Analisis de esfuerzos del vaso de una máquinaCentrifuga de aceite

Arturo SalamancaEdgar Mauricio Fernandez

1. ResumenLos 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 quela partículas se peguen a la parte exterior de un cilindro dejando en el interior el aceitelimpio que es el que se va a reutilizar y en algunas ocasiones este tipo de proceso sirve comodestilador que purifica otro tipo de aceite como son los vegetales, estos vasos que comoparticularmente se les conoce están sometidos a mucha presión debido a la velocidad quemanejan estos tipos de equipo estos recipientes deben estar lo mejor diseñado para que almomento de girar nos se desintegren y deterioren la calidad del equipo.

2. INTRODUCCIONDesde 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 vegetalestal 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 fuerzacentrifuga. En las centrifugas actuales se genera una fuerza de hasta diez mil veces la fuerzade gravedad. La separación por medio de centrifugas es llevada a cabo de forma más rápiday eficiente que usando la sedimentación por gravedad. En muchos procesos, la separaciónmecánica es responsable de la calidad de los productos finales, eficiencia de la producción ycompatibilidad con el medio ambiente. La reutilización de algunos aceites pueden economi-zar mucho y así mantener sostenible la calidad y funcionalidad de componentes o derivadosque dependan de este tipo de procesos.

3. Marco teoricoLas centrifugas de aceite son reconocidas por una filtración superior en flujo parcial

removiendo contaminantes del aceite lubricante de motores diesel y otros tipos. La mismatecnología también puede usarse exitosamente en cajas de cambios, fluidos hidráulicos y

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otros fluidos industriales. La tecnología de centrifugas se aplica para los siguientes sectoresdel 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 quela gravedad y en algunas ocasiones mucho más que esta cifra. Es esta fuerza la que separalos contaminantes sólidos o residuos del aceite. Ha sido comprobado que esta tecnologÃaremueve contaminantes hasta el nivel de sub-micrón, lo que es beneficioso tanto para losfabricantes 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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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 requerimientosde clientes los fabricantes de motores adaptan sus diseños para reducir emisiones dañinas yal mismo momento prolongar los intervalos de cambio de aceite. Tecnologías de reducciónde 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 modernostienen 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 químicade aceites y su tecnología de filtración. Partículas de hollín son de tamaño sub-micrón y sonpartículas duras que aumentan el desgaste. Altos niveles de hollín en el aceite lubricante handemostrado 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 partículasde 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 laremoción de hollín.

Figura 3.1: Psrtículas de hollín

4. ProcesamientoEsta parte es la que nos permite aplicar las cargas y restricciones a la pieza a analizar.

4.1. Fase de preproceso1. 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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Figura 4.1: Selección de tipo de análisis

Seleccionar (en la ventana que se llama Library of Element Types), bajo la opciónStructural Mass, Solid, y luego, en la parte derecha de la ventana,10 node 92 quees 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 DefineMaterial 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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que tiene dos campos de entrada: El primero es EX (Módulo de Young) que parael 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 ladensidad 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 programaCAD como es solid edge teniendo la figura en formado IGES se importa desde unacarpeta 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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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 lafigura 4.6

Figura 4.6: Archivo abierto

5. Creación de la malla:Después de tener la imagen de la figura se procede a hacer elenmalladopor el siguiente paso.

Preprocessor− > Meshing− > Meshtool− >

Aparece la ventana donde le damos en samart size y modificamos el tamaño paraeste caso lo dejamos en 10 es una malla grande pero para hacer el análisis eneste problema si es una más pequeña nos pedirá mas memoeria cuando se vayaal proceso solve.

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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 enla figura 4.9

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Figura 4.9: Malla sobre la figura

6. Idntificación de la figura: A contimuación se observa por medio de este metodo si elprograma identifica la figura y nos da algunos datos importantes como los momentosde 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 queintervendrán en el problema análizar.

Como este análisis va ser de rotación se tiene que poner de que tipo va a ser paraeste caso va a ser armónico.

Preprocessor− > Loads− > AnalysisType− > NewAnalysis

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Figura 4.11: Tipo de análisis

Luego se van a introducir los datos el rango de la frecuencia, el número de saltospara entre cada análisis, en este caso se a usar 3 saltos que son las verificacionesen la solución de verificación de las ecuaciones en los nodos, y para el rango dela frecuencia se va usar de 0 a 175 debido a que como el omega en nuestro casova 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 sequiere 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 siguientesrestricciones con respecto al movimento de los nodos con los planos x,y,z.

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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 dela 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 opciónALL DOF, y ajustar los dezplazamientos en z descartando uz y velz debido a queen este eje se va a realizar el giro.

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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 esteejercicio va a ser sobre el eje z esa es la casilla que se llena con la velocidadangular a la cual ca a ser sometida la pieza que es de 10472 rad/seg.

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Figura 4.17: Velocidad y restricciones aplicadas

Hay una aplicación existente llamada coriolis la cual para todo tipo de análisis derotación 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 puedaser finalizado.

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Figura 4.19: Aviso de advertencia

5. SoluciónUna 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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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 pasaral siguiente paso.

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Figura 5.4: Solución

Se puede observar como queda la figura después de que se ha resuelto el problema.

Figura 5.5: Solución

6. PostprocesamientoEn esta sección es don de se observaran los resultados.

GeneralPostproc− > PlotResults− > ContourP lot− > 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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Figura 6.1: Solución

• Se observa la siguiente imagen donde se observa las deformaciones para la piezasin 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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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 unapocisión inicial hasta una final debido a la rotación a la velocidad que se va aponer a operar la pieza.

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Figura 6.5: Animación

Figura 6.6: Animación

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Figura 6.7: Animación

• Se pudo observar como la figura llega hasta un limite pero al parecer no fallamucho.

7. CONCLUSIONES

• Mediante el programa ANSYS se puede anlizar muchos casos de tipo mecánicopero la mayoría de aplicaciones van dirigidas hacia problemas de tipo estático yno dinámico talvez con un paquete completo del sowfware se lograran hacer deeste tipo.

• Teniendo las geometrías de los componentes a analizar ya dibujados al momentode ingresarlos al programa no hace falta saber ciertas características debido queal momento de importarlas el programa las identifica y puede hacer un analisisprofundo sobre datos con respecto a las geometrias como son inercias y centrosde inercia.

• Al parecer el diseño que se anlizó la pieza soporta el trabajo en el cual se va adesempeñar pues alcanza ciertos límites los cuales garantiza que no va a fallarpues zonas de falla no son muchas como se observa en la figura 6.7

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