ensayo ffatiga 2

CARRERA DE INGENIERA

ELECTROMECNICA ESCUELA POLITCNICA DEL

EJRCITO EXTENSIN LATACUNGA

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNA MQUINA PARA REALIZAR

ENSAYO DE FATIGA POR FLEXN ROTATIVA UTILIZANDO PC

AUTORES:

SIZA SIMBAA ROBERTO MARCELO

CHANGO MORETA DAVID MISAEL

DIRECTOR: MSC.ING. JUAN CORREA

CODIRECTOR: MSC.ING. MARCO SINGAA

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO

DE INGENIERO ELECTROMECNICO

2012

ESCUELA POLITCNICA DEL


OBJETIVO GENERAL

DISEAR Y CONSTRUIR UNA MQUINA PARA REALIZAR ENSAYO DE

FATIGA POR FLEXIN ROTATIVA UTILIZANDO PC.

OBJETIVOS ESPECFICOS

Recopilar informacin sobre el funcionamiento y operacin de mquinas para ensayo de fatiga por flexin rotativa, as como realizar

un estudio sobre los fundamentos tericos de la falla por fatiga.

Disear y seleccionar las partes mecnicas, elctricas y electrnicas que conformarn la mquina.

Disear e implementar el sistema de control de la mquina de ensayos.

Seleccionar e implementar el sistema de adquisicin de datos.


ELECTROMECNICA


ELECTROMECNICA



Construir una mquina que permita realizar el ensayo de fatiga en aceros tales como; acero de construccin, acero de transmisin y

algunos aceros especiales, siempre y cuando tengan una

resistencia ltima a la traccin no mayor a 200Kpsi, en la cual se

pueda visualizar los diagramas S-N (Resistencia a la fatiga - nmero

de ciclos), tanto real como estimado.

Encontrar el lmite de resistencia a la fatiga estimado, para realizar el diseo de elementos de mquinas que puedan tener mayor

confiabilidad y economa.

Realizar la gua de procedimiento de la prctica en la mquina de ensayo.




ELECTROMECNICA

ALCANCES Y METAS.

Disponer de una mquina para ensayos de fatiga de viga rotatoria en

ciertos materiales de diseo de mquinas.

Obtener la visualizacin de los diagramas S-N real y estimado.

Proporcionar datos experimentales de la resistencia a la fatiga.

Disponer de informacin sobre el lmite de resistencia a la fatiga estimado.




ELECTROMECNICA

MARCO TERICO




ELECTROMECNICA

RESEA HISTORICA DE LA FATIGA.

>>




ELECTROMECNICA

ESTUDIO DE LA FATIGA. Las fallas suelen ocurrir a niveles de esfuerzo muy por debajo del lmite

elstico de los materiales, y por lo general se presentan en elementos

que estn en continuo movimiento.

Fig1.1: Esfuerzos

alternos




ELECTROMECNICA

Las fallas debidas a fatiga presentan tres etapas o fases: la iniciacin de la grieta (corta duracin), la propagacin de la grieta (larga

duracin) y la fractura (instantnea).

Fig1.2: Formacin de grieta.

Fig1.3: Superficie de rotura por fatiga.



Dentro de los trminos ms usados en las fallas por fatiga

estn los de rgimen de fatiga de alto ciclaje y rgimen de

fatiga de bajo ciclaje .

Fig. 1.4: Diagrama S-N(Resistencia a la fatiga-Numero de ciclos)


ELECTROMECNICA




ELECTROMECNICA

DIAGRAMAS S-N

Figura 1.5: Diagramas S-N en escala lineal y logartmica




ELECTROMECNICA

DIAGRAMAS S-N ESTIMADOS

Figura 1.5: Diagrama S-N(Resistencia a la fatiga-Numero de ciclos)




ELECTROMECNICA

FACTORES DE CORRECCIN DEL

LMITE DE RESISTENCIA A LA FATIGA.

Se = Lmite de fatiga corregido

Se = Lmite de resistencia a fatiga de probetas ka = Factor de acabado superficial

kb = Factor de tamao

kc = Factor de carga

kd = Factor de temperatura

ke = Factor de confiabilidad

kf = Factor efectos varios

kf*ke*kd*kc*kb*Se*kaSe




ELECTROMECNICA

ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA MQUINA

PARA ENSAYOS DE FATIGA POR FLEXIN

ROTATIVA.

Fig 1.6 Mquina para realizar ensayos de fatiga por flexin rotativa.




ELECTROMECNICA

Probetas de Secciones Transversales Circulares.

El dimetro de la seccin de prueba debe estar preferentemente entre 0.2 pulg. (5.08 mm) y 1 pulg. (25.4 mm) para asegurar la falla de la seccin de prueba.

Los mtodos impropios de preparacin pueden conllevar a tener resultados errneos de la prueba.

PROBETAS PARA ENSAYO DE FATIGA




ELECTROMECNICA

CARGAS QUE INTERVIENEN EN

LA MQUINA DE MOORE.

Fig 1.7 Diagrama de cuerpo libre del mecanismo giratorio




ELECTROMECNICA

Fig.1.8:Diagrama cortante

del sistema

Fig.1.9 Momento flector

del sistema




ELECTROMECNICA

DISEO Y/O SELECCIN




ELECTROMECNICA

PARMETROS REQUERIDOS PARA LA

CONSTRUCCIN DE LA MQUINA

Momento mximo.

Ambiente de trabajo.

Tamao mximo.

Tipo de trabajo.

Motor.

Transmisin de potencia.

Sujecin de la probeta.




ELECTROMECNICA

Sistema de apoyo de los ejes.

Sistema de aplicacin de carga y su visualizacin.

Contador de los ciclos de carga que se aplique a la probeta.

Sistema de control de la mquina.

Comunicacin entre la mquina y una PC.

Sistema de adquisicin de datos.




ELECTROMECNICA

CARACTERSTICAS ESTABLECIDAS PARA LA

MQUINA SEGN LA ALTERNATIVA MAS IDNEA

Estructura soporte: Estructura metlica, pintura anticorrosiva.

Mecanismo de aplicacin de carga: Aplicacin de carga mediante dos barras y un dinammetro digital.

Rodamientos: Chumaceras autoalineantes tanto en soportes como en

pivotes KDF.

Contador de revoluciones: Sensor optointerruptor de ranura




ELECTROMECNICA

Sujecin probeta:

Mordazas Tipo mandril.

Motor:

Monofsico (potencia: 0.5 HP, velocidad mxima 1725 rpm).

Transmisin de potencia a los ejes:

Acoples semiflexible.

Sistema de adquisicin de datos:

Mediante un microcontrolador ATMEGA 164P y Software Labview

V.8.5 .

Control:

Sistema electrnico de apagado y encendido de la mquina

mediante PC, o tablero.




ELECTROMECNICA

ELEMENTOS

PRINCIPALES

DE LA

MQUINA.




ELECTROMECNICA

DISEO MECANICO.

DISEO DE EJES.

F.S= 2

mmpud 164.20lg793.0




ELECTROMECNICA

SELECCIN DE RODAMIENTOS.

Se adquiri las chumaceras de la marca DKF de designacin UCP205




ELECTROMECNICA

SELECCIN DEL MOTOR.

Motor monofsico.

RPM= 1725.

Voltaje= 110-220.

Potencia = 1/4HP.

Marca=WEG

Frecuencia 60Hz




ELECTROMECNICA

SELECCIN DEL ACOPLE.

Se selecciona el tipo de acople L-090. Que tiene la capacidad de trasmitir

una potencia de hasta 4 [HP], un par nominal efectivo de 144 [lb*pulg],

absorber desalineamiento angular en 1 y puede alojar ejes de dimetro

que van desde hasta 1 [pulg].




ELECTROMECNICA

DISEO DE BARRAS DE CARGA.

mmd 88.3

Unidades Mpa Kg/mm2 Kpsi

Sy 248.6 25.36 36

Sut 400 64.34 42

Propiedades mecnicas del acero ASTM A-36

F.S= 2

Por la facilidad de construccin y robustez para el diseo de la mquina,

se diseo el eje con un dimetro de 16 mm.




ELECTROMECNICA

DISEO DE LA

PLACA DE FUERZA.

mme 325.5

Por lo tanto se selecciona una

placa de 8 mm de espesor

F.S= 4

F.S= 9




ELECTROMECNICA

DISEO DE LA PLACA

SOPORTE PRINCIPAL.

mme 6

Entonces, se selecciona una

plancha de acero A-36 con 8 mm

F.S= 4

F.S= 7




ELECTROMECNICA

SELECCIN Y DISEO DEL SISTEMA DE

CONTROL Y ADQUISICIN DE DATOS




ELECTROMECNICA

SENSOR DE PROXIMIDAD.

SENSOR CONTADOR DE CICLOS.

Se seleccion el sensor TCST 1000.




ELECTROMECNICA

DINAMMETRO DIGITAL

En su interior cuenta con bandas extensomtricas resistentes al

desgaste, que permiten obtener valores precisos, su rango de

medicin est comprendido entre 0 y 45 Kg con una buena

resolucin de centsimas.




ELECTROMECNICA

CONTROLADOR

Se selecciona el microntrolador

ATMEGA 164p de la marca ATMEL,

que an cuando posee mayores I/O

que las requeridas, la utilizacin de

su oscilador interno de 8 MHz hace

que la comunicacin serial sea ms

confiable que el de otros modelos de

esta misma marca.




ELECTROMECNICA

ASIGNACIN DE

SEALES DE

ENTRADA PARA EL

MICROCONTROLADOR




ELECTROMECNICA

ASIGNACION DE

SEALES DE SALIDA

PARA EL

MICROCONTROLADOR.




ELECTROMECNICA

CONFIGURACIN PARA

COMUNICACIN RS-232




ELECTROMECNICA

PROGRAMACIN

DEL

MICROCONTROLADOR




ELECTROMECNICA

PANTALLAS UTILIZADAS

EN LA APLICACIN




ELECTROMECNICA

PANTALLA PRINCIPAL PARA LA REALIZACIN DEL

ENSAYO.




ELECTROMECNICA




ELECTROMECNICA

CONSTRUCCIN DE LA MQUINA.




ELECTROMECNICA




ELECTROMECNICA

ECUACIONES NECESARIAS PARA LA EXPLICACIN DE

PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS EN LA MQUINA.

b

f aNS

eS

SmLogb

'3

1

utm SS 9.0

ute SS *5.0'

AB

probeta

b

d

daNQ

16

)( 3

100*'

'1%

ft

fr

S

SError

n

ErrorErrorprom

%%




ELECTROMECNICA

PRUEBAS Y RESULTADOS.




ELECTROMECNICA

ENSAYO dprobeta(mm) Q(Kg) Tt (min) Nt Sft(Kpsi)

1 7.6 25.94 1.176 2000 85.42

2 7.6 24.005 2.941 5000 79.01

3 7.6 23.0064 4.706 8000 75.91

ENSAYO Tr(min) Nr Sfr(Kpsi) Error (%)

1 7.6 3391 81.6 4,4

2 7.6 5108 78.87 0,2

3 7.6 5395 78.51 3,4

%391.2% promError

VALORES TERICOS ENSAYO FATIGA

VALORES REALES ENSAYO DE FATIGA




ELECTROMECNICA




ELECTROMECNICA

LMITE DE RESISTENCIA A LA

FATIGA ESTIMADO

Ciclos (N) Log(N) Resistencia a la fatiga,

1000 3 89,997

10000 4 74,294

100000 5 58,591

10000000 6 42,856

KpsiS f'

KpsiNLogS f 612,135)(*302,15'




ELECTROMECNICA




ELECTROMECNICA

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES




ELECTROMECNICA

CONCLUSIONES

- Al trmino de este proyecto se obtuvo una mquina controlada

con la PC que permite realizar ensayos de fatiga en los metales.

- El correcto funcionamiento mecnico de la mquina permite

determinar que la construccin y seleccin de sus elementos

fueron diseados adecuadamente.

- Mediante el uso del microcontrolador ATMEGA 164p para la

construccin de la tarjeta del sistema de adquisicin de datos,

se obtuvo una comunicacin confiable mediante el estndar RS

232 con la PC.




ELECTROMECNICA

- El software Labview demostr ser un programa multifuncional

ya que permiti realizar diferentes tareas: la interfaz hombre-

mquina, el procesamiento de datos, el control de la mquina y

adems facilidad para generar un reporte de la prctica en

formato PDF.

- Se construy una mquina que permiti realizar ensayos de

fatiga en el acero de transmisin AISI 1018 seleccionado, en el

que se pudo visualizar los diagramas S-N (Resistencia a la fatiga

nmero de ciclos), tanto real como estimado, mediante la utilizacin de una herramienta grafica para pruebas y control

(Labview)

- Se encontr el lmite de resistencia a la fatiga estimado del

acero ensayado.




ELECTROMECNICA

- El desarrollo de un reporte informtico, fue de suma

importancia ya que en el mismo se encuentra un resumen de los

resultados del ensayo de fatiga al culminar la prctica,

obteniendo resultados rpidos y evitando la realizacin de

clculos manuales.

- Para el adecuado manejo de la mquina con la PC, se realiz la

gua de procedimiento de la prctica donde se encuentran

detalladamente los pasos que se deben seguir.

- Con la realizacin de la prctica de fatiga, se puede visualizar

este fenmeno de forma ms prctica, facilitando el

entendimiento de este complejo problema que se encuentra

presente en la mayora de los casos de diseo de elementos de

mquinas.




ELECTROMECNICA

RECOMENDACIONES

- Se recomienda utilizar la PC para realizar los ensayos ya que se

disminuir el tiempo de ejecucin de las prcticas, porque se

evitar clculos manuales

- Verificar que la probeta presente un acabado superficial liso sin

ralladuras ni muescas caso contrario los resultados no sern

vlidos.

- Antes de empezar cada prctica se recomienda: revisar si el

sensor optoacoplador est funcionando correctamente, de lo

contrario limpiar delicadamente la ranura trasmisor-receptor,

lubricar la mquina, verificar si los pernos estn ajustados

fuertemente y por ltimo observar si los componentes mecnicos

no estn desgastados.




ELECTROMECNICA

- Para operar la mquina lo primero que se debe realizar es:

leer el manual de usuario las veces que sea necesario, ya que

el montaje y preparacin de la probeta as como la aplicacin

de carga requiere un especial cuidado.




ELECTROMECNICA




ELECTROMECNICA

VIDEO DEL FUNCIONAMIENTO DE LA MQUINA




ELECTROMECNICA

3

32

d

M aa

2

mnmx

a

MMM 1

f

a

ut

m

S

S

S

S

0mM

0m

1f

a

S

S1

f

a

S

n

Diseo del eje

ef SS

n

Sea

n

S

d

M ea3

32 31

32

e

a

S

Mnd

2

)5000(5000 mmKgM a

lg07.4335000 pulbmmKgM a

efedcbae SkkkkkkS '

KpsiSe .6319.17

mmpud 164.20lg793.03

1

32

e

a

S

Mnd




ELECTROMECNICA

Diseo del rodamiento

rCC

10800291.2481

RPM

HT

*63000

Diseo del motor

2**d

FT2

4.25*245*0015.0T

lg166.07.4*4 pulbmmNTt

63000

1725*166.0HHPH ..00454.0




ELECTROMECNICA

Seleccin del acople.

RPM

HC

7160KCCa

321 kkkK lg.987.10.244.1 pulbmNCa




ELECTROMECNICA

Diseo de las barras de carga

A

Fy

n

S

d

F y2

4

yS

Fnd

4

*36.25

6*50*4d mmd 88.3

Diseo de la placa de fuerza

IcMmx

x

*

c=e/2

12

3beI

n

S

be

M y2

max6bS

nMe

y

max6

140*36.25

4*4195*6e mme 325.5




ELECTROMECNICA

Diseo de la placa soporte principal

IcMmx

x

*

c=e/2

12

3beI

n

S

be

M y2

max6bS

nMe

y

max6mme 6

400*36.25

4*62.15710*6

Diseo del Marco Rgido

A

Vfa

kpsipsifa 136.02.13642.0

2.57

FAfa

kpsikpsi 19.3136.0

1Fa

faIa

104.019.3

136.0Ia




ELECTROMECNICA

Diseo de Vigas Transversales.

I

cM mxx

c

IW

n

S

W

M ymx

1

mxMW

21 lg7200

5

36000

p

lb

33 5.0lg031.07200

2.225cmpW

33 lg05.091.0 pcmWyy

Diseo de Vigas longitudinales.

33 23.1lg075.0

7200

03.542cmpW

ensayo ffatiga 2

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