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Estudiantes:
NELSON ARIAS RINCON
EDGAR CALDERON REYES
Director:
Ing. Nelson Arzola
Bogotá D.C., junio de 2009
Departamento de Ingeniería Mecánica y MecatrónicaLínea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS
MÁQUINA DE ENSAYOS A FATIGA AXIALFASE 1
ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
•Uso de juntas soldadas como uno de losmétodos predilectos de unión en componentesmecánicos y estructurales.
•Literatura técnica aporta muy poco acerca de losmétodos y expresiones para el calculo de unionessoldadas.
•Uso de elevados factores de seguridad paracubrir la falta de exactitud y así garantizar laintegridad estructural.
ENTIDAD FINANCIADORA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA Y MECATRONICA
PROYECTO:
“Análisis teórico y experimental sobre laintegridad estructural de uniones soldadassometidas a cargas cíclicas y mejoramiento delos métodos de cálculo utilizados.”
RESULTADOS ESPERADOS
• Mejorar la infraestructura experimental de la UNALmediante el diseño y construcción de una máquinade ensayo a fatiga.
• Obtener nuevos modelos de comportamiento antecargas dinámicas de un grupo de soluciones porjuntas soldadas.
• Consolidar el posicionamiento académico,tecnológico y experimental de la UniversidadNacional de Colombia.
PRESUPUESTO Y TIEMPO
• Presupuesto destinado: $ 25’000.000
– Diseño y desarrollo de proyecto: $ 3’500.000
– Materiales y Equipamiento: $ 12’000.000
– Manufactura y Ensamble: $ 9’500.000
• Tiempo de desarrollo en meses:
– Diseño detallado de la máquina de ensayo: 4
– Asignación y Entrega de recursos: 6
– Ejecución de proyecto: Compra materiales, Construcción y Ensamble: 4
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
•Debido a la heterogeneidad inducida por elproceso de soldadura, tanto el metal base como elcordón y la zona afectada por el calor (ZAC)poseen propiedades mecánicas diferentes, lo quehace que el análisis del comportamiento mecánicodel componente soldado sea muy complejo unavez que es sometido a carga.
REQUERIMIENTOS DE DISEÑO•Requerimientos del cliente
•Requerimientos de funcionamiento
•Requerimientos ambientales
•Requerimientos de Tamaño
•Requerimientos de tiempo
•Requerimiento de costos
•Requerimientos de estándares
•Requerimientos Del Usuario
•Requerimientos de operación
•Requerimientos de seguridad
•Requerimientos De Fabricación
•Requerimientos De Mantenimiento
ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
•INSTRON
•IVERTEST
•SANDVIK
Serie 5540: 0,5 KN
Capacidad:100 KN a 2.5 MN
FastTrack™ 8874FastTrack™ 8874
Fast Track 8844: 10 - 25 KN
ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA
Se establecieron primordialmente los siguientesparámetros de ingeniería:
• Maximizar piezas estandarizadas.• Control de encendido, apagado y apagado de
emergencia• Potencia máxima• Materiales.• Volumen, Peso• Resistencia Mecánica.• Amplitud del movimiento
• Rango de la carga• Vida útil• Seguridad en uso• Factor de seguridad Mecánico• Volumen de trabajo útil• Tiempo de montaje y desmontaje de probetas.• Rigidez entre cabezales• Rango de frecuencia de la carga.• Precisión en el registro de los niveles de carga y de
información
REQUERIMIENTOS DOMINANTES DEL CLIENTE
• Realizar ensayos de fatiga con diferentes tipos desolicitaciones.
• Permitir hacer ensayos de fatiga sobre probetassoldadas en diferentes configuraciones
• Toma de datos automática en cuanto al número deciclos y carga.
• Selección rápida y precisa de las características delciclo de carga (sigma_amp, sigma_medio).
• Permitan monitorear la prueba a través deindicadores
• Robustez
• Posicionamiento de la probeta rápido y seguro
• Costo no superior a $ 25’000.000
FACTORES DE DISEÑO DETERMINANTES
• Generación de movimientos alternantes o fluctuantes
• Sistema de control
• Frecuencia de ensayo variable
• Rango de carga
• Calidad en los materiales
• Ciclos de mantenimiento
• Nivel de seguridad
FUNCIONES:DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
GENERACIÓN DE CONCEPTOS:VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS
GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO
BIELA ACERO AISI 4340
CAJÓN
ACERO AISI 1045
PLACAS
COLUMNAS
EXCÉNTRICAS
EJE
PATÍN
CAMISA
BUJE BIELA - PATIN BRONCE SAE 65
SELECCIÓN MATERIALES COMPONENTES PRINCIPALES
COMPONENTES ESTANDARIZADOS
RODAMIENTOS SKF 22215 CC W33
RODAMIENTO SKF 23024 CC W33
PERNOS Y AGUJEROS ROSCADOS
POLEAS
CORREA
BUFIN SERIE S
RANURAS EN T SOBRE LAS PLACAS
CHAVETA Y CHAVETERO
MEJORA DE DETALLES
TENSADO DE LA CORREA SISTEMA PIVOTANTE
VIBRACIÓN • ELASTÓMERO ENTRE PLACA INFERIOR Y ESTRUCTURA . • RUEDAS EN POLIURETANO DE ALTA DENSIDAD.
DESENSAMBLE • TIPO MODULAR.
CONTROL • VISIBLE Y DE FACIL ACCESO.
BIELA • ENTERIZA (SIN SOMBRERO)
OREJA DEL PATÍN • PERMITIR EL MOVIMIENTO ANGULAR RELATIVO ENTRE EL PATIN Y EL SISTEMA DE SUJECIÓN
HERRAMIENTAS UTILIZADAS
• Solid Edge
• Ansys Workbench
• Excel
• Mastercam
• Torno
• Fresa
• Centro de Mecanizado
• Corte por plasma y oxiacetileno
• Soldadura de arco eléctrico
• Elementos de medición
DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
SISTEMA BIELA – MANIVELA
• El sistema biela – manivela proporciona elmovimiento alternante requerido para generar lascargas ciclicas.
• Un sistema de doble excéntrica se encarga demodificar la longitud de la manivela a fin de generarun desplazamiento en el patín, que se traduce através del sistema de sujeción; en una carga deensayo en la probeta.
ASPECTOS DE SEGURIDAD Y CONTROL DE LA MÁQUINA
• Sistema de freno electromagnético para paradainstantánea del motor.
• Alarma fin de prueba o fallo de algún dispositivo oelemento por exceso de temperatura.
• Parada de emergencia.
• Estabilidad estática y dinámica garantizada.
• Variación de la frecuencia de ensayo y arranquesuave del motor.
ASPECTOS DE ERGONOMÍA CONSIDERADOS
• Altura.
• Zona útil de trabajo.
• Accesibilidad panel de control y monitoreo.
• Desensamble subsistema generador del
movimiento alternante.
• Subsistemas modulares.
APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
APORTE
• Diseño y construcción detallada de la máquina
de ensayo empleando conceptos de diseño
concurrente, prestando especial atención a la
flexibilidad del equipo para ensayar las
configuraciones de juntas soldadas que se
consideren, para aplicar distintos niveles de
esfuerzos (R-variable) y modos amplios de
aplicación de la carga.
• Garantizar la exactitud, repetitividad y
confiabilidad de los ensayos experimentales.
VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
• Potencializar los alcances en investigación científicade la Universidad Nacional.
• Aumentar la calidad en el diseño de unionessoldadas, con el consecuente incremento en laconfiabilidad y con repercusión en la industriacolombiana de estructuras de acero.
• Obtener nuevos modelos de comportamiento antecargas dinámicas de un grupo de soluciones porjuntas soldadas, que sirvan de referencia a lasempresas constructoras de infraestructural vial,residencial e industrial en el país.
CONCLUSIONES
• En las uniones soldadas operan diferentesmecanismos de fallas, debido a su Configuración,modo tecnológico de obtención de la unión, medioambiente en que operan y las características de lasfuerzas aplicadas. Pero, es sin dudas la falla porfatiga la más catastrófica, porque no muestraseñales previas de pérdida de la funcionalidad, salvocuando se emplean planes de inspección adecuados.
• Los modelos matemáticos deben ser validados pormedio experimental, esto se logra mediante eldiseño, construcción y puesta a punto de unamáquina de funcionamiento flexible que permitasimular los diferentes parámetros a tener en cuantaen el modelo.
• Los modelos de cálculo para el diseño de unionessoldadas empleadas en la actualidad poseen unaserie de simplificaciones que los hacen no aptos parallevar a cabo un análisis preciso de esfuerzos y/odeformaciones. Aunque se puede emplear el análisispor elementos finitos para cada caso en particular, suuso en un ambiente industrial o donde ocurra unagran variabilidad en configuraciones y geometrías lohacen poco atractivo.
• Existe la necesidad de contar con modelos analíticosque posean mayor exactitud para el análisistensional y deformacional de las uniones soldadas.Por otro lado, es de vital importancia contar conmodelos de propagación subcrítica de grietas, con loscuales se puedan definir planes de inspecciónconfiables y eficientes, y se pueda realizar unagestión de vida con una mejor precisión.
• El diseño y manufactura de un componente mecánicocomplejo (máquina) debe ser parte necesaria en laformación integral de un ingeniero mecánicoempleando para ello metodologías de diseño robustoy de manufactura teniendo en cuentas laslimitaciones tecnológicas en los procesos.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA
EMPLEADAS
• V.I. Feodosiev. Resistencia de Materiales. III Edición.Editorial MIR
• Gere & Timoshenko. Mecánica de Materiales. IIEdición. Editorial Iberoamericana
• Joseph Shigley. Diseño en Ingeniería Mecánica. VIEdición. Editorial McGraw-Hill
• Robert L. Norton. Diseño de Maquinas. EditorialPrentice Hall.
• Dobrovolski. Nociones Generales de Elementos de Máquinas
• Ferdinand Beer. Mecánica Vectorial para Ingenieros. Estática. V Edición. Editorial McGraw- Hill
• SKF. Catálogo General Productos SKF.
• Transmisiones por Correas Dentadas de Tiempo y Sincrónicas. Manual de selección. Intermec Ltda.
• Solid Edge
• Microsoft Excel
