mecánicos. - Operación simple. - Principio de funcionamiento simple. - Se requiere que la salida se transforme a una señal eléctrica.
Galgas extensométricas. - Se pueden realizar
m ediciones de fuerza en
cualquier sentido
dependiendo de la
posición de las galgas.
- Se requieren
calibrar.
- Operación
complicada.
Celda de carga. - Operación simple.
- Principio de
funcionamiento simple.
- Son instrumentos
calibrados.
- Dependiendo del
tipo de celda puede
requerir mucho espacio.
A n álisis d e las prop uestas p ara la sexta esp ecifica ció n d e d esem peño.
PROPUESTAS. VENTAJAS. DESVENTAJAS.
Galgas extensométricas. - Bajo costo.
- El dispositivo se
puede construir con las dim ensiones deseadas.
- Se requieren calibrar. - Operación complicada. Torquímetro de reacción. - Bajo costo comparativo. - Son instrumentos calibrados. - Operación simple. - N o soporta cargas axiales.
Torquímetro rotatorio. - Son instrumentos
calibrados.
- A lto costo.
Operación simple. axiales.
A n álisis de las prop uestas p ara las restan tes esp ecificacion es de desem peño.
Para la séptima especificación se propone ocupar hardware y software comercial, lo que se plantea hacer es buscar las mejores opciones o ver con que se cuenta para ocuparlo en el prototipo.
Las demás especificaciones de desem peño no requieren mayor análisis, pues no se especifica si el equipo va a estar en un ambiente determinado que pueda requerir atención particular. Tampoco se pone una limitante que obligue a considerar la realización de otro sistem a o que haga dudar del desem peño de las propuestas realizadas.
3.4.2.7 .- S E L E C C IÓ N .
En esta etapa se selecciona el conjunto de propuestas en base a las cuales se realizará el prototipo. Aquí es donde resalta la importancia de haber realizado las etapas anteriores correctamente considerando y analizando el mayor número de propuestas posibles. Las decisiones que se tom en deben estar fuertemente fundamentadas por las etapas anteriores, y afectarán directamente la construcción y desem peño del prototipo.
A partir de las decisiones tomadas se comenzará el diseño de detalle y posteriormente la construcción de cada componente. Debido a esto es necesario que además de que se tom e en cuenta el desempeño de cada sistema, también se considere el equipo y presupuesto con el que se cuenta para la construcción.
Aunque se tom en las decisiones correctamente, no es posible anticipar que el desem peño real del equipo sea correcto. Como se ha mencionado el diseño es un proceso iterativo, por lo que es posible que una vez construido el prototipo sea necesario modificar algún sistem a o en el peor de los casos rediseñar el prototipo por completo.
S elección de los sistem as p ara la seg u n d a esp ecificación de d esem p eñ o.
D e acuerdo a los análisis realizados en la etapa anterior, se han tomado las siguientes decisiones:
a) Se realizará una sola prueba por probeta. Pues se obtendrán datos representativos de un lote, además de no requerir un sistem a para desplazar la probeta o el perno en un plano.
b) Las probetas serán cilindros de acero maquinado, pues sen cilla su manufactura.
c) Se ocuparán porta-probetas donde una será la m ism a copa donde contendrá al lubricante y la otra se acoplará en el eje de transmisión, debido a su bajo costo en su elaboración.
Selección de los sistem as p ara la tercera esp ecificación de d esem peño.
La primera decisión que se tom a es ocupar un solo sistem a de carga para no com plicar el diseño. Esto ayudará a mantener un bajo peso en el prototipo.
Se ha decidido utilizar una pesa para aplicación de carga por su sencillez y fácil acoplamiento.
Selección de los sistem as p a ra la cu arta esp ecificación de d esem peño.
Los sistem as que se ocuparán para cumplir con la cuarta especificación son los siguientes:
a) El eje será montado sobre un soporte que tendrá libre m ovim iento en el eje vertical para la fácil aplicación de carga sobre el eje.
b) Se utilizará un motor de corriente alterna, pues es sencillo controlar su velocidad por medio de variadores de frecuencia y por la facilidad de encontrarlo comercialmente.
c) La transmisión de potencia será mediante bandas, pues ofrecen una operación suave y simple, además de no requerir sistem a de lubricación alguno.
Selección de los sistem as p a ra la q u in ta esp ecifica ció n de desem peño.
En este punto se ha decidido que para medir la magnitud de la fuerza aplicada a las probetas, se ocupe una celda de carga debido a la practicidad que ofrecen en comparación con las propuestas.
S elección de los sistem as p ara la sexta esp ecificación de d esem peño. Esta sección será retomada en un trabajo recepcional posterior donde se especificarán todos los aditamentos que formarán los sistem as electrónicos que censarán y nos darán resultados por medio de una interface.
3.5.- D IS E Ñ O D E D E T A L L E .
En esta sección se describe la penúltima etapa del proceso de diseño, que se trata en este trabajo. La etapa de diseño de detalle involucra múltiples cálculos, con la finalidad de dimensionar correctamente cada pieza. Esta etapa es un tanto com plicada pues aunque hasta ahora se han seleccionado los sistemas a usar en el equipo es necesario realizar nuevamente todo el proceso para cada caso en específico, además de que poder definir la geom etría de cada pieza es necesario plantear si se puede manufacturar con los recursos existentes.
El diseño de detalle es una etapa complicada, si bien y a se han definido a grandes rasgos las características del equipo, hasta ahora solamente se tienen ideas. En esta etapa las ideas generales se desarrollan al m áximo, dando como resultado un conjunto de especificaciones de cada pieza.
Dentro de las especificaciones es necesario que se incluya la geometría, el material, el acabado y las tolerancias. Entre más detallada sea esta etapa se garantizará con mayor seguridad la construcción del equipo y se facilitará demasiado esta tarea.
3.5.2.- C Á L C U L O D E L A P O T E N C IA D E L M O T O R .
Para poder dimensionar cualquier pieza, primero es necesario conocer las fuerzas que se le aplicarán. Uno de los parámetros que caracterizan a cualquier máquina es la potencia del motor.
La potencia entregada por el motor se consum e por la fricción entre las probetas, y en las perdidas por fricción en la transmisión de potencia. Lo que se espera de todo equipo es que las pérdidas de potencia sean mínimas. A continuación se realizan los cálculos para determinar la potencia requerida debido a la fricción en las probetas.
La potencia m ecánica se calcula de la siguiente forma:
W=T.ro E c. 3.1.
Donde:
W =Potencia m ecánica [W]. T=Par [Nm ].
ro=Velocidad angular [rad/s].
Como se observa en la siguiente figura, la fuerza N aplicada en la probeta fija por parte de la probeta en m ovim iento genera un esfuerzo de contacto. Este tipo de esfuerzo fueron calculados por H. Hertz en 1881, y los resultados se muestran a continuación.
i Convert Applications Window Web Help | [?J ! j a . a . » SL # - a © s O - c is 3- - p - o - » • a • # • ji a j Rotate Comp S i Quarter Seel Fuerza En el área (314.159 mm2' superior e inferior de las probetas se lleva a cabo el contacto — 55 Move Component [V] Sentido de Probeta Dinámic Probeta Estáti ca.
. ■'I f Assembly Vier
fPSotn1
L ffl Inserti 1 (-1,500 in)
H.
F ig u ra 3.4.1.- V ariab les ap licadas F = fu erza en N ew ton s velocid ad angular.
En primer lugar se debe proceder a establecer un cálculo de las poleas y del tipo de banda a usar en la transmisión de potencia del motor al eje principal de la máquina. Se tienen los siguientes datos:
Potencia a transmitir N: 1 HP.
V elocidad en el árbol conductor: n x (rpm)=1750. V elocidad en el árbol conducido: n2 (rpm)=1750.
Condiciones de servicio: máquina herramienta (am biente controlado normal).
V elocidad máxima de deslizamiento: 370.8 ft/min. D istancia entre centros:
D eterm in ación d e la relación de transm isión. i= n 2/n I= 1750/1750= 1.
A d o p ció n de la ve lo c id a d y cálcu lo d e l d iám etro de la p o le a con du ctora y d e la p o le a conducida.
Se adopta la velocidad V = 370.8 fts/min.
D 1=V/(rcn1)= 3 7 0 .8 /n (1 7 5 0 )= 0 .0 6 7 4 4 f= 0 .8 0 9 in.
Se adopta el diámetro primitivo de la polea Dp ~ D1. Este valor se redondea a una terminación entera, porque así se hallan normalizadas en la Tabla 1(Anexo A). Entonces con la velocidad más cercano al dato (por exceso es de 370.8 f/m in ), el diámetro por exceso más cercano a 0.809 in. es:
D 1=1.5 in.
Lo que equivale al uso de una correa REVO número 20. Se debe ahora buscar el diámetro de la polea conducida con: D 2= D 1/1.03i= 1.5/1.03(1)= 1.45 in.
Este valor se redondea al normalizado más próximo o se manda a construir la rueda.
En este caso el diámetro normalizado más próximo es de D 2=2.5 in.
S elección d e l tip o d e correa a u sa r y cá lcu lo d el d iám etro p r im itiv o d el p iñ ó n y d e l d iám etro p rim itiv o d e la rueda.
D e la tabla 1 (A nexo A), con la velocidad en ft/min. Y el diámetro de la polea conductora, se obtiene el número que indica el tipo de correa. Es decir una correa REVO número 20.
D e la tabla 2 (A nexo A), con el tipo de correa se obtiene el espesor “e ” El cual es e= 0 .0 6 0 in.
Dp1= D1+ e= 1.5+ 0.060= 1.56 in, Dp2=D2+ e= 2.5+ 0.060= 2.56 in, y la
relación de transmisión efectiva resulta:
i=0.59163.
C álcu lo de la p o te n c ia No.
D e la tabla 4 (A nexo A ) con cd y (D2 - D1) se obtiene el factor de
corrección por ángulo de abrace f a (el cuál vale aproximadamente 0.98). D e la tabla 1 (A nexo A) se obtiene la potencia N180. (su valor es
N180=1.1)
No= N 1 8 0 f a= 1 .1 *0.98=1.07 8HP/in.
C álcu lo d el an ch o b
b=ND/No= 1 .05/1.078= 0.974in.
D eterm in ación d e los esfu erzo s so b re los árboles.
Sobre el árbol de las poleas conductora y conducida aparecen:
a) Un momento torsión:
Mti[kg.cm] = 7 0 6 3 8ND(H P)/n1(rpm )=70638(1.05)/1800=41.2055 K g.cm
en la polea conductora.
Mti[kg.cm ]=70638ND(HP)/ni(rpm )=70638(1.05)/1800=41.2055 K g.cm
en la polea conducida.
b) Una fuerza radial:
Siendo Ro la fuerza que se aplica al árbol por unidad de ancho de correa,
y se obtiene de la tabla 5 (A nexo A ) en función del c%=2% y del tipo de correa (Ro=100lb/in). A sí la reacción vale:
R =R ob=100*0.974=97.4 lbs.
D eterm in ación d e la f le c h a o eje d e la m áquina.
Analizadas estas facetas ahora se debe efectuar el estudio de la flecha de acero que servirá com o el eje principal de la máquina; en dicha flecha se
pretende usar un acero AISI 1010 con un esfuerzo cortante permisible de Tperm=14.5ksi. deberemos determinar el diámetro requerido para tal caso.
Conocem os el par de torsión de la flecha por m edio de los cálculos anteriores, entonces aplicando la ecuación:
J/c_T/^perm
Se tiene que: J/c=^c4/2c=T/xperm
c=[2T/rc TPerm]1/3=[2(3.353ft.lb)(12 in /f)/n (1 4 5 0 0 lb/in2)]1/3=0.121 in.
puesto que 2c= 0.24 in, se elegirá una flecha que tenga un diámetro de 0.8in.
3.6.- C O N S T R U C C IÓ N Y M O N T A JE .
La construcción de la mayoría de las piezas de la máquina fue realizada en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería M ecánica Eléctrica Zona Xalapa, principalmente en el taller m ecánico, en donde se tornearon, fresaron, barrenaron y soldaron. Lo primero en realizar fue la copa y el porta-copa ya que son los dispositivos de mayor detalle y con mayor grado de dificultad, también se torneó el eje principal, a continuación se construyó la mesa que sirve com o base para toda la máquina en una extensión de los talleres Carballo junto con el soporte del eje principal, las poleas se llevaron a rectificar al taller
Moreno.
Una vez terminadas las labores de construcción de las piezas se procedió a ensamblar la máquina, el cual es proceso sencillo. El primer ensamble que se realizó fue el de soporte del eje y eje de transmisión de potencia, en el cual se le añadió un balero el cual ayudó a el correcto funcionamiento del mismo. Posteriormente se realizó el ensamble del dispositivo controlador de altura del eje de giro que también es de fácil armado ya que las piezas se diseñaron de manera de solo unirlas por m edio de tornillos. Finalmente se coloca sobre la mesa la mesa la estructura que sirve para deslizar el eje en forma ascendente o descendente y también es el apoyo del dispositivo para centrar el eje.
3.6.1.- T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO .
La máquina representada en la im agen () ha sido diseñada para la sim ulación y reproducción del fenóm eno de desgaste adhesivo en un amplio rango de variación de las condiciones de trabajo.
F ig. 3.1. T rib óm etro rotatorio.
Esta máquina da la posibilidad de solucionar problemas industriales concretos tales com o la selección de materiales de elevada resistencia a la adhesión y aleaciones para determinadas condiciones de fricción. Esto es necesario tanto durante el diseño y construcción de nuevos tipos de máquinas que trabajen bajo elevadas condiciones de cargas com o para el mejoramiento de las ya existentes.
La máquina tiene la posibilidad de trabajar en un amplio rango de temperaturas, tanto para la fricción seca com o lubricada y está diseñada de manera tal que permite simular tanto las condiciones reales de explotación de
los elem entos a escala industrial así com o de concretas condiciones de laboratorio en investigaciones específicas.
Los ensayos se realizan con probetas de configuración sencilla, lo que posibilita la preparación de las mismas a partir de cualquier par de material o aleaciones.
Debido a que la adhesión depende en gran medida de la magnitud de la carga en la instalación resulta fundamental el m ecanism o de cargas, formado por un soporte guía y las diferentes masas. Este m ecanism o permite aplicar cargas que van desde cero hasta el lím ite de fluencia de los materiales.
La máquina cuenta con un accionamiento mediante un motor de 1 HP de corriente alterna, el cual está conectado a un variador de frecuencia mediante el cual se logra controlar la velocidad angular del motor, la transmisión de potencia desde el motor hacia el eje se realiza mediante un sistem a de poleas y banda.
Otra de las partes de la instalación es el dispositivo porta probeta formado por el eje transmisor de m ovim iento, en cuyo extremo inferior se coloca la probeta m óvil, mediante el uso de un porta-probeta fabricado. Se dispone también de un recipiente en forma de copa en el cual se alberga tanto la probeta fija com o el lubricante, este recipiente proporciona a la vez el efecto de la fuerza de fricción que tiene lugar en el punto de contacto. Todo este mecanism o se coloca sobre una base de estructura rígida de acero.
Un dispositivo importante de la máquina es el que se encarga de registrar la fuerza de fricción. Debido a que estas fuerzas varían en un amplio rango, com enzando en cero y terminando con la fuerza de ruptura de la unión adhesiva de toda el área de contacto (2.429 cm2), el m ecanism o de m edición de la fuerza de fricción debe de cumplir dos exigencias fundamentales: poseer una gran sensibilidad y soportar grandes esfuerzos. En calidad de este mecanism o se pensaba utilizar galgas extensométricas, pero debido a su alto costo y disponibilidad se decidió por adaptar un circuito electrónico compuesto.
3.7.- P R E S U P U E S T O .
Con cualquier proyecto de investigación o de construcción, es necesario reflejar el costo de la máquina para tener una comparación entre un m odelo
comercial y uno fabricado en las instalaciones de la Universidad Veracruzana. Puede observarse claramente cóm o los costos de la construcción no son tan elevados com o uno pensaría; en cam bio es un costo muy reducido en comparación con un m odelo comercial que ronda alrededor de los $850,000.00 según páginas W eb consultadas. A continuación se muestra una tabla con el presupuesto cotizado para la construcción de la máquina:
TORNILLERIA 72.49
EXTENCION DOMESTICA 99.04
TORNILLERIA 47.93
TRIPLAY DE PINO DE 14miriX1.22X2.44 330
SILICON PENS PEPESILICON 85.5
BISAGRA TUBULAR 3/8 15.00 MATERIAL ELETRICO 274.97 ANGULO 1/8" x 3/4" 241.23 ANGULO 1/8" x 1" LIGERO 274.31 PTR 1" x 1" NICHOLSON STD. 206.08 SEGUERA NICHOLSON STD 50.58 SOLDADURA 6013 1/8 58.26
MT LAMINA NEGRA LISA 3'C18 1282.5
MATERIAL DE PINTURA 590.00
MOTOR TRIFASICO 1500.00
MAQUINADO DE PIEZAS 1000.00
VARIADOR DE FRECUENCIA 5000.00
PAR DE CORREDERAS PARA TECLADO 50.00
C A P ÍT U L O IV: P R O C E D IM IE N T O S Y V A L ID A C IÓ N D E L A A P L IC A IC Ó N E X P E R IM E N T A L D E L T R IB Ó M E T R O P A R A L A
D E T E R M IN A C IÓ N D E L A R E S IS T E N C IA A L D E S G A ST E M E D IA N T E E N S A Y O S D E D E S L IZ A M IE N T O .
4.1.- P R O C E D IM IE N T O P A R A L A D E T E R M IN A C IÓ N D E L A R E S IS T E N C IA A L D E S G A ST E M E D IA N T E E N S A Y O DE
D E S L IZ A M IE N T O .
4.1.1.- A L C A N C E D E L P R O C E D IM IE N T O .
El procedimiento m etodológico, que en lo posterior se describe, tiene com o objetivo fundamental establecer los pasos a seguir para la puesta a punto, calibración y realización de los ensayos en el tribómetro rotatorio.
Este m étodo de ensayo cubre un procedimiento de laboratorio para determinar la resistencia al desgaste de un material mediante el m ovim iento relativo entre dos probetas que se encuentran en contacto frontal elaboradas con el material del que se desea ensayar. Los factores principales y condiciones que requieren la atención al utilizar este tipo de aparato y las correspondientes m ediciones.
Los valores declarados en las unidades del SI serán considerados com o los normalizados.
Este procedimiento no pretende dirigir (establecer) toda la seguridad que involucra, para cualquiera que esté asociado con su uso. Es responsabilidad del usuario de este procedimiento el establecer la seguridad y protección práctica requerida y determinar la pertinente prioridad de las lim itaciones reguladas para su uso.
4.1.2.- D O C U M E N T O S D E R E F E R E N C IA .
A S T M D 2266 Wear preventive characteristics o f lubricating greases. A S T M D 4172 Wear preventive characteristics o f lubricating fluid. A S T M D 2596 Extreme pressure properties o f lubricating greases. A S T M D 2783 Extreme pressure properties o f lubricating fluid.
IP 239 Extreme pressure properties: friction and wear test for lubricants.
D IN 51350/1-5 Testing lubricants: testing in the shell four-ball tester. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN