1. Analisis de esfuerzos del vaso de una máquina
Centrifuga de aceite
Arturo Salamanca
Edgar Mauricio Fernandez
1. Resumen
Los procesos de separación existentes para partículas que hay en un aceite es la centrifuga
que consiste en hacer girar a más de 10000 revoluciones por minuto donde la fuerza hará que
la partículas se peguen a la parte exterior de un cilindro dejando en el interior el aceite
limpio que es el que se va a reutilizar y en algunas ocasiones este tipo de proceso sirve como
destilador que purifica otro tipo de aceite como son los vegetales, estos vasos que como
particularmente se les conoce están sometidos a mucha presión debido a la velocidad que
manejan estos tipos de equipo estos recipientes deben estar lo mejor diseñado para que al
momento de girar nos se desintegren y deterioren la calidad del equipo.
2. INTRODUCCION
Desde la antiguedad, el hombre ha usado separaciones mecánicas para la clarificación
del vino, el desnatado de la leche, el lavado del oro y la elaboración de aceites vegetales
tal como el aceite de palma. Es característico de este simple método, la separación median-
te sedimentación por gravedad. Usando centrifugas, la gravedad es sustituida por la fuerza
centrifuga. En las centrifugas actuales se genera una fuerza de hasta diez mil veces la fuerza
de gravedad. La separación por medio de centrifugas es llevada a cabo de forma más rápida
y eficiente que usando la sedimentación por gravedad. En muchos procesos, la separación
mecánica es responsable de la calidad de los productos finales, eficiencia de la producción y
compatibilidad con el medio ambiente. La reutilización de algunos aceites pueden economi-
zar mucho y así mantener sostenible la calidad y funcionalidad de componentes o derivados
que dependan de este tipo de procesos.
3. Marco teorico
Las centrifugas de aceite son reconocidas por una filtración superior en flujo parcial
removiendo contaminantes del aceite lubricante de motores diesel y otros tipos. La misma
tecnología también puede usarse exitosamente en cajas de cambios, fluidos hidráulicos y
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2. otros fluidos industriales. La tecnología de centrifugas se aplica para los siguientes sectores
del mercado:
Camiones
Buses
Marina
Electrógenos
Maquinaria para la minería
Locomotoras
Construcción
Agricultura
Fluidos Industriales
Las centrifugas limpian el aceite generando una fuerza centrifuga 2.000 veces mayor que
la gravedad y en algunas ocasiones mucho más que esta cifra. Es esta fuerza la que separa
los contaminantes sólidos o residuos del aceite. Ha sido comprobado que esta tecnologÃa
remueve contaminantes hasta el nivel de sub-micrón, lo que es beneficioso tanto para los
fabricantes de motores como para los usuarios:
Beneficios:
Aceite más limpio
Extensión de la vida útil del aceite
Prolongación de los intervalos de mantención
Reducción del desgaste del motor
Mejora de la mantención preventiva a largo plazo
Reducción de costos de mantenimiento
Corte de costos de desechos
Reducción de tiempo de paros de vehículos, motores, maquinaria por mantención.
Ayuda a una combustión limpia y buen rendimiento
Rápido retorno de la inversión
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3. El aceite es la sangre del motor un aceite limpio es esencial para que un motor opere efi-
cientemente durante su vida útil. Respondiendo a normativas ambientales y requerimientos
de clientes los fabricantes de motores adaptan sus diseños para reducir emisiones dañinas y
al mismo momento prolongar los intervalos de cambio de aceite. Tecnologías de reducción
de emisiones como por ejemplo la recirculación de gases de escape han demostrado un au-
mento de contaminantes en el aceite, especialmente por hollín. En resumen aceites modernos
tienen que trabajar más duro por más tiempo y soportar niveles más altos de contaminación.
Para cumplir con dichos requerimientos son necesarios avances en la composición química
de aceites y su tecnología de filtración. Partículas de hollín son de tamaño sub-micrón y son
partículas duras que aumentan el desgaste. Altos niveles de hollín en el aceite lubricante han
demostrado ser responsables para un desgaste acelerado de componentes críticos del motor.
Filtros tradicionales de flujo total y flujo parcial no son capaces de remover las partículas
de hollín porque dichas partículas son tan finas que no pueden ser capturadas por los me-
dios filtrantes. Las centrifugas de aceite de flujo parcial han demostrado ser eficientes en la
remoción de hollín.
Figura 3.1: Psrtículas de hollín
4. Procesamiento
Esta parte es la que nos permite aplicar las cargas y restricciones a la pieza a analizar.
4.1. Fase de preproceso
1. Selección del tipo análisis:
Preference > structural
Como se muestra en la figura 4.1
2. Selección del tipo de elemento:
Preprocessor > ElementType > Add/Edit/Delete
En la ventana que aparece, hacer click en Add
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4. Figura 4.1: Selección de tipo de análisis
Seleccionar (en la ventana que se llama Library of Element Types), bajo la opción
Structural Mass, Solid, y luego, en la parte derecha de la ventana,10 node 92 que
es el elemento Solid type 92.
Como se muestra en la figura 4.2
Figura 4.2: Selección de tipo de elemento
3. Definición del tipo de material y sus propiedades:
Preprocessor− > MaterialModels. Aparece una ventana que se llama Define
Material Model Behavior
En esta ventana, en la parte derecha, hacer el siguiente path:
• Structural− > Linear− > Elastic− > Isotropic
En la ventana que aparece después de hacer click en Isotropic (del paso anterior),
aparece una ventana (llama Linear Isotropic: Properties for Material Numb...)
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5. que tiene dos campos de entrada: El primero es EX (Módulo de Young) que para
el acero va a será 25e6, y el segundo PRXY (relación de Poisson) que es 0.3.
Click Ok− > Cerrar la ventana del material.
En la misma hay una opción que es density que vamos a poner de 7800 que es la
densidad del acero.
Click Ok− > Cerrar la ventana de densidad.
Como se muestra en la figura 4.3:
Figura 4.3: Definición propiedades del material
4. Creación de la geometría::La pieza a analizar ya se ha elaborado en un programa
CAD como es solid edge teniendo la figura en formado IGES se importa desde una
carpeta contenedora a ANSYS.
Utilitymenu− > File− > import− > IGES
Como se muestra en la figura 4.4
Figura 4.4: Apertura del archivo de pieza
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6. A continuación se busca la carpeta contenedora del diseño en el boton browse,
luego se seleciona el archivo y se le orime OK
Figura 4.5: Busqueda del archivo de pieza
Luego de darle OK el programa se encargará de abrir el diseño como se ve en la
figura 4.6
Figura 4.6: Archivo abierto
5. Creación de la malla:Después de tener la imagen de la figura se procede a hacer el
enmalladopor el siguiente paso.
Preprocessor− > Meshing− > Meshtool− >
Aparece la ventana donde le damos en samart size y modificamos el tamaño para
este caso lo dejamos en 10 es una malla grande pero para hacer el análisis en
este problema si es una más pequeña nos pedirá mas memoeria cuando se vaya
al proceso solve.
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7. Figura 4.7: Herramienta mesh
luego aparece otra ventana donde hay que seleccionar la figura y luego se presio-
na OK
Figura 4.8: Selección de la figura
Al final se observa como se produce la malla y con ella los nodos como se ve en
la figura 4.9
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8. Figura 4.9: Malla sobre la figura
6. Idntificación de la figura: A contimuación se observa por medio de este metodo si el
programa identifica la figura y nos da algunos datos importantes como los momentos
de inercia con respecto a masa, longitud o volumen.
Preprocessor− > Operate− > CalcGeomItems− > OfGeometry
Figura 4.10: Cálculo de geometría
7. Introducción de las constantes: Luego se procede a identificar las constantes que
intervendrán en el problema análizar.
Como este análisis va ser de rotación se tiene que poner de que tipo va a ser para
este caso va a ser armónico.
Preprocessor− > Loads− > AnalysisType− > NewAnalysis
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9. Figura 4.11: Tipo de análisis
Luego se van a introducir los datos el rango de la frecuencia, el número de saltos
para entre cada análisis, en este caso se a usar 3 saltos que son las verificaciones
en la solución de verificación de las ecuaciones en los nodos, y para el rango de
la frecuencia se va usar de 0 a 175 debido a que como el omega en nuestro caso
va a ser de 10472 rad/seg la frecuencia se calcula 10472/60 HZ.
Preprocessor− > LoadsStepOpts− > time/frequnec− > FreqandSubstps
Figura 4.12: Datos para la frecuencia
Luego el radio de la frecuencia que va a ser como un rango de hasta donde se
quiere que la frecuencia se extienda en este caso vamos a poner 0.01.
Preprocessor− > LoadsStepOpts− > time/frequnec− > Damping
8. Aplicación de cargas y restricciones de movimiento: El vaso va atener las siguientes
restricciones con respecto al movimento de los nodos con los planos x,y,z.
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10. Figura 4.13: Radio de la frecuencia
Preprocessor− > DefineLoads− > Apply− > Structural− > Displacement− >
OnNodes
Seleccionar el nodo central la intercección entre todas las líneas del los nodos de
la parte trasera del vaso. y hacer click en Apply.
Figura 4.14: Aplicación de resticciones
En la ventana que aparece (Apply U,ROT on Nodes) hacer click en la opción
ALL DOF, y ajustar los dezplazamientos en z descartando uz y velz debido a que
en este eje se va a realizar el giro.
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11. Figura 4.15: Aplicación restricciones
Hacer click en OK
Y se observará que en ese nodo aparecen flechas de restricción
Figura 4.16: Aplicación restricciones
Preprocessor− > DefineLoads− > Apply− > Structural− > Inertia− >
AngularV eloc− > Global
Se abre una ventana con tres opciones de velocidad en los tres ejes como en este
ejercicio va a ser sobre el eje z esa es la casilla que se llena con la velocidad
angular a la cual ca a ser sometida la pieza que es de 10472 rad/seg.
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12. Figura 4.17: Velocidad y restricciones aplicadas
Hay una aplicación existente llamada coriolis la cual para todo tipo de análisis de
rotación es recomendable activarla.
Preprocessor− > DefineLoads− > Apply− > Structural− > Inertia− >
AngularV eloc− > Coriolis
Figura 4.18: Aplicacioón Coriolis
Si sale un aviso de advertencia solo hay que darle close para que el proceso pueda
ser finalizado.
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13. Figura 4.19: Aviso de advertencia
5. Solución
Una vez hecho el preprocesamiento, se procede a solucionar el problema:
Solution− > Solve− > CurrentLS
Click en OK en la ventana Solve Current Load Step
Y comienza el proceso de solución.
Figura 5.1: Solución
Sale un aviso de comprobación que nos dice que existe una advertencia que si que-
remos proseguir con el análisis no importa se le da close y empieza el proceso que
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14. puede tardar varios minutos dependiendo la configuración del computador en la ven-
tana blanca se actualiza cada vez que va pasando un proceso.
Figura 5.2: Solución
Durante el proceso s epuede observar los avances que se van realizando y cuanto tiem-
po van demorando.
Figura 5.3: Solución
Al final no da un aviso que la solución está hecha hay que darle click en close y pasar
al siguiente paso.
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15. Figura 5.4: Solución
Se puede observar como queda la figura después de que se ha resuelto el problema.
Figura 5.5: Solución
6. Postprocesamiento
En esta sección es don de se observaran los resultados.
GeneralPostproc− > PlotResults− > ContourPlot− > NodalSolu
En la ventana que aparece, se da click en la opción DOF Solution, y luego Displace-
ment Vector Sum para ver los desplazamientos nodales totales.
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16. Figura 6.1: Solución
• Se observa la siguiente imagen donde se observa las deformaciones para la pieza
sin rotación.
Figura 6.2: Desplazamientos nodales
• para realizar la animación que nos mostrará como se comporta el vaso a las pre-
siones ejercidas por la rotación es de la siguiente forma.
• UtilityMenu− > PlotCtrls− > Time − harmonic
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17. Figura 6.3: Pasos para la animación
• Se selecciona Dof solution y Rot sum y luego se espera a que empiece la anima-
ción.
Figura 6.4: Selección de deformación
• A continuación se observa tres momentos de la animación desde que está en una
pocisión inicial hasta una final debido a la rotación a la velocidad que se va a
poner a operar la pieza.
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18. Figura 6.5: Animación
Figura 6.6: Animación
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19. Figura 6.7: Animación
• Se pudo observar como la figura llega hasta un limite pero al parecer no falla
mucho.
7. CONCLUSIONES
• Mediante el programa ANSYS se puede anlizar muchos casos de tipo mecánico
pero la mayoría de aplicaciones van dirigidas hacia problemas de tipo estático y
no dinámico talvez con un paquete completo del sowfware se lograran hacer de
este tipo.
• Teniendo las geometrías de los componentes a analizar ya dibujados al momento
de ingresarlos al programa no hace falta saber ciertas características debido que
al momento de importarlas el programa las identifica y puede hacer un analisis
profundo sobre datos con respecto a las geometrias como son inercias y centros
de inercia.
• Al parecer el diseño que se anlizó la pieza soporta el trabajo en el cual se va a
desempeñar pues alcanza ciertos límites los cuales garantiza que no va a fallar
pues zonas de falla no son muchas como se observa en la figura 6.7
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