4. Materials and methodologies
4.4 Quantification
Relación de transmisión 𝑖 - 𝑖 =𝑍2
𝑍1= 𝐷2 𝐷1
Numero de dientes 𝑍1 𝑦 𝑍12 -
Modulo 𝑚 mm Se escoge un valor normalizado
Angulo de presión ∝ ° 20°, 22.5°, 25°
Paso circunferencial 𝑝𝑐 mm 𝑝𝑐 = 𝑚𝜋
Paso básico 𝑝𝑏 mm 𝑝𝑏= 𝑝𝑐cos 𝛼
Diámetro primitivo 𝐷 mm 𝐷 = 𝑚𝑍
Diámetro básico 𝐷𝑏 mm 𝐷𝑏 = 𝐷 cos 𝛼
Altura de cabeza ℎ1 mm ℎ1= 𝑚
Altura de raíz ℎ2 mm ℎ2= 1.25𝑚
Altura total del diente ℎ mm ℎ = ℎ1+ ℎ2= 2.25𝑚
Huelgo radial 𝑐 mm 𝑐 = ℎ2− ℎ1= 0.25𝑚
Diámetro exterior 𝐷𝑒 mm 𝐷𝑒= 𝐷 + 2𝑚 = 𝑚(𝑍 + 2)
Diámetro interior 𝐷𝑖 mm 𝐷𝑖= 𝐷 − 2.5𝑚 = 𝑚(𝑍 − 2.5)
Espesor del diente sobre la
circunferencia primitiva 𝑆 mm 𝑆 =𝑝𝑐
2 = 𝑚𝜋
2
Velocidad periférica 𝑣 m/s 𝑣 = 𝜋𝐷𝑛
Distancia entre centros 𝐿 mm 𝐿 =𝐷1+ 𝐷2
2 = 𝑚
𝑍1+ 𝑍2 2
Los actuadores son motores eléctricos de corriente directa que pueden ser empleados dentro de un sistema de transmisión por engranaje para aportar la fuerza mecánica requerida por un sistema de engranaje.
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Figura 19. Sistema de engranaje activado por un motor eléctrico.
Figura 20. Par de engranes circulares.
2.8 ACTUADORES
Un actuador es un motor que puede ser del tipo eléctrico, lineal o rotatorio según la fuente de energía.31
Es un dispositivo capaz de generar el movimiento de demás elementos según una serie de instrucciones dadas por la unidad de control.32 Los motores paso a paso son del tipo eléctrico y son actuadores electromecánicos que requiere de un flujo eléctrico para funcionar y convertir una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares (pasos) del eje motriz dependiendo de las entradas de control.31 En el motor a pasos la señal de control son trenes de pulsos donde cada pulso recibido le indica al rotor del motor girar a un determinado sentido.32
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El motor a pasos NEMA 17 modelo SL42STH40-1684A-23 en un actuador hibrido empleado para máquinas CNC generales, con punta de rotor en media luna, de 4 cables y de 1.8 ° por paso por lo que se puede utilizar en un sistema de engranaje, ver Figura 21 (fuente: electrocrea.com).
Figura 21. Motor a pasos NEMA 17 modelo SL42STH40-1684A-23.
2.9 TONATIUH: SOFTWARE DE TRAZADO DE RAYOS
Es un software de uso libre y código abierto que permite simular y validar la calidad de concentración de rayos solares sobre una superficie reflejante la cual la proyecta hacia un receptor. Mejor conocido como proyecto Tonatiuh, tiene como objetivo crear un trazador de rayos Monte Carlo de código abierto, de vanguardia, preciso y fácil de usar para la simulación óptica de sistemas de concentración solar siendo una de las pocas herramientas disponibles para realizar la simulación del diseño y análisis de sistemas de concentración solar. Entre otras ventajas, Tonatiuh ofrece: 33, 34
Desarrollar una base teórica sólida que facilite la simulación óptica de casi cualquier tipo de sistemas de concentración solar.
Exhibir una arquitectura de software limpia y flexible, que permita al usuario adaptar, expandir, incrementar y modificar sus funcionalidades con facilidad.
Para lograr la independencia del sistema operativo a nivel de fuente y ejecutar en todas las plataformas principales sin modificaciones menores o nulas en su código fuente.
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Tonatiuh utiliza y aprovecha varias bibliotecas y herramientas de código abierto existentes como Digia Qt para la interfaz gráfica de usuario (GUI), Coin3D Toolkit para visualización de gráficos 3D, Marco y widget de mapa geográfico genérico de mármol, CPPUnit para probar el código. Todas estas herramientas se utilizan para desarrollar Tonatiuh dentro del Eclipse IDE en un entorno de desarrollo estándar utilizado por todo el equipo de desarrollo.33 ,34
En la Figura 22, se muestra el IDE de Tonatiuh.
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III. METODOLOGÍA
3.1 DISEÑOS MECÁNICOS DEL CONCENTRADOR
Todos los diseños realizados para el sistema de concentración solar fueron elaborados en el software de diseño CAD 3D SolidWorks® versión 2018.
El diseño del concentrador solar fue definido dimensionalmente en base al espacio asignado dentro de la máquina extrusora de referencia. Por lo que el diseño cumple con dimensiones acordes a la estructura de la máquina. El sistema de concentración solar diseñado fue del tipo colector solar cilíndrico parabólico (CPP) que consta de una primera estructura de soporte (porta-espejo) para sujeción de la superficie reflejante tipo espejo empleada. Se considera también una segunda estructura de soporte (eje) que mantendrá en elevación al porta-espejo otorgando libertad de movilidad por medio de un eje con capacidad de giro. Ambas estructuras están integradas a través del eje.
El movimiento en un solo eje del porta-espejo se logra mediante un sistema de transmisión de potencia por engranaje. El sistema de engranaje contemplado controlará y regulará el movimiento en un solo eje del sistema. El engranaje será puesto en movimiento a través de un motor a pasos hibrido lineal.
Los diseños permitieron validar dimensiones, materiales y el funcionamiento del sistema.
3.2 CONSTRUCCIÓN DEL CONCENTRADOR
En la Tabla 2, se describe el tipo de material empleado para el porta-espejo y porta-eje. Se añade el dato de costo de material únicamente como referencia (precios con IVA aproximados, en moneda mexicana).
Procesos mecanizados de manufactura fueron realizados a mano y con máquinas, entre ellos, soldadura, corte, torneado, fresado, taladrado y esmerilado.
Durante las pruebas preliminares y finales de manufactura, se emplearon máquinas como:
Fresadora CNC universal vertical modelo XK7130A con procesador GSK.
Cortadora de plasma LINCOLN ELECTRIC 4400.
Máquina dobladora MACOS 40 ton.
Torno CNC DMTG CKE 6150Z.
Sierra cinta horizontal.
Máquina soldadora de Micro alambre marca LINCOLN ELECTRIC.
Taladro de Banco.
Respecto al sistema de transmisión por engranaje, únicamente se fabricaron ejes preliminares para prueba de ajuste de especificaciones técnicas. Por inactividad de la máquina cortadora de plasma, no se concluyó la construcción de los engranes requeridos. Mediante el software de SolidWorks® se simulo el engranaje propuesto.
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De la Figura 23 a la 26 se presentan algunas vistas de las máquinas especializadas de manufactura empleadas.
Tabla 2. Componentes y materiales del sistema de concentración solar.