Proyecto gom
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  • 1. Oscar Javier Roncancio Valbuena Alex Andrés Villa Redondo Larry Mc.Lean Diaz Ardila Bogotá D.C. Diciembre de 2009 Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Línea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico XXV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS GOM DISPOSITIVO MEDIDOR DE CONDICIONES DE OPERACIÓN DE ENGRANES
  • 2. 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.
  • 3. 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
  • 4. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE 1. La maquina no esta construida. 2. La maquina debe ceñirse a la disposición espacial de un banco de trabajo ya establecido con 4 ranuras tipo T. 3. Los apoyos a diseñar deben censar cargas, vibraciones y deformaciones dispuestas sobre el eje. 4. Los apoyos a diseñar deben ser móviles sobre las ranuras y con la capacidad y facilidad de desmontar el eje para adecuarlo a diferentes tipos de pruebas. 5. Debe tener una vida útil razonable para frecuencias de trabajo variables. 6. Debe soportar cambios bruscos de cargas, vibraciones y velocidades debido a la ruptura de los engranes en los ensayos. 7. Debe proporcionar confiabilidad en los datos, tener robustez de diseño.
  • 5. 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.
  • 6. 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.
  • 7. 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 Freno Transmisión 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
  • 8. 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
  • 9. 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 Resultados Comunicación PC-maquina Interpretación de resultados Visualización de resultados Maquina Control Alimentacion Encender/ apagar STOP de emergencia Montaje disposicion mecanica Seguridad Protección integridad del usuario Protección integridad de la maquina Filtrador de errores STOP de emergencia
  • 10. GENERACIÓN DE CONCEPTOS: VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN GENERADAS
  • 11. 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 Evaluación Pond. 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 Espacial 2,0 3,0 6,0 2,5 5,0 2,0 4,0 2,5 5,0 Sensar cargas y vibraciones 5,0 3,0 15,0 3,0 15,0 4,5 22,5 3,0 15,0 Versatilidad del montaje 3,5 3,0 10,5 2,0 7,0 3,5 12,3 2,0 7,0 Baja Robustez y poco peso 1,0 3,0 3,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,5 2,5 Grados de Libertad 4,0 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 datos 4,0 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
  • 12. 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
  • 13. 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.
  • 14. Diseño Final
  • 15. 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.
  • 16. 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
  • 17. Disposición de los sensores
  • 18. 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.
  • 19. PARTES PRINCIPALES DEL GOM
  • 20. 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.
  • 21. 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
  • 22. 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.
  • 23. 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.
  • 24. 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.
  • 25. 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