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Estudiantes:
DIEGO SAIDBAR MAGRI GORDILLO
OMAR JAVIER GUTIERREZ BRICEÑO
OSBALDO FABIÁN VIASÚS SALCEDO
Directores:
Ing. Nelson Arzola
Ing. Edwin Cárdenas
Bogotá D.C., junio de 2009
Departamento de Ingeniería Mecánica y MecatrónicaLínea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOSGENERADOR DE OLEAJE
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
El ser humano desde siempre ha tratado de estudiar yentender los distintos fenómenos naturales; hoy en día,debido a los cambios irregulares del clima que pueden llegara generar desastres naturales imprevistos, se ha hecho masimportante tener a la mano una forma segura y confiable deanalizarlos y así ejecutar con eficiencia acciones preventivasy de rescate.
Este proyecto puede ser de interés tanto para el sectorinvestigativo como el comercial. Actualmente no contamoscon alguna entidad o grupo académico interesado, pero unavez terminado se podría buscar uno.
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
El fin de este proyecto es poder tener una maquina que
simule las olas con un gran numero de variables
manipulables y tener campo abierto a cualquier tipo de
ampliación necesaria.
Este proyecto desde su inicio se presupuestó en
aproximadamente $1’700.000 de los cuales $400.000 son
materiales y lo demás en su ejecución la cual duró 5 meses
incluyendo estudio de mercado, diseño y fabricación.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Construir un prototipo capaz de simular el
comportamiento de las olas, de manera que se
puedan reproducir por lo menos dos tipos de éstas, y
ser utilizado para probar modelos de barcos a escala
a través de la hidrodinámica de las playas, y en
casos en los que se necesite, permitir el desarrollo
de trabajos experimentales sobre la rotura del
oleaje.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
• Bajo consumo de energía.
• Silencioso.
• Mantiene la periodicidad.
• Opera con seguridad.
• Manejo sencillo.
• Bajo costo.
• Fácil montaje y desmontaje.
• Mantenimiento simple.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
• Rápido llenado.
• Vaciado rápido.
• Fácil drenaje.
• Resistente.
• Fácil de transportar.
• Poco peso.
• Visualización clara del oleaje.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
• Fácil limpieza.
• Generación de olas.
• Escalable.
• Diseño moderno.
• Apariencia atractiva.
• Riesgo de desborde mínimo.
ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
(BENCHMARKING)
Canal de investigación y
experimentación marítima de la
Universidad politécnica de Cataluña.
CIEM es una infraestructura especial
para la experimentación e
investigación hidráulica.
En una instalación de 3 mts de ancho
por 100 de largo y 5 de profundidad
se generan olas con frecuencias
entre 0.125 y 1Hz, altura hasta 1.6
mts y tanto regulares como
irregulares.
ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
(BENCHMARKING)
Tanque de oleaje multidireccional
del grupo de puertos y costas de la
Universidad de Granada.
En el laboratorio del área de
Ingeniería Hidráulica de la Escuela
Técnica superior de Ingenieros se ha
proyectado la construcción de un
tanque de 21mts de largo, 9 de
ancho y 1 mt de profundidad para la
generación de oleaje direccional.
ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
(BENCHMARKING)
Laboratorio de Dinámica del
Buque, cuenta con un generador de
olas lateral del tipo multiflap, anchura
30 m con sesenta paletas rígidas de
simple articulación.Los 60 flaps se
accionan hidráulicamente.
En el extremo opuesto, se encuentra
la playa de absorción del oleaje
generado, formada por una capa de
virutas de acero inoxidable de 50 cm
de espesor.
ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD)
1. Variación de la frecuencia de la ola.
2. Variación de la altura de la ola.
3. Rango de altura de la ola.
4. Mantener proporciones.
FUNCIONES:
DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
Fuerza (?)
Señal
(“activar
generador”)
Energía
(mecánica)
Elemento
(H2O)
Aceptar
Energía
Externa
Convertir la Energía
en Ek y Ep
Determinación de la
Fuerza dependiendo el
tipo de ola
Información del tipo
de ola
Almacenar
H2O
Selección de
cant. H2O
Generar
activación
Accionar
dispositivo
Mostrar el
comportamiento
Elemento
(olas)
Energía
(potencial)
Olas(?)
Señal (?)
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADASCombinación de conceptos:
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS
Solución 1:
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS
Solución 2:
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS
Solución 3:
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN
La alternativa dominante fue la
de múltiples paletas, es decir,
varios subsistemas que
permitan generar diferentes
patrones de perfiles de ola.
Cada subsistema será
controlado por un motor PaP
(Paso a Paso) conectado a
una interfaz de biela – manivela. Además contará con un dispositivo
que permitirá controlar la inclinación de la paleta, haciendo que se varíe
la altura de la ola. Para la absorción de la energía de las olas, se tendrá
una playa a base de gravilla.
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN
Para realizar la evaluación de los
conceptos obtenidos, se hizo necesario
utilizar una matriz pasa - no pasa, en
donde con la ayuda de algunos criterios
de selección apropiados y cada una de
las posibles soluciones a las funciones
establecidas, se obtuvo un diseño
apropiado que cumpliera con los
requerimientos establecidos, el cual se
desarrollará teniendo en cuenta las
sugerencias a cambios que se puedan
dar fases posteriores del proyecto.
PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE
DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTOSELECCIÓN DE MATERIALES
Para elegir los materiales apropiados, primero se estableció un
parámetro de costos y posteriormente, por medio de propiedades
mecánicas y cálculos de resistencia de materiales, se determinó la
geometría mas adecuada.
La mayor parte del mecanismo esta elaborado con aluminio, el cual
tiene un peso y propiedades mecánicas adecuadas para el desempeño
del prototipo. A la par con el aluminio, se utilizó Nylon para minimizar
fricción y acrílico para las paletas en contacto con el agua. Los
resultados de todos los cálculos aseguran que estas piezas han de
resistir la carga a la cual estarán sometidas tanto para un movimiento
estático como cíclico (fatiga).
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTOSELECCIÓN DE MATERIALES
En otras partes del Sistema Generador de Oleaje, se utilizó hierro(soporte), aglomerado (base del estanque) y MDF (tapa delmecanismo).
SELECCIÓN DE COMPONENTES ESTANDARIZADOS
Los componentes adquiridos de manera directa fueron rodamientos,perfiles, gravilla, tornillería, abrazaderas, llave de desagüe, motores, µC(microcontroladores) y componentes electrónicos en general.
MEJORA DE DETALLES
Los cambios en el diseño se realizaron para mejorar detalles comopeso, dimensiones y esfuerzos del sistema en general, teniendo encuenta la interacción de los componentes manufacturados y aquellosque son estandarizados.
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL
PRODUCTOMECANISMO
En un principio, el concepto contemplado para el diseño del mecanismose basó en cálculos establecidos a través de la hidrostática, que era dela única forma en que se habían analizado sistemas que utilizabanfluidos. A razón de que el mecanismo interactuaba de forma dinámicacon el agua, se hizo necesario reevaluar el diseño de algunas de laspartes que componen el mecanismo, pero esta vez, utilizando criteriosde hidrodinámica.
De esta forma y con la ayuda de un software que permitiera hacer usode simulaciones por elementos finitos, se pudo establecer la geometríaadecuada para que el mecanismo contará con la resistencia necesariapara su correcto funcionamiento.
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
•MECANISMO
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
MODO DE FUNCIONAMIENTO
Recibidos los comandos por parte del usuario a través
pulsadores e interruptores se activan los motores paso a paso
(mediante el microcontrolador) de una manera secuencial para
que por medio de una manivela, una biela y una palanca se
produzca un movimiento lineal oscilatorio de unas paletas en
contacto con el agua produciendo así las olas
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
SEGURIDAD Y CONTROL DE LA MÁQUINA
Los principales aspectos tenidos en cuenta en el área de seguridad hacen referencia al frenado del mecanismo en el caso imprevisto de retirar la cubierta exterior para evitar así el contacto del cliente con las piezas en movimiento. Por otro lado se controla el funcionamiento de la maquina sólo con el nivel de agua máximo establecido.
ASPECTOS DE ERGONOMÍA CONSIDERADOS
Dado que la interacción con el prototipo es en su mayoría mediante los pulsadores, sólo se consideró ergonomía en la sujeción del pin necesario para el cambio de inclinación de la paleta.
APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
Respondiendo a la necesidad social
planteada en los antecedentes nuestro
Generador de oleaje es una herramienta
útil por su versatilidad para la creación de
distintos perfiles de olas y la facilidad para
las mediciones creando así un amplio
espacio para futuros estudios.
ANÁLISIS ECONÓMICO
COSTOS ASOCIADOS CON EL PROCESO DE DISEÑOPara este proceso fueron necesarias 9 semanas incluyendo desde la generación de conceptos hasta la corrección de los últimos planos de diseño lo que resume costos de tiempo y trabajo presencial.
COSTOS DE MATERIALESTodas las materias primas y piezas estandarizadas suman un total aproximado de $500.000
COSTOS DE FABRICACIÓNLos costos de soldadura, maquinado y torneado suman $60.000
ANÁLISIS ECONÓMICO
COSTOS DE ENSAMBLEA pesar de ser necesario un ensamble preciso y confiable no se recurrió a alguna persona o inversión adicional para este proceso, sin embargo se destinaron dos (2) semanas para su ejecución.
DESPERDICIOSDebido a que se hizo un proceso de diseño muy completo y contemplando varias posibilidades de fabricación y obtención de las materias primas no hubo desperdicios fuera de lo normal.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• El seguimiento y ejecución de una metodología es degran ayuda para establecer cada uno de los procesos aseguir para la elaboración del proyecto, su tiempo y lasdistintas retroalimentaciones que se deban llevar a cabo,para un proyecto multidisciplinario.
• Se debe asignar de manera correcta cada tarea arealizar por parte del equipo de trabajo, esto dependiendode las capacidades de cada uno, para no generarcontratiempos que perjudiquen el desarrollo del proyecto.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y
HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA
EMPLEADAS• ULRICH KARL y EPPINGER STEVEN. “Diseño y desarrollo deProductos, Enfoque Multidisciplinario”, McGraw Hill Interamericana,2004.
•ULLMAN DAVID. “The Mechanical Desing Process”, McGraw HillInternational Editions, 1992.
•BEER FERDINAND P., JOHNSTON E. RUSSELL y DEWOLF JHONT. “Mecánica de Materiales” McGraw Hill Interamericana, 2004.
•NORTON ROBERT L. “Diseño de maquinas” Pearson Prentice Hall.3ª Ed. 2006
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y
HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA
EMPLEADAS• SOLID EDGE V20, UGS, 2006.
•WORKING MODEL 2D, Design Simulation Technologies, Inc. 2007-2009
•ANSYS Workbench, V10, Ansys Inc. 2006
• CodeWarrior Development Studio for Microcontrollers, v6.2, Freescale Semiconductor 2006.
MUCHAS GRACIAS
Omar J. Gutiérrez B. - [email protected]
Diego S. Magri G. - [email protected]
Osbaldo F. Viasús S. - [email protected]
