionado es el adecuado para su fabricación
para soportar las cargas aplicadas.
Los resultados obtenidos del esfuerzo máximo, intensidad de esfuerzo y deformaciones
máximas del análisis estático para dos diferentes soportes para el pirómetro, se
analizaron con los tres materiales diferentes seleccionados: aluminio 2014, acero
inoxidable 316 y hierro dúctil nodular A536, que se muestran en las tablas 6 y 7.
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Soporte 1
Aluminio 2014 Acero inoxidable
316
Hierro dúctil A536
Esfuerzo
máximo 1
2.44 Kpa 1.26 Kpa 2.43 Kpa
Esfuerzo
máximo 2
645.094 Pa 303.710 Pa 612686 Pa
Esfuerzo
máximo 3
0.500e-3 Pa 0.263e-3 Pa 0.004573 Pa
Intensidad de
esfuerzo
5.20 Kpa 2.91 Kpa 5.20 Kpa
Deformación
máxima
0.696e-5 cm 0.124e-5cm 0.283e-5cm
Tabla 6. Resultados de los análisis de esfuerzos y deformación de los tres diferentes
materiales analizados para el soporte 1.
Soporte 2
Aluminio 2014 Acero inoxidable
316
Hierro dúctil A536
Esfuerzo máximo 1
35.23 KPa 27.853KPa 34.824KPa
Esfuerzo máximo 2
9.32 KPa 5.553KPa 8.08KPa
Esfuerzo máximo 3
0.85 Pa 0.0793Pa 0.164Pa
Intensidad de
esfuerzo
37.26 KPa 29.146KPa 35.55KPa
Deformación
máxima
0.629E-5cm 0.279E-5cm 0.344E-5cm
Tabla 7. Resultados de los análisis de esfuerzos y deformación de los tres diferentes
materiales analizados para el soporte 2.
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Los tres materiales cumplen con las tolerancias de las deformaciones máximas como se
muestra en las tablas 6 y 7. Cualquiera de los tres materiales que se seleccionen será
adecuado para nuestro objetivo. Para la fabricación de las piezas se eligió el material de
acero inoxidable 316, debido a que va a estar expuesto al agua y es un material que
presenta una gran resistencia a la corrosión además que tiene buenas propiedades no
magnéticas y las piezas pueden recibir tratamiento térmico después del maquinado para
obtener mejores propiedades. Su buena resistencia a la corrosión ambiental y su
resistencia a la fatiga lo hace un material adecuado para nuestra estructura.
Material Límite de cedencia Resistencia a la
tracción máxima
Aluminio forjado
2014
97MPa 197MPa
Hierro dúctil
nodular A536
276MPa 414MPa
Acero inoxidable
316
308MPa 654MPa
Tabla 8. Límite de cedencia y resistencia a la tracción máxima de los materiales
seleccionados
En la tabla 8 se reporta el límite de cedencia y la resistencia a la tracción del aluminio
forjado, hierro dúctil y acero inoxidable. El acero inoxidable 316 tiene un límite a la
cedencia de 308 MPA y una resistencia a la tracción de 654 MPA es mayor a la del
aluminio y hierro dúctil. Es por ello que es el material adecuado para la fabricación de
las estructuras que van estar sometidas a carga y vibraciones.
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CONCLUSIONES
Del análisis por elemento finito (ANSYS) se comprobó que las dimensiones y el
material seleccionado son adecuados para las estructuras que soportarán las
cargas a las que estarán sometidas con la suficiente resistencia y rigidez.
Del análisis de los modos de vibración la resonancia y el desplazamiento de la
mesa de soporte es mínima y el desplazamiento máximo se presenta en las patas
traseras, este desplazamiento es tolerable para que la estructura soporte las
cargas y vibraciones y resista cualquier deformación.
El diseño para la adaptación del pirómetro óptico en la estructura original fue
correcta, ya que cumple con los desplazamientos de los ángulos requeridos para
el obtener el enfoque del pirómetro óptico y está dentro de los rangos que se
requieren.
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BIBLIOGRAFIA
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