prototipo maquina tension

7/25/2019 Prototipo Maquina Tension

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ousitz: Revista de Investigacin Cientfica y Tecnolgica Volumen 61 (2015) ISSN: 1405-9967

PROTOTIPO DIDCTICO DE UNA MQUINA DE ENSAYO DETENSIN.

R. Eduardo Castaeda Lozano1, J. Efran Ruiz Ramrez1, O. Sarmiento Martinez1.

1Instituto Tecnolgico de Zacatepec- ITZ, Departamento Metalmecnica, IngenieraElectromecnica. Calzada Tecnolgico No. 27, Zacatepec Morelos, Mxico, C.P. 62780.

[email protected]

rea de part icipacin: Escriba el rea de participacin

Resumen En el presente trabajo se propone el diseo general de un prototipo didctico parapruebas de ensayo a tensin y realizar prcticas de laboratorio de las materias involucradas en lacarrera de ingeniera electromecnica del Instituto Tecnolgico de Zacatepec. El prototipo estconstituido por un sistema hidrulico como medio de fuerza y un sistema electrnico de adquisicinde datos para caracterizar la deformacin de probetas planas en base a la norma ASTM E8. Unsoftware de anlisis de elemento finito es manejado para el diseo y simulacin. Para el sistemaelectrnico, un microcontrolador PIC16F877A es empleado para adquirir la seal de un sensorultrasnico SFR-04, utilizado para medir el desplazamiento del vstago del cilindro hidrulico ydeterminar la deformacin en las probetas mediante un software de instrumentacin virtual. En laelaboracin de este prototipo los costos son menores en comparacin con adquirir una mquina deensayos de tensin.

IntroduccinEl diseo es un proceso de ingeniera donde se genera toda una documentacintecnolgica con el fin de producir un componente o mquina para su posteriordesarrollo [1,2].

En el laboratorio de la carrera de ingeniera electromecnica existe una necesidad

urgente contar con un equipo didctico de esta naturaleza dada la crecientenecesidad de los alumnos que cursan distintas materias del rea mecnica pararealizar las prcticas correspondientes [3,4].

Las mquinas electromecnicas y servohidrulicas Deltalab-Nene, para ensayosuniversales, integran un sistema informatizado de control directo innovador. Laidea consiste en utilizar al mximo las prestaciones de los microordenadores.Todas las funciones de control, adquisicin y tratamiento de datos las realiza porcompleto el programa, a travs de una interface especfica. Las mquinasservohidrulicas se pueden controlar hasta frecuencias mximas de 500 Hz. Elprograma, de fcil utilizacin, permite: asegurar todas las funciones de control

esttico y dinmico; crear programas de ensayos especficos, y obtener las curvasy los resultados de los clculos seleccionados. Tambin se puede realizar elreacondicionamiento de mquinas de ensayos ya en funcionamiento,reemplazando el mdulo electrnico por un microordenador con una interface y unprograma de control [5].
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El marco hidrulico universal para pruebas de fatiga, marca Satec Systems, Inc.,es similar al que se encuentra en las instalaciones del laboratorio mecnico de lacarrera de ingeniera electromecnica del Instituto Tecnolgico de Zacatepec.

El laboratorio mecnico ha prestado sus servicios didcticos a los estudiantes de

totas las carreras del Tecnolgico de Zacatepec. Este laboratorio ofrece a losestudiantes del instituto la posibilidad de realizar ejercicios prcticos sobre laresistencia de tensin y compresin de los materiales de construccincomnmente utilizados [5].

TVL (la Tensin Vertical W/la Clula de la Carga) La Serie de TVL proporcionauna solucin econmica para metales probar de tensin y est disponible encapacidades que recorren de 50 kN (11,000 lb) - 1,000 kN (220,000 lb). El diseosencillo y elegante para pruebas de tensin es ideal para probar cierres, para elalambre, y para las muestras de metal representa abrir grande de prueba y golpelargo de mbolo para probar la flexibilidad [5].

Seccin Experimental

DiseoPara el prototipo, un software de aplicacin CAD es utilizado para el diseo. Eldiseo de la mquina de ensayos de tensin se efecta por medio de un softwarede diseo, por medio del cual se realiza el diseo de las partes que conforman alprototipo didctico:

Mordazas

Base de la mquina de ensayos de tensin

Estructura de la mquina de ensayos de tensin Probetas de seccin circular y rectangular de acuerdo a la norma ASTM E-8

Tambin se maneja un software para poder realizar el diseo el funcionamientohidrulico del prototipo.

En la tabla 1 se muestran las dimensiones de los tres diseos realizados tomandocomo base el primer modelo (figura 1a). La figura 1b muestra el primer diseorealizado tomando como base el primer modelo.

Figura 1 a) Mordazas de sujecin de la maquina universal, b) Primer diseo de las mordazas desujecin.


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Tabla 1. Dimensiones de las mordazas de sujecin.

DimensionesOriginales

PrimerDiseo

SegundoDiseo

TercerDiseo

Grosor 40 mm 30 mm 50 mm 45 mmAncho Superior 150 mm 60 mm 80 mm 80 mm

Ancho Inferior 80 mm 45 mm 50 mm 45 mmLargo lateral 70 mm 20 mm 20 mm 20 mmLargo Total 165 mm 60 mm 80 mm 80 mm

Se tom como base para el segundo modelo otro tipo de mordazas (figura 2a y2b), este nuevo modelo se conforma de dos piezas.

Figura 2. a) Mecanismo de agarre, b) Lminas de sujecin.

La tabla 2 muestra las dimensiones del primer y segundo diseo de las lminas ydel primer diseo del mecanismo de sujecin (figura 3a y 3b).

Figura 3. a) Primer diseo del mecanismo de agarre y de las lminas de sujecin, b) Segundodiseo del mecanismo de agarre y de las lminas de sujecin.

Tabla 2. Dimensiones del mecanismo de agarre y las lminas de sujecin.

Dimensiones Alto Ancho LargoMecanismo de Agarre 40 mm 38.1 mm 38.1 mmLaminas 1er. Diseo 50.8 mm 8 mm 38.1 mmLaminas 2ndo. Diseo 50.8 mm 11.05 mm 38.1 mm

Las dimensiones de los diseos de las bases de ngulo (figura 4a) y PTR (figura4b) son mencionadas en la tabla 3.

Tabla 3. Dimensiones de las bases de la mquina de ensayos de tensin.

Dimensiones Lado A Lado B AlturaBase ngulo 300 mm 300 mm 150 mmBase PTR 300 mm 300 mm 150 mm


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Figura 4. Base de la mquina de ensayos de tensin a) Diseo con ngulo, b) Diseo con PTR.

Para el diseo de la estructura de la mquina de ensayos de tensin se proponeque la mquina de ensayos de tensin sea del tipo mono espacio, ya que estaocupa menos material para su construccin y es de un diseo sencillo, toda laestructura es diseada de acero A-36 debido a sus caractersticas como seobserva en las tablas 4 y 5 [7].

Tabla 4. Composicin qumica ASTM A36.Elementos %Carbono (C) 0.25-0.29Cobre (Cu) 0.20Hierro (Fe) 98.0Manganeso (Mn) 1.03Fosforo (P)


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Figura 5. a) Placas de acero A-36 de 95mm de espesor, b) Estructura de la mquina de ensayosde tensin.

Las probetas rectangulares que se utilizaron en esta mquina estn bajo la normaASTME8 (Figura 6).

Figura 6. Diseo de la probetas de seccin rectangular.

Accionamiento hidrulico.El accionamiento hidrulico es sencillo ya que nicamente se utiliza una vlvulaseleccionadora de direccin para poder operar al prototipo, adems nos brindaventajas econmicas debido a que se cuenta con el material hidrulico en ellaboratorio como se muestra en la figura 7.

Figura 7. Diseo del accionamiento hidrulico de la mquina de ensayos de tensina) accionamiento de la vlvula selectora para que el pistn del cilindro salga b) accionamiento de lavlvula selectora para que el pistn del cilindro regrese a su posicin inicial.

InstrumentacinPara la elaboracin de la instrumentacin de la mquina de ensayos de tensin seocupa el material electrnico que se muestra en la tabla 7.


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Tabla 7. Lista del material electrnico a utilizar en el prototipo.

# Material Cantidad1 Pic16f877a 22 Placa fenlica 23 Cloruro Frrico 1 litro

4 Cable 6 metros5 Cable plano 2 metros6 Resistencias 10 (330 )7 Botones (Comnmente abierto) 10

8 Conectores tipo Banana2 hembras2 machos

9 Conector tipo DB9 3 hembra10 Potencimetro 5 (10k)11 Sensor ultrasnico (HC-SR04) 112 Cable convertidor Serial- USB 1

En la figura 8a se puede observar el prototipo del circuito impreso, el cual parapoder ser elaborado se procedi a trabajar basndose en el circuito realizadoanteriormente en el protoboard. Al tener el diseo final del circuito impreso seprocedi a la fabricacin de la placa fenlica (figura 8b).

Figura 8. a) Diseo del circuito impreso, b) Circuito impreso en la placa fenlica.

Se realiza el montaje del circuito electrnico en una caja de plstico, todo estopara mayor proteccin del circuito (figura 9).

Figura 9. Partes del dispositivo de medicin electrnico.


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ProgramacinSe procede a realizar el cdigo en el software para la programacin con el cualpretendemos controlar al sensor ultrasnico HC-SR04 y a un potencimetro, comose muestra en el diagrama de flujo de la figura 10 [9,10].

Figura 10. Diagrama de flujo del programa hecho en el software de programacin.

El diagrama de flujo de la figura 11 muestra el funcionamiento del programa deadquisicin de datos hecho en el software de aplicacin.


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Figura 11. Diagrama de flujo del programa hecho en el software de adquisicin de datos.


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ResultadosEn las figuras 12 y 13, se observa la deformacin unitaria resultado del anlisis deelemento finito en el diseo de la base de la mquina de ensayos de tensin y enel diseo de la probeta, los cuales se realizaron para tener una idea del

comportamiento que tendran al momento de llevar a cabo el ensayo de tensin ydel rango de fuerza que se les podra aplicar. Como se observa en dichas figurasexiste del lado derecho de cada una de ellas una tabla de colores, la cual nosindica que mientras el color se acerque al rojo se corre el riesgo de que exista unadeformacin o ruptura en nuestro diseo, sucediendo lo contrario si el color seacerca al azul ya que este significa que la deformacin es menor.

Figura 12. Deformacin unitaria de la base de la mquina de ensayos de tensin (diseo con PTR).

Figura 13. Deformacin unitaria de la probeta de seccin rectangular (Prueba 1 a 500 psi).

Al realizar la unin de todas las partes construidas en base a los diseosrealizados como se observa en la figura 14, la parte de la construccin delprototipo de la mquina de ensayo de tensin se da por terminada.


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Figura 14. Partes del prototipo de una mquina de ensayo de tensin.

Una vez que el prototipo est armado completamente se conecta al bancohidrulico como se ve en la figura 15 para realizar pruebas de funcionamiento dela mquina.

Figura 15.Prototipo didctico de una mquina de ensayo de tensin


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Estas pruebas son realizadas para observar que el accionamiento hidrulico comodel circuito electrnico sea el apropiado para posteriormente poder realizar elensayo de tensin en las probetas de seccin rectangular.

En la tabla 8 se muestran los datos de las 4 pruebas, cada una de ellas se realiz

a diferentes presiones para poder apreciar el comportamiento que presentan lasprobetas de poliuretano [8].

Tabla 8. Datos de las pruebas del funcionamiento de la mquina de ensayos de tensin.

Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4Tipo de ensayo De tensin De tensin De tensin De tensinMaterial de laprobeta

Poliuretano Poliuretano Poliuretano Poliuretano

Dimensiones dela probeta

Modelo 1Rectangular

Modelo 1Rectangular

Modelo 1Rectangular

Modelo 1Rectangular

Presin autilizar

175 psi 125 psi 300 psi 225 psi

En la tabla 9 se observa los datos del resultado del anlisis de elemento finitorealizado al diseo de la base del prototipo. Basados en estos datos se toma ladecisin de construir el diseo con PTR ya que este diseo es el que se comportamejor al aplicarle la fuerza de 40 Kgf adems cumple con la funcin de soportar elpeso de la mquina de ensayos adems de que el costo del material es muchomenor que el del ngulo.

Tabla 9. Datos de los resultados del anlisis de elemento finito de las bases de la mquina deensayos de tensin.

Diseo

Diseo PTR(40 kgf)

Deformacin unitaria 0.0000254Mdulo de desplazamiento (mm) 0.004893

Factor de seguridad (N/m ) 2.824000Tensin de von mises (N/m ) 6047000

En la figura 16 se muestran los datos de los resultados de los anlisis de elementofinito realizados a los diseos de las probetas de seccin rectangular. En el incisoa) se muestra que el mdulo de desplazamiento es mayor en la prueba 3 que esen donde se aplica una presin mayor, de igual modo el inciso b) muestra que

existe una deformacin unitaria mayor en la prueba 3, por el contrario en el incisoc) se contempla un factor de seguridad mucho ms alto en la prueba 1 ya que enesta se aplica una presin menor con respecto a las dems pruebas, adems elinciso d) expone una mayor tensin de von mises en la prueba 3 debido comoanteriormente se menciona a la presin aplicada.


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Figura 16. Grficas de los resultados del anlisis de elemento finito de las probetas de seccinrectangular.

Se realiz el diseo de un dispositivo electrnico por medio del cual se obtiene eldato de la distancia durante el ensayo de tensin. Por otra parte, se implement eldesarrollo de un programa en el software de adquisicin de datos el cual nos

permite visualizar los datos obtenidos durante el ensayo.

En la figura 17 observamos el resultado de las pruebas del funcionamiento delsensor ultrasnico. Se nota claramente en la imagen que generalmente alcomienzo de las 4 pruebas existe una oscilacin en el dato de la distancia debidoa que la seal del sensor ultrasnico no es completamente estable pero durante eldesarrollo de la prueba se nota que este dato comienza a oscilar menos y va enascenso debido que al aplicar la fuerza de tensin con el pistn hidrulico la placade referencia para el sensor que se encuentra en el mecanismo de agarrecomienza a subir junto con l, sin embargo a pesar de que las lminas de sujecinfueron apretadas a tope estas no ejercen el agarre necesario para que la probeta

pueda presentar una ruptura esto se nota claramente al final de la grfica ya quepodemos visualizar como el dato se dispara abruptamente al final, esto sucedi enel momento en que la probeta sale de las lminas de sujecin.


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Figura 17. Resultados de las pruebas del funcionamiento del sensor ultrasnico

ConclusionesSe logr realizar el dise y la construccin de un dispositivo electromecnicopara el estudio de ensayos tensin, el dise una tarjeta de adquisicin de datos,en base a un microcontrolador con comunicacin a la computadora para eldispositivo electromecnico y el dise un sistema electrnico de medicin.

Cabe destacar que la fabricacin de este proyecto tuvo un costo final deaproximadamente $27,000.00 el cual es relativamente econmico en comparacincon los costos de mquinas universales nuevas que son de alrededor de$65,000.00 hasta los $670,000.00.

Referencias

1. Gallego Botero Paula Andrea, Claros Rolando Ferney, Diseo mecnico deuna mquina universal de ensayos para polmeros, UniversidadTecnolgica de Pereira, Facultad de Tecnologas, Escuela de TecnologaMecnica, Pereira-Risalda Noviembre 2007.

2. Smith, W. F. (2006). Fundamentos de la Ciencia e ingeniera de Materiales.McGraw-Hill.

3. Askeland, D. R. (2004). Ciencia e Ingeniera de los Materiales. Thomson.4. Universidad del Norte (2008). Gua Para Ensayo de Tensin. Barranquilla.5. Universidad de Guadalajara (septiembre 2002), Centro universitario de

ciencias exactas e ingenieras, divisin de ingenieras, Mquina delaboratorio para ensayos de tensin.

6. http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials3.html. 7. http://aceroselalamo.com/acero-a36/.8. http://diccionario.motorgiga.com/diccionario/poliuretano-definicion

significado/gmx-niv15-con195186.htm.
http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials3.htmlhttp://aceroselalamo.com/acero-a36/http://aceroselalamo.com/acero-a36/http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/materiales/materials3.html

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