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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA BÁSICA DE ENSAYOS
DESTRUCTIVOS DE TRACCIÓN Y TORSIÓN
GLORIA YANETH MORENO
JORGE ANDRÉS LÓPEZ GONZALEZ
OSCAR DANIEL MALAGÓN MENDOZA
JUAN JACOBO HENAO VEGA
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE MECATRÓNICA
BOGOTÁ, D.C.
2006
1
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA BÁSICA DE ENSAYOS
DESTRUCTIVOS DE TRACCIÓN Y TORSIÓN
GLORIA YANETH MORENO
JORGE ANDRÉS LÓPEZ GONZALEZ
OSCAR DANIEL MALAGÓN MENDOZA
JUAN JACOBO HENAO VEGA
Trabajo de Grado
para optar al título de
Ingeniero Mecatrónico
Director
WILSON SOTO
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE MECATRÓNICA
BOGOTÁ, D.C.
2006
2
Nota de aceptación
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
Firma del director
______________________________
Firma del jurado
______________________________
Firma del jurado
______________________________
Firma del asesor metodológico
Bogotá, D.C. 8/11/2006
3
A la Universidad de San Buenaventura, al padre rector Fray Fernando Garzón
Ramírez, O.F.M. y a cada uno de sus profesores por el conocimiento transmitido y
la formación inculcada durante todo este tiempo, por su ayuda y sus asesorías en
nuestro proceso de formación como ingenieros y por el sentimiento de fraternidad
y hermandad que nos transmitieron no solo en clase sino en cada momento
compartido.
LOS AUTORES
A mi mamá divina porque sabe más que nadie y todos sus conocimientos se
encuentran conmigo en este momento, gracias a su esmero, dedicación,
paciencia, compañía y sobre todo a su amor. A mi papá por darme la oportunidad
de crecer con el estudio y su apoyo en los momentos de dificultad a pesar de la
lejanía. A una persona que no me acompaña personalmente pero su presencia
cuida cada uno de mis pasos y siempre me enseñó a tener la frente en alto…a mi
abuelito que está descansando…
OSCAR DANIEL MALAGÓN MENDOZA
A mis padres por todo lo que a lo largo de estos años me han enseñado no solo
en la parte intelectual, sino en la formación personal, por su dedicación y empeño
en mostrarme siempre el camino correcto. A mis hermanas, a mi abuelo Rubén y
mi abuela Dora, a mis tíos y tías, a mis primos y a toda mi familia por su apoyo
incondicional sobre todo en situaciones que fueron muy difíciles, por su
colaboración y por la confianza depositada en mi. A mis grandes amigos del
colegio, los cuales a pesar del tiempo y la distancia siempre los tengo muy
presentes. A los buenos amigos que hoy me acompañan y que sé que siempre
estarán a mi lado.
JUAN JACOBO HENAO VEGA
A Dios Todopoderoso y a la Santísima Virgen por iluminarme y guiarme por el
buen sendero, a mis padres Alfonso y Elvira, a mis hermanos Isabel, Jairo y
Carlos, a mi tía Susana; con todo mi amor a quienes debo y agradezco cada uno
de mis logros por su apoyo incondicional, su comprensión generosa y su
tolerancia infinita.
A Andrés por estar siempre a mi lado, y a todo aquel que me brindó su ayuda en
la exitosa culminación de mi tesis y mi carrera.
GLORIA YANETH MORENO CALDERÓN
4
A Dios por la vida que me ha regalado y todo lo que ha puesto a mi lado para ser
cada día mejor. A mis padres, Ana Teresa y Crisanto por su esfuerzo y dedicación
en mi formación, por estar siempre conmigo, por su apoyo incondicional en todos
los momentos de mi vida, por depositar su fe en mí y apoyarme a culminar mi
carrera con éxito, por todo…
A mi hermano David por su colaboración y confianza en mí, por tener las palabras
justas en los momentos difíciles. A mis abuelos, Samuel y Teresa por creer
siempre en mí y por toda la sabiduría que me han transmitido. A mi tía Fabiola por
su apoyo y colaboración durante toda mi vida. A Gloria quien con sus palabras
nunca me ha dejado desfallecer y siempre ha tenido una palabra de aliento y de
ánimo para sacarme adelante, por estar a mi lado. A mis amigos Carlos, Paco y
Martín por su amistad. A todos aquellos que directa o indirectamente me han
apoyado durante estos años y me han ayudado a crecer y surgir como persona.
JORGE ANDRÉS LÓPEZ GONZALES
5
AGRADECIMIENTOS
A Nelson Zuica por su interés, paciencia y su importante asesoría en la
elaboración de muchas de las piezas de la máquina.
Al Ingeniero Wilson Soto por su dirección y asesoría en el desarrollo y
construcción del proyecto.
A los auxiliares de laboratorio: Wlliam Bravo, Alejandro Melo, Jose Arturo Arias,
por su colaboración en el préstamo de los materiales y laboratorios necesarios.
A los ingenieros Alejandro Ospina y Alfonso Duque por su asesoría y ayuda en las
pruebas de los motores.
Al Ingeniero Luis Fernando Quintero por su asesoría en el campo de la hidráulica.
A Iván Duarte y Nelson Malagón, por el préstamo de sus industrias y la
colaboración y asesoría dentro y fuera de las mismas en la fabricación y diseño de
nuestra máquina.
Al Ingeniero Carlos Arturo Henao por su colaboración en el análisis y desarrollo
financiero del proyecto.
A las empresas: Indústrias RAMFÉ, Aceros Bohler y West Arco, por los servicios
prestados.
6
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN
28
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
29
1.1
29
ANTECEDENTES
1.1.1 Proyectos realizados.
29
1.2
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
32
1.3
JUSTIFICACIÓN
33
1.4
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
33
1.4.1 Objetivo general.
33
1.4.2 Objetivos específicos.
34
1.5
34
ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.5.1 Alcances.
34
1.5.2 Limitaciones.
35
2. MARCO REFERENCIA
36
2.1
MARCO CONCEPTUAL.
36
2.2
MARCO LEGAL Y NORMATIVO.
39
2.2.1 Normas para la medición de carga.
39
2.2.2 Normas para la medición de deformación.
42
2.2.3 Normas para la realización de ensayos de tracción.
44
2.2.4 Normas para la realización de ensayos de torsión.
49
2.2.5 Norma CETOP3.
51
2.2.6 Norma OIML- R60.
52
2.3
53
MARCO TEÓRICO.
2.3.1 Ensayos de materiales.
53
2.3.2 Ensayo de tracción.
55
2.3.3 Ensayo de torsión.
66
7
3. METODOLOGÍA
71
3.1
ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN.
71
3.2
TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN.
72
3.3
HIPÓTESIS.
72
3.4
VARIABLES.
72
3.4.1 Independientes.
72
3.4.2 Dependientes.
73
4. ANÁLISIS DE COSTOS Y MERCADOS
74
4.1 ÁREA DEL MERCADO.
74
4.2 EL PRODUCTO EN EL MERCADO.
77
4.3 LIMITANTES DEL PROCESO DE COMERCIALIZACIÓN.
81
4.4 COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA
82
4.4.1 Estimado de la demanda actual.
83
4.5 VIABILIDAD DE LA PRODUCCIÓN DE MÁQUINAS 3TM-17S1.
85
4.5.1 Determinación de los precios del producto.
86
4.5.2 Análisis de costos.
93
4.6 COSTO DE LA REALIZACIÓN DE LAS PRÁCTICAS DE ENSAYOS DE
TRACCIÓN.
103
5. MÁQUINA DE ENSAYOS DESTRUCTIVOS DE TRACCIÓN Y TORSIÓN
105
5.1
PARÁMETROS Y CARACTERÍSTICAS DE LA MÁQUINA.
105
5.2
PROBETAS.
106
5.2.1 Probetas para tracción.
106
5.2.2 Probetas para torsión.
107
5.3
108
CAPACIDAD DE LA MÁQUINA PARA LOS ENSAYOS.
5.3.1 Capacidad en el ensayo de tracción.
108
5.3.2 Capacidad en el ensayo de torsión.
109
5.4
110
VARIABLES Y CONSTANTES A MANEJAR EN LOS ENSAYOS.
5.4.1 Fuerza.
110
5.4.2 Área.
110
5.4.3 Deformación.
110
5.4.4 Momento torsor.
111
5.4.5 Ángulo de torsión.
112
8
5.4.6 Velocidad de las pruebas.
113
5.5
114
RESULTADOS DE LAS PRUEBAS.
5.5.1 Ensayo de tracción.
114
5.5.2 Ensayo de torsión.
116
6. DISEÑO DEL SISTEMA HIDRÁULICO
117
6.1
DISEÑO DEL CIRCUITO HIDRÁULICO.
117
6.2
CÁLCULO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES.
117
6.2.1 Actuador hidráulico.
117
6.2.2 Unidad hidráulica.
119
6.2.3 Válvulas hidráulicas.
129
6.2.4 Aceite hidráulico.
134
6.2.5 Tuberías flexibles y accesorios.
134
6.2.6 Pérdidas de carga.
137
6.3
137
COMPONENTES Y DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO.
7. DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO.
139
7.1
143
ESTRUCTURA.
7.1.1 Plataforma inferior.
144
7.1.2 Placa intermedia.
146
7.1.3 Placa superior.
154
7.1.4 Soportes inferiores.
159
7.1.5 Soportes superiores.
163
7.1.6 Plataforma móvil.
167
7.1.7 Disco de torsión y base de las mordazas.
173
7.1.8 Soporte para el cilindro hidráulico.
180
7.2
CILINDRO HIDRÁULICO.
181
7.2.1 Vástago.
181
7.2.2 Acople.
182
7.2.3 Flanche.
184
7.2.4 Camisa.
184
7.3
185
REDUCTOR.
7.3.1 Parámetros de selección del reductor RAMFÉ.
9
186
7.3.2 Descripción del sistema reductor RAMFÉ.
187
7.4
189
ELEMENTOS DE MÁQUINA.
7.4.1 Diseño de bujes.
189
7.4.2 Ejes y acoples.
192
7.5
199
MORDAZAS.
7.5.1 Mordazas de torsión.
200
7.5.3 Mordaza de tracción superior.
202
7.5.4 Mordaza de tracción inferior.
203
7.6
CAJA DE LA CELDA DE CARGA.
210
7.7
SOPORTES.
238
7.7.1 Motoreductor.
238
7.7.2 Unidad hidráulica.
242
7.8
244
CUBIERTAS DE LA MÁQUINA.
7.8.1 Cubierta superior.
244
7.8.2 Cubierta inferior.
245
7.8.3 Cubierta de la unidad hidráulica.
245
7.9
246
DISEÑO DE ELEMENTOS ROSCADOS Y DE SUJECIÓN.
7.9.1 Selección de tornillos por la resistencia de la rosca.
246
7.9.2 Análisis de las eficiencias de las uniones atornilladas.
251
7.9.3 Análisis de tornillos con fuerzas cortantes.
256
7.10 MECANISMOS DE SUJECIÓN DE LOS SENSORES.
262
7.10.1 Sistema de sujeción del sensor de desplazamiento lineal.
262
7.10.2 Sistema de sujeción del sensor de distancia infrarrojo.
262
7.11 CAJA, DISCO Y TREN DE ENGRANAJES DEL ENCODER.
263
7.12 SOLDADURA.
266
7.12.1 Soldadura de las placas y los tubos.
269
7.12.2 Soldadura del disco base de las mordazas.
274
7.12.3 Soldadura del acople del vástago del cilindro hidráulico.
276
7.12.5 Soldadura del soporte de la probeta a la placa inferior de la celda de
carga. 281
7.12.6 Soldadura del soporte roscado de la mordaza de tracción.
282
7.12.7 Soldadura de las copas para la mordaza de torsión.
284
10
7.13 PROCESOS DE FABRICACIÓN, TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y
ACABADOS DE LAS PIEZAS.
285
7.13.1 Procesos de fabricación por arranque de viruta.
285
7.13.2 Procesos de soldadura.
294
7.13.3 Tratamientos Térmicos.
299
7.14 ANCLAJE Y CIMIENTOS DE LA MAQUINA
301
8 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO
306
8.1
306
SELECCIÓN DE LOS MOTORES.
8.1.1 Motor para el reductor.
306
8.1.2 Motor para la bomba.
313
8.2
321
CIRCUITO DE CONTROL Y ACCIONAMIENTO.
8.2.1 Circuito de encendido y control.
321
8.2.2 Circuito de accionamiento de los motores.
322
8.3
323
ACCIONAMIENTOS, PROTECCIONES E INDICADORES.
8.3.1 Contactores.
323
8.3.2 Cableado.
326
8.3.3 Protecciones.
326
9 DISEÑO
DEL
SISTEMA
ELECTRÓNICO,
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES
9.1
SENSORES
Y
328
SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL.
328
9.1.1 Sensores y acondicionadores para el ensayo de tracción.
328
9.1.2 Sensores y acondicionadores para el ensayo de torsión.
342
9.2 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS, COMUNICACIÓN Y
CONTROL
349
9.2.1 Dispositivos o periféricos de entrada y salida.
350
9.2.2 Circuito de control general.
354
9.2.3 Microcontroladores.
359
9.2.4 Conversor análogo digital de 16 bits.
382
9.2.5 Memoria EEPROM Serial.
386
9.2.6 Circuito del PWM externo.
389
9.2.7 Circuito de accionamientos.
412
9.3
414
CIRCUITOS DE POTENCIA.
11
9.3.1 Circuito de control de las válvulas electrohidráulicas.
414
9.3.2 Circuito de control de la corriente del motoreductor.
418
9.3.3 Circuito de control de la velocidad del motor de la bomba.
424
9.4
TABLERO DE CONTROL.
431
9.5
FUENTE DE ALIMENTACIÓN.
432
9.5.1 Fuente de +12[V], -12[V] (1[A]).
434
9.5.2 Fuente de +5[V] (2[A]).
436
9.5.3 Fuente de +24[V] (1[A]) regulada.
436
9.5.4 Fuente de +24[V] (2[A]).
437
10 CONCLUSIONES
444
11. RECOMENDACIONES
446
BIBLIOGRAFIA
449
12
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Errores en máquinas de ensayos según su clase.
41
Tabla 2. Error permitido en los extensómetros según su clase.
43
Tabla 3. Símbolos y designaciones en la nomenclatura de probetas NTC2.
44
Tabla 4. Probetas sección transversal circular.
46
Tabla 5. Tolerancias relacionadas con la sección transversal de la probeta
norma NTC2.
47
Tabla 6. Incremento del esfuerzo en ensayos de tracción antes del límite
elástico.
48
Tabla 7. Velocidades de la prueba de torsión en alambres.
51
Tabla 8. Número máximo de intervalos de verificación (nmax) según la clase
de precisión.
52
Tabla 9. Error máximo permisible en una evaluación de patronamiento de
celdas de carga.
53
Tabla 10. Nomenclatura para celdas de carga estandarizadas.
53
Tabla 11. Costos de la construcción del prototipo.
87
Tabla 12. Costo de la construcción de la 3TM-17S1.
91
Tabla 13. Costo de producción y mantenimiento.
95
Tabla 14. Parámetros de cálculo de salarios.
95
Tabla 15. Costos de desarrollo.
96
Tabla 16. Costos de capital.
97
Tabla 17. Costos de ventas.
98
Tabla 18. MAP de beneficios sin valoración del diseño y desarrollo
tecnológico.
100
Tabla 19. MAP de beneficios con valoración de diseño y desarrollo
tecnológico.
101
Tabla 20. Ventas y operaciones proyectadas.
102
Tabla 21. Costo de la realización de ensayos de tracción.
103
13
Tabla 22. Datos de porcentaje de presión y porcentaje de señal.
130
Tabla 23. Componentes del sistema hidráulico.
138
Tabla 24. Fracción del esfuerzo último
141
Tabla 25. Constantes para el factor de modificación de superficie.
152
Tabla 26. Factor de modificación por carga.
161
Tabla 27. Propiedades de algunos materiales para cojinetes.
190
Tabla 28. Cuñas estandarizadas cuadradas y rectangulares.
196
Tabla 29. Acoples flexibles para ejes tipo de cadena.
198
Tabla 30. Designación de tornillos.
247
Tabla 31. Especificaciones SAE para pernos de acero.
248
Tabla 32. Tuercas y arandelas.
248
Tabla 33. Resumen de selección de tornillos.
250
Tabla 34. Designación de las uniones con tornillos.
252
Tabla 35. Factor K para diferentes condiciones del perno.
253
Tabla 36. Resumen de uniones con tornillos.
255
Tabla 37. Resumen tornillos soporte motoreductor.
260
Tabla 38. Características de los engranajes del encoder.
265
Tabla 39. Propiedades a la torsión de soldaduras de filete.
267
Tabla 40. Propiedades mínimas del metal de aporte.
268
Tabla 41. Propiedades a la flexión de soldaduras de filete.
268
Tabla 42. Esfuerzos permisibles por el código AISC para metal de aporte.
269
Tabla 43. Cargas constantes permisibles y tamaños mínimos de soldadura
de filete.
270
Tabla 44. Valores medios para la velocidad de corte para brocas de acero
rápido
285
Tabla 45. Valores medios para la velocidad de corte para diferentes tipos de
herramientas y materiales.
288
Tabla 46. Avances y velocidades de corte de fresas y escariadores
comunes de acero rápido.
291
Tabla 47. Consumo de corriente para el electrodo E6011
294
Tabla 48. Consumo de corriente para el electrodo E6013.
295
Tabla 49. Consumo de corriente para el electrodo E7018
296
14
Tabla 50. Consumo de corriente para el electrodo E9018
296
Tabla 51. Consumo de corriente para el electrodo E11018
297
Tabla 52. Tabla de orientación para determinar el diámetro del electrodo
manual revestido.
298
Tabla 53. Diámetro de la boquilla para soldadura MIG.
299
Tabla 54. Tabla de precalentamiento.
300
Tabla 55. Propiedades
termicamente
302
mecanicas medias de algunos aceros tratados
Tabla 56. Carga máxima estática que soporta el apoyo del anclaje de cuña
305
Tabla 57. Datos característicos del motor de imán permanente en vacío.
310
Tabla 58. Datos característicos del motor de imán permanente con el rotor
bloqueado.
311
Tabla 59. Datos de la prueba de rotor bloqueado en el motor AC.
317
Tabla 60. Corrientes máximas de ruptura de los contactores de la familia
LC1-DXX.
325
Tabla 61. Estados del circuito de control de comunicaciones.
357
Tabla 62. Designación general de puertos del microcontrolador 1.
360
Tabla 63. Designación general de puertos del microcontrolador 2.
362
Tabla 64. Significado de los bloques del diagrama de flujo de los programas
del microcontrolador.
371
Tabla 65. Resumen
microcontroladores.
de
378
Tabla 66. Resumen
microcontroladores.
de
variables,
señales
constantes
de
control
manejadas
manejadas
en
en
los
los
380
Tabla 67. Tabla de verdad de multiplexado para la selección de canales en
el conversor análogo – digital.
383
Tabla 68. Iteración del ángulo de disparo con el voltaje eficaz de salida en
el circuito de control de velocidad del motor AC.
430
15
LISTA DE GRÁFICAS
Pág.
Gráfica 1. Gráfica esfuerzo – deformación.
56
Gráfica 2. Curva esfuerzo-deformación en un acero.
59
Gráfica 3. Límite de elasticidad superior e inferior.
60
Gráfica 4. Determinación del esfuerzo de fluencia por el método offset.
61
Gráfica 5. Módulo de resilencia.
63
Gráfica 6. Tenacidad.
63
Gráfica 7. Carga y descarga de la probeta.
64
Gráfica 8. Curva ingenieril – Curva real.
65
Gráfica 9. Curva esfuerzo-deformación cortante.
69
Gráfica 10. Gráfica momento torsor – Ángulo de deformación.
70
Gráfica 11. Curva característica de la válvula proporcional.
130
Gráfica 12. Curva % de presión - % de señal aproximada.
132
Gráfica 13. Control mediante la modulación por ancho de pulso.
133
Gráfica 14. Límites de resistencia a la fatiga.
142
Gráfica 15. Diagrama de fuerzas y momentos.
147
Gráfica 16. Factor de concentración de esfuerzos para una placa
rectangular con agujero transversal.
151
Gráfica 17. Diagrama de fuerzas y momentos.
176
Gráfica 18. Curvas de holgura diametral en cojinetes.
191
Gráfica 19. Variable del espesor de la pelicula mínimo y la relación de
excentricidad.
191
Gráfica 20. Diagrama de cuerpo libre, reacciones y momentos.
224
Gráfica 21. Gráfico de Coudron
287
Gráfica 22. Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades del
acero SAE 4340.
301
Gráfica 23. Relación Par-Velocidad en el motor de imán permanente en
vacío.
310
16
Gráfica 24. Relación Voltaje-Corriente en el motor de imán permanente con
el rotor bloqueado.
311
Gráfica 25. Relación ideal torque-corriente en el motor de imán permanente.
312
Gráfica 26. Velocidad lineal del cilindro hidráulico contra el voltaje de
alimentación del motor AC.
320
Gráfica 27. Señal de salida del sensor infrarrojo.
339
Gráfica 28. Comportamiento de las señales de control
conversor análogo digital.
Gráfica 29. Comportamiento de las señales de control
memoria EEPROM serial.
y datos del
385
y datos de la
387
Gráfica 30. Señal de alimentación de la válvula proporcional y señal
modulante.
391
Gráfica 31. Señal de alimentación del motoreductor y señal modulante.
396
Gráfica 32. Señal del oscilador y voltaje de referencia para la prueba de
tracción.
403
Gráfica 33. Señal del oscilador y voltaje de referencia para la prueba de
torsión.
406
Gráfica 34. Descarga del condensador de filtrado del voltaje rectificado de la
red.
421
Gráfica 35. Símbolo y curva característica del TRIAC.
425
Gráfica 36. Disipación de potencia en el TRIAC BTA225.
427
Gráfica 37. Formas de onda de un circuito monofásico con carga inductiva.
429
Gráfica 38. Características de comportamiento de la señal de alimentación
del motor AC.
431
Gráfica 39. Señal rectificada (a) Positiva (b) Negativa
434
Gráfica 40. Señal rectificada y filtrada.
435
Gráfica 41. Descarga del condensador de filtrado del voltaje rectificado de la
red.
439
17
LISTA DE FIGURAS
Pag.
Figura 1. Máquina para ensayos de torsión (Universidad INCCA).
30
Figura 2. Dimensiones de la probeta para ensayos de tracción norma NTC2.
46
Figura 3. Probeta circular para ensayos de tracción norma ASTM E8.
48
Figura 4. Probetas para torsión pura en alambres.
50
Figura 5. Norma CETOP3.
51
Figura 6. Rango de mediciones de una celda de carga.
52
Figura 7. Máquinas de ensayo de tensión.
56
Figura 8. Fracturas típicas de las probetas en ensayos de tracción.
66
Figura 9. Efecto torsor.
67
Figura 10. Máquina de ensayo de torsión.
70
Figura 11. Probeta par ensayos de torsión.
70
Figura 12. Características geométricas de las probetas para tracción.
106
Figura 13. Características geométricas de las probetas para torsión.
107
Figura 14. Diagrama de manipulación de la señal de fuerza.
110
Figura 15. Diagrama de manipulación de la señal para el cálculo del área.
111
Figura 16. Diagrama de manipulación de la señal de desplazamiento.
111
Figura 17. Diagrama de manipulación de la señal de corriente del motor.
112
Figura 18. Diagrama de manipulación de la señal del encoder.
112
Figura 19. Actuador hidráulico lineal.
118
Figura 20. Componentes de la unidad hidráulica.
119
Figura 21. Bomba de engranajes unidireccional Vivoil.
125
Figura 22. Esquema de montaje de la subplaca CETOP3.
129
Figura 23. Tubería flexible.
136
Figura 24. Estructura metálica base.
144
Figura 25. Plataforma inferior.
145
18
Figura 26. Fuerzas y reacciones en la plataforma inferior.
145
Figura 27. Diagrama de cuerpo libre de fuerzas y reacciones en las placas.
146
Figura 28. Diagrama de cuerpo libre de la columna inferior.
159
Figura 29. Diagrama de cuerpo libre de la columna superior.
163
Figura 30. Diagrama de cuerpo libre de la placa móvil.
167
Figura 31. Esquema de la plataforma móvil.
168
Figura 32. Diagrama de cuerpo libre del disco de torsión y base de las
mordazas.
175
Figura 33. Acople para el vástago del cilindro hidráulico.
183
Figura 34. Componentes principales del reductor helicoidal de RAMFÉ.
188
Figura 35. Diagrama de cuerpo libre del eje.
193
Figura 36. Acople flexible de cadena.
198
Figura 37. Dimensiones generales del acople flexible de cadena.
199
Figura 38. Copa para ensayo de torsión.
200
Figura 39. Mordaza de tracción inferior.
204
Figura 40. Base de la mordaza de tracción inferior.
208
Figura 41. Caja de la celda de carga.
211
Figura 42. Esquema de la placa móvil.
213
Figura 43. Esquema de la placa superior e inferior.
214
Figura 44. Diagrama de cuerpo libre de las barras de la caja de la celda de
carga.
222
Figura 45. Sección transversal de la caja de la celda de carga.
229
Figura 46. Refuerzo de la celda de carga para el ensayo de torsión.
235
Figura 47. Diagrama de cuerpo libre del refuerzo de la caja de la celda de
carga.
235
Figura 48. Fuerzas que actúan sobre el soporte vertical del motoreductor.
239
Figura 49. Fuerzas que actúan sobre el soporte horizontal del motoreductor.
240
Figura 50. Fuerzas en los perfiles en L del soporte del motoreductor.
241
Figura 51. Perfil de tornillos.
246
Figura 52. Mecanismos de sujeción de los sensores.
262
Figura 53. Mecanismo de sujeción del sensor de distancia infrarrojo.
263
Figura 54. Esquema general del tren de engranajes del encoder.
266
19
Figura 55. Fuerzas y movimientos en el proceso de taladrado
286
Figura 56. Fuerzas y movimientos en el proceso de cilindrado.
288
Figura 57. Fuerzas y movimientos en el proceso de fresado.
291
Figura 58. Escariadores
293
Figura 59. Soldadura metálica con arco eléctrico y gas (MIG).
298
Figura 60. Sistema de anclaje de una estructura.
303
Figura 61. Componentes de un anclaje.
303
Figura 62. Placas de cuña
304
Figura 63. Anclaje de seguridad instalado.
304
Figura 64. Motor DC de imán permanente.
307
Figura 65. Circuito equivalente del motor de imán permanente.
308
Figura 66. Motor monofásico de inducción.
314
Figura 67. Circuito equivalente del motor de inducción.
315
Figura 68. Circuito DC para determinar la resistencia de estator del circuito
equivalente del motor de inducción.
316
Figura 69. Prueba de rotor bloqueado para el motor de inducción
monofásico.
316
Figura 70. Esquema del circuito de mando de la máquina.
322
Figura 71. Esquema del circuito de potencia de la máquina.
323
Figura 72. Diagrama de los contactores de la familia LC1 DXX.
325
Figura 73. Diagrama del relé térmico de la familia LRD de telemecanique.
327
Figura 74. Celda de carga tipo botella.
329
Figura 75. Principio de funcionamiento de la celda de carga.
330
Figura 76. Principio del puente de Wheatstone y conexión de la celda de
carga.
330
Figura 77. Montaje diferencial de amplificación.
332
Figura 78. Amplificador inversor y divisor de voltaje.
333
Figura 79. Transductor de desplazamiento lineal.
336
Figura 80. Conexiones eléctricas del extensómetro.
336
Figura 81.
Montaje en puente de Wheastone del transductor de
desplazamiento.
338
Figura 82. Medición de distancia por el método de triangulación.
340
20
Figura 83. Triangulación del GP2D120.
341
Figura 84. Optoacoplador en U.
343
Figura 85. Diodo emisor y optotransistor.
343
Figura 86. Encoder absoluto.
344
Figura 87. Montaje del encoder.
345
Figura 88. Medición de corriente mediante sensor de efecto hall.
346
Figura 89. Sensor de efecto hall.
347
Figura 90. Esquema de la geometría del toroide.
347
Figura 91. Teclado matricial 4x4.
350
Figura 92. Conexión del teclado matricial.1
351
Figura 93. Esquema de conexión de la LCD.
354
Figura 94. Esquema general del circuito de control.
356
Figura 95. Esquema del circuito de control de comunicaciones.
357
Figura 96. Montaje del circuito Integrado para señales de protocolo RS232,
MAX232.
358
Figura 97. Circuito de conexión del DB9.
359
Figura 98. Montaje básico del microcontrolador MC68HC908GP32.
360
Figura 99. Diagrama de flujo de inicio de los procesos realizados en el
microcontrolador2.
364
Figura 100. Diagrama de flujo del proceso de selección de la prueba de
tracción en el microcontrolador2.
365
Figura 101. Diagrama de flujo del proceso de selección de la prueba de
torsión en el microcontrolador2.
366
Figura 102. Diagrama de flujo del proceso de ejecución de la prueba de
tracción en el microcontrolador2.
366
Figura 103. Diagrama de flujo del proceso de ejecución de la prueba de
torsión en el microcontrolador2.
367
Figura 104. Diagrama de flujo de inicio de los procesos realizados en el
microcontrolador1.
368
Figura 105. Diagrama de flujo del proceso de adquisición, transmisión y
accionamientos de la prueba de tracción en el microcontrolador1.
369
Figura 106. Diagrama de flujo del proceso de adquisición, transmisión y
accionamientos de la prueba de torsión en el microcontrolador1.
370
Figura 107. Montaje del ADC para interfase serial de los datos.
385
21
Figura 108. Formato del byte de control de la memoria EEPROM.
388
Figura 109. Control de escritura por página en la memoria EEPROM.
388
Figura 110. Control de lectura en la memoria EEPROM.
389
Figura 111. Esquema del modulador por ancho de pulso (PWM).
389
Figura 112. Generador de ondas ICL8038.
398
Figura 113. Conversor digital análogo para el voltaje de referencia del PWM.
399
Figura 114. Contador para el DAC del PWM.
402
Figura 115. Esquema de selección de los voltajes de ajuste para el voltaje
de referencia del PWM.
408
Figura 116. Esquema general del potenciómetro digital.
410
Figura 117. Esquema de accionamientos de relevos y transistores.
412
Figura 118. Conector de solenoide de válvula hidráulica.
415
Figura 119. Solenoide de corriente directa.
415
Figura 120. Válvula de control proporcional.
416
Figura 121. Esquema del circuito de activación del Mosfet para la válvula
proporcional.
417
Figura 122. Esquema del circuito eléctrico de accionamiento de las válvulas
hidráulicas.
418
Figura 123. Esquema del pulsador DC-DC para el motoreductor.
419
Figura 124. Circuito pulsador motoreductor.
422
Figura 125. Control de voltaje de un motor de corriente alterna con TRIAC.
426
Figura 126. Divisor de voltaje – señal de compuerta del triac.
427
Figura 127. Tablero de control.
432
Figura 128. Tratamiento de la señal de alimentación en una fuente de
voltaje.
433
Figura 129. Pulsador regulador de corriente directa.
438
Figura 130. Circuito pulsador de la fuente de 24[V].
440
Figura 131. Circuito regulador de voltaje.
442
22
ANEXOS
Pág
Anexo A
Planos mecánicos, hidráulicos, eléctricos y electrónicos.
L.3
Anexo B
Cartas tecnológicas.
L.3
Anexo C
Patronamiento de la máquina, pruebas, resultados y guías de
laboratorio.
L.4
Anexo D
Manual de funcionamiento y mantenimiento de la máquina
L.5
Anexo E
Simulaciones mecánicas.
CD.2
Anexo F
Fichas técnicas, tablas y gráficas.
CD.1
Anexo G
Animaciones .
CD.1
Anexo H
Fotos y videos.
CD.1
23
LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS
UNIDADES
[A
[bar]
[C]
[cm]
[cm3/rev]
[cts]
[cv]
[G]
[GPM]
[Kgf]
[Kgf/mm2]
[Kg/m3]
[N]
[HP]
[HRC]
[Hz]
[in]
[J]
[lbf]
[lbf in]
[Lts]
[min]
[mm]
[ms]
[Nm]
[Pa]
[psi]
[rad]
[RPM]
[seg] / [s]
[T]
[Ton]
[V]
[Wb]
[W]
[µs]
[µm] / [µ]
[Ω]
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Amperios
Bares
Columbios
Centímetros
Centímetros cúbicos por revolución
Centiestokes
Caballos de vapor
Gauss
Galones por minuto
Kilogramos fuerza
Kilogramos fuerza por milímetro cuadrado
Kilogramos por metro cúbico
Newtons
Horse Power (Caballos fuerza)
Rowell C
Hertz
Pulgadas
Julios
Libras fuerza
Libras fuerza por pulgada
Litros
Minutos
Milímetros
Milisegundos
Newton por metro
Pascales
Libras por pulgadas cuadradas
Radianes
Revoluciones por minuto
Segundos
Tesla
Toneladas
Voltios
Weber
Vatios
Microsegundos
Micrometros
Ohmios
24
VARIABLES Y CONSTANTES
Ap
Ae
Ao
Ai
B
C
Dic
Dv
d
dp
E
f
F
G
g
h
I
J
JX
L
Lr
max
min
n
Ph
Pot
Poth
P
Q
r
R
Re
t
T / MT
V
V
υ
υc
υcrt
Z
τ
σ
σf
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
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Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Área transversal de la probeta
Área efectiva del cilindro hidráulico
Área inicial de la probeta
Área instantánea de la probeta
Campo magnético
Condensador / Capacitancia
Diámetro interior del cilindro hidráulico
Diámetro del vástago del cilindro
Diámetro / Distancia
Diámetro de la probeta
Modulo de elasticidad
Frecuencia
Fuerza
Modulo de rigidez
Gravedad
Altura / Espesor
Corriente / Momento de inercia
Momento polar de inercia
Reactancia
Longitud / Distancia / Inductancia
Recorrido del cilindro
Máximo
Mínimo
Revoluciones por minuto
Presión hidráulica
Potencia
Potencia hidráulica
Presión / Potencia / Perímetro / Paso
Caudal
Radio
Resistencia / Reluctancia
Número de Reynolds
tiempo
Torque o Momento torsor
Cilindrada de la bomba
Volumen
Velocidad
Velocidad lineal del cilindro
Velocidad crítica
Impedancia
Esfuerzo cortante
Esfuerzo normal
Esfuerzo de fluencia
25
σu
σmax
σR
σT
η ch
ηv
ηm
ηt
ε/e
δ
γ
µ
ξ
ρ
β
∆
ω
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Esfuerzo último de tensión
Esfuerzo máximo
Esfuerza real
Esfuerzo teórico
Eficiencia del cilindro hidráulico
Æ
Rendimiento volumétrico de la bomba
Æ
Rendimiento mecánico de la bomba
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Rendimiento total
Deformación unitaria
Deformación
Deformación por cortante
Viscosidad / micras / permeabilidad
Factor de forma en accesorios hidráulicos
Densidad
Eficiencia del filtro
Incremento
Velocidad angular
SIGLAS
ASTM
LCD
NTC2
OIML
ISO
SAE
UTS
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
American Society of Testing Materials
Liquid Cristal Display
Norma Técnica Colombiana 2
International Organization of Legal Metrology
International Standards Organization
Society of Automotive Engineers
Ultimate Tensile Strength
26
RESUMEN
Con este proyecto se pretende fusionar dentro de una sola máquina, dos tipos de
ensayos como lo son el de tensión y el de torsión, además de la adquisición y
visualización de las variables físicas y los resultados de estos ensayos a través del
computador utilizando tecnología de punta, con esto se refiere a que un 60% de
las partes de la máquina fueron importadas directamente de Inglaterra, Alemania,
Italia y Estados Unidos.
Es oportuno comentar que este tipo de máquina con los ensayos que realizará, no
es común en el país, debido a que generalmente ambos ensayos se realizan por
separado; la máquina de ensayos universales puede llegar a costar entre
$150’000.000 y $300’000.000 según la capacidad y la precisión que se desee y la
máquina de ensayos de torsión puede alcanzar un valor de $60’000.000. Al
integrar ambos ensayos se pretende dar una mayor cobertura de dichos ensayos
en una misma estructura disminuyendo costos y aumentando la capacidad de
trabajo además de que ésta máquina es adaptable a otros tipos de ensayos como
lo son el ensayo de flexión, compresión, entre otros.
ABSTRACT
With this project it is tried to fuse inside one machine, two kinds of tests like are
tensile and torsion, besides of acquisition and visualization of physical variables
and results of these tests across the computer using technology of top, with this we
refer that 60% of the parts of machine were imported directly from England,
Germany, Italy and United States.
Is opportune to comment that this kind of machine with the test that it will realize, is
not very common in our country, due to the fact that generally both test are done in
different machines; the universal testing machine can cost between $150’000.000
and $300’000.000 according of the capacity and the accuracy that is wished and
torsion testing machine can cost $60’000.000. When both test are fused we are
trying to give a major coverage of that test in the same structure reducing costs
and increasing the capacity of work besides of our machine is adaptable to other
kind of test like flexion test, compression test, between other.
27
INTRODUCCIÓN
Este proyecto se realizará con el objeto de colaborar con los estudiantes de la
Universidad de San Buenaventura, a la preparación y realización de guías o
prácticas de metales enfatizando en el ensayo de tracción y torsión para aceros.
Según la filosofía y misión de la Universidad de San Buenaventura de integrar los
conocimientos teóricos y prácticos de los estudiantes con el pensamiento
franciscano de desarrollar y prestar servicios académicos integrados, de excelente
calidad, para satisfacer las necesidades de la sociedad y junto con lo establecido
en el Proyecto Educativo Bonaventuriano en el cual se establece que:
(...) la investigación se desarrolla a través de dos modalidades: la investigación
pedagogizante y la investigación básica y aplicada, donde ésta última: “se orienta
a producir nuevos conocimientos, a comprobar aquellos que forman parte del
saber y de las actividades referidas a contextos específicos, a facilitar el
proceso pedagógico y el desarrollo de la ciencia y la tecnología” 1.
Además, la Facultad de Ingeniería de la Universidad de San Buenaventura tiene
como misión: “fomentar el espíritu investigativo en el(los) programa(s) e impulsar
las acciones que fortalezcan la producción y generación del conocimiento desde el
campo del saber específico con una perspectiva abierta a la interdisciplinariedad y
a la integración de la investigación con la docencia y la proyección social, para
lograr un proceso de educación y formación de investigadores” 2.
Con base en el contexto establecido anteriormente, el proyecto generará medios
con los cuales se facilitará el estudio de asignaturas tales como Mecánica de
Sólidos y Materiales en Ingeniería dentro de la misma Universidad. Las
metodologías que se emplearán obedecen a la necesidad de complementar
prácticas que ya existen y la creación de nuevas guías de trabajo, además de la
implementación de un equipo básico para el laboratorio como lo es una máquina
que pueda realizar ambos ensayos de resistencia del material como lo son el de
tracción y torsión.
1
2
Proyecto Educativo y la Investigación. (http//www.usbbog.edu.co)
Investigación (http://ingenieria.usbbog.edu.co/contenidos/investigacion/mision.php)
28
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES
Desde el contexto interno, la Universidad de San Buenaventura Sede Bogotá no
cuenta con el equipo necesario ni con las guías de laboratorio necesarias para el
aprendizaje de materias como Mecánica de Sólidos y Materiales de Ingeniería por
lo que se requiere asistir a otras instituciones educativas, en donde a pesar de
tener los equipos para dichas prácticas carecen de una guía específica para el
desarrollo de los laboratorios.
Dentro del contexto externo, existe una gran cantidad de posibilidades tanto de
máquinas como de guías pedagógicas a nivel nacional e internacional, no solo a
nivel educativo sino también industrial, donde se puede encontrar gran cantidad de
máquinas para ensayos mecánicos, siendo así casi innumerable la cantidad de
referencias que se pueden dar acerca de este tema. Con base en lo anterior se
darán algunos ejemplos de laboratorios realizados en el exterior y a nivel nacional,
y sobre los proyectos hechos sobre máquinas para ensayos de metales y la
automatización de las mismas en universidades de Bogotá.
1.1.1 Proyectos realizados.
En Bogotá instituciones como el SENA, la
Universidad Nacional, la Universidad de los Andes, la Universidad Libre, la
Universidad Militar y la Universidad INCCA entre otras, poseen laboratorios de
ensayos de materiales para los ensayos de tensión, torsión, dureza, metalografía,
tratamientos térmicos, fatiga y flexión y han desarrollado proyectos de autoequipamiento, mediante el diseño y construcción de máquinas, elementos,
dispositivos y accesorios para la realización de dichos ensayos.
• Universidad INCCA de Colombia. Diseño y construcción de una máquina de
ensayos de torsión. Tesis realizada en el año 1992 por estudiantes de Ingeniería
Mecánica en la cual se realiza un estudio sobre la torsión en los metales.
Para presentar este proyecto los estudiantes realizaron prácticas en aceros como
AISI – SAE 1010, 1020 y 4140, además en bronce y aluminio. En las primeras
pruebas se obtuvieron varios errores debido al funcionamiento de la máquina
sobre todo en la parte del torquímetro. Después de corregida ésta falla,
procedieron nuevamente a realizar ensayos y obtuvieron los resultados
esperados.
29
Figura 1. Máquina para ensayos de torsión (Universidad INCCA).
Fuente: Universidad INCCA de Colombia
- Máquina para ensayos tecnológicos de tracción y compresión en materiales
ferrosos, Daniel Bastidas Guerra, Jaime Alberto Céspedes Castaño, Roció
Méndez, año 1997.
Cuenta con un sistema hidráulico con una bomba para 3000 [psi], como fuente de
energía, el cilindro hidráulico tiene la capacidad de generar 10 toneladas de
fuerza, para el control de la velocidad de la prueba se regula el caudal de la
bomba (Qmax=0,2[GPM]), mediante la variación de la velocidad del motor,
mediante un regulador electrónico marca SIEMENS. La potencia del motor es de
1,2 [HP] con una velocidad máxima de 1700 [RPM].
La estructura de la máquina se basa 4 placas de acero AISI SAE 1045, una de
ellas móvil y 4 columnas macizas de 2[in]. La máquina cuenta con accesorios
para la sujeción de las probetas de tracción y compresión. Tanto las placas como
las columnas y las piezas fueron tratadas térmicamente. La máquina fue diseñada
con un factor de seguridad de dos (2) y tiene un peso de 339[Kg]. La medición de
las variables de la prueba se hace mediante un anillo de carga, (previamente
calibrado en la Universidad Nacional), y se toman manualmente.
Para presentar este proyecto los estudiantes realizaron ensayos en aceros AISISAE 1045 y 4340, los cuales fueron, comparados con ensayos realizados en los
mismos aceros en la Universidad Nacional.
• Universidad América de Colombia. -Diseño de una máquina para realizar
ensayos mecánicos destructivos de tensión, compresión y flexión para la
Universidad de América. Tesis realizada en el año de 1999 por un estudiante de
Ingeniería Mecánica. En ésta tesis se realizó una comparación entre la
construcción de una máquina universal básica para ensayos de metales y la
30
importación de una máquina Amsler para el mismo fin. La máquina diseñada
contaba con un sistema de potencia hidráulico (unidad hidráulica y cilindro
hidráulico) y contaba con medidores mecánicos como lo es un comparador de
carátula para medir las deformaciones y un manómetro para la presión, por lo cual
los datos eran obtenidos manualmente.
Especificaciones principales de la máquina diseñada:
ƒ Presión máxima del sistema: 3000 [psi] con la cual se producía una
fuerza de 12,5 toneladas.
ƒ Seis tipos de soportes para cada tipo de ensayo, los cuales eran
roscados.
ƒ Probetas utilizadas: 6 [mm] de diámetro y una longitud de 102 [mm]
(microprobetas).
Esta máquina sería capaz de realizar ensayos de tensión para probetas de aceros
de alto carbono pero en probetas a una escala de 1:2 de la normalizada.
o Elaboración de un multimedia del software Fea Algor para la materia de
resistencia de materiales. Tesis realizada en el año 2004 por estudiantes de
Ingeniería Mecánica en la cual se busca implementar nuevas herramientas
pedagógicas para la enseñanza de la resistencia de materiales. Se realizaron
unos tutoriales basados en el programa ALGOR, en los cuales explicaban el
análisis de elementos finitos.
• Universidad de los Andes. En la Universidad de los Andes se han venido
realizando trabajos sobre una máquina de ensayos universal desde 1968, a
continuación daremos una explicación de dichos trabajos en orden cronológico:
ƒ Aditamento para adaptar la máquina universal para pruebas de torsión. Tesis
realizada en 1968 por un estudiante de ingeniería mecánica.
ƒ Adaptación de la máquina Tinius Olsen para trazar diagramas de esfuerzodeformación en un ensayo de tracción. Tesis realizada en el año de 1973.
ƒ Programa para la presentación de resultados de pruebas de tensión / Uniandes.
Tesis realizada en el año de 1988.
ƒ Ayudas docentes por computador para el estudio de la resistencia de materiales
y herramienta computacional interactiva para el curso resistencia de materiales.
Tesis realizadas en los años de 1997 y 1999.
ƒ Implementación de un transductor de posición en una máquina para pruebas de
tensión. Tesis realizada en el año 2000.
• Escuela Colombiana de Carreras Industriales. En ésta institución se han
desarrollado proyectos de diseño de máquinas para ensayos tanto de tracción
como de torsión, entre los cuales cabe destacar:
o Máquina de ensayo de tracción, Juan Zuluaga, Sandra González, Enrique
Goyeneche, Luis Alberto Piza, Luis Asdrúbal Guzmán, Gustavo Alejandro Silva,
Fredd Pardo, Ivon Rojas, año 2002. Cuenta con un sistema hidráulico con una
31
bomba de engranajes para 3000 [psi], con regulador de presión y caudal, la fuerza
máxima del sistema es de 24000 [lbf], la estructura de columnas cuadradas y
placas de acero 1045 con un factor de seguridad de 5,49.
o Máquina de ensayo de tracción, Ignacio Delgado, Alejandro Gonzáles, Fabio
Romero , la máquina está construida con cuatro placas de acero 1020 HR de
12[mm] de espesor, 30[cm] de ancho y 50[cm] de largo y una placa de acero 1020
HR de 12[mm] de espesor, 30[cm] de ancho y 80[cm] de largo, la máquina tiene 4
ejes de acero bonificado y rectificado de 1[in] de diámetro por 150[cm] de largo y 2
ejes de acero bonificado y rectificado de 1[in] de diámetro por 68[cm] de largo. La
fuerza la realiza un gato hidráulico de 12 toneladas, y para la sujeción de la
probeta se utilizaron dos copas de torno con capacidad para piezas de 7cm de
diámetro.
o Máquina para ensayos de tracción, Alexander Ariza Gómez, Luis Eduardo León,
Juan Pablo Martínez, Libardo Martínez, Carlos Ballen, Meyer Ávila Díaz, Henry
Yesid Gutiérrez, la máquina cuenta con un sistema hidráulico que soporta hasta
2500 [psi] y entrega una fuerza máxima sobre la probeta de 23500 [Lbf], el
depósito hidráulico tiene una capacidad de 2,5[Lts], el sistema es accionado por
un motor eléctrico de 1,2[HP].
o Diseño y fabricación de una máquina para ensayo de torsión; Ana Maria
Mayorca, Sandra Buitrago, Alcides Plazas, Jairo Acosta, Fredy Sánchez, la
máquina consta de un motor trifásico a 220[V] con freno de 2,4 [HP] a 1750 [RPM],
un reductor sin fin-corona con relación de transmisión 48,6 con 36 [RPM] de salida
y un eje de diámetro de 42 [mm], consta también de 2 trenes de engranajes rectos
4340 con relación 3 a 1, con un ejes en acero 4340 de 10[in] de longitud por 1,5[in]
de diámetro y un eje en acero 4340 de 7,875[in] de longitud por 2[in] de diámetro.
El sistema de sujeción se hace con dos mordazas autocentrantes de 10[in] de
diámetro una fija y otra móvil.
o Máquina para ensayos de Torsión, Oscar López Pizza, Robinson alza Prado,
Albeiro Ariza, La máquina cuenta con un motoreductor de 3,5[HP] ensamblado en
forma horizontal a su eje de salida, y cuenta con una velocidad de salida de 11
[RPM], cuenta a su vez con un reductor, el cual tiene un piñón de 25 dientes y
módulo 5, acoplado a un engrane de 58 dientes que gira a 5 [RPM], el eje de
salida es de acero 4340, al cual va fijada una mordaza móvil, la otra mordaza
estará fija en un soporte que se desplaza longitudinalmente. La máquina trabaja
con probetas de hasta 1[in] de diámetro por 150[mm] de longitud, y transmite un
torque máximo de 1926 [Nm].
1.2
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Básicamente la inexistencia de laboratorios para prácticas de metales dentro de la
Universidad, hace difícil y costosa la realización de los mismos en instituciones
ajenas a ella, además de la carencia de guías de laboratorio que complementen la
fundamentación teórica recibida en clase.
Con base en la descripción anterior, se pueden formular las siguientes preguntas:
32
¿Cómo implementar una serie de guías prácticas para los laboratorios de metales
de una forma didáctica para los estudiantes?
¿Qué clase de máquina se puede construir para facilitar el desarrollo de los
ensayos de tensión y tracción de una forma económica dentro de la propia
Institución?
1.3
JUSTIFICACIÓN
La realización de la investigación y la aplicación de este proyecto es de gran
importancia para la Universidad de San Buenaventura Sede Bogotá y en un futuro
para ser aplicado a otras instituciones educativas que por alguna razón no posean
dentro de su infraestructura un laboratorio relacionado con el área de materiales
en ingeniería, debido a que con este trabajo se pretende implementar una serie de
guías de laboratorio además de la construcción de una máquina de tensión y
torsión.
Los beneficios se verán reflejados primero en los estudiantes de la Universidad de
San Buenaventura Sede Bogotá enfocados en el área de resistencia de materiales
y materiales en ingeniería, porque tendrán a su disposición una máquina funcional
relacionada con el tema expuesto. Dicha máquina podrá ser utilizada por los
programas de Ingeniería Mecatrónica y Aeronáutica. Como segundo beneficio, la
Universidad de San Buenaventura Sede Bogotá disminuirá los costos de
convenios con otras instituciones como el SENA (Servicio Nacional de
Aprendizaje) y el ITC (Instituto Técnico Central) para realizar las prácticas en sus
laboratorios.
Con este proyecto se pretende fusionar dentro de una sola máquina, dos tipos de
ensayos como lo son el de tensión y el de torsión, además de la adquisición y
visualización de las variables físicas y los resultados de estos ensayos a través del
computador.
Para este fin se cuenta con: fuentes de información como tesis realizadas,
máquinas existentes, etc., conocimiento teórico y práctico necesario, los recursos
humanos dentro y fuera de la institución y recursos físicos de igual manera dentro
y fuera de la Universidad, siendo los recursos económicos el mayor obstáculo para
el desarrollo del proyecto.
1.4
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivo general. Diseñar y construir una máquina básica de ensayos
destructivos de tracción y torsión para laboratorio de metales con la medición y
adquisición de sus variables físicas para su visualización a través del computador.
33
1.4.2 Objetivos específicos.
ƒ Investigar y analizar proyectos relacionados con laboratorios de metales.
ƒ Investigar y analizar sobre desarrollo de guías de laboratorio existentes.
ƒ Obtener datos sobre costos de la realización de prácticas de este tipo en
instituciones educativas ajenas al sitio de estudio o la adquisición de las máquinas
para realizar dichas prácticas.
ƒ Analizar factibilidad y viabilidad para la implementación del proyecto en la
Universidad de San Buenaventura Sede Bogotá.
ƒ Desarrollo de guías prácticas para el laboratorio de ensayos de tensión y
torsión.
ƒ Realizar un programa con todo el contenido teórico y práctico sobre los ensayos
de tracción y torsión.
ƒ Diseñar y construir una máquina para ensayos de tracción y torsión para
probetas de aceros de bajo y medio carbono.
ƒ Diseñar y seleccionar el sistema hidráulico y sus componentes para la máquina
de ensayos de tracción.
ƒ Diseñar y construir los circuitos de control, visualización y protección de la
máquina de ensayos de tracción y torsión.
ƒ Implementar una serie de sensores con su respectivo acondicionador de señal
para la medición de las variables físicas del ensayo de tracción y torsión (fuerza,
torque, distancia, ángulo de torsión y deformación).
ƒ Realizar una tarjeta de adquisición de datos para tomar los datos sensados y
enviarlos al computador.
ƒ Diseñar el programa para la visualización de los datos adquiridos de la máquina
de ensayos de tracción y torsión.
ƒ Diseñar un programa para la visualización de la gráfica de esfuerzodeformación en el computador, según los datos adquiridos por la tarjeta.
ƒ Realizar una serie de pruebas en la máquina, para los diferentes ensayos para
calibrar los sistemas y tener una base de los datos tomados en las diferentes
pruebas.
1.5
ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.5.1 Alcances. Se realizará la parte investigativa del proyecto hasta el desarrollo
de las guías con el fin de diseñar y construir una máquina para el ensayo de
tracción y torsión y su comunicación con el PC, dicha máquina contará con un
control de selección automático para determinar que tipo de ensayo se va a
realizar, además se le implementarán una serie de sensores y transductores para
medir la fuerza realizada sobre la probeta, su deformación, el torque, el ángulo de
torsión, cada uno de ellos con su respectivo acondicionador de señal.
34
Se diseñará y construirá una tarjeta de adquisición de datos, para tomar los
valores medidos por los sensores y transmitirlos al computador para que mediante
la implementación de un software dichos datos se puedan manipular y visualizar.
Además la máquina de ensayos de tracción y torsión cuenta con su visualizador
LCD que muestra las variables físicas presentes en cada tipo de ensayo.
Con las guías de laboratorio se pretende darle al estudiante una fundamentación
teórica complementaria a la adquirida en la respectiva clase y los parámetros
necesarios para realizar con éxito dichas prácticas de laboratorio. Con el equipo
de laboratorio a implementar, se proyecta realizar los ensayos mecánicos
destructivos de tensión y torsión en probetas de aceros y observar el
comportamiento de sus propiedades ante la aplicación de fuerzas externas a
través del tiempo.
1.5.2 Limitaciones. La principal limitación para la realización de este proyecto es
el factor económico y la disponibilidad de laboratorios y talleres dentro y fuera de
la Universidad.
Debido a la limitación de carácter económico, la construcción de una máquina de
grandes proporciones para el ensayo de aceros de alto contenido de carbono y
probetas de gran diámetro se hace imposible, ya que dichas máquinas por su
volumen y fuerza requieren una inversión demasiado alta. Por tanto, la máquina a
construir podrá realizar ensayos de tracción con aceros de medio contenido de
carbono como límite máximo.
35
2. MARCO REFERENCIA
2.1
MARCO CONCEPTUAL.
A lo largo del trabajo se hará referencia a diferentes términos del proyecto, a
partes o principios de funcionamiento de la máquina, los cuales se explicarán a
continuación:
ƒ Prototipo: Producto final del desarrollo del presente proyecto, consistente en
una máquina básica de ensayos de tracción y torsión para ensayo de aceros de
bajo y medio carbono u otros materiales de menor resistencia, con un sistema de
medición de sus variables físicas (tarjeta adquisición de datos) y una tarjeta de
control de cada una de las pruebas; en el capitulo 5 se hace un desarrollo
detallado de las características de la máquina.
ƒ Máquina 3TM-17S1: Mejora del prototipo fabricado y hace referencia a la
primera serie (S1) de una máquina de ensayos de tracción y torsión (3TM –
Tensile and Torsión Testing Machine), adaptable a los demás ensayos de una
máquina de ensayos universales (compresión, doblez, cizalladura, etc.), de 17
toneladas de capacidad para el ensayo de tracción y con las demás
características mejoradas (Ver apartado de Recomendaciones) mencionadas
anteriormente para el prototipo.
ƒ Resolución: Hace referencia al valor mínimo de medición que puede tener la
máquina para cada una de sus variables (Ver capitulo 5), dicha resolución
depende principalmente del sistema de adquisición de datos, el cual para nuestro
caso es de 16[bits], pero que se ve afectada por la resolución propia de cada
sensor (ver capitulo 9) los cuales tienen un rango mínimo de medición, por debajo
del cual los valores obtenidos pueden tener un error significativo.
ƒ Precisión: La precisión de la máquina está determinada por la exactitud de los
valores obtenidos durante la adquisición de datos, utilizados para obtener los
resultados de la propiedades a determinar y para la construcción de las gráficas
correspondientes, dicha precisión está sujeta a los diferentes tipos de errores que
se pueden presentar a lo largo de la medición de cualquiera de las variables
físicas y éstas pueden darse por fenómenos como el tiempo de respuesta de los
sensores y componentes electrónicos, histéresis, temperatura, rozamientos,
resolución y precisión de los dispositivos electrónicos, material de la probetas,
incertidumbre, etc.
36
Durante la medición de una variable física, por ejemplo la fuerza aplicada a la
probeta, el error está dado por la diferencia entre el valor obtenido por el sistema
de medición y el valor de carga que realmente se le aplicó a la probeta, el valor
medido se ve afectado por: rozamiento y excentricidad de las partes mecánicas de
la caja de la celda de carga, la clase de la celda de carga (Ver apartado OIML-R60
y sensores y acondicionadores de señal para el ensayo de tracción), la precisión
de los componentes del acondicionador de señal y del conversor análogo digital.
La suma de los errores particulares genera un error total el cual no debe
sobrepasar el error máximo permitido según la clase de la máquina determinados
por la norma pertinente, (Ver apartado ISO 7500-1 e ISO 9513) si se desea tener
una máquina que realice ensayos que se encuentren reglamentados.
ƒ Clase: Clasificación de la máquinas o componentes de la misma con base al
error máximo permitido según las normas pertinentes.
ƒ Capacidad: Determina el rango máximo de fuerza o torque (según la prueba)
que puede entregar la máquina antes de sobrepasar los límites para la cual fue
construida (Ver Capitulo 5), a partir de este rango se puede determinar el tipo de
material (esfuerzo máximo) que se puede probar en la máquina, así como el
diámetro máximo de la probeta.
ƒ Ensayos normalizados: Para obtención de resultados que sean lo más
cercanos a la realidad, las diferentes entidades nacionales e internacionales han
parametrizado las dimensiones y geometría de las probetas (pieza sobre la cual
se va a realizar un ensayo), así como la velocidad de ejecución de dichas pruebas
tanto para el incremento de la fuerza o torque, como para el desplazamiento de
los cabezales (ensayo de tracción) o velocidad de rotación del cabezal (ensayo de
torsión) y las condiciones ambientales (humedad y temperatura) durante el
desarrollo de la prueba.
ƒ Elementos de medición de variables físicas (sensores): Para la realización
del proyecto se implementaron 5 tipos de sensores, encargados de tomar cada
una de las variables físicas según el ensayo a realizar y transformar dicha medida
en una señal eléctrica para su posterior manipulación. Los sensores trabajados
son los siguientes:
ƒ Celda de carga: Encargada de medir la fuerza a tracción, aplicada sobre la
probeta en el ensayo de tracción.
ƒ Sensor de desplazamiento lineal (extensometro): Encargado de medir el
cambio en la longitud de la probeta en el ensayo de tracción.
ƒ Sensor de distancia infrarrojo: Encargado de medir la disminución del radio
de la probeta en el ensayo de tracción.
ƒ Encoder: Encargado de medir el ángulo de deformación de la probeta en el
ensayo de torsión.
37
ƒ
Sensor de efecto Hall: Encargado de medir la intensidad del campo
magnético producido por la corriente consumida por el motoreductor, para
así poder determinar el torque realizado por el mismo.
ƒ Tarjeta de adquisición de datos: Esta tarjeta cumple la función de tomar los
datos obtenidos por los sensores, digitalizarlos para su comunicación y
manipulación, para la obtención de los diferentes resultados de las pruebas.
ƒ Tarjeta de control: Esta tarjeta es la encargada del mando y regulación de los
diferentes elementos que hacen parte de la máquina: motores, válvulas
hidráulicas, el actuador, los sistemas de comunicación y visualización, para lo cual
cuenta con los circuitos de control, los circuitos de potencia y los elementos de
mando (pulsadores, interruptores, teclado, etc).
ƒ Circuitos de control: Dentro de los circuitos de control se encuentran, el PWM
(modulador por ancho de pulso), los circuitos de accionamientos, los
microcontroladores, la memoria de la tarjeta y los circuitos de comunicación.
ƒ Circuitos de potencia: Son los encargados del accionamiento y control del
motor de corriente directa del sistema de torsión, el motor de corriente alterna de
la unidad hidráulica, y de las válvulas electrohidráulicas.
ƒ Sistema de torsión y base de las mordazas: Hace referencia al sistema de
transmisión de potencia del motoreductor hacia la mordaza y está compuesto por
un acople flexible de cadena, un eje de transmisión (eje de torsión) y un disco al
cual va acoplado el eje mediante una cuña que sirve como base para la
colocación de las diferentes mordazas de la máquina (disco de torsión y base de
las mordazas).
ƒ Caja de la celda de carga: La caja de la celda de carga es la parte de la
máquina en la cual se encuentra alojada la celda de carga y cuenta con un
mecanismo para transformar la fuerza de tracción ejercida por el cilindro
hidráulico, en una fuerza a compresión de igual magnitud la cual será aplicada
sobre la celda de carga.
ƒ Plataforma móvil: Sobre ésta plataforma se encuentra el cabezal (mordaza)
móvil de la máquina, la cual permitirá mediante la fuerza ejercida por el cilindro
hidráulico el desarrollo del ensayo de tracción.
38
2.2
MARCO LEGAL Y NORMATIVO.
Las pruebas para materiales están normalizadas no solo en Colombia sino
también en todo el mundo, lo cual es muy importante de tener en cuenta a la hora
de realizar cualquier experimento de tal índole y aún más en el momento de
construir una máquina que incluya dos ensayos a la vez, tales como el de tensión
y torsión, sabiendo de antemano que deben cumplirse unas especificaciones
sobre todo para la probeta en cada caso. Para el ensayo de torsión existen unas
normas que se nombrarán más adelante.
Sin embargo si existen algunas otras fuentes de donde tomar información para los
ensayos que no poseen norma, pero para los ensayos que si tienen, se tomarán
en cuenta en este proyecto y se nombran a continuación además de otras normas
de importancia en la construcción de la máquina.
Entre las principales normas para la medición de variables están:
2.2.1 Normas para la medición de carga.
• ISO 7500-1. VERIFICACIÓN DE MÁQUINAS PARA ENSAYOS UNIAXIALES
ESTÁTICOS. PARTE 1. MÁQUINAS DE ENSAYO DE TENSIÓN/COMPRESIÓN.
VERIFICACIÓN Y CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE FUERZA.
Esta norma especifica la verificación de las máquinas de ensayo
tensión/compresión. La verificación consiste de:
ƒ Una inspección general de la máquina de ensayo, incluyendo sus
accesorios para la aplicación de la fuerza.
ƒ Una calibración del sistema de medición de fuerza.
o Inspección general de la máquina de ensayo. Debe realizarse antes de la
calibración del sistema de medición de fuerza y debe comprender lo siguiente:
o Examen visual.
a. Que la máquina está en buen estado de funcionamiento y no está afectada
negativamente por ciertos aspectos de su estado general, como son:
ƒ Desgaste notorio o defectos en los elementos de guía del cabezal móvil o
en las mordazas.
ƒ Holguras en el montaje de las columnas y del cabezal fijo.
b. Que la máquina no está afectada por condiciones ambientales
39
o Inspección de la estructura de la máquina. Debe realizarse una revisión para
asegurar que la estructura y los sistemas de agarre permiten que la fuerza se
aplique axialmente.
o Inspección del mecanismo de accionamiento del cabezal. Debe verificarse
que el mecanismo de accionamiento del cabezal permite una variación lenta y
uniforme de la fuerza y que facilite la obtención de diferentes valores de fuerza
con la suficiente exactitud.
o Calibración de la máquina. Entre una temperatura ambiente de 10°C – 35°C.
La temperatura del instrumento de medición de fuerza debe permanecer estable
en un intervalo de ±2°C.
La máquina, con el instrumento de medición de fuerza situado en posición, debe
cargarse al menos tres veces entre cero y la máxima fuerza a medir.
o Fórmulas:
⎡ ρ ⎤
F = mg n ⎢1 - aire ⎥
⎣ ρm ⎦
F = mg n
∆F ∆m ∆gn
=
+
F
m
gn
r
a = x100
F
F
fO = iO x100
FN
v=
Fuerza generada por un peso muerto
Error relativo de la fuerza
Resolución relativa
Error relativo de cero
ƒ
Para calibración con fuerza indicada constante : 100
ƒ
Para calibración con fuerza real constante: 100
F'-F
x100
_
F
F '-F
v = i i x100
F
q=
_
x100
Error relativo de reversibilidad a fuerza real constante
Error relativo de exactitud
F
b=
Fmax - Fmin
_
FiC - F
≤1,5 q
F
Error relativo de reversibilidad
_
Fi - F
Fi - FC
≤1,5 q
FC
x100 Error relativo de repetibilidad
F
40
Tabla 1. Errores en máquinas de ensayos según su clase.
Clase de
la escala
de la
máquina
0.5
1
2
3
q
Exactitud
± 0.5
±1
±2
±3
Valor máximo permitido, %
Error relativo de
b
V
Fo
Repetibilidad Reversibilidad
Cero
0.5
± 0.75
± 0.05
1
± 1.5
± 0.1
2
± 3.0
± 0.2
3
± 4.5
± 0.3
Resolución
relativa
a
0.25
0.5
1
1.5
Fuente: Norma ISO 7500-1
El límite inferior de la escala puede determinarse multiplicando la resolución r, por:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
400 para la clase 0.5
200 para la clase 1
100 para la clase 2
67 para la clase 3
o Nomenclatura
F(N): Fuerza real indicada por el