Oscar Javier Roncancio Valbuena

Alex Andrés Villa Redondo

Larry Mc.Lean Diaz Ardila

Bogotá D.C. Diciembre de 2009

Departamento de Ingeniería Mecánica y MecatrónicaLínea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico

XXV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS

GOMDISPOSITIVO MEDIDOR DE CONDICIONES DE OPERACIÓN DE

ENGRANES

ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN

•La Universidad necesita equipos que fomenten el afianzamiento de conocimiento, El banco para la realización de pruebas de fallas en engranajes es una ayuda importante para la Universidad, ya que es una herramienta

de investigación y desarrollo en laboratorio

•El proyecto financiado por el departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia.

•El valor esperado del proyecto es de aproximadamente $900.000, esto es sin contar el sistema de adquisición e datos (proporcionado por la Universidad)

•El tiempo estimado para el desarrollo del proyecto es de 4 meses, esto incluye el tiempo de diseño, construcción y pruebas del producto.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Asociar de una manera clara y sencilla las distintas condiciones de falla de engranajes rectos en

operación bajo carga dinámica en la transmisión de potencia con los patrones de vibraciones registrados

en los apoyos del montaje

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE1. La maquina no esta construida.

2. La maquina debe ceñirse a la disposición espacial de un banco de trabajoya establecido con 4 ranuras tipo T.

3. Los apoyos a diseñar deben censar cargas, vibraciones y deformacionesdispuestas sobre el eje.

4. Los apoyos a diseñar deben ser móviles sobre las ranuras y con lacapacidad y facilidad de desmontar el eje para adecuarlo a diferentes tiposde pruebas.

5. Debe tener una vida útil razonable para frecuencias de trabajo variables.

6. Debe soportar cambios bruscos de cargas, vibraciones y velocidadesdebido a la ruptura de los engranes en los ensayos.

7. Debe proporcionar confiabilidad en los datos, tener robustez de diseño.

ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA

(BENCHMARKING)

•Existen equipos que pueden medir vibraciones , o equipos de laboratorio para medir cargas , pero no se encontró un producto que pueda ejecutar estas dos funciones al mismo tiempo como el GOM.

•Los equipos encontrados para medir cargas no presentan versatilidad en montaje, ya que se usan especialmente para ensayos de tracción o compresión de probetas con geometrías determinadas.

•Los equipos no relacionan las cargas presentes en los puntos de medición con las cargas producidas en la transmisión de potencia por engranajes.

•En resumen, no se encontró equipo que cumpla con las especificaciones que se plantean para el GOM.

ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA (QFD)

•Velocidades de funcionamiento.

•Disposición espacial del montaje.

•Uso de partes estandarizadas.

•Geometría de los ejes.

•Tamaños mínimos de engranajes.

•Resistencia de los ejes.

•Deformaciones de las celdas de carga.

•Peso y volumen.

•Estabilidad de los componentes.

•Mantenimiento.

FUNCIONES:

DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN

FUNCIONAL

GOM

(Gear’s Operation Meter)

Disposición Mecánica

Configuración del set up

Posicionamiento del eje

Establecer Características del

montaje

Configuración Particular de cada

ensayo

Ajuste de Parámetros de

Funcionamiento

Velocidad del Motor

Carga del FrenoTransmisión Par

Torsional

Ubicar en cojinetes y Apoyos

Ubicar Cojinetes

Ubicar sensores

Posicionamiento de los engranajes

Ajustar Disposición del montaje

Ubicación de Engranes

Fijación de engranes

Transmisión del Par torsional

Soportar Cargas

Soportar el peso del montaje

Soportar pesos de elementos fijos

Soportar pesos de elementos

intercambiables

Proteger integridad de elementos fijos

Soportar cargas dinámicas

Soportar Sobrecargas

Soportar Cambios Bruscos

Proteger integridad de elementos fijos

Transmitir Potencia

Transmitir

Potencia

Arranque

Recoge Potencia del motor

Velocidad del Motor

Carga del Freno

Alcanzar Velocidad de Prueba

Detener el movimiento

Inmovilizar en parada

Frenar cuando este en movimiento

Control

Interfaz con el Usuario

GOM (Gear’s Operation Meter)

Disposición Mecánica

Control

Señales análogas (AC)

Control Alimentación

Encender/ Apagar

Ordenador

Máquina

Motor

Freno

Sensores

STOP de emergencia

Establecer condiciones iníciales

de operación

Señales digitales (DC)

Envió de señales

Control operación

Iniciar ensayo

Terminar ensayo

Visualizar resultados

Adquisición de señales

Tarjetas de adquisición

Sensores

Sensar cargas

Sensar Vibraciones

Comprobar condiciones iniciales

de operación

Comprobar Conexión

PC – maquina Bus de control

Maquina – PC

Tarjetas de adquisicion

Sensores

Software

Interfaz con el usuario

GOM (Gear`s operation

Meter)

Disposición mecánica

Control

Interfaz con el usuario

Estado de maquina y PC

Ordenador

Comandos

Encender/ Apagar PC

Iniciar Software

Iniciar ensayo

Detener ensayo

ResultadosComunicación PC-maquina

Interpretación de resultados

Visualización de resultados

Maquina

Control Alimentacion

Encender/ apagar

STOP de emergencia

Montaje disposicionmecanica

Seguridad

Protección integridad del

usuario

Protección integridad de la

maquina

Filtrador de errores

STOP de emergencia

GENERACIÓN DE CONCEPTOS:

VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN GENERADAS

•CROQUIS DE LAS SOLUCIONES IDEADAS

Valor de los conceptos de las ideas• Se hizo una tabla para evaluar los conceptos y escoger el mejor, obteniendo:

Concepto 1 Concepto 2 Concepto 3 Concepto 4

Criterios de

EvaluaciónPond. Calif.

Calif

Ponder.Calif.

Calif

Ponder.Calif.

Calif

Ponder.Calif.

Calif

Ponder.

Construcción 3,5 3,0 10,5 4,0 14,0 1,0 3,5 1,8 6,3

Disposición

Espacial2,0 3,0 6,0 2,5 5,0 2,0 4,0 2,5 5,0

Sensar cargas y

vibraciones5,0 3,0 15,0 3,0 15,0 4,5 22,5 3,0 15,0

Versatilidad del

montaje3,5 3,0 10,5 2,0 7,0 3,5 12,3 2,0 7,0

Baja Robustez y

poco peso1,0 3,0 3,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,5 2,5

Grados de

Libertad4,0 3,0 12,0 2,3 9,2 3,0 12,0 2,5 10,0

Vida Útil 3,0 3,0 9,0 3,0 9,0 2,0 6,0 3,0 9,0

Resistencia a

trabajo

discontinuo

4,5 3,0 13,5 2,5 11,3 3,0 13,5 2,5 11,3

Visualización de

datos4,0 3,0 12,0 3,0 12,0 3,0 12,0 3,0 12,0

Costo 5,0 3,0 15,0 4,0 20,0 1,0 5,0 4,0 20,0

Total 35,5 30,0 106,5 28,3 104,5 25,0 92,8 26,8 98,1

Resultado 3,0 2,9 2,6 2,8

PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y

JUSTIFICACIÓN

Después e realizar la tabla de ponderación, la alternativa ganadora fuel la numero 1, la cual reúne las características mas importantes en el diseño como lo son la sencillez, versatilidad para ajustar la distancia entre los ejes, el costo de fabricación y de material y los grados de libertad.

Chumacera Móvil.

Celda de carga en

“I” para obtener

unos mejores

datos de

deformaciones

Platina móvil para

ajustar distancia

entre ejes

Chumacera Fija

Platina fina a la

mesa

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO

El material a usar se selecciono de acuerdo a las solicitudes mecánicas y ambientales de cada parte y teniendo en cuenta los materiales disponibles en el país, su manufacturabilidad y su costo llegando a las siguientes conclusiones:

Componentes estandarizados: se usaron componentes como tornillos, arandelas y chavetas.

Para el diseño de las piezas, se usaron varias herramientas de diseño asistido por computador como ANSIS y Solid Edge que facilitaron algunos cálculos. Además permitieron la optimización de material en algunas piezas, caso de la celda de carga, la cual debe tener una deformación especifica para que pueda ser registrada por las galgas extensiométricas . Para este caso, se ingresa la geometría aproximada al programa, después se selecciona el elemento de calculo a usar, se establecen las propiedades del material (AlumOLD), luego es ingresan datos de restricciones espaciales y las cargas aplicadas, se escoge la intensidad de malla y se soluciona la geometría.

Diseño Final

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA

MODO DE FUNCIONAMIENTO

El GOM funciona a partir de los principios de análisis de falla a través del estudio de vibraciones y medición indirecta de las fuerzas sometidas.

El montaje está cuidadosamente pensado para Detectar las vibraciones producidas en la transmisión de potencia a través de un juego de engranajes rectos . Las lecturas son tomadas en los apoyos de los cojinetes, los cuales soportan las reacciones producidas por el acople, generando una deformación en los mismos, estas deformaciones son traducidas en deformaciones de galgas extensiométricas dispuestas en cada uno de los apoyos.

Adquisición de datos• La adquisición de datos por medio de los sensores instalados en el

dispositivo se divide en dos partes : la primera consiste en la manipulación de los datos tomados por las galgas extensiométricas, estas varían su resistencia según la deformación que sufre, esto debido a las fuerzas sometidas. Estos datos son capturados por medio de una tarjeta de adquisición de datos y un software especializado para garantizar la exactitud de dichas mediciones. El segundo procedimiento consiste en adquirir las medidas de vibración de los cojinetes, esto se logra a través de dos acelerómetros en cada uno de ellos los cuales nos permiten identificar las vibraciones y manipular estas medidas en el software especializado para tal función. El software por el cuál se realizará la adquisición y manipulación de los datos, tanto de fuerzas como de vibraciones, es LabVIEW, producido y distribuido por la NATIONAL INSTRUMENTS

Disposición de los sensores

ASPECTOS DE SEGURIDAD Y CONTROL DE LA MÁQUINA

En cuanto la seguridad y control, hay que tener en cuenta que este es un equipo que funciona a una elevada velocidad y que a pesar que transmite una potencia relativamente baja, hay que tomar las medidas de prevención adecuadas, como mantener las extremidades lejos de los ejes o no manipular la maquina mientras este encendida, para tratar de garantizar la seguridad del operario, la maquina cuenta con un botón de parada inmediata dispuesto en uno de sus costados para facilitar su accesibilidad.

ASPECTOS DE ERGONOMÍA CONSIDERADOS.

La ergonomía de la maquina viene determinada por la banca de ensayo, la cual es una mesa ranurada de 50 x 80 cm que permite la manipulación de los componentes desde cualquier lado, se trataron de diseñar piezas con formas básicas para una mejor manipulacion, también se rebajaron bordes que pudieran lesionar al operario.

PARTES PRINCIPALES DEL GOM

APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO

Este proyecto, al ser esencialmente académico, es una herramienta que permite a la comunidad universitaria la posibilidad de generar conocimiento a través de la experimentación, es un proyecto de gran beneficio tecnológico para la universidad, el cual otorga originalidad y calidad en los ensayos de laboratorio.

Adicionalmente la industria interesada en el producto goza de beneficios como reducción de costos y control preventivo cuanto a mantenimiento de equipos.

Los costos de diseño y producción del equipo se ven remunerados en que una vez entra en funcionamiento, se puede usar no solo como herramienta de desarrollo e investigación, también permite ser usado como un equipo que ayude a planificar el mantenimiento preventivo en una empresa o como un equipo para evaluar las condiciones de falla para diferentes perfiles de engranes y ayude a seleccionar el perfil mas adecuado para determinado uso.

ANÁLISIS ECONÓMICO

•COSTOS ASOCIADOS CON EL PROCESO DE DISEÑO

•Los costos totales del proyecto, no solo incluyen aquellos de partes tangibles, también incluyen los costos de desarrollo de la idea como diseño, mercadeo y diseño de experimentos, se hace una tabla resumen de todos estos costos asociados al desarrollo del producto.

•DESPERDICIOS (EXPERIENCIAS Y RECOMENDACIONES)

•En cuanto a manejo de desperdicios, los flujos de material que salen como desecho del equipo son básicamente los engranajes que fallan y el lubricante usado en el proceso, estos dos factores de contaminación son, afortunadamente altamente reciclables, el material de los engranajes se puede usar como chatarra o re-manufacturar y el lubricante se puede reutilizar para productos con baja solicitud de calidad en lubricación.

PIEZA MATERIAL PROCESO DE

MANUFACTURA

ADICIONAL PRECIO TOTAL

$(Pesos)

Ejes Acero AISI 4140 Torneado convencional T.T. de Nitrurado 150.000

Apoyos Fijos Acero AISI 4140 Fresado convencional 60.000

Ap. Móviles Acero AISI 4140 Mecanizado convencional 40.000

Celdas de

Carga

AlumOLD Negro Mecanizado Convencional 40.000

Platinas Fijas Acero AISI 1045 Mecanizado convencional 30.000

Platinas

Móviles

Acero AISI 1045 Mecanizado convencional 40.000

Caja de

Lubricación

Acrílico Corte Convencional 50.000

Engranajes de

prueba

Acero AISI 1020 Negro Fresado Convencional 70.000

Soporte para

Motor

Acero Estructural Mecanizado convencional 80.000

Fuente de

poder ATX

40.000

Micro-

controlador

18.000

Sensor Óptico 10.000

Componentes

varios

10.000

Marketing 50.000

Costos de

Diseño, y exp.

700.000

GRAN TOTAL 1’388.000

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Logramos calcular esfuerzos en los diferentes dispositivos de la maquina, con software

especializado para tal fin; esto hizo que el diseño y construcción del proyecto se realizara de

manera optima al estar calculadas todas y cada una de las piezas que hacen parte de nuestro

dispositivo. Diseñamos de manera eficiente y estética cada uno de los elementos de la máquina,

todas y cada una de las piezas tienen su justificación basada en cálculos de elementos de

máquinas.

Aprendimos y adquirimos destreza en el manejo de diferentes herramientas y maquinas para la

construcción de elementos mecánicos: segueta, lima, Torno, Fresadora, clibrador, taladro, macho y

terraja, entre otros.

Nuestro mayor problema radicó en el tiempo de fabricación de la maquina, que aunque bien, el

proyecto es desarrollado durante todas las semanas de clase progresivamente, los cambios y

requerimientos a deshora, involucra una nueva fase de diseño y construcción respectivamente;

aumentando así, el tiempo de desarrollo del proyecto.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Con el desarrollo de este proyecto logramos hacer parte de un verdadero grupo de trabajo,

pertenecer a un verdadero grupo de desarrollo de un proyecto y tomar el papel de verdaderos

ingenieros tanto en la toma de decisiones, como en el diseño y construcción del mismo.

Culminamos el desarrollo del proyecto a cabalidad, desarrollando cada una de las partes para su

ensamble, la presentación para su debida exposición en la feria de maquinas y prototipos, el

informe final del proyecto y el manual de usuario detallado acerca del funcionamiento y

manutención de la maquina. El proyecto se entregó totalmente armado y listo para cualquier ensayo

de la condición de operación de engranes.

REFERENCIAS

•Inman J.Daniel. “Engineering vibration”.Editorial Pretice Hall, new Jersey

•Nisbett Keith. Budynas Richard. “Diseño en ingeniería mecánica 8º

edición”. Editorial Mc Graw Hill.

•Robert L Moot. “Diseño de elementos de maquinas”. Editorial Pretice

Hall.

•ANSYS. Version 11.0

•SOLID EDGE. Versión 18. 2005 UGS ©

•Microsoft ® Office Professional Edition. 2007.

MUCHAS GRACIAS

Alex Andres Villa Redondo

Alex Andres Villa Redondo

aavillar@unal.edu.co

Oscar Javier Roncancio Valbuena

ojroncanciov@unal.edu.co

Larry Mc.Lean Diaz Ardila

lmdiazar@unal.edu.co