DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE
MORDAZAS HIDRÁULICAS PARA LA MÁQUINA
DE PRUEBAS UNIVERSAL INSTRON MODELO 1323
OMAR FERNANDO GÓMEZ LANDAZABAL
JHON ALEXÁNDER SUÁREZ SUÁREZ
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIAS FÍSICO-MECÁNICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
BUCARAMANGA
2008
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE
MORDAZAS HIDRÁULICAS PARA LA MÁQUINA
DE PRUEBAS UNIVERSAL INSTRON MODELO 1323
OMAR FERNANDO GÓMEZ LANDAZABAL
JHON ALEXÁNDER SUÁREZ SUÁREZ
Trabajo de Grado para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Director
ABEL PARADA CORRALES
Ingeniero Mecánico Codirector
ISNARDO GONZÁLEZ
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERIAS FÍSICO – MECÁNICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
BUCARAMANGA
2008
DEDICATORIA
A Dios.
A mis padres Abelardo y Maria por su constante apoyo y dedicación. A mi esposa Jenny por su comprensión y amor. A mis hijos Nicolás y Felipe por ser mi fuente de inspiración constante. A mis hermanos Diego y Yesid (Q.E.P.D.) por su colaboración. A mis familiares y amigos que me ayudaron en mi formación como profesional, en especial a mi colega Jhon Alexander Suárez.
Omar Fernando.
A Dios, vida.
A mi hija María Alejandra, esperanza.
A mis padres María Teresa y Juan Bautista, amor. A mis hermanas Ángela y Nathalie, confianza. A mi familia, unión.
A mis amigos.
Jhon Alexander.
AGRADECIMIENTOS
Al profesor Abel Parada Corrales e Isnardo González, ingenieros mecánicos, directores del proyecto, por su respaldo, confianza y colaboración oportuna. A Oscar Javier Culman por su apoyo incondicional.
Omar Fernando Gómez y Jhon Alexander Suárez
A Carolina, mi esposa, por su confianza y colaboración.
Jhon Alexander Suarez
A mis familiares, que me motivaron de una u otra forma a culminar este trabajo.
A todos aquellas personas que con su amistad, confianza y consejos me hicieron y harán lo que soy y seré.
A mis compañeros de trabajo Johanna, Giovanni, Jesús y Ernesto por su paciencia.
A todo el equipo de voleibol de la UIS.
Omar Fernando Gómez.
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN
15
1. ENSAYOS EN PROBETAS DE MATERIALES METALICOS
17
1.1 ENSAYOS DE TRACCIÓN
17
1.1.1
Probetas de ensayo
17
1.1.2
Aplicación de la carga
22
1.1.3
Medición de la deformación
22
1.1.4 Interpretación de resultados
23
1.2 ENSAYOS DE COMPRESIÓN
24
1.2.1
Procedimientos en ensayos de compresión
24
1.2.2
Tendencias del comportamiento compresivo
25
1.3 ENSAYOS DE FATIGA
26
2. DESCRIPCION DE LA MAQUINA DE PRUEBAS UNIVERSAL
INSTRON 1323
31
2.1 MODULO DE POTENCIA
32
2.2 MANIFOLD DE CONTROL
34
2.3 MARCO ESTRUCTURAL
35
2.4 CONSOLA DE CONTROL DE LECTURA
36
2.5 SISTEMA DE MORDAZAS ACTUAL
37
3. ANÁLISIS QFD
45
3.1 PLANTEAMIENTO DEL SISTEMA DE MORDAZAS REDISEÑADO
45
3.2 ALTERNATIVAS PROPUESTAS
49
3.2.1
Sistema hidráulico con cilindros
49
3.2.2
Sistema hidráulico con placa móvil
51
3.2.3
Sistema hidráulico con rotación de plato inferior
53
3.3 SELECCIÓN DE ALTERNATIVA
56
4. DISEÑO CAD-CAE
57
4.1 GEOMETRIA
4.2 ESTATICA
57
4.2.1
Tensión
57
4.2.2
Compresión
62
4.3 PARTES DEL SISTEMA MECANICO
64
4.3.1
Juego de Mordazas
65
4.3.2
Placa móvil
65
4.3.3
Sección inferior
66
4.3.4
Tapa
67
4.4 SIMULACIÓN CINEMÁTICA
68
4.5 SIMULACION GENERAL Y ANALISIS DE ESFUERZOS
69
4.5.1
Prueba a Tensión
69
4.5.2
Prueba a compresión
75
4.6 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
77
4.6.1
Tensión
77
4.6.2
Compresión
77
5. DISEÑO DE CIRCUITO HIDRÁULICO
79
6. MANTENIMIENTO Y MONTAJE
86
7. PRUEBAS
88
7.1 EVALUACIÓN DEL ESTADO ACTUAL DE LA MAQUINA PARA
EFECTOS DE PRUEBAS
88
7.1.1
Control y lecturas
88
7.1.2
Alineación de los ejes
88
7.2 ELABORACIÓN DE PRUEBAS
89
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
97
BIBLIOGRAFIA
101
ANEXOS
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Perfil de placa rectangular
18
Figura 2. Perfil cilíndrico
19
Figura 3. Perfil cilíndrico de extremo liso
20
Figura 4. Perfil cilíndrico de extremo roscado
20
Figura 5. Perfil cilíndrico de extremo roscado
20
Figura 6. Perfil cilíndrico de extremo bordeado
21
Figura 7. Perfil cilíndrico de extremo bordeado
21
Figura 8. Extensómetro de H.F. Moore
22
Figura 9. Tramos iniciales de curva esfuerzo-deformación para aluminio 26 Figura 10. Curva esfuerzo deformación para plexiglás bajo tensión y compresión
27
Figura 11. Máquina para prueba de fatiga con viga en voladizo rotativa 28 Figura 12. Máquina para prueba de fatiga con viga rotativa de Moore
29
Figura 13. Máquina para prueba de fatiga axial basada en vibración resonante causada por masa excéntrica rotativa
30
Figura 14. Maquina de pruebas universal Instron 1323
31
Figura 15. Modulo de suministro de potencia
32
Figura 16. Manifold de control de fluido
34
Figura 17. Circuito hidráulico de manifold de control de fluido
35
Figura 18. Dimensiones de probetas actuales
37
Figura 19. Dimensiones del plato inferior
38
Figura 20. Dimensiones de la mordaza
39
Figura 21. Diagrama de cuerpo libre del plato inferior
40
Figura 22. Diagrama de cuerpo libre de la mordaza
Figura 23. Fuerzas aplicadas en la mordaza
44
Figura 24. Sistema hidráulico con cilindros
51
Figura 25. Sistema hidráulico con placa móvil
53
Figura 26. Sistema hidráulico con rotación del plato inferior
55
Figura 27. Geometría de conjunto
57
Figura 28. DCL placa móvil
58
Figura 29. DCL mordazas
59
Figura 30. DCL sección inferior
60
Figura 31. DCL tapa
61
Figura 32. DCL sección inferior
62
Figura 33. DCL tapa
63
Figura 34. Conjunto de sistema de mordazas
64
Figura 35. Mordazas
65
Figura 36. Placa móvil
66
Figura 37. Sección inferior
67
Figura 38. Tapa
67
Figura 39. Selección de materiales
70
Figura 40. Tipos de Contacto
71
Figura 41. Enmallado
71
Figura 42. Enviroment tensión
72
Figura 43. Esfuerzos en la tapa
73
Figura 44. Esfuerzos en placa móvil
73
Figura 45. Esfuerzos en mordazas
74
Figura 46. Esfuerzos en sección inferior
74
Figura 47. Enviroment compresión
75
Figura 48. Esfuerzos en la tapa
Figura 49. Esfuerzo en sección inferior
76
Figura 50.Factor de seguridad a tensión
77
Figura 51. Factor de seguridad a compresión
78
Figura 52. Esquema hidráulico
80
Figura 53. Esquema hidráulico de apertura de mordazas
81
Figura 54. Esquema hidráulico de cierre de mordazas
82
Figura 55. Conexión de válvula reductora a manifold
83
Figura 56. Conexión de electroválvula direccional
84
Figura 57. Conexión de válvula direccional a sistema de mordazas
84
Figura 58. Conexión a puertos de mordazas
85
Figura 59. Consola de control
89
Figura 60. Probetas averiadas
90
Figura 61. Probetas utilizadas para pruebas
91
Figura 62. Probetas recomendadas
91
Figura 63. Prueba con probeta de 6mm
93
Figura 64. Fractura de probeta de 6 mm
94
Figura 65. Prueba con probeta de 9 mm
95
Figura 66. Falla de probeta de 9 mm
95
Figura 67.Prueba con probeta de 12.5 mm
96
Figura 68. Conjunto de mordazas
97
Figura 69. Diámetro actual alojamiento de probeta en sección inferior
100
Figura70. Diámetro recomendado alojamiento de probeta en sección inferior
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Dimensiones del perfil placa rectangular
18
Tabla 2. Dimensiones del perfil cilíndrico
19
Tabla 3. Clases de extremos en probetas cilíndricas estándar
21
Tabla 4. Dimensiones de probetas actuales
37
Tabla 5. Dimensiones de platos
38
Tabla 6. Dimensiones de mordazas
39
Tabla 7. Matriz de la calidad
48
Tabla 8. Selección de requisitos
49
Tabla 9. Selección de alternativa
56
Tabla 10. Dimensiones de probetas a utilizar
92
Tabla 11. Tabla de pruebas 92
LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Norma ASTM E 8 Pruebas a tensión
102
Anexo B. Norma ASTM E 9 Pruebas a compresión
126
Anexo C. Reporte ANSYS
134
Anexo D. Planos
164
Anexo E. Calibración de alineación
170
Anexo F. Costos
RESUMEN
TÍTULO:
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE MORDAZAS
HIDRÁULICAS PARA LA MÁQUINA DE PRUEBAS UNIVERSAL
INSTRON 1323. Θ
AUTORES:
Jhon Alexander Suárez Suárez Omar Fernando Gómez Landazábal
PALABRAS CLAVES: Maquina de pruebas universal, sistema de agarre,
SOLID EDGE, ANSYS.
DESCRIPCION:
La finalidad de este proyecto de grado es proveer a la máquina de pruebas universal INSTRON 1323; ubicada en el laboratorio de sistemas oleoneumáticos de la escuela de ingeniería mecánica; un sistema de agarre versátil que agilice el proceso de posicionamiento y retirada de la probeta (ASTM E8 y E9).
El proceso de diseño del sistema se desarrolló en cuatro etapas: 1. Bosquejo de alternativas y selección de la alternativa definitiva, 2. Modelado en SOLID EDGE 14,
3. Simulación en ANSYS Workbench 8.1, 4. Construcción y montaje del sistema;
dando como resultado un sistema adecuado a las necesidades.
El bosquejo de las alternativas se realiza tomando como base el sistema de mordazas antiguo. Para la selección de la alternativa se utilizan métodos de diseño funcional y la herramienta QFD (Quality Function Deployment), posteriormente se dimensionan en base a la cinemática del conjunto. En la simulación en ANSYS se da prioridad a los factores de seguridad que a los esfuerzos resultantes. La construcción se realiza en un centro de mecanizado particular con acero 1045 para las piezas menos solicitadas a esfuerzo y acero 4340 para las mordazas puesto que son las más solicitadas a esfuerzos. Para las pruebas se utilizaron 15 probetas obteniendo resultados satisfactorios teniendo en cuenta las condiciones de funcionamiento de la maquina.
Θ Trabajo de Grado Facultad de Ingenierías Físico-Mecánicas, Escuela de Ingeniería Mecánica, Director del Proyecto Ing. Abel Parada, Codirector Ing. Isnardo González
SUMMARY
TITLE:
DESIGN AND CONSTRUCTION OF A SYSTEM OF HYDRAULIC GAGS
FOR THE MACHINE OF UNIVERSAL TESTS INSTRON 1323. Θ
AUTHORS:
Jhon Alexánder Suárez Suárez Omar Fernando Gómez Landazábal
KEY WORDS: Universal test machine, system of grabs, SOLID EDGE,
ANSYS
DESCRIPTION:
The purpose of this grade project is to provide to the machine of universal tests INSTRON 1323; located in the oleoneumatics systems laboratory of the school of mechanical engineering; a versatile system of grabs that speeds up the positioning and retreat process of the test tube (ASTM E8 and E9).
Design process of the system was developed in four stages: 1. Sketching of alternatives and selection of the definitive alternative, 2. Modeling in SOLID EDGE 14, 3. Simulation in ANSYS Workbench 8.1, 4. Construction and assembly of the system; giving as a result an appropriate system to the necessities.
The alternatives Sketches are made taking as base the old gripping system. To select the appropriate alternative functional design methods were used and the QFD (Quality Function Deployment) tool, after this, dimensions were calculated according to the kinematics of the group. In the ANSYS simulation, priority was given to the security factors over the resulting efforts. The construction was made on a machining center using 1045 steel for the low efforts parts, and 4340 steel for the jaws since these elements demand the most efforts. For testing, 15 probes were used, obtaining satisfactory results if we consider the actual condition of the machine.
Θ Degree Work Physical-Mechanical Engineering Faculty, Mechanical Engineering School, Proyect Director Eng. Abel Parada, Co-director Eng. Isnardo González
INTRODUCCIÓN.
Con el transcurrir del tiempo la humanidad ha querido innovar y crear nuevos instrumentos para realizar de una manera más fácil, sencilla y rápida sus actividades.
En el presente trabajo de grado, se busca la creación de un nuevo sistema de agarre de probetas para realizar pruebas de tensión y compresión a materiales metálicos de una manera fácil y rápida sin que afecte la lectura final de los ensayos, para ello se busca el aprovechamiento de la energía hidráulica presente en la máquina (Instron 1323) de tal forma que esta última sea un conjunto mas compacto.
Para dar solución a esta necesidad se diseño y construyó un sistema hidráulico de mordazas, que reemplazará el tradicional sistema de pernos con que hoy se cuenta en esta máquina; para ser posible este trabajo se cuenta con el apoyo de las herramientas tecnológicas idóneas en cada fase del desarrollo, podemos mencionar algunas software de diseño CAD y de análisis ingeniería CAE. Los programas CAD facilitan el desarrollo de elementos o conjuntos en cuanto a la geometría y por consiguiente al aspecto físico de los mismos, nos ayudan a visualizar con anterioridad como han de ser físicamente o que semblante tendrá lo diseñado. Esto no es suficiente en diseño de ingeniería y para un óptimo producto final también se necesita conocer la respuesta del diseño a las posibles condiciones de trabajo en las que se desenvolverán los diferentes elementos diseñados. Para esto los software CAE nos permiten simular dichas condiciones, con el fin de
observar y analizar entre otras la repuesta cinética a fuerzas que el diseñador impone, además de facilitar el análisis de esfuerzos y fatiga en el prototipo virtual a los que muy posiblemente se encuentre sometido el conjunto a construir y poner en funcionamiento; permitiendo así que el diseñador observe el comportamiento de la geometría y los materiales con los que finalmente se podrá fabricar.
Para la ejecución final de este trabajo, se utilizaron las herramientas CAD “Solid Edge V 18” y CAE “Ansys Workbench V 10”. Su construcción se realizó en un centro de mecanizado.
1. ENSAYOS EN PROBETAS DE MATERIALES METALICOS
1.1 ENSAYOS DE TRACCION
La prueba de tracción es uno de los métodos más útiles que se emplean para
determinar las propiedades mecánicas más importantes de los materiales utilizados en ingeniería. El procedimiento a seguir en cada prueba varía de acuerdo al tipo de material; sin embargo, en la prueba de tensión ordinaria, aun cuando se trate de distintos materiales, se deben cumplir una serie de normas básicas:
Debe realizarse a una temperatura ambiente o cercana a ésta.
La carga sobre la probeta debe ser aplicada lentamente y totalmente axial.
Hay además otras pruebas que son efectuadas a diferentes temperaturas y a niveles de carga muy elevados, pero estas no son consideradas como prueba de tensión ordinaria.
1.1.1 Probetas de ensayo. Existen varios perfiles de probetas las cuales
deben ser labradas simétricamente a máquina a lo largo de su eje longitudinal con el fin de obtener una carga uniformemente distribuida en su sección transversal y cuya geometría varía de acuerdo a la operación de la máquina de ensayo encontrando entre estos:
Placa rectangular
Cilíndrica
Tubular
Figura 1. Perfil de placa rectangular
Tabla 1. Dimensiones del perfil de placa rectangular
Dimensions, mm Standard Specimens Subsize Specimen Plate Type Sheet Type Nominal Width
40
12,5
6
G— Gage length
200 ± 0,2
50 ± 0,1
25 ± 0,1
W— Width
40 ± 2
12,5 ± 0,2
6 ± 0,1
T— Thickness Thickness of material R— Radius of fillet, min
25
12,5
6
L— Overall length
450
200
100
A— Length of reduced section, min
225
57
32
B— Length of grip section
75
50
30
C— Width of grip section, approximate
Figura 2. Perfil cilíndrico
Tabla 2. Dimensiones del perfil cilíndrico
Dimensions, mm Standard Specimen Small-Size Specimens Proportional To Standard
12,5
9
6
4
2,5
G—Gage length 62,5 ± 0,1
45 ± 0,1
30 ± 0,1
20 ± 0,1
12,5 ± 0,1 D—Diameter 12,5 ± 0,2
9 ± 0,1
6 ± 0,1
4 ± 0,1
2,5 ± 0,1 R—Radius of fillet, min
10
8
6
4
2
A—Length of reduced section, min
75
54
36
24
20
De estos últimos el redondo es el mas común y usado de todos. Adicionalmente estos últimos cuentan con varios tipos de extremos dependiendo del sistema de agarre de la máquina:
De extremo liso
De extremo bordeado
De extremo roscado
Figura 3. Perfil cilíndrico de extremo liso
Figura 4. Perfil cilíndrico de extremo roscado
Figura 5. Perfil cilíndrico de extremo roscado
Figura 6. Perfil cilíndrico de extremo bordeado
Figura 7. Perfil cilíndrico de extremo bordeado
Tabla 3. Clases de extremos en probetas cilíndricas estándar
Dimensions, mm
Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 G- gage length 62,5 ± 0,1 62,5 ± 0,1 62,5 ± 0,1 62,5 ± 0,1 62,5 ± 0,1 D- diameter 12,5 ± 0,2 12,5 ± 0,2 12,5 ± 0,2 12,5 ± 0,2 12,5 ± 0,2 R- radius of fillet, min
2
10
10
10
10
A- length of reduced section
100
75
75
75
75
L- overall length, aprox.
140
145
155
140
255
B- length of end section
20
35
25
15
75
C- diameter of end section
20
20
20
22
20
E- length of shoulder and fillet section, approx.
.......
......
15
20
15
F- diameter of shoulder
.......
.......
1.1.2 Aplicación de la carga. La aplicación de la carga puede ser de tipo
hidráulica o mecánica de acuerdo a cual de los dos tipos de máquinas de pruebas existentes se este utilizando para tal fin. Las cargas de tipo mecánico tienen la ventaja que proporcionan un medio conveniente para controlar la velocidad de deformación, aunque generalmente se prefiere usar las de tipo hidráulico por su bajo costo y mayor capacidad de operación.
1.1.3 Medición de la deformación. Esta puede ser medida por métodos
mecánicos, eléctricos, electromecánicos u ópticos. Entre los métodos mecánicos encontramos el extensómetro H. F. Moore, el cual al trabajar con una probeta estándar de 2 pulgadas los pares de puntos con que se sujeta el extensómetro se ajustan con una separación de 2 pulgadas; los puntos del medidor se colocan a 1 pulgada del punto de apoyo y este debe estar a su vez a 5 pulgadas de la carátula del medidor. Un aumento en la longitud de escala del extensómetro de 0.0003 pulgadas hará que la aguja indicadora de la carátula registre una lectura de 0.0015 pulgadas. La deformación estará definida como L L Δ , es decir
00015
.0
2
0003
.0
=
.
Figura 8. Extensómetro H. F. Moore
1.1.4 Interpretación de resultados. La lectura de datos consta de las
longitudes inicial y final L 0 y L f, los diámetros inicial y final D 0 y D f, además de las lecturas del extensómetro (en pulgadas) y las de carga (en libras). Las lecturas del extensómetro se transforman en datos de deformación al ser divididas por 10 y las lecturas de carga se transforman en esfuerzos al ser divididas por el área de la sección transversal de corte original. Con estos datos se realiza la gráfica de esfuerzo-deformación en la cual se aprecian dos tipos de comportamiento definidos por cambios drásticos en la continuidad de la línea de tendencia los cuales identifican conceptos tales como:
Limite proporcional: esfuerzo máximo hasta el cual el esfuerzo y la deformación son directamente proporcionales.
Limite elástico: esfuerzo máximo que puede soportar el material sin sufrir deformación plástica o permanente, para su determinación se requiere un aumento sucesivo de la carga anterior a sus respectivas descarga y medición para detectar la más mínima deformación permanente.
Esfuerzo de fluencia: esfuerzo que produce en un material una deformación especifica, permanente y limitadora. Debido a que para valores inferiores al limite elástico la relación esfuerzo-deformación puede considerarse idéntica, no se requiere descargar sucesivamente una probeta para determinarlo; para esto se construye una línea paralela a la sección recta de la curva desplazada del origen en una cantidad igual a la deformación permanente especificada. La intersección entre esta y la curva esfuerzo-deformación nos da la resistencia del punto de fluencia. El desplazamiento mas común es un 0.2 % de la resistencia en el punto de fluencia, es decir, 0.002 pulg. def./pulg.
Punto de fluencia: propiedad que tienen los aceros blandos no endurecidos y algunas otras aleaciones; es también un indicador del limite de comportamiento elástico del material.
Resistencia a la tracción: conocida también como esfuerzo último, se calcula dividiendo la carga máxima soportada por la muestra entre el área de la sección transversal original de la misma.
Resistencia a la ruptura: se determina dividiendo la carga soportada entre el área de la sección transversal original de la muestra en el momento de la ruptura.
1.2 ENSAYOS DE COMPRESION
Algunos materiales tienen comportamientos dramáticamente diferentes bajo esfuerzos de compresión que de tensión y en algunos casos estos materiales son usados principalmente para soportar esfuerzos compresivos. Los ensayos de compresión son muy similares a los de tensión en la forma de conducir la prueba así como de analizar e interpretar los resultados de la misma. Las ratas de desplazamiento uniforme en las pruebas de compresión son similares a las de tensión excepto por supuesto por la dirección de la carga.
1.2.1 Procedimientos en ensayos de compresión. Las probetas son
comúnmente un cilindro con una relación L/d (longitud-diámetro) dentro de un rango de 1 a 3 sin embargo valores de L/d mayores a 10 son usados en ocasiones cuando el principal objetivo es determinar con exactitud el modulo elástico. También son usadas probetas de sección rectangular o cuadrada. La elección de la longitud adecuada de la probeta es critica puesto que si la relación L/d es relativamente alta puede presentarse pandeo y si esto sucede el resultado de la prueba no tendría significado como una medida
fundamental del comportamiento compresivo del material. El pandeo es afectado por pequeñas imperfecciones inevitables en la geometría de la probeta y por la alineación de esta con respecto a la máquina de pruebas.
Por el contrario si L/d es bajo el resultado de la prueba se verá afectado por los detalles de las condiciones en los extremos de la probeta. Como la probeta es comprimida el diámetro se incrementa debido al efecto POISSON pero la fricción retarda este movimiento en los extremos resultando una deformación en forma de barril. Aunque este efecto puede ser minimizado con una apropiada lubricación de los extremos, es difícil eludirlo por completo. Como resultado en materiales con capacidad de grandes cantidades de deformación bajo esfuerzos de compresión, la elección de un L/d bajo puede traer como consecuencia un comportamiento de la probeta dominado por los efectos de los extremos.
Considerando las dos alternativas; L/d bajo para evitar pandeo y L/d alto para evitar los efectos de los extremos; una determinación razonable a la hora de realizar el test es escoger un L/d = 3 para materiales dúctiles. Valores de L/d = 1,5 o 2 son apropiados para materiales frágiles debido a que las bajas deformaciones que sufren se ven menos afectadas por los efectos de los extremos.
1.2.2 Tendencias del comportamiento compresivo. La ingeniería de los
metales dúctiles tiene una afinidad en cuanto a comportamiento esfuerzodeformación en los tramos iniciales de las curvas de tensión y compresión (ver figura 9). Luego de cantidades relativamente grandes de deformación, las curvas pueden coincidir si estos son graficados.
Figura 9. Tramos iniciales de curva esfuerzo-deformación para aluminio
7075 – T651
σ
ε
7075 – T651 Al
Muchos materiales que son frágiles bajo tensión tienen este comportamiento debido a que contienen grietas o poros que crecen y combinan las causas de falla a lo largo de los planos de máxima tensión, o sea perpendicular al eje de la probeta. Estos defectos tienen un efecto menor bajo esfuerzos de compresión, de modo que materiales que llegan a comportarse de forma frágil bajo tensión usualmente tienen una resistencia considerablemente alta a esfuerzos de compresión. Un comportamiento completamente dúctil puede
presentarse a menudo en materiales que son frágiles en tensión como polímeros (ver figura 10).
Figura 10. Curva de esfuerzo deformación para plexiglás bajo tensión y compresión Break
10
PMMA Tension
0
-10
Compression
No break
-20
-0,2 -0,1
0 0,1
Strain
Al ocurrir una falla por compresión generalmente se asocia con un esfuerzo cortante, de modo que la fractura se observa relativamente inclinada con respecto al eje de la probeta. Este tipo de fractura es evidente para fundiciones de hierro gris, aleaciones de aluminio y concreto.
σ, Stress ksi
1.3
ENSAYOS DE FATIGA
Los ensayos sobre materiales para obtener curvas S-N (Esfuerzo-Vida) se han convertido en una práctica muy generalizada. Varios artículos de la ASTM direccionan tales pruebas para metales; como el No. E466; y para plásticos (polímeros); como la D671. Un entendimiento de las bases de estas pruebas es muy útil para un efectivo uso de sus resultados con propósitos ingenieriles.
Maquinas de prueba. Una de las máquinas empleadas por Wöhler utilizaba un par de especímenes rotatorios, sujetos como una viga en voladizo (ver figura 11). Los resortes suministran una fuerza constante a través de un rodamiento, el cual permite la rotación del espécimen de tal modo que el momento flector varia linealmente con la distancia desde el resorte. En este tipo de prueba cualquier punto sobre el espécimen es sometido a un esfuerzo sinusoidal que varía de tensión a compresión en cada extremo del espécimen (superior e inferior) a medida que rota durante un ciclo completo de 360º.
Figura 11. Máquina para prueba de fatiga con viga en voladizo rotativa
Equipos para pruebas sobre vigas rotativas que operan sobre principios similares con pocas variaciones son usados aun hoy en día. Una de las más usadas incluye una variación que consiste en 4 puntos de apoyo (ver figura 12); los 2 cojinetes próximos a los extremos de la probeta permiten que la carga sea aplicada mientras la probeta rota y los 2 cojinetes externos a la probeta proveen soporte. Una masa colgante provee una fuerza constante. Esta variación tiene la ventaja que suministra un momento flector constante y cero cortante a lo largo de la probeta.
Figura 12. Máquina para prueba de fatiga con viga rotativa de Moore
Otra variación que garantiza un esfuerzo cíclico con niveles cortantes nulos se puede conseguir por excitación de una vibración resonante en un sistema elástico tal como la máquina de prueba axial (ver figura 13).
Figura 13. Máquina para prueba de fatiga axial basada en vibración resonante causada por masa excéntrica rotativa
En la mayoría de las máquinas de prueba la frecuencia se mantiene constante por la velocidad de un motor eléctrico o por la frecuencia natural de un mecanismo resonante vibratorio. Esta frecuencia fija esta generalmente en un rango de 10 a 100 Hz. A este ultimo valor una prueba de 107 ciclos tomaría 28 horas, una de 108 tomaría 12 días y una de 109 ciclos casi 4 meses. Estos largos tiempos de prueba limitan en forma práctica el rango de vida que puede ser estudiado.
Si se está interesado en estudiar elementos de larga vida una posibilidad es usar mecanismos resonantes vibratorios con una alta frecuencia; sin embargo esto puede afectar los resultados de la prueba por lo que no es seguro decir que una curva obtenida a una frecuencia de 20 kHz pueda ser aplicada para análisis ingenieriles.
2. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA DE PRUEBAS UNIVERSAL
INSTRON 1323
La máquina de pruebas universal INSTRON 1323 es una máquina hidráulica cuya máxima presión de trabajo es de 4000 [psi]. Esta máquina es utilizada para realizar pruebas de ensayo de materiales a tracción, compresión y fatiga. Esta formada por cuatro módulos principales:
Modulo de suministro de potencia hidráulica
Manifold de control de fluido
Marco de carga
Consolas de control y lectura
Figura 14. Maquina de pruebas universal Instron 1323
2.1
MODULO DE POTENCIA
Este módulo ha sido diseñado para el uso con un alto grado de funcionamiento, utilizando un servo-sistema electro-hidráulico. Esta unidad ofrece un alto grado de versatilidad y exactitud así como también una fácil operación. Además el módulo cuenta con la instrumentación necesaria para su operación. Sus dimensiones son 135[cm.] de altura, 154[cm.] de largo y 105[cm.] de ancho y su peso aproximado es de 955[Kg.] .Se encuentra compuesto básicamente por los siguientes elementos (ver figura 8):
Bomba: unidad de desplazamiento positivo con capacidad de 10 [g.p.m.] a 3000 [p.s.i.] con alimentación por gravedad para máxima eficiencia. Es accionada por un motor eléctrico trifásico de 20[hp], 230- 460[V], 55[Amp], y que gira a 1200[r.p.m.]; el cual es activado directamente desde la consola de control y lectura.
Figura 15. Módulo de Suministro de Potencia Hidráulica.
Manifold de control: unidad que lleva internamente una válvula de seguridad y un filtro; externamente presenta los puertos de presión y retorno cuyas conexiones son de diferente tamaño para evitar un intercambio accidental de las líneas respectivas además puertos para la conexión de dos presostatos.
Acumuladores: su función es amortiguar las pulsaciones de la bomba en los diversos modos de operación.
Sistema de enfriamiento: consiste en un intercambiador de calor que toma el aceite caliente de retorno y le extrae calor por medio de agua de enfriamiento, antes de su llegada al depósito.
Conector eléctrico: es usado para unir todos los componentes de control eléctrico de la unidad.
Interruptor de control de temperatura: controla la temperatura del aceite del tanque, trabajando en un rango de temperaturas de 80[°F] a 240[°F]. Se encuentra normalmente abierto y se cierra si la temperatura de ajuste es alcanzada apagando la maquina.
Interruptor de control de presión máxima: controla la presión máxima que se puede desarrollar en la maquina. Puede ser ajustado en un rango de presión entre 190 [psi.] y 3200 [psi.], se activa apagando la maquina cuando se alcanza la presión de ajuste.
Interruptor de presión diferencial: controla la caída de presión que se presenta en el filtro que se encuentra internamente en el manifold. Puede ser ajustada dentro de un rango de caída de presión de 20[psi.] a 140[psi.]. La máquina se apaga si la caída de presión sobrepasa el valor ajustado.
Interruptor de control de nivel: verifica el nivel mínimo de aceite en el depósito; en caso de estar por debajo del valor ajustado la máquina se apagará.
2.2
MANIFOLD DE CONTROL
Tiene como función controlar el paso del fluido desde el módulo de suministro de potencia hacia el actuador hidráulico que se encuentra ubicado en el marco de carga, mediante una electroválvula direccional 3/2 reposicionada por resorte que se activa desde la consola de control. Tiene además dos acumuladores cuya función es amortiguar las pulsaciones y una reguladora de caudal a la entrada de la válvula direccional. En su entrada identificamos tres puertos; presiona, retorno y drenaje. A su salida además de los anteriores encontramos un cuarto puerto de presión piloto (ver figuras 10 y 11). Sus dimensiones son 41[cm.] de altura, 27[cm.] de largo y 31[cm.] de ancho y un peso de 34[kg.] aproximado.
Figura 16. Manifold de Control de Fluido.
Figura 17. Circuito Hidráulico del Manifold de Control de Fluido
2.3
MARCO ESTRUCTURAL
Es un conjunto rígido conformado por dos columnas principales con sus bases sobre las cuales descansan las vigas superior e inferior, siendo esta última la que sirve de apoyo al actuador hidráulico de trabajo (ver figura 12). La viga superior se desplaza a lo largo de las columnas principales por medio de dos actuadores hidráulicos de simple efecto para permitir una longitud variable de probetas a utilizar y posicionar las mismas. En la viga superior se encuentra una celda o transductor de carga, mientras que a la viga inferior se encuentra fijo el actuador hidráulico de precisión de doble efecto. Sobre este se encuentra montada una servoválvula, la cual es un amplificador de potencia que regula el flujo de aceite al actuador, en Presión Retorno Drenaje Presión piloto Opcional
proporción a la señal de comando del servoamplificador. Tiene la capacidad de llevar aceite dentro o fuera de los dos lados del actuador o permanecer en posición de no flujo o cierre total.
Es el elemento en donde se lleva a cabo el ensayo, para lo cual dispone de un actuador de doble efecto cuya área efectiva es de 40.5 [in2] y un sistema de sujeción, formado por unos platos compactos para la prueba de compresión. Los utilizados en la prueba de tracción tienen una superficie cónica interna en donde se introducen las mordazas correspondientes a su medida que sostendrán la probeta durante el transcurso del ensayo. Las dimensiones de la estructura compacta son 366[cm.] de alto, 122[cm.] de largo y 129[cm.] de ancho; su peso total es de 160[kg.] aproximadamente.
2.4
CONSOLA DE CONTROL DE LECTURA
En ella se encuentran ensamblados los dispositivos necesarios para un sistema de control servohidráulico. Los controladores son unidades que trabajan básicamente con corriente directa con excepción de una excitación de corriente alterna para los transductores.
Las consolas cuentan con una unidad de alta ganancia para controlar la velocidad y carga del actuador, la cual esta diseñada para una gran exactitud; es muy sensible y posee un control de circuito cerrado para posición y carga de un actuador hidráulico. Además, posee un control de deformación. El panel de control indica las funciones de bloqueo, las cuales interrumpen la acción de la unidad de potencia hidráulica. Los indicadores de falla indican bajo nivel en el tanque de aceite, alta temperatura del aceite, y baja presión a la salida de la bomba.
2.5 SISTEMA DE MORDAZAS ACTUAL
Los diámetros del orificio de las mordazas actuales fueron determinados a partir de las dimensiones de las probetas a ensayar (ver figura 12 y tabla 4)
Figura 18. Dimensiones de probetas actuales
12
9
45
55,55
R10
Tabla 4. Dimensiones de probetas actuales
PROBETA
B Lo Lc D R
1
9±0,3 35±0,2
45
12
10
2
12±0,4 50±0,2
57
20
10
3
20±0,8 50±0,2
57
25
10
4
20±0,8 100±0,2
115
25
10
La prensa dispone de dos platos de diferente sección que se acoplan perfectamente y en medio de los cuales se alojan las mordazas de agarre (ver figuras 19 y 20). Las dimensiones aparecen en las tablas 5 y 6.
Lc Lo D b R
Figura 19. Dimensiones del Plato Inferior
Tabla 5. Dimensiones de platos
PLATO
No B C D E h L
Figura 20. Dimensiones de las mordazas
Tabla 6. Dimensiones de mordazas
No D C ∅ H
1
33
22
12
25
2
33
22
20
25
3
43
32
20
25
4
43
32
25
25
Análisis de resistencia. Para el análisis de resistencia es necesario tener en cuenta que el numero de mordazas es de tres cubriendo cada una un ángulo de 120° y que cuentan con un ranurado interno para mejorar la fuerza de fricción y por lo tanto el agarre de la probeta.
X Y Tomando como base para los cálculos una carga crítica que es la máxima que esta en capacidad de efectuar la prensa y conociendo los diámetros del actuador hidráulico:
Diámetro del pistón : 8.75 pulgadas
Diámetro del vástago: 5 pulgadas
Área efectiva : 40.5 pulgadas
] ton [2.
55
F ] lb [
121500
] lg pu [5.
40
] lg pu lb [
3000
Ae P F
2
2
= = ∗ = ∗ =
En donde F : Fuerza máxima ejercida por el actuador P : Presión máxima de trabajo Ae : Área efectiva A partir de F se obtienen las cargas a las cuales se encuentra sometido el sistema de agarre, tomando como caso critico cuando se trabaja con el sistema de agarre Nº 2, del diagrama de cuerpo libre del plato inferior(ver figura 21):
Figura 21. Diagrama de Cuerpo Libre del Plato Inferior
Ecuación
1
Ecuación
cos N
0
1
1
1
1
N F F sen F Fy f f ∗ = = ∗ + ∗ = ∑ μ φ φ
Reemplazando Ecuación 2 en Ecuación 1:
3
Ecuación
cos N
1
1
F sen N = ∗ ∗ + ∗ φ μ φ
En donde N1: Fuerza normal entre el plato y la mordaza de agarre Ff1: Fuerza de fricción entre el plato y la mordaza de agarre Φ : Angulo de inclinación del plato μ : Coeficiente de fricción entre el plato y la mordaza F : Fuerza ejercida por los tornillos
Despejando N1 de Ecuación 3:
] kg [4.
74415
N
75
sen
5.0
75
cos
55200
φ sen μ φ cos F N
1
1
= ∗ + = ∗ + =
Haciendo el DCL para una de las tres mordazas teniendo en cuenta que son simétricas axialmente (ver figura 22):
X Y Figura 22. Diagrama de Cuerpo libre de la Mordaza
(
)
(
)
] [4.
20716
3
75
cos
5.0
75
4.
74295
3
cos
3
cos
3
:
N
4
Ecuación
3
cos
0
2
1
2
1
1
2
2
1
1
2
kg N sen sen N N N sen N N Despejando sen N F N Fx f = ∗ − ∗ = − = ∗ ∗ − ∗ = ∗ = ∗ + = ∑ φ μ φ φ μ φ φ φ
] [1.
8012
4.
20716
5.0
3
75
5.0
74295
3
75
cos
4.
74295
3
3
cos F :
obtiene
se
F despejando
3
3
cos :
tiene se
do reemplazan
entonces
5
Ecuación
3
cos F
0
1
1
2
1
1
1
1
1
1
2
1
2
2
1
1
2
1
kg F sen F N sen N N sen N N N F N F N sen F F Fy f f f = ∗ − ∗ ∗ + ∗ = ∗ − ∗ ∗ + ∗ = ∗ + = ∗ + ∗ = ∗ = ∗ − + = ∑ μ φ μ φ φ μ φ μ μ φ φ
En donde Ff2: Fuerza de fricción entre mordaza de agarre y probeta. N2: Fuerza normal entre mordazas de agarre y probeta. F1 : Fuerza ejercida por la probeta.
Despejando Ecuación 2 se tiene:
] [2.
10358
F
4.
20716
5.0
F :
tenemos
5
Ecuación
de
F Despejando ] [6.
12382
3
4.
74295
5.0
f2 f2 f2
1
1
kg kg F F f f = ∗ = = ∗ =
En conclusión la mordaza se encuentra sometida a las fuerzas anteriores (ver figura 23).
Figura 23. Fuerzas Aplicadas a las Mordaza
3. ANALISIS QFD PARA EL SISTEMA DE MORDAZAS HIDRÁULICAS
3.1 PLANTEAMIENTO DEL SISTEMA DE MORDAZAS REDISEÑADO
Con el transcurrir del tiempo, nuestro mundo se ha visto afectado por la competitividad y por el deseo de realizar las actividades de una manera más rápida y confiable. Para poder entrar en este mundo debemos de innovar y mejorar nuestros equipos, de tal forma que se comporten como sistemas rápidos y de pronta respuesta, aprovechando todas las variables que nos puedan facilitar este comportamiento.
En miras de mejorar el procedimiento de anclaje de probetas realizado en la máquina de pruebas universales Instron 1323 ubicada en el laboratorio de sistemas oleoneumáticos; procedimiento que se realiza actualmente con pernos y platos de acuerdo al tamaño de las probetas que se utilicen en donde para cada prueba se deben soltar los seis tornillos con que cuenta cada conjunto, haciendo de este un procedimiento largo, tedioso y con respuestas lentas; se planteó la posibilidad de mejorar el sistema de anclaje .
Para subsanar este trabajo se requiere un diseño ingenieril que haga de esta labor un procedimiento más acorde a nuestra necesidad.
Requerimientos para desarrollo del nuevo sistema de anclaje:
Fácil de operar.
Sirva para las pruebas de tensión y compresión.
Permita cambios rápidos de probetas.
Fácil de armar.
Fácil de desarmar.
Fácil montaje.
Sus repuestos sean fácil de conseguir.
Limpia.
Segura.
Peso moderado.
A continuación se realiza una asociación de los requerimientos en subgrupos de criterios de evaluación.
Fácil de operar Para las dos pruebas Operación y uso Cambios rápidos de probetas
Fácil de armar Fácil de desarmar Fácil montaje Repuestos fácil conseguir Mantenimiento Limpia
Seguro Seguridad Peso
Estos requerimientos se introducen en la matriz de la calidad en las celdas verticales y son las necesidades del cliente; a estas se les asigna un valor de importancia para el consumidor. En posición horizontal se asignan los requisitos del proyecto, paso que se realiza anteriormente con el método de tormenta de ideas (ver tabla 7).
El relacionamiento se efectúa basado en los siguientes valores:
9 ( para un relacionamiento fuerte)
3 ( para un relacionamiento medio)
1 ( para un relacionamiento débil)
Luego de ubicados los valores en cada recuadro, se procede a realizar la sumatoria de cada una de las columnas con el fin de identificar los de mayor valor en la matriz de la calidad, estos constituyen los indicadores más fuertes que mas adelante se ponderarán y que deberán influir en la proposición de las alternativas.
Tabla 7. Matriz de la calidad
Acero Mecanismo Sencillo Pocas Piezas Económico Solo conjunto Hermético Fácil de construir (Local Unida a máquina Fácil de abrir y cerrar Ocupe poco espacio
Importancia
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Fácil de operar
8
9
9
9
9
9
9
Para las dos pruebas
8
9
9
9
9
3
9
9
9
Operación y uso Cambios rápidos
7
9
9
9
3
9
9
Fácil de armar
7
9
9
9
3
3
3
3
Fácil de desarmar
7
9
9
9
3
3
3
3
Fácil montaje
7
3
3
9
9
3
3
3
3
Repuestos fácil conseguir
6
9
9
9
3
9
9
Mantenimiento Limpia
4
3
3
9
3
Segura
8
3
3
9
3
9
9
9
Seguridad Peso
3
9
3
9
3
3
Totales
120
441
513
54
495
123
141
375
279
342
Luego de llenado la matriz de la calidad se procede a la selección de los requisitos del proyecto con mayor puntuación, estos requisitos serán el pilar para la selección final de la alternativa.
Para nuestro efecto se ha seleccionado los 5 con puntuación más alta y se mostrarán a continuación en %. Para efectuar este cálculo se toma el valor del requisito y se divide en la sumatoria total de todas las columnas (ver tabla 8). Tabla 8. Selección de requisitos
Acero Mecanismo Sencillo Pocas Piezas Económico Solo conjunto Hermético Fácil de construir (Local Unida a máquina Fácil de abrir y cerrar Ocupe poco espacio
Totales
120
441
513
54
495
123
141
375
279
342
2883
%
4
15
18
2
16
4
5
13
10
12
Los requisitos que predominan de acuerdo a sus porcentajes son:
Pocas Piezas
Un solo conjunto
Mecanismo Sencillo
Unida a la máquina
Ocupe poco espacio
3.2 ALTERNATIVAS PROPUESTAS
Las alternativas presentadas a continuación son el resultado de un estudio basado en el funcionamiento de elementos hidráulicos tradicionales.
3.2.1 Sistema hidráulico con cilindros. Lo propuesta consiste en utilizar los
elementos existentes actualmente, adaptándoles un cilindro hidráulico que ejecute la acción de agarre y unos resortes que permitan la reposición de las mordazas y la extracción de la probeta.
Montaje: Se adaptara un cilindro hidráulico previamente seleccionado al marco de la prensa y se acondicionara al vástago del cilindro el plato superior del sistema de agarre, el plato inferior (plato con la perforación cónica) estará apoyado fijamente a una estructura que se diseñará e irá soportada en el marco de la prensa. En su posición inicial el cilindro se encontrará retraído, y utilizando una válvula direccional 4/3 con centro cerrado se darán las respectivas órdenes para la dirección del flujo. Adicional a esto las mordazas irán sujetadas lateralmente al plato superior por medio de resortes (ver figura 18).
Procedimiento para el agarre: Como el plato inferior se encuentra independiente del conjunto vástago-plato superior, podemos colocar la probeta de una manera fácil; luego de colocada la probeta en el plato inferior, se dará la orden a la válvula direccional para que el cilindro se empiece a extender, lo que quiere decir que el plato superior empieza a descender lentamente hasta alcanzar la cabeza de la probeta, ajustando de manera adecuada la probeta entre los dos platos mencionados(este procedimiento se realizara de igual manera en la parte inferior).
Luego de realizada la prueba respectiva, se dará la contraorden a la válvula direccional, reposicionando el cilindro a su estado actual y liberando la probeta para realizar la siguiente prueba. Con el sistema de resortes adaptado a cada una de las mordazas, garantizamos siempre que estas suban de igual manera como lo hace el plato superior, evitando que las mordazas no liberen la probeta estudiada.
Figura 24. Sistema hidráulico con cilindros
3.2.2 Sistema hidráulico con placa móvil. Lo que proponemos en esta
solución es el diseño y construcción de una camisa de doble sección, con sus agujeros laterales para realizar la respectiva conexión de las mangueras que transportarán el fluido hidráulico. Adicional a esto se diseñará y construirá un disco de doble sección que se acople perfectamente en la camisa nombrada anteriormente (ver figura 19).
Montaje: Dentro de la camisa se alojará el disco de doble sección; cada sección del disco irá con sus respectivos sellos para evitar que el fluido Cilindro Probeta Plato inferior Soporte Plato superior Mordazas
pase de una cámara a otra y así crear dos cámaras independientes con diferente área efectiva.
Además en la parte interna de la camisa irá alojado el plato inferior (plato con la perforación cónica) que podrá ser desmontado fácilmente para cualquier cambio de las dimensiones de la probeta a estudiar (para cada dimensión de probeta habrá un plato inferior con sus respectivas mordazas).
El disco móvil llevará consigo un sistema de guía para las mordazas que irán montadas en éste, esto para garantizar que las mordazas se desplacen verticalmente, adicional a esto las mordazas irán agarradas lateralmente a la camisa por medio de resortes previamente seleccionados, garantizando su desplazamiento radial.
Procedimiento para el agarre: Inicialmente el disco móvil se encontrará en su posición mas elevada, lo que quiere decir que la cámara superior aloja el mínimo volumen de fluido hidráulico, luego se montan las mordazas en las guías del disco móvil y se aseguran lateralmente con resortes a la parte interna de la camisa; siguiente a esta operación se montara el plato inferior, asegurando que quede el espacio suficiente para introducir la probeta.
Por medio de una válvula direccional 4/3 con centro cerrado se darán las respectivas órdenes para la dirección del flujo, de modo que se llene de fluido hidráulico la cámara superior (cámara de sección mayor) desplazando el disco móvil, el cuál transmite el movimiento a las mordazas que se deslizan libremente en la superficie cónica del plato inferior hasta permitir el agarre de la probeta (este procedimiento se realizará de igual manera en la parte inferior). Luego de realizada la prueba respectiva se dará la contraorden a la válvula para el llenado de
la cámara inferior (cámara de menor sección), produciéndose un desplazamiento del disco móvil y de las mordazas, que volverán a su posición inicial por medio de la fuerza de los resortes, liberando la probeta previamente estudiada.
Figura 25. Sistema Hidráulico con placa móvil
3.2.3 Sistema hidráulico con rotación del plato inferior. Lo que
proponemos con esta solución es el diseño y construcción de una camisa con perforaciones laterales para la conexión de las mangueras que transportan el fluido hidráulico; dentro de la camisa se alojara un disco que crea dos cámaras independientes de igual sección que al llenarse de fluido hidráulico permitirán su rotación en un sentido u otro transmitiendo este movimiento al plato inferior para proporcionar el agarre o soltura de la probeta (ver figura
20).
Camisa Placa Móvil Mordazas Plato inferior Puerto de alimentación Puerto de alimentación
Montaje: Dentro de la camisa construida se acondicionara un disco que proporcionara dos cámaras independientes de igual sección que proporcionan movimiento en los dos sentidos dependiendo del direccionamiento del fluido. Solidario a este disco se acoplara el plato inferior por medio de unas guías para garantizar que el movimiento rotacional del disco se transmita al plato inferior (plato con perforación cónica). En el plato inferior irán alojadas las mordazas que serán conectadas al disco por medio de resortes.
Procedimiento para el agarre: Luego de realizar el montaje previamente explicado direccionamos el fluido hidráulico por medio de una válvula direccional 4/3 con centro cerrado de tal manera que con una sola orden gire el conjunto convirtiendo el movimiento rotacional del plato inferior en lineal de las mordazas para el ajuste de la probeta.
Figura 26. Sistema Hidráulico con Rotación del Plato Inferior.
Luego de realizada la prueba se dará la contraorden a la válvula para que el conjunto gire en sentido contrario liberando de este modo la probeta. La función de los resortes es reposicionar las mordazas a su posición inicial.
Camisa Disco rotativo Plato inferior Puertos de entrada y salida de aceite
3.3 SELECCIÓN DE ALTERNATIVA
De acuerdo al análisis realizado en el QFD y a las propuestas hechas anteriormente, se llego a la conclusión de que el sistema que se va a desarrollar y que cumple con las condiciones descritas es la opción número 2, sistema hidráulico con placa móvil, basado en el principio de embolo de los cilindros convencionales; además este es un mecanismo sencillo que de deslizamiento que cumple con las condiciones descritas anteriormente (ver tabla 9).
Tabla 9. Selección de alternativa
Alternativa 1.
Sistema hidráulico con cilindros.
Alternativa 2.
Sistema hidráulico con placa móvil.
Alternativa 3.
Sistema hidráulico con rotación del plato inferior.
Sistema mecánico
50%
0,09
2
0,18
5
0,45
5
0,45
pocas piezas Sistema hidráulico
30%
0,054
2
0,108
5
0,27
4
0,216
0,18
Sistema eléctrico
20%
0,036
5
0,18
5
0,18
5
0,18
Fácil de armar
40%
0,064
2
0,128
5
0,32
3
0,192
Un solo conjunto Fácil de desarmar
40%
0,064
2
0,128
5
0,32
3
0,192
0,16
Peso moderado
20%
0,032
3
0,096
3
0,096
3
0,096
Económico
40%
0,06
2
0,12
3
0,18
3
0,18
Mecanismo Sencillo Fácil de construir
40%
0,06
3
0,18
4
0,24
1
0,06
0,15
Seguro
20%
0,03
5
0,15
5
0,15
5
0,15
Fácil montaje
40%
0,052
2
0,104
5
0,26
5
0,26
Unido a máquina Fácil desmontaje
40%
0,052
2
0,104
5
0,26
5
0,26
0,13
Presión máquina
20%
0,026
5
0,13
5
0,13
5
0,13
Compacto
40%
0,048
1
0,048
5
0,24
4
0,192
Ocupe poco espacio Estético
30%
0,036
1
0,036
5
0,18
5
0,18
0,12
Probeta Standard
30%
0,036
4
0,144
5
0,18
5
0,18
Totales
1,836
3,456
2,918
4. DISEÑO CAD-CAE
4.1. GEOMETRIA
Figura 27. Geometría de conjunto
El diseño de la geometría se basó en la selección de la propuesta realizada en el capitulo anterior (ver figura 27).
4.2. ESTATICA
Los diagramas de cuerpo libre se realizan teniendo en cuenta: las operaciones a realizar por el sistema de mordazas que en este caso son tensión y compresión de probetas; y una presión de servicio para su operación de 900 psi.
4.2.1 Tensión.
DCL placa móvil (Ver figura 28).
Pa: Presión de aceite = 900 psi.
Fm1 y Fm2: Fuerza ejercida por las mordazas sobre la placa móvil.
X Y A ef: Área efectiva de Presión de aceite. α : 25º
Figura 28. DCL placa móvil
Fm Fm Fm = =
2
1
25
cos * Fm Fm
25
sen * Fm Fm y x = =
lb Fm lb sen Fm lb Fm Fm Fm Aef Pa fy y x y
3181
25
cos *
3510
1483
25
*
3510
3510
0
25
cos
2
)
4
5
(
4
*
900
0
2
*
0
2
2
= = = = = = − − = − ≈ ∑ π Ecuación 6.
Fm Fmx Fmy α
DCL Mordazas (Ver figura 29):
Fg: Fuerza ejercida por guías de sección inferior. Fp: fuerza ejercida por la probeta.= 56770 lb N: Normal entre mordazas y probeta. α : 25º
Figura 29. DCL Mordazas.
lb N sen sen Fm N N Fm Fx x
1483
25
*
3510
25
*
0
0
= = = = − = ∑ Ecuación 7.
lb Fg Fg Fg Fm Fp Fg Fm Fy y
26794
2
25
cos *
3510
56770
0
56770
2
25
cos *
0
2
0
= − = = − − = − + = ∑ Ecuación 8.
X Y DCL Sección inferior (Ver figura 30):
Fg: Fuerza de las guías. = 26794 lb. Ft: Fuerza ejercida por cada tornillo.
Figura 30. DCL Sección inferior
lb Ft Ft Fg Ft Fy
17863
6
26794
*
4
0
4
6
0
= = = − = ∑ Ecuación 9.
DCL Tapa (Ver figura 31):
X Y
Figura 31. DCL Tapa.
Fs: fuerza ejercida por el soporte.
lb Fs Ft Fs Fy
107178
0
6
0
= = − = ∑ Ecuación 10.
X Y
4.2.2. Compresión. En compresión solo actúan los cuerpos sección inferior y
tapa por lo tanto los otros dos no se tendrán en cuenta para esta operación.
DCL sección inferior (Ver figura 32):
Fp: Fuerza de la probeta. 113538 lb. Ft: Fuerza ejercida por la tapa.
Figura 32. DCL sección inferior.
lb Ft Ft Fp Fy
113538
0
0
= = − = ∑ Ecuación 11.
DCL tapa (Ver figura 33):
Fs: Fuerza del soporte.
Ft: Fuerza soportada por la tapa. = 113538 lb
X Y
Figura 33. DCL Tapa.
lb Fs Fs Ft Fy
113538
0
0
= = − = ∑ Ecuación 12.
4.3
PARTES DEL SISTEMA MECÁNICO.
El sistema diseñado y descrito a continuación (Ver figura 34) se realizo con la ayuda de los paquetes CAD/CAE con los que cuenta la escuela de ingeniería mecánica: Solid-Edge V-14 y Ansys V- 8.1.
Figura 34. Conjunto de sistema de mordazas.
Tapa Sección inferior Placa móvil Mordaza
4.3.1 Juego de mordazas. Constituido por dos piezas de acero AISI SAE
4340 y permitirá agarrar o soltar la probeta a la que se va a realizar la
prueba.
En ellas se apoyará la cabeza de la probeta (Ver figura 35), cuando se realicen pruebas a tensión.
Figura 35. Mordazas.
4.3.2 Placa móvil. Es la pieza motora del conjunto, y es sobre donde recae
todo el éxito del sistema (Ver figura 36). Construida de acero AISI SAE 1045 y su movimiento es debido a que el fluido proveniente de la presión piloto del
sistema pega a las dos (2) áreas (dependiendo de la orden dada a la válvula), permitiendo el desplazamiento vertical de la placa, a su vez este transmitirá el movimiento a las mordazas por medio de un sistema de guías espaciadas cada una a 180° y mecanizadas al interior del cono.
Figura 36. Placa móvil.
4.3.3 Sección inferior. Es la base del sistema , y es por donde se desliza
tanto la placa móvil como el juego de mordazas, lleva internamente un apoyo fijo para que allí descanse la probeta cuando se estén realizando las pruebas de compresión; con esta base se garantiza siempre la misma ubicación de la probeta dentro del sistema (Ver figura 37).
Esta parte del sistema es la encargada de direccionar el movimiento de las mordazas, debido a que radialmente se mecanizaron dos guías cada una a 180°, que es donde están descansando las mordazas antes mencionadas. En la periferia se mecanizaron dos puertos para la entrada y salida del fluido. Su construcción es de acero AISI SAE 1045.
Figura 37. Sección inferior.
4.3.4 Tapa. Parte que permite dar el hermetismo buscado para el sistema, lleva consigo un tornillo roscado que va unido al marco de la máquina de pruebas, se une a la sección inferior por medio de 6 pernos de ½” grado 8 (Ver figura 38). Su construcción es de acero AISI SAE 1045.
Figura 38. Tapa.
4.4
SIMULACION CINEMATICA
Funcionamiento. La operación del sistema esta regida por cuatro fases o tiempos:
Posicionamiento de la probeta La orden para el inicio de la primer fase se da por medio de un accionamiento de la válvula direccional conduciendo el fluido hidráulico al puerto No. 1 localizado en la sección inferior, ocasionando el desplazamiento de la placa móvil que a su vez induce la apertura de las mordazas proporcionando el espacio necesario para introducir la probeta en la sección inferior.
Agarre de la probeta Una vez colocada la probeta en posición de prueba se dará la contraorden a la válvula para direccionar el fluido hidráulico hacia el puerto No. 2 induciendo el cierre de las mordazas y por tanto la acción de agarre de la probeta.
Prueba En esta fase la válvula direccional permanece en la posición central mientras que el actuador de la maquina aplica la fuerza de tracción o compresión según sea el caso, hasta producir la fractura de la probeta.
Retirada de la probeta La última fase se ejecuta de forma similar a la primera con la diferencia de que la apertura de las mordazas permite la extracción de las partes falladas.
4.5 SIMULACION GENERAL Y ANALISIS DE ESFUERZOS
Después de haber modelado previamente las ideas que se tenían sobre el conjunto de mordazas se procede a analizar el sistema con el programa de CAE ANSYS Workbench V8.1.
El proceso de realización del análisis de ingeniería al modelo es el siguiente. Luego de elaborar el conjunto en Solid Edge V18; el programa captura el parasólido y lo deja disponible para agregar las cargas a las que se verá sometido, estas cargas son externas y el mediante análisis de elementos finitos realizara el cálculo de el comportamiento interno de los materiales a esos factores externos ya mencionados. Es importante recalcar que el análisis (FEA acrónimo de Finite Element Analysis) del conjunto solo se le hace a los elementos que están comprometidos y afectados por las cargas externas dentro del conjunto Para cada una de las pruebas realizadas se ha construido un análisis diferente con el fin de poder desarrollar nuestro prototipo. El análisis de esfuerzos se ha realizado utilizando el software ANSYS workbench V 8.1.
4.5.1 Prueba a tensión. Para realizar el modelo de esta prueba se ha tomado
como base la posición donde se debe estar sujetando la probeta, en este punto los elementos que soportan directamente los esfuerzos generados por la probeta son las mordazas.
Geometría Figura 39. Selección de materiales
El material seleccionado (ver figura 39) es un acero 1045 para todas las partes del conjunto, excepto las mordazas para las que se utiliza acero
4340. Estos materiales aplican de igual forma para la prueba a
compresión.
Tipos de contacto Los diversos tipos de contacto son seleccionados para cada pieza en particular de acuerdo a las condiciones de trabajo existentes entre ellas (ver figura 40).
Enmallado Se selecciona con relevancia de 0, con el fin de lograr un punto de equilibrio con la solución (ver figura 41).
Figura 40. Tipos de contacto
Figura 41. Enmallado
Enviroment Entorno en el cual se establecen las condiciones en que opera el conjunto (ver figura 42). Para ello se define un soporte fijo representado sobre la tapa, haciendo similitud con el marco de la máquina; la fuerza de diseño aplicada es basada en la resistencia última (acero 4340) del material de las probetas a ensayar teniendo en cuenta las dimensiones dadas en la norma ASTM E 8.
Figura 42. Enviroment tensión
Esfuerzos resultantes La imagen muestra en gama de colores los esfuerzos resultantes a que están sometidos cada uno de los elementos que componen el sistema diseñado resaltando igualmente los puntos en los cuales se presentan los valores máximo y mínimo (ver figuras 43, 44, 45, 46).
Figura 43. Esfuerzos en la tapa
Figura 44. Esfuerzos en la placa móvil
Figura 45. Esfuerzos en mordazas.
Figura 46. Esfuerzos en sección inferior
4.5.2 Prueba a compresión. Para realizar el modelo de esta prueba se ha
tomado como base la posición donde se debe estar sujetando la probeta, en esta posición el elemento que soporta directamente los esfuerzos generados por la probeta es la sección inferior.
Para efectos de la simulación los puntos mencionados anteriormente en tensión como geometría, tipos de contacto y enmallado, permanecen iguales.
Enviroment La fuerza de diseño es igual a la colocada en la prueba a tensión, solo que con sentido contrario; el apoyo sigue siendo el mismo (ver figura
47).
Figura 47. Enviroment compresión
Esfuerzos resultantes Debido a que el contacto de la probeta es directamente sobre la sección inferior, se ha decidido mostrar en detalle la antes mencionada junto con
la tapa, puesto que hay transmisión de fuerzas solo entre ellas (ver figuras 48, 49).
Figura 48. Esfuerzos en la tapa
Figura 49. Esfuerzos en sección inferior
4.6
RESULTADO DE LA SIMULACION
4.6.1 Tensión. Luego de realizado el análisis se evidencia que la probeta
falla primero. Presentando un factor de seguridad de 0,11103; el resto de componentes se comportan de manera satisfactoria (ver figura 50).
Figura 50. Factor de seguridad a tensión
4.6.2 Compresión. En el comportamiento a compresión se evidencia que la
rotura de la probeta ocurre primero, antes de que cualquier otra parte del conjunto falle (ver figura 51).
Figura 51. Factor de seguridad a compresión
Para efectos de cualquier otro análisis, referirse a Anexo 3 Reporte Ansys.
5. CIRCUITO ELECTROHIDRAULICO DEL SISTEMA DE MORDAZAS
DISEÑADO
El circuito hidráulico del sistema diseñado se alimenta de la línea de presión piloto del manifold de control la cual maneja un rango de presiones de 750 psi a 900 psi cuando la presión máxima del sistema está dentro de un rango de 1600 a 2000 psi respectivamente (ver figura 16).
Consta de una válvula reductora de presión que proporciona una presión acorde a la necesidad del diseño (500 psi), una válvula direccional 4/3 centro tándem accionada por solenoides a 110 Voltios; los cuales se energizan por medio de una perilla de 3 posiciones con dos contactos normalmente abiertos; para dirigir el fluido al conjunto de mordazas diseñado (representado por los cilindros en este esquema) los cuales se encuentran conectados entre sí por medio mangueras R1 (ver figura 52).
Para la alimentación a partir del puerto de presión piloto del manifold se uso una “T” de ¼ rosca NPT conectada al manifold por medio de un adaptador de ¼ a 9/16. De las dos salidas restantes una va conectada a la válvula reductora y da la otra sale una manguera hacia la servo válvula de la prensa.
El drenaje de la válvula reductora y el puerto de tanque de la válvula direccional se conectan al drenaje del manifold principal. Los puertos A y B de la válvula direccional se conectan a los puertos de entrada y salida de cada una de las mordazas.
Figura 52. Esquema hidráulico
Para la apertura del sistema de mordazas se gira la perilla de control a la posición 3 (ver figura 53).
Figura 53. Esquema hidráulico de apertura de mordazas
Para el cierre del sistema de mordazas se gira la perilla de control a la posición 1 (ver figura 54).
Figura 54. Esquema hidráulico de cierre de mordazas
A continuación se muestra el montaje de las conexiones hidráulicas y eléctricas para el funcionamiento del sistema de mordazas diseñado (ver figuras 55, 56, 57 y 58).
Figura 55. Conexión de válvula reductora a manifold
C
A
D
B
A: Manguera de presión para válvula direccional B: Manguera de tanque de la válvula direccional C: Manguera de presión piloto a servo válvula D: Drenaje de válvula reductora a manifold
Figura 56. Conexión de electro válvula direccional
Figura 57. Conexión de válvula direccional a sistemas de mordazas
Figura 58. Conexión a puertos de mordazas
6. MANTENIMIENTO Y MONTAJE
El mantenimiento requerido por el sistema diseñado consta de principios básicos que hacen de su ejecución un procedimiento fácil de llevar a cabo. Debido a que los únicos elementos que sufren un deterioro considerable son los sellos ubicados en la placa móvil y la tapa, se requiere una revisión periódica de los mismos en intervalos semestrales, considerando su reemplazo dependiendo del desgaste sufrido por cada uno de ellos el cual se evidencia con fugas o deformación.
Se debe considerar adicionalmente el desgaste sufrido por las piezas en contacto directo metal-metal (guías de las mordazas) para lo cual se recomienda el uso periódico de grasa que facilite su deslizamiento. Cabe resaltar el chequeo constante del estado de las mangueras, puntos de acople y válvulas para detectar posibles fugas de aceite hidráulico.
El montaje de las piezas que componen el sistema diseñado consta de los siguientes pasos:
Deslice las mordazas sobre las guías de la sección inferior hasta que hagan contacto.
Verifique visualmente por la cara superior de la sección inferior que las guías inclinadas de las mordazas se encuentren centradas.
Introduzca la placa móvil; con sus respectivos sellos instalados; por la cara superior de la sección inferior rotándola si es necesario hasta que coincidan las guías inclinadas de las mordazas con las guías de la placa móvil.
Presione hacia abajo la placa móvil de modo que las guías de las mordazas entren en las guías de la placa móvil hasta encontrar la restricción de la sección inferior; esto ocasionara un desplazamiento radial de las mordazas sobre la sección inferior.
Ubique la tapa sobre la sección inferior con su sello previamente instalado y haga coincidir las perforaciones de los tornillos.
Coloque los tornillos ajustándolos en cruz hasta lograr hermeticidad.
Tome el conjunto e instálelo en el marco de la maquina de pruebas.
Repita los pasos anteriores para ensamblar el siguiente conjunto.
Luego de ubicar los conjuntos en la maquina, conecte las mangueras correspondientes al puerto 2.
Con la maquina en funcionamiento y verificando las conexiones de las válvulas reductora y direccional, accione la válvula direccional de tal forma que el fluido se dirija al puerto 2 de cada conjunto.
Conecte la manguera correspondiente al puerto 1 de cada conjunto.
Accione la contraorden de la válvula direccional y verifique el correcto funcionamiento de los conjuntos (apertura y cierre de mordazas).
7. PRUEBAS
La realización de las pruebas se llevo a cabo teniendo en cuenta las disposiciones de la norma vigente y las condiciones de la maquina al momento del montaje, ya que esta no cuenta con la totalidad de los dispositivos que se requieren para tener un control preciso de la misma.
7.1
EVALUACIÓN DEL ESTADO ACTUAL DE LA MÁQUINA PARA
EFECTOS DE LAS PRUEBAS
7.1.1 Control y lecturas. Para tener un optimo control de la maquina se
requiere de dispositivos que evalúen constantemente y con precisión diferentes aspectos tales como posición del actuador, velocidad de avance del actuador, deformación de las probetas y esfuerzos. Como sabemos la máquina cuenta con una consola de control de lecturas (ver figura 59) en la cual se encuentran montados los controladores que junto con los transductores controlan de forma precisa los aspectos mencionados anteriormente; desafortunadamente estos no están en capacidad de operación debido a que la tarjeta de control de posición de la consola se encuentra averiada motivo por el cual los demás dispositivos no funcionan correctamente.
7.1.2 Alineación de los ejes. Inicialmente se procedió a verificar la
alineación de los ejes de los dos conjuntos encontrando que había un desfase de aproximadamente 5 mm. Al realizar un análisis más exhaustivo se encontró que la causa de este desfase es una deformación de la camisa del eje que sostiene al conjunto superior producida tiempo atrás por una manipulación inadecuada de la máquina.
Para corregir este problema se procedió a dar un ajuste diferente a los pernos que se encuentran ubicados en la parte superior de la viga del marco de carga logrando reducir este desfase a 1mm.
Figura 59. Consola de control
7.2 ELABORACIÓN DE PRUEBAS
Para los ensayos finales fue necesario coordinar las acciones entre 3 personas; entre las cuales se encuentra el profesor Abel Parada, Director del proyecto. Debido a que el movimiento del actuador se controla por medio de una perilla ubicada en la consola de control (por las razones expuestas en la sección anterior), se requería de alguien que posicionara la probeta mientras el actuador avanzaba, al tiempo que otra persona debía accionar en el momento preciso la electroválvula direccional que controla la apertura y cierre de las mordazas hidráulicas.
Como primera medida se procedió a mover el actuador de manera tal que se pudiera posicionar la probeta en medio de los dos conjuntos verticalmente, posteriormente se accionó la electroválvula hidráulica para abrir las mordazas y permitir la libre entrada de los extremos de la probeta en cada conjunto. En ese momento con la perilla se ponía el actuador de nuevo en movimiento tratando de detenerlo en el preciso instante en que los extremos de las probetas encajaban en los espacios correspondientes de cada conjunto para en ese mismo instante dar la orden de cerrado de las mordazas por medio de la electroválvula.
La dificultad de sincronizar todas estas acciones hizo que en varias ocasiones no se alcanzara a detener el avance del actuador sometiendo la probeta a esfuerzos de compresión y produciendo en ella la consecuente deformación (ver figura 60).
Figura 60. Probetas averiadas
Las probetas utilizadas fueron fabricadas de acuerdo a la tabla de dimensiones que se encuentra en la norma, utilizando solo las que se muestran en la tabla. Se realizaron pruebas con probetas de 6 mm, 9mm y 12.5 mm de diámetro según Norma ASTM E8 (ver figuras 61, 62 y tabla 10), sección 3.
Figura 61. Probetas utilizadas para pruebas
Figura 62. Probetas recomendadas
Tabla 10. Dimensiones de probetas a utilizar
Dimensions, mm
Standard Specimen Small-Size Specimen Proporcional to Standard
12.5
9
6
4
2.5
G- gage length 62,5 ± 0,1
45 ± 0,1
30 ± 0,1
20 ± 0,1
12,5 ± 0,1 D- diameter 12,5 ± 0,2 9±0,1 6±0,1 4±0,1 2,5±0,1 R- radius of fillet, min
10
8
6
4
2
A- length of reduced section
75
54
35
24
20
L- overall length, aprox.
150
150
150
150
150
B- length of end section
10
10
10
10
10
C- diameter of end section
22,5
22,5
22,5
22,5
22,5
E- length of shoulder and fillet section, approx.
30
30
30
30
30
F- diameter of shoulder
20
20
20
20
20
Para poder observar el comportamiento de las mordazas se realizaron pruebas con 3 tipos de probetas de diferente sección escogiendo para ello diámetros de 6mm, 9mm y 12.5mm (ver tabla 11).
Tabla 11. Tabla de pruebas
ROTURA
PRUEBA N°
DIAMETRO(mm) OK NO OK
1
6
♦
2
6
♦
3
6
♦
4
6
♦
5
6
♦
6
9
♦
7
9
♦
8
9
♦
9
9
♦
♦
11
12.5
♦
12
12.5
♦
13
12.5
♦
14
12.5
♦
15
12.5
♦
Análisis de pruebas 1 a 5(6 mm). Se efectuaron 5 pruebas de las cuales
3 probetas presentaron falla satisfactoria con las características propias
de fractura por esfuerzos de tensión (ver figuras 63 y 64), las 2 probetas restantes presentan la avería típica por falta de coordinación entre las ordenes mostrada en la figura 60. Se observo un correcto funcionamiento del sistema de mordazas realizando un agarre adecuado sin presencia de fugas de aceite hidráulico en ninguna de las conexiones realizadas.
Figura 63. Prueba con probeta 6 mm
Figura 64. Rotura de probeta 6 mm
Análisis de pruebas 10 a 16(9 mm). Se efectuaron 5 pruebas de las cuales presentan la avería típica por falta de coordinación entre las ordenes mostrada en la figura 60. Se observa un incorrecto funcionamiento del sistema de mordazas realizando un agarre inadecuado, puesto que no se aloja la cabeza de la probeta perfectamente en la sección inferior, en la prueba ahí ausencia de fugas de aceite hidráulico en las conexiones realizadas.
Figura 65. Prueba con probeta 9 mm
Figura 66. Falla de probeta 9 mm
Análisis de pruebas 11 a 15(12.5 mm). Se efectuaron 5 pruebas de las cuales ninguna presentaron falla satisfactoria debido a que sufre un desgarramiento de material en la cabeza de la probeta (ver figuras 67 ). Esto debido a que por la robustez de su geometría no permite el pequeño pandeo generado por el desalineamiento, que si aceptaron las dos geometrías anteriores; este desalineamiento impide un correcto agarre del cuello de la probeta puesto que a medida que se cierran las mordazas la probeta se inclina.
Figura 67. Prueba con probeta de 12.5 mm
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se logra construir un conjunto de mordazas, reemplazando el tradicional de pernos por uno hidráulico como se propuso (ver figura
66).
Figura 68. Conjunto de mordazas
La vida útil de la sección inferior está limitada a un número de ciclos o pruebas a realizar cuyo valor corresponde a 12752 según los resultados del análisis realizado en ANSYS.
La presión de diseño para la apertura y cierre de las mordazas es de
750 psi la cual se obtiene por medio de una válvula reductora ubicada
en la salida de presión piloto del manifold principal, sin embargo un análisis posterior demostró que el sistema de mordazas funciona de la misma forma si se trabaja con la totalidad de la presión piloto por lo cual se obvio el uso de la válvula reductora.
La prueba de compresión se efectúa con probetas cuya relación L/d = 3, siendo el diámetro mayor de 22 mm, teniendo cuidado de alojar perfectamente la probeta en la sección inferior para evitar resultados erróneos.
El montaje de cada uno de los conjuntos se realiza de acuerdo a los lineamientos mencionados en el capitulo de mantenimiento y montaje, cabe resaltar que el ensamble de la placa móvil se debe realizar con los tornillos extractores que se enroscan en los orificios que se encuentran en la parte superior de la misma.
La apertura y cierre de las mordazas dependen única y exclusivamente de las órdenes dadas a la válvula.
No se deben usar probetas que excedan el límite de fluencia del material de las mordazas (Acero AISI SAE 4340), utilizando las tres dimensiones menores para probetas de acuerdo a la norma ASTM sección 3.
Se debe verificar siempre que los pernos de unión de tapa y sección inferior, sean 6 para evitar posibles fugas de aceite hidráulico por cada uno de ellos.
Se debe verificar después de cada montaje la no existencia de fugas de aceite hidráulico, para garantizar el buen funcionamiento de los conjuntos.
Se deben llevar registros de pruebas realizadas con el fin de no exceder el número máximo de ciclos permitidos para el elemento crítico sección inferior.
Asegúrese que las conexiones de las mangueras estén a los mismos puertos de cada conjunto.
Se debe de garantizar la linealidad de los dos conjuntos para evitar posibles aplastamientos de la sección inferior.
Se recomienda el montaje de válvulas reguladoras de caudal a la salida de los puertos A y B de la electro válvula, esto con el fin de poder controlar la velocidad de apertura y cierre de las mordazas.
Por seguridad se recomienda conectar a la salida de los puerto A y B de la electro válvula, anti retornos pilotados para evitar la apertura de mordazas.
Se recomienda alinear la estructura de la máquina, esto para garantizar la exactitud de la prueba (ver anexo E).
Se recomienda realizar un cambio en el diámetro de alojamiento, pasando de 22 mm actual, a 25 mm de diámetro (ver figuras 69 y 70), con el fin de poder sostener la probeta de manera adecuada.
Figura 69. Diámetro actual alojamiento de probeta en sección inferior
22
Figura70. Diámetro recomendado alojamiento de probeta en sección inferior
BIBLIOGRAFIA
HIBBELER, R. C. Mecánica de Materiales. México: Prentice Hall, 1997, 856 p.
NORTON, Robert L. Diseño de Maquinas. México: Prentice Hall, 1999, 1037 p.
MERKLE D.; SCHRADER B.; HTOMAS M. Hidráulica. Novena edición, Festo Didactic, 1989.
ASTM. Annual Book of ASTM Standards. Section 3: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials,
2004
Disponible en Internet:
www.matweb.com/ search/ SpecificMaterial.asp?bassnum
ANEXO A. Norma ASTM E8 Pruebas a tensión
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
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ANEXO B. Norma ASTM E9 Pruebas a compresión
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(página sin texto)
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ANEXO C. Reporte ANSYS
Project
First Saved Friday, March 16, 2007 Last Saved Tuesday, July 31, 2007 Product Version
11.0 Release
Contents • Conjunto total a tensión o Geometry Parts o Contact Contact Regions o Mesh o Environment Analysis Settings Loads Solution Solution Information Results Stress Tool Results Stress Tool 2 Safety Factor Fatigue Tool Results • conjunto total a compresión o Geometry Parts o Contact Contact Regions o Mesh o Environment Analysis Settings Loads Solution Solution Information Results Stress Tool Safety Factor • Material Data o
SAE-AISI 1040
o
SAE-AISI 4340
o Structural Steel Units
TABLE 1
Unit System Metric (m, kg, N, °C, s, V, A) Angle Degrees Rotational Velocity rad/s
Conjunto total a tensión Geometry
TABLE 2
Conjunto total a tensión > Geometry Object Name Geometry State Fully Defined Definition Source E:\Oscar no borrar\Omar Gomez\sist hidr final\Definitivos\ensamble final modificado1.asm Type Solid Edge Length Unit Meters Element Control Program Controlled Display Style Part Color Bounding Box Length X 0,2286 m Length Y 0,2286 m Length Z 0,27151 m Properties Volume 6,8657e-003 m³ Mass 53,895 kg Statistics Bodies
6
Active Bodies
6
Nodes
44657
Elements
28326
Preferences Import Solid Bodies Yes Import Surface Bodies Yes Import Line Bodies Yes Parameter Processing Yes Personal Parameter Key DS CAD Attribute Transfer No Named Selection Processing No Material Properties Transfer No CAD Associativity Yes Import Coordinate Systems No Reader Save Part File No Import Using Instances Yes Do Smart Update No Attach File Via Temp File No Analysis Type 3-D Mixed Import Resolution None
Enclosure and Symmetry Processing Yes
TABLE 3
Conjunto total a tensión > Geometry > Parts Object Name placa movil.par:
1
mordazanueva.par:
1
mordazanueva.par:
2
seccion inferior.par:
1
probeta.par:
1
State Meshed Graphics Properties Visible Yes Transparenc y
1
Definition Suppressed No Material SAE-AISI
1040
SAE-AISI 4340
SAE-AISI
1040
Structural Steel Stiffness Behavior Flexible Nonlinear Material Effects Yes Bounding Box Length X 0,127 m 4,e-002 m 0,2286 m 3,9203e-002 m Length Y 0,127 m 8,5e-002 m 0,2286 m 3,9203e-002 m Length Z 8,7107e-
002 m
6,711e-002 m 0,15011 m 8,e-002 m Properties Volume 6,7241e-
004 m³
1,7622e-004 m³ 4,6774e-
003 m³
1,8529e-005 m³ Mass 5,2784 kg 1,3833 kg 36,717 kg 0,14545 kg Centroid X 6,2779e-
009 m
4,5057e-010 m -4,5057e-010 m 6,6368e-
005 m
-9,6758e-
012 m
Centroid Y -3,6416e-
008 m
-5,3745e-002 m 5,3745e-002 m -1,8419e-
010 m
-4,0273e-
012 m
Centroid Z 0,10834 m 3,3837e-002 m 7,4476e-
002 m
9,6221e-004 m Moment of Inertia Ip1 6,5421e-
003 kg·m²
6,4538e-004 kg·m²
0,21796
kg·m² 9,1027e-006 kg·m² Moment of Inertia Ip2 6,7771e-
003 kg·m²
1,1939e-003 kg·m²
0,19997
kg·m² 8,3251e-005 kg·m² Moment of Inertia Ip3 7,0403e-
003 kg·m²
8,825e-004 kg·m²
0,28238
kg·m² 8,3251e-005 kg·m² Statistics Nodes
4739
2015
25289
5389
Elements
2923
1109
16875
3334
TABLE 4
Conjunto total a tensión > Geometry > Parts Object Name tapa.par:1 State Meshed Graphics Properties Visible Yes Transparency
1
Definition Suppressed No Material Structural Steel Stiffness Behavior Flexible Nonlinear Material Effects Yes Bounding Box Length X 0,2286 m Length Y 0,2286 m Length Z 7,04e-002 m Properties Volume 1,1449e-003 m³ Mass 8,9875 kg Centroid X -4,9514e-012 m Centroid Y -2,8961e-010 m Centroid Z 0,16593 m Moment of Inertia Ip1 2,7537e-002 kg·m² Moment of Inertia Ip2 2,7537e-002 kg·m² Moment of Inertia Ip3 5,2482e-002 kg·m² Statistics Nodes
5210
Elements
2976
Contact
TABLE 5
Conjunto total a tensión > Connections Object Name Contact State Fully Defined Auto Detection Generate Contact On Update Yes Tolerance Type Slider Tolerance Slider
0,
Tolerance Value 1,0555e-003 m Face/Face Yes Face/Edge No Edge/Edge No Priority Include All Same Body Grouping Yes Revolute Joints Yes Fixed Joints Yes
Transparency Enabled Yes
TABLE 6
Conjunto total a tensión > Contact > Contact Regions Object Name placa movil.par:1 To mordazanueva.
par:1 placa movil.par:1 To mordazanueva.
par:2 placa movil.par:
1 To
seccion inferior.pa r:1 mordazanueva.
par:1 To seccion inferior.par:1 mordazanueva.
par:1 To probeta.par:1 State Fully Defined Scope Scoping Method Geometry Selection Contact
2 Faces
1 Face
Target
2 Faces
1 Face
Contact Bodies placa movil.par:1 seccion inferior.pa r:1 mordazanueva.par:1 Target Bodies mordazanueva.
par:1 mordazanueva.
par:2 seccion inferior.par:1 probeta.par:1 Definition Type No Separation Scope Mode Manual Behavior Symmetric Suppress ed No Advanced Formulatio n Pure Penalty Normal Stiffness Program Controlled Update Stiffness Never Thermal Conducta nce Program Controlled Pinball Region Program Controlled
TABLE 7
Conjunto total a tensión > Contact > Contact Regions Object Name mordazanueva.par:2 To seccion inferior.par:1 mordazanueva.par:2 To probeta.par:1 seccion inferior.par:1 To probeta.par:1 seccion inferior.par:1 To tapa.par:1 State Fully Defined
Scope Scoping Method Geometry Selection Contact
2 Faces
1 Face
2 Faces
Target
2 Faces
1 Face
2 Faces
Contact Bodies mordazanueva.par:2 seccion inferior.par:1 Target Bodies seccion inferior.par:1 probeta.par:1 tapa.par:1 Definition Type No Separation Bonded No Separation Scope Mode Manual Automatic Behavior Symmetric Suppressed No Advanced Formulation Pure Penalty Normal Stiffness Program Controlled Update Stiffness Never Thermal Conductance Program Controlled Pinball Region Program Controlled Mesh
TABLE 8
Conjunto total a tensión > Mesh Object Name Mesh State Solved Defaults Physics Preference Mechanical Relevance
0
Advanced Relevance Center Coarse Element Size Default Shape Checking Standard Mechanical Solid Element Midside Nodes Program Controlled Straight Sided Elements No Initial Size Seed Active Assembly Smoothing Low Transition Fast Statistics Nodes
44657
Elements
28326
Environment
TABLE 9
Conjunto total a tensión > Analysis Object Name Environment State Fully Defined Definition Physics Type Structural Analysis Type Static Structural Options Reference Temp 22, °C
TABLE 10
Conjunto total a tensión > Environment > Analysis Settings Object Name Analysis Settings State Fully Defined Step Controls Number Of Steps
1,
Current Step Number
1,
Step End Time 1, s Auto Time Stepping Program Controlled Solver Controls Solver Type Program Controlled Weak Springs Program Controlled Large Deflection Off Inertia Relief Off Nonlinear Controls Force Convergence Program Controlled Moment Convergence Program Controlled Displacement Convergence Program Controlled Rotation Convergence Program Controlled Line Search Program Controlled Output Controls Calculate Stress Yes Calculate Strain Yes Calculate Results At All Time Points Analysis Data Management Solver Files Directory D:\J. ALEXANDER SUAREZ\Mis documentos\PROYECTO\Omar Gomez\sist hidr final\Definitivos\ARCHIVO ULTIMOS\ANSYS\prueba de
compresion final y tension Simulation Files\Environment\ Future Analysis None Save ANSYS db No Delete Unneeded Files Yes Nonlinear Solution No
TABLE 11
Conjunto total a tensión > Environment > Loads Object Name Force Fixed Support State Fully Defined Scope Scoping Method Geometry Selection Geometry
1 Face
Definition Define By Vector
Type Force Fixed Support Magnitude 2,12e+005 N (ramped)
Direction Defined
Suppressed No
FIGURE 1
Conjunto total a tensión > Environment > Force
Solution
TABLE 12
Conjunto total a tensión > Environment > Solution Object Name Solution State Solved Adaptive Mesh Refinement Max Refinement Loops
1,
Refinement Depth
2,
TABLE 13
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Solution Information Object Name Solution Information State Solved Solution Information Solution Output Solver Output Newton-Raphson Residuals
0
Update Interval 2,5 s Display Points All
TABLE 14
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Results Object Name Equivalent Stress Equivalent Stress 2 Equivalent Stress 3 Equivalent Stress 4 Equivalent Stress 5 State Solved Scope Geometry
1 Body
Definition Type Equivalent (von-Mises) Stress Display Time End Time Results Minimum 8,8348e+005 Pa 517,28 Pa 8,2275e+005 Pa 4,153e+005 Pa 4,2215e+005 Pa Maximum 1,7311e+008 Pa 6,8765e+007 Pa 3,8039e+008 Pa 2,5815e+008 Pa 2,6107e+008 Pa Information Time 1, s Load Step
1
Substep
1
Iteration Number
1
TABLE 15
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Results Object Name Equivalent Stress 6 State Solved Scope
Geometry
1 Body
Definition Type Equivalent (von-Mises) Stress Display Time End Time Results Minimum 1,7862e+007 Pa Maximum 2,2516e+009 Pa Information Time 1, s Load Step
1
Substep
1
Iteration Number
1
TABLE 16
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Stress Safety Tools Object Name Stress Tool State Solved Definition Theory Max Equivalent Stress Stress Limit Type Tensile Yield Per Material
TABLE 17
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Stress Tool > Results Object Name Safety Factor Safety Factor
2
Safety Factor
3
Safety Factor
4
Safety Factor
5
State Solved Scope Geometry All Bodies
1 Body
Definition Type Safety Factor Display Time End Time Results Minimum
0,11103
1,4442
> 10
1,8851
6,1429
Minimum Occurs On probeta.par:1
Information Time 1, s Load Step
1
Substep
1
Iteration Number
1
TABLE 18
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Stress Tool > Results Object Name Safety Factor 6 Safety Factor 7 State Solved Scope Geometry
1 Body
Definition Type Safety Factor Display Time End Time Results Minimum
6,0741
0,11103
Information Time 1, s Load Step
1
Substep
1
Iteration Number
1
TABLE 19
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Stress Safety Tools Object Name Stress Tool 2 State Solved Definition Theory Max Equivalent Stress Stress Limit Type Tensile Yield Per Material
TABLE 20
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Stress Tool 2 > Results Object Name Safety Factor State Solved Scope Geometry
5 Bodies
Definition Type Safety Factor Display Time End Time Results Minimum
1,4442
Minimum Occurs On tapa.par:1 Information Time 1, s Load Step
1
Substep
1
Iteration Number
1
TABLE 21
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Fatigue Tools Object Name Fatigue Tool State Solved Materials Fatigue Strength Factor (Kf)
1,
Loading Type Zero-Based Scale Factor
1,
Definition
Display Time End Time Options Analysis Type Stress Life Mean Stress Theory Goodman Stress Component Equivalent (Von Mises) Life Units Units Name cycles
1 cycle is equal to
1, cycles
FIGURE 2
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Fatigue Tool
FIGURE 3
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Fatigue Tool
TABLE 22
Conjunto total a tensión > Environment > Solution > Fatigue Tool > Results Object Name Life Safety Factor State Solved Scope Geometry
5 Bodies
Definition Type Life Safety Factor Design Life
1,e+006 cycles Results Minimum 12752 cycles
0,41201
Minimum Occurs On seccion inferior.par:1
Conjunto total a compresión Geometry
TABLE 23
conjunto total a compresión > Geometry Object Name Geometry State Fully Defined Definition Source E:\Oscar no borrar\Omar Gomez\sist hidr final\Definitivos\ensamble final modificado1.asm Type Solid Edge Length Unit Meters Element Control Program Controlled Display Style Part Color Bounding Box Length X 0,2286 m Length Y 0,2286 m Length Z 0,27151 m Properties Volume 6,8657e-003 m³ Mass 53,895 kg Statistics Bodies
6
Active Bodies
6
Nodes
44657
Elements
28326
Preferences Import Solid Bodies Yes Import Surface Bodies Yes Import Line Bodies Yes Parameter Processing Yes Personal Parameter Key DS CAD Attribute Transfer No Named Selection Processing No Material Properties Transfer No CAD Associativity Yes Import Coordinate Systems No Reader Save Part File No Import Using Instances Yes Do Smart Update No Attach File Via Temp File No Analysis Type 3-D Mixed Import Resolution None Enclosure and Symmetry Processing Yes
TABLE 24
conjunto total a compresión > Geometry > Parts Object Name placa movil.par:
1
mordazanueva.par:
1
mordazanueva.par:
2
seccion inferior.par:
1
probeta.par:
1
State Meshed Graphics Properties Visible Yes Transparenc y
1
Definition Suppressed No Material SAE-AISI
1040
SAE-AISI 4340
SAE-AISI
1040
Structural Steel Stiffness Behavior Flexible Nonlinear Material Effects Yes Bounding Box Length X 0,127 m 4,e-002 m 0,2286 m 3,9203e-002 m Length Y 0,127 m 8,5e-002 m 0,2286 m 3,9203e-002 m Length Z 8,7107e-
002 m
6,711e-002 m 0,15011 m 8,e-002 m Properties Volume 6,7241e-
004 m³
1,7622e-004 m³ 4,6774e-
003 m³
1,8529e-005 m³ Mass 5,2784 kg 1,3833 kg 36,717 kg 0,14545 kg Centroid X 6,2779e-
009 m
4,5057e-010 m -4,5057e-010 m 6,6368e-
005 m
-9,6758e-
012 m
Centroid Y -3,6416e-
008 m
-5,3745e-002 m 5,3745e-002 m -1,8419e-
010 m
-4,0273e-
012 m
Centroid Z 0,10834 m 3,3837e-002 m 7,4476e-
002 m
9,6221e-004 m Moment of Inertia Ip1 6,5421e-
003 kg·m²
6,4538e-004 kg·m²
0,21796
kg·m² 9,1027e-006 kg·m² Moment of Inertia Ip2 6,7771e-
003 kg·m²
1,1939e-003 kg·m²
0,19997
kg·m² 8,3251e-005 kg·m² Moment of Inertia Ip3 7,0403e-
003 kg·m²
8,825e-004 kg·m²
0,28238
kg·m² 8,3251e-005 kg·m² Statistics Nodes
4739
2015
25289
5389
Elements
2923
1109
16875
3334
TABLE 25
conjunto total a compresión > Geometry > Parts Object Name tapa.par:1 State Meshed Graphics Properties Visible Yes Transparency
1
Definition Suppressed No Material Structural Steel Stiffness Behavior Flexible Nonlinear Material Effects Yes Bounding Box Length X 0,2286 m Length Y 0,2286 m Length Z 7,04e-002 m Properties Volume 1,1449e-003 m³ Mass 8,9875 kg Centroid X -4,9514e-012 m Centroid Y -2,8961e-010 m Centroid Z 0,16593 m Moment of Inertia Ip1 2,7537e-002 kg·m² Moment of Inertia Ip2 2,7537e-002 kg·m² Moment of Inertia Ip3 5,2482e-002 kg·m² Statistics Nodes
5210
Elements
2976
Contact
TABLE 26
conjunto total a compresión > Connections Object Name Contact State Fully Defined Auto Detection Generate Contact On Update Yes Tolerance Type Slider Tolerance Slider
0,
Tolerance Value 1,0555e-003 m Face/Face Yes Face/Edge No Edge/Edge No Priority Include All Same Body Grouping Yes Revolute Joints Yes Fixed Joints Yes
Transparency Enabled Yes
TABLE 27
conjunto total a compresión > Contact > Contact Regions Object Name placa movil.par:1 To mordazanueva.
par:1 placa movil.par:1 To mordazanueva.
par:2 placa movil.par:
1 To
seccion inferior.pa r:1 mordazanueva.
par:1 To seccion inferior.par:1 mordazanueva.
par:1 To probeta.par:1 State Fully Defined Suppressed Scope Scoping Method Geometry Selection Contact
2 Faces
1 Face
Target
2 Faces
1 Face
Contact Bodies placa movil.par:1 seccion inferior.pa r:1 mordazanueva.par:1 Target Bodies mordazanueva.
par:1 mordazanueva.
par:2 seccion inferior.par:1 probeta.par:1 Definition Type No Separation Scope Mode Manual Behavior Symmetric Suppress ed No Yes Advanced Formulatio n Pure Penalty Normal Stiffness Program Controlled Update Stiffness Never Thermal Conducta nce Program Controlled Pinball Region Program Controlled
TABLE 28
conjunto total a compresión > Contact > Contact Regions Object Name mordazanueva.par:2 To seccion inferior.par:1 mordazanueva.par:2 To probeta.par:1 seccion inferior.par:1 To probeta.par:1 seccion inferior.par:1 To tapa.par:1 State Fully Defined Suppressed Fully Defined
Scope Scoping Method Geometry Selection Contact
2 Faces
3 Faces
1 Face
2 Faces
Target
2 Faces
5 Faces
1 Face
2 Faces
Contact Bodies mordazanueva.par:2 seccion inferior.par:1 Target Bodies seccion inferior.par:1 probeta.par:1 tapa.par:1 Definition Type No Separation Bonded No Separation Scope Mode Manual Automatic Manual Automatic Behavior Symmetric Suppressed No Yes No Advanced Formulation Pure Penalty Normal Stiffness Program Controlled Update Stiffness Never Thermal Conductance Program Controlled Pinball Region Program Controlled Mesh
TABLE 29
conjunto total a compresión > Mesh Object Name Mesh State Solved Defaults Physics Preference Mechanical Relevance
0
Advanced Relevance Center Coarse Element Size Default Shape Checking Standard Mechanical Solid Element Midside Nodes Program Controlled Straight Sided Elements No Initial Size Seed Active Assembly Smoothing Low Transition Fast Statistics Nodes
44657
Elements
28326
Environment
TABLE 30
conjunto total a compresión > Analysis Object Name Environment State Fully Defined Definition Physics Type Structural Analysis Type Static Structural Options Reference Temp 22, °C
TABLE 31
conjunto total a compresión > Environment > Analysis Settings Object Name Analysis Settings State Fully Defined Step Controls Number Of Steps
1,
Current Step Number
1,
Step End Time 1, s Auto Time Stepping Program Controlled Solver Controls Solver Type Program Controlled Weak Springs Program Controlled Large Deflection Off Inertia Relief Off Nonlinear Controls Force Convergence Program Controlled Moment Convergence Program Controlled Displacement Convergence Program Controlled Rotation Convergence Program Controlled Line Search Program Controlled Output Controls Calculate Stress Yes Calculate Strain Yes Calculate Results At All Time Points Analysis Data Management Solver Files Directory D:\J. ALEXANDER SUAREZ\Mis documentos\PROYECTO\Omar Gomez\sist hidr final\Definitivos\ARCHIVO ULTIMOS\ANSYS\prueba de
compresion final y tension Simulation Files\Environment (2)\ Future Analysis None Save ANSYS db No Delete Unneeded Files Yes Nonlinear Solution No
TABLE 32
conjunto total a compresión > Environment > Loads Object Name Force Fixed Support State Fully Defined Scope Scoping Method Geometry Selection Geometry
1 Face
Definition Define By Vector
Type Force Fixed Support Magnitude 2,12e+005 N (ramped)
Direction Defined
Suppressed No
FIGURE 4
conjunto total a compresión > Environment > Force
Solution
TABLE 33
conjunto total a compresión > Environment > Solution Object Name Solution State Solved Adaptive Mesh Refinement Max Refinement Loops
1,
Refinement Depth
2,
TABLE 34
conjunto total a compresión > Environment > Solution > Solution Information Object Name Solution Information State Solved Solution Information Solution Output Solver Output Newton-Raphson Residuals
0
Update Interval 2,5 s Display Points All
TABLE 35
conjunto total a compresión > Environment > Solution > Results Object Name Equivalent Stress Equivalent Stress 2 Equivalent Stress 3 Equivalent Stress 4 Equivalent Stress 5 State Solved Scope Geometry
1 Body
Definition Type Equivalent (von-Mises) Stress Display Time End Time Results Minimum 8,0189e+005 Pa 312,17 Pa 4,8403e+005 Pa
22682 Pa
22955 Pa
Maximum 1,745e+008 Pa 4,2201e+007 Pa 5,1501e+008 Pa 1,112e+008 Pa 1,0952e+008 Pa Information Time 1, s Load Step
1
Substep
1
Iteration Number
TABLE 36
conjunto total a compresión > Environment > Solution > Results Object Name Equivalent Stress 6 State Solved Scope Geometry
1 Body
Definition Type Equivalent (von-Mises) Stress Display Time End Time Results Minimum 1,1041e+007 Pa Maximum 2,2335e+009 Pa Information Time 1, s Load Step
1
Substep
1
Iteration Number
1
TABLE 37
conjunto total a compresión > Environment > Solution > Stress Safety Tools Object Name Stress Tool State Solved Definition Theory Max Equivalent Stress Stress Limit Type Tensile Yield Per Material
TABLE 38
conjunto total a compresión > Environment > Solution > Stress Tool > Results Object Name Safety Factor State Solved Scope Geometry
5 Bodies
Definition Type Safety Factor Display Time End Time Results Minimum
1,3923
Minimum Occurs On seccion inferior.par:1 Information Time 1, s Load Step
1
Substep
1
Iteration Number
Material Data
SAE-AISI 1040
TABLE 39
SAE-AISI 1040 > Constants Structural Young's Modulus 2,e+011 Pa Poisson's Ratio
0,3
Density 7850, kg/m³ Thermal Expansion 1,2e-005 1/°C Tensile Yield Strength 7,1705e+008 Pa Compressive Yield Strength 7,1705e+008 Pa Tensile Ultimate Strength 8,6184e+008 Pa Compressive Ultimate Strength 8,6184e+008 Pa Thermal Thermal Conductivity 60,5 W/m·°C Specific Heat 434, J/kg·°C Electromagnetics Relative Permeability
10000
Resistivity 1,7e-007 Ohm·m
FIGURE 5
SAE-AISI 1040 > Alternating Stress
TABLE 40
SAE-AISI 1040 > Alternating Stress > Property Attributes Interpolation Log-Log Mean Curve Type Mean Stress
TABLE 41
SAE-AISI 1040 > Alternating Stress > Alternating Stress Curve Data Mean Value Pa
0,
TABLE 42
SAE-AISI 1040 > Alternating Stress > Alternating Stress vs. Cycles Cycles Alternating Stress Pa
10,
3,999e+009
20,
2,827e+009
50,
1,896e+009
100,
1,413e+009
200,
1,069e+009
2000,
4,41e+008
10000
2,62e+008
20000
2,14e+008 1,e+005 1,38e+008 2,e+005 1,14e+008 1,e+006 8,62e+007
FIGURE 6
SAE-AISI 1040 > Strain-Life Parameters
TABLE 43
SAE-AISI 1040 > Strain-Life Parameters > Property Attributes Display Curve Type Strain-Life
TABLE 44
SAE-AISI 1040 > Strain-Life Parameters > Strain-Life Parameters Strength Coefficient Pa 9,2e+008 Strength Exponent
-0,106
Ductility Coefficient
0,213
Ductility Exponent
-0,47
Cyclic Strength Coefficient Pa 1,e+009 Cyclic Strain Hardening Exponent
0,2
SAE-AISI 4340
TABLE 45
SAE-AISI 4340 > Constants Structural Young's Modulus 2,e+011 Pa Poisson's Ratio
0,3
Density 7850, kg/m³ Thermal Expansion 1,2e-005 1/°C Tensile Yield Strength 1,5858e+009 Pa Compressive Yield Strength 1,5858e+009 Pa Tensile Ultimate Strength 1,7237e+009 Pa Compressive Ultimate Strength 1,7237e+009 Pa Thermal Thermal Conductivity 60,5 W/m·°C Specific Heat 434, J/kg·°C Electromagnetics Relative Permeability
10000
Resistivity 1,7e-007 Ohm·m
FIGURE 7
SAE-AISI 4340 > Alternating Stress
TABLE 46
SAE-AISI 4340 > Alternating Stress > Property Attributes Interpolation Log-Log Mean Curve Type Mean Stress
TABLE 47
SAE-AISI 4340 > Alternating Stress > Alternating Stress Curve Data Mean Value Pa
0,
TABLE 48
SAE-AISI 4340 > Alternating Stress > Alternating Stress vs. Cycles Cycles Alternating Stress Pa
10,
3,999e+009
20,
2,827e+009
50,
1,896e+009
100,
1,413e+009
200,
1,069e+009
2000,
4,41e+008
10000
2,62e+008
20000
2,14e+008 1,e+005 1,38e+008
2,e+005 1,14e+008 1,e+006 8,62e+007
FIGURE 8
SAE-AISI 4340 > Strain-Life Parameters
TABLE 49
SAE-AISI 4340 > Strain-Life Parameters > Property Attributes Display Curve Type Strain-Life
TABLE 50
SAE-AISI 4340 > Strain-Life Parameters > Strain-Life Parameters Strength Coefficient Pa 9,2e+008 Strength Exponent
-0,106
Ductility Coefficient
0,213
Ductility Exponent
-0,47
Cyclic Strength Coefficient Pa 1,e+009 Cyclic Strain Hardening Exponent
0,2
Structural Steel
TABLE 51
Structural Steel > Constants Structural Young's Modulus 2,e+011 Pa Poisson's Ratio
0,3
Density 7850, kg/m³
Thermal Expansion 1,2e-005 1/°C Tensile Yield Strength 2,5e+008 Pa Compressive Yield Strength 2,5e+008 Pa Tensile Ultimate Strength 4,6e+008 Pa Compressive Ultimate Strength 0, Pa Thermal Thermal Conductivity 60,5 W/m·°C Specific Heat 434, J/kg·°C Electromagnetics Relative Permeability
10000
Resistivity 1,7e-007 Ohm·m
FIGURE 9
Structural Steel > Alternating Stress
TABLE 52
Structural Steel > Alternating Stress > Property Attributes Interpolation Log-Log Mean Curve Type Mean Stress
TABLE 53
Structural Steel > Alternating Stress > Alternating Stress Curve Data Mean Value Pa
0,
TABLE 54
Structural Steel > Alternating Stress > Alternating Stress vs. Cycles
Cycles Alternating Stress Pa
10,
3,999e+009
20,
2,827e+009
50,
1,896e+009
100,
1,413e+009
200,
1,069e+009
2000,
4,41e+008
10000
2,62e+008
20000
2,14e+008 1,e+005 1,38e+008 2,e+005 1,14e+008 1,e+006 8,62e+007
FIGURE 10
Structural Steel > Strain-Life Parameters
TABLE 55
Structural Steel > Strain-Life Parameters > Property Attributes Display Curve Type Strain-Life
TABLE 56
Structural Steel > Strain-Life Parameters > Strain-Life Parameters Strength Coefficient Pa 9,2e+008 Strength Exponent
-0,106
Ductility Coefficient
0,213
Ductility Exponent
-0,47
Cyclic Strength Coefficient Pa 1,e+009 Cyclic Strain Hardening Exponent
0,2
ANEXO D. Planos
Dibujó Dibujó Aprobado 1 Aprobado 2 Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º Nombre Fecha
SOLID EDGE
EDS-PLM SOLUTIONS
Título A4 Material Aisi-Sae 1045 Cant Archivo: _1206893802 Escala Peso Hoja 1 de 1 O 228,6
127
41
9
75,4
50,8
12,7
O 59,21
19,05
12,7
Roca 8 hilos por pulgada.
Jhon A. Suarez Jhon A. Suarez Omar Gómez Tapa 1:3
2
I. Gonzalez
A. Parada 30/03/08 30/03/08 31/03/08 31/03/08
Dibujó Dibujó Aprobado Aprobado Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º Nombre Fecha
SOLID EDGE
EDS-PLM SOLUTIONS
Título A4 Material AISI-SAE 1045 Cant Archivo: _1206893908 Escala 1:2 Peso Hoja 1 de 1 A A
CORTE A-A
113,14
101,6
76,32
O 127
5
40
20
50
27,11
87,11
6
10
5
8,66
65° Jhon A. Suarez Omar Gómez
I. Gonzalez
A. Parada 30/03/08 30/03/08 31/03/08 31/03/08
2
Placa Móvil
Dibujó Dibujó Aprobado 1 Aprobado 2 Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º Nombre Fecha
SOLID EDGE
EDS-PLM SOLUTIONS
Título A4 Material
AISI SAE 1045
Cant Archivo: _1206894006 Escala 1:3 Peso Hoja 1 de 2 A A
CORTE A-A
127
R114,3 O 59,21 O 12,7
40
20
93,4
101,6
55,8
88
42,11
15
155,11
65
27,11
Jhon A. Suárez Omar Gómez
I. Gonzalez
A. Parada 30/03/08 30/03/08 31/03/08 31/03/08 Sección inferior
Dibujó Dibujó Aprobado 1 Aprobado 2 Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º Nombre Fecha
SOLID EDGE
EDS-PLM SOLUTIONS
Título A4 Material
AISI SAE 1045
Cant Archivo: _1206894118 Escala 1:3 Peso Hoja 2 de 2 A A
CORTE A-A
60,13
33
6,35
20
30
40
29,7
Jhon A. Suárez Omar Gómez
I. Gonzalez
A. Parada 30/03/08 30/03/08 31/03/08 31/03/08 Sección inferior
Dibujó Dibujó Aprobado Aprobado Salvo indicación contraria cotas en milímetros ángulos en grados tolerancias ±0,5 y ±1º Nombre Fecha
SOLID EDGE
EDS-PLM SOLUTIONS
Título A4 Material AISI-SAE 4340 Cant Archivo: _1206894209 Escala 1:1 Peso Hoja 1 de 1 R10
5
40
20
85
42,11
15
67,11
10
14,33
47,36
23,57
34,29
10
10
65°
4
Jhon A. Suárez Omar Gómez
I. Gonzalez
A. Parada 30/03/08 Mordaza 30/03/08 31/03 31/03/08
ANEXO E. Calibración de alineación.
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
(página sin texto)
Anexo F. Costos
COSTOS
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE MORDAZAS
HIDRÁULICAS PARA LA MÁQUINA DE PRUEBAS UNIVERSAL
INSTRON MODELO 1323
Descripción Cantidad Valor unitario Valor Total Adquisición de software Solid Edge V14.
1
$ 70.000
$ 70.000
Adquisición de software Ansys workbench 8.1.
1
$ 70.000
$ 70.000
Fotocopias para bibliografía.
1
$ 100.000
$ 100.000
Compra de acero para construcción de conjuntos.
2
$ 800.000
$ 1.600.000
Construcción de conjuntos de mordazas.
2
$ 2.000.000
$ 4.000.000
Compra de electro válvula direccional 4/3, centro tandem, 110 v marca EQUS.
1
$ 312.000
$ 312.000
Construcción de probetas de 12,5 mm - 9 mm - 6 mm para pruebas.
17
$ 10.000
$ 170.000
Tortillería grado 8, 1/2" * 2¼"
18
$ 5.000
$ 90.000
Compra de accesorios (racores, T´s, reducciones, teflón industrial).
1
$ 150.000
$ 150.000
Mangueras grafada R1 con acoples de 5/16" * 2 mts.
2
$ 100.000
$ 200.000
Mangueras grafada R1 con acoples de 1/4" *0,6 mts.
6
$ 65.000
$ 390.000
Impresiones.
7
$ 40.000
$ 280.000
Otros.
1
$ 150.000
$ 150.000
TOTAL
$ 7.582.000
Cita: Gómez Landazábal, Omar Fernando, Suarez Suarez, Jhon Alexander (2008), Diseño y construcción de un sistema de mordazas hidráulicas para la máquina de pruebas universal instron modelo 1323, Universidad Industrial de Santander, p. N. https://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/20783