UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO DE GRADO TECNOLÓGICO
TECNOLOGO EN MECÁNICA
CRISTIAN DAVID PINZÓN LÓPEZ
DUVÁN ESNEYDER HUERTAS LOMBANA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
DISEÑO DE UN MECANISMO PARA UNA MESA DE VIBRACIONES
MECANICAS CON MOVIMIENTO DELIMITADO EN EL PLANO X,Y
MEDIANTE PROGRAMA CAD Y CAE
CRISTIAN DAVID PINZÓN LÓPEZ
DUVÁN ESNEYDER HUERTAS LOMBANA
PROYECTO DE GRADO MODALIDAD MONOGRAFÍA REQUISITO PARA
OBTENER TÍTULO DE TECNÓLOGO EN MECÁNICA
ASESOR: ING. VICTOR ELBERTO RUIZ ROSAS
BOGOTA D.C
CONTENIDO
Página
RESUMEN ...................................................................................................................... 1
INTRODUCCION .......................................................................................................... 2
CAPÍTULO 1: PROBLEMÁTICA ............................................................................... 3
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................. 3
1.2 OBJETIVOS............................................................................................. 4
1.2.1 Objetivo general .................................................. 4
1.2.2 Objetivos específicos .......................................... 4
1.3 JUSTIFICACIÓN ................................................................................... 5
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO Y DE ANTECEDENTES ............................... 6
2.1 MARCO TEÓRICO ............................................................................... 6
2.1.1 ¿Qué es una vibración mecánica? ....................................................... 6
2.1.2 Clasificación de las vibraciones mecánicas ........................................ 6
2.1.3 Parámetros de una vibración ............................................................... 6
2.1.4 ¿Qué es el análisis de vibraciones mecánicas? ................................... 7
2.1.5 ¿Cuál es la importancia del análisis de las vibraciones mecánicas? ...7
2.1.6 ¿Cómo se realiza el análisis de vibraciones mecánicas? ..................... 7
2.1.7 Medición de las vibraciones ................................................................ 8
2.1.8 ¿Cómo interpretar los resultados? ...................................................... 8
2.1.9 Fallas que se pueden detectar con un análisis de vibración ................ 9
2.2 ANÁLISIS DE ANTECEDENTES .................................................. 9
2.2.1 ¿Qué es una vibración? ........................................................... 9
2.2.2 El origen de estudio de las vibraciones ................................... 9
2.2.3 Soluciones tradicionales al análisis de vibraciones ................ 11
2.2.3.1 Banco de pruebas por desbalanceo de rotores ................ 11
2.2.3.2 Tecnología clave MBC ................................................... 12
2.2.3.3 Banco de ensayo de rodamientos para vibraciones......... 13
2.2.4 Alternativas usadas para vibraciones ..................................... 13
2.2.4.1 Biela manivela ..............................................14
2.2.4.2 Mecanismo polea correa o slider ...................14
2.2.4.3 Mecanismo husillo y guías .......................... 15
2.2.4.4 Actuador hidráulico ......................................15
2.2.4.5 Actuador neumático ..................................... 16
2.2.4.6 Motor lineal .................................................. 17
2.3 ANÁLISIS DE MÁQUINAS ........................................................... 18
2.3.1 El análisis de vibraciones en empresas especializadas ........... 18
2.3.2 Bancos de prueba de vibraciones mecánicas.......................... 21
2.3.3 Elementos de vibración .......................................................... 25
CAPÍTULO 3: DESARROLLO DEL PROYECTO ................................................ 34
3.1 DETERMINACIÓN DE PARAMETROS .................................... 34
3.1.1 Análisis de movimiento lineal en dos ejes ........................... 35
3.1.2 Análisis de movimiento circular ........................................... 38
3.1.3 Análisis de movimiento combinado .................................... 43
3.2 PLANTEAMIENTO Y SELECCIÓN ................................................. 47
3.2.1 Diseño 1 ...................................................................................... 47
3.2.2 Diseño 2 ...................................................................................... 51
3.2.3 Diseño 3 ...................................................................................... 55
3.2.4 Elección diseño final .................................................................. 58
3.3 ANÁLISIS CAE .................................................................................... 60
3.3.1 Selección de materiales .............................................................. 61
3.3.2 Análisis de elementos estáticos .................................................. 66
3.3.2.1. Base de montaje 1 .............................................. 66
3.3.2.2. Tapa base 1 ........................................................ 69
3.3.2.3. Base de montaje 2 .............................................. 69
3.3.2.4. Tapa base 2 ........................................................ 70
3.3.2.5. Encaje del eslabón guía...................................... 70
3.3.2.6. Soporte de pared 1 ............................................ 72
3.3.2.7. Soporte de pared 2 ............................................ 73
3.3.2.8. Base de montaje 3 ............................................. 75
3.3.3. Análisis de elementos dinámicos ..............................................77
3.3.3.1. Pinza deslizante base 1 ..................................... 79
3.3.3.2. Eslabón guía..................................................... 80
3.3.3.3. Encaje rotacional del eslabón guía ................... 81
3.3.3.4. Eslabón 1 ........................................................ 82
3.3.3.5. Eslabón 2 ........................................................ 83
3.3.3.6. Eslabón 3 ........................................................ 84
3.3.3.7. Palanca de giro ...............................................85
3.3.3.8. Eslabón palanca de giro ..................................... 86
3.4. ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................................................... 87
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 88
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 89
INDICE DE ILUSTRACIONES
Página
Ilustración 2.1 Plano frontal del módulo para medir vibraciones por
desbalanceo de rotores en voladizo ........................................................................... 12
Ilustración 2.2 Detector para mantenimiento ............................................................ 12
Ilustración 2.3 Montajes propuestos para la detección de fallas
en los rodamientos, B1 motor vertical y carga descentrada, B2
motor horizontal y carga radial y axial a través de cilindros neumáticos .................. 13
Ilustración 2.4 Mecanismo biela manivela ............................................................... 14
Ilustración 2.5 Mecanismo Slider ............................................................................. 15
Ilustración 2.6 Mecanismo husillo y guias ............................................................... 15
Ilustración 2.7 Actuador hidrahulico ........................................................................ 16
Ilustración 2.8 Actuador neumatico ...........................................................................16
Ilustración 2.9 Esquema motor lineal ....................................................................... 17
Ilustración 2.10 Equipo de prueba de vibración para circuito impreso,
para módulo fotovoltaico y para celda solar ............................................................ 21
Ilustración 2.11 Equipo de prueba de vibraciones vertical y horizontal
por funcionamiento electrohidráulico ...................................................................... 22
Ilustración 2.12 Equipo de prueba de vibraciones trabajando en
posición horizontal ................................................................................................... 23
Ilustración 2.13 Mesa aforada del equipo de prueba de vibraciones ....................... 23
Ilustración 2.14Banco de prueba de vibraciones y fatiga para relojería .................. 24
Ilustración 2.15 Montaje del elemento para análisis ................................................. 24
Ilustración 2.16 Ubicación de los elementos de vibración (Vista lateral) ................ 26
Ilustración 2.17 Ubicación de los elementos de vibración (Vista frontal) ................ 26
Ilustración 2.18 Componentes de una mesa de vibraciones ...................................... 27
Ilustración 2.19 Esquema de variación de frecuencia para un motovibrador ............27
Ilustración 2.20 Isométrico de un motovibrador ....................................................... 28
Ilustración 2.21 Esquema y plano de los vibradores neumáticos de bola ................. 29
Ilustración 2.22 Esquema y plano de los vibradores neumáticos de rodillo ..............30
Ilustración 2.23 Esquema y plano de los vibradores neumáticos de turbina............... 31
Ilustración 2.24 Esquema y plano de los vibradores neumáticos de cilindro .......... 33
Ilustración 3.1 Factores del diseño ........................................................................... 34
Ilustración 3.2 Movimiento lineal en dos ejes (Esquema del eslabonamiento) ........ 35
Ilustración 3.3 Parámetros del movimiento lineal en dos ejes a 25 Hz ....................... 36
Ilustración 3.4 Parámetros del movimiento lineal en dos ejes a 50 Hz ....................... 37
Ilustración 3.5 Movimiento circular (Esquema del eslabonamiento) ...................... 38
Ilustración 3.6 Parámetros del movimiento circular a 20 Hz ........................................ 40
Ilustración 3.7 Parámetros del movimiento circular a 25 Hz ........................................ 42
Ilustración 3.8 Posiciones para el movimiento combinado ..................................... 43
Ilustración 3.9 Parámetros del movimiento combinado a 15 Hz ................................. 44
Ilustración 3.10 Movimiento combinado (Punto muerto superior) .......................... 44
Ilustración 3.11 Movimiento combinado (Punto muerto inferior) ........................... 46
Ilustración 3.12 Vista isométrica boceto 1 ............................................................... 47
Ilustración 3.13 Posiciones iniciales y sentidos de giro boceto 1 ............................ 48
Ilustración 3.14 Posiciones finales boceto 1............................................................ 49
Ilustración 3.15 Montaje de piezas boceto 1 ............................................................ 50
Ilustración 3.16 Vista isométrica boceto 2 ............................................................... 51
Ilustración 3.17 Cambios de posición boceto 2 ........................................................ 52
Ilustración 3.18 Montaje de piezas boceto 2 (Parte 1).............................................. 53
Ilustración 3.19 Montaje de piezas boceto 2 (Parte 2).............................................. 54
Ilustración 3.20 Vista isométrica boceto 3 ............................................................... 55
Ilustración 3.21 Montaje de piezas boceto 3 (Parte 1) .............................................. 57
Ilustración 3.22 Montaje de piezas boceto 3 (Parte 2) .............................................. 57
Ilustración 3.23 Lectura de la matriz de decisión ..................................................... 59
Ilustración 3.24 Asignación del material (Base de montaje 1) ................................. 67
Ilustración 3.25 Proceso de enmallado tetraédrico (Base de montaje 1) .................. 67
Ilustración 3.26 Ubicación de las restricciones (Base de montaje 1) ....................... 67
Ilustración 3.27 Ubicación de las cargas (Base de montaje 1) ............................... 68
Ilustración 3.28 Deformación y esfuerzos (Base de montaje 1) ............................... 68
Ilustración 3.29 Enmallado, restricción y carga (Base de montaje 2) ...................... 69
Ilustración 3.30 Deformación y esfuerzos (Base de montaje 2) ............................... 70
Ilustración 3.31 Enmallado, restricción y carga (Encaje del eslabón guía) ............. 71
Ilustración 3.32 Deformación y esfuerzos (Encaje del eslabón guía) ....................... 71
Ilustración 3.33 Enmallado, restricción y carga (Soporte de pared 1) ...................... 72
Ilustración 3.34 Deformación y esfuerzos (Soporte de pared 1) ................................ 73
Ilustración 3.35 Enmallado, restricción y carga (Soporte de pared 2) ....................... 74
Ilustración 3.36 Deformación y esfuerzos (Soporte de pared 2) ................................ 74
Ilustración 3.37 Enmallado, restricción y carga (Base de montaje 3) ..................... 75
Ilustración 3.38 Deformación y esfuerzos (Base de montaje 3) .............................. 76
Ilustración 3.39 Deformación y esfuerzos bajo carga máxima ................................ 77
Ilustración 3.40 Deformación (Pinza deslizante base 1) ........................................ 79
Ilustración 3.41 Deformación y esfuerzos (Eslabón guía) ...................................... 80
Ilustración 3.42 Deformación y esfuerzos (Encaje rotacional) ............................... 81
Ilustración 3.43 Deformación y esfuerzos (Eslabón 1) ........................................... 82
Ilustración 3.44 Deformación y esfuerzos (Eslabón 2) .......................................... 83
Ilustración 3.45 Deformación y esfuerzos (Eslabón 3) .......................................... 84
Ilustración 3.46 Deformación y esfuerzos (Palanca de giro) ................................. 85
Ilustración 3.47 Deformación y esfuerzos (Eslabón palanca de giro) .................. 86
INDICE DE TABLAS
Página
Tabla 2.1 Elementos del montaje B2 .............................................................................. 13
Tabla 2.2 Bancos de prueba de vibraciones mecánicas (Parte 1) .................................. 20
Tabla 2.3 Bancos de prueba de vibraciones mecánicas (Parte 2) .................................. 20
Tabla 2.4 Elementos de vibración (Parte 1) ......................................................................... 25
Tabla 2.5 Elementos de vibración (Parte 2) ......................................................................... 25
Tabla 2.6 Dimensiones de los vibradores neumáticos de bola ........................................ 29
Tabla 2.7 Dimensiones de los vibradores neumáticos de rodillo .................................... 30
Tabla 2.8 Dimensiones de los vibradores neumáticos de turbina ....................................... 31
Tabla 2.9 Dimensiones de los vibradores neumáticos de cilindro .................................. 33
Tabla 3.1 Frecuencias y parámetros del mecanismo ....................................................... 35
Tabla 3.2 Listado de piezas boceto 1 ..............................................................................49
Tabla 3.3 Listado de piezas boceto 2 ..............................................................................53
Tabla 3.4 Listado de piezas boceto 3 ..............................................................................56
Tabla 3.5 Matriz de decisión ........................................................................................... 60
Tabla 3.6 Composición química del aluminio 2014 ...................................................... 62
Tabla 3.7 Composición química del aluminio 6061 ...................................................... 62
Tabla 3.8 Composición química del acero SAE 4340 ................................................... 63
Tabla 3.9 Peso de las piezas estáticas para tres materiales ............................................ 65
Tabla 3.10 Peso de las piezas dinámicas para tres materiales ......................................... 65
Tabla 3.11 Resumen de velocidades y aceleraciones .................................................... 78
1
RESUMEN
En este documento lo que el lector observará es el proceso llevado a cabo por estudiantes
de tecnología mecánica de la Universidad Distrital Francisco José De Caldas con el fin de
diseñar el mecanismo de generación de movimiento para un banco de pruebas para el
análisis de vibraciones mecánicas, para lo cual se investigó sobre la maquinaria existente
en el mercado, se establecieron los parámetros de frecuencia requeridos y se empleó
software especializado para el modelado de las piezas y su posterior estudio.
Los resultados del análisis indican que el mecanismo diseñado es completamente
funcional al permitir un movimiento semicircular constante de la mesa de vibraciones,
entregando valores de frecuencia de hasta 15 Hz sin presentar deformaciones o esfuerzos
considerables sobre sus eslabones, para investigaciones o prácticas con elementos de
hasta 25 Kg.
2
INTRODUCCIÓN
En la actualidad existen diversos procesos industriales, cada uno realizado con una
finalidad específica y un funcionamiento particular, sin embargo, sea cual sea el trabajo a
realizar, siempre se implica el uso máquinas, sistemas compuestos por elementos en
movimiento y elementos fijos, los cuales son sometidos a cargas, esfuerzos y por supuesto
a frecuencias.
En este proyecto se trabajará en torno al factor de la frecuencia, el cual determina los años
de funcionamiento de una máquina, los planes de mantenimiento a aplicar, las
implicaciones para la salud del operario, desalineaciones, fallos, etc. Teniendo esto en
consideración se han creado máquinas que permiten recolectar y analizar la información
de los efectos de las vibraciones sobre los elementos, piezas, productos y similares. De
manera más específica en este documento se abordará una posible solución a la
problemática de la falta de infraestructura para el análisis de vibraciones mecánicas en la
Facultad Tecnológica de la universidad Distrital Francisco José De Caldas, para
aplicativos de enseñanza y apropiación de conocimientos sobre el tema, por tal razón se
evidenciará el proceso realizado para diseñar el mecanismo que genere el movimiento
para una mesa de vibraciones con parámetros determinados.
3
CAPÍTULO 1: PROBLEMÁTICA
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la industria actual y en un contexto general que acoja la producción, fabricación y
transformación de materias primas, son generadas en el proceso situaciones que implican
el efecto de las vibraciones; este factor incide en el funcionamiento de las máquinas,
elementos mecánicos, estructuras y demás cuerpos sometidos a un comportamiento
dinámico, por tal razón es de suma importancia reconocer y entender dichos efectos e
implicaciones que tienen este tipo de oscilaciones sobre los sistemas mecánicos, tales
como desgaste, desequilibrio y pérdida de energía ,entre otros aspectos, que determinan
su vida útil, una oportuna acción de mantenimiento o una selección de materiales
adecuados.
Actualmente la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas
no cuenta con ningún equipo o instrumentación que permita la experimentación, análisis
e investigación de las vibraciones mecánicas y en consecuencia los conocimientos
apropiados por el estudiante durante su proceso de formación tienen una alta calidad
teórica, pero por otro lado una deficiencia en el contexto práctico.
De acuerdo con lo anterior, desde el grupo de investigación DISING y el semillero
SIMEC se ha planteado evaluar el diseño de bancos de laboratorio para vibraciones
mecánicas y en particular plantear el diseño de su mecanismo de acción a partir de
diferentes modelos para evaluar su viabilidad frente a exigencias y condiciones
determinadas para este tipo de equipos.
4
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
• Modelar y evaluar el sistema mecánico generador de movimiento para una
mesa de vibraciones con movimiento limitado en el plano X Y.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Analizar las especificaciones de diferentes mecanismos de generación de
movimiento en máquinas para análisis de vibraciones mecánicas que se pueden
encontrar en el mercado.
• Determinar los parámetros dinámicos requeridos de operación para una mesa de
vibraciones XY para un laboratorio en la facultad tecnológica de la UD.
• Plantear alternativas de mecanismos de generación de vibraciones y seleccionar
el que mejor se adecúe a las condiciones de operación definidas.
• Analizar mediante el uso de programas CAE el mecanismo y sus parámetros de
carga, esfuerzo y deformación.
5
1.3 JUSTIFICACION
Colombia es un país con un alto potencial comercial y mercantil, sin embargo, en el
contexto industrial no tiene una posición comparable con las grandes potencias como
Japón o Estados Unidos, por tanto, generar conocimiento respecto al tema permite
promover el proceso de innovación y crecimiento tecnológico a nivel local, mediante
procesos de modelado y diseño de elementos que componen los bancos de análisis de
vibraciones, la cual es una tecnología ampliamente reconocida a nivel mundial por su
relevancia en el ámbito del mantenimiento predictivo.
El Proyecto curricular Mecánica de la Universidad Distrital, busca formar profesionales
tecnólogos e ingenieros con altos niveles de pertinencia respecto a las necesidades
industriales presentes en el país. Y teniendo en cuenta el amplio uso a nivel industrial de
estrategias de revisión y predicción del comportamiento de equipos sometidos a
vibraciones, el mejoramiento de su infraestructura tecnológica orientada a esta área,
fortalecerá los procesos de docencia e investigación, mejorando el impacto de los
egresados en el medio.
La metodología propuesta permitirá iniciar un proceso que será aprovechado por el grupo
de investigación DISING, y el semillero SIMEC para el desarrollo tecnológico de equipos
de laboratorio robustos de bajo costo comercial. por lo que es de relevancia la búsqueda
de información relacionada con maquinaria en el mercado, posibles mecanismos de
análisis y la comprensión mecánica de los mismos, promoviendo la exploración del tema
tratado, fomentando el conocimiento y nuevas propuestas de investigación, basados en
información técnica actualizada y confiable.
Para los desarrolladores del proyecto de grado que buscan titularse como tecnólogos, el
desarrollo del proceso analítico y conceptual supone enfrentarse a condiciones reales de
adquisición de información, investigación teórica, apropiamiento de conocimiento y
posterior análisis de los datos para generar un diseño, modelado y finalmente el estudio
del mecanismo y su viabilidad; este procedimiento permitirá aplicar parte de los
conocimientos adquiridos durante la carrera y requerirá reconocer nuevas ideas sobre la
industria y su funcionamiento.
6
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO Y DE ANTECEDENTES
2.1 MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL
2.1.1 ¿QUÉ ES UNA VIBRACIÓN MECÁNICA?
Movimiento vibratorio o vibración es la variación o cambio de configuración de un
sistema en relación al tiempo, en torno a una posición de equilibrio estable, su
característica fundamental es que es periódico, siendo frecuente el movimiento armónico
simple, por lo que este movimiento adquiere una singular importancia en los estudios
vibratorios. (Carbonell, Martínez, & Flórez, 2017)
2.1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS VIBRACIONES MECÁNICAS
Las vibraciones son libres cuando no existen fuerzas o acciones exteriores directamente
aplicadas al sistema a lo largo del tiempo.
Las vibraciones son forzadas cuando existen acciones o excitaciones directamente
aplicadas al sistema a lo largo del tiempo, además de las fuerzas o momentos internos.
Tanto las vibraciones libres como las forzadas pueden subdividirse, dependiendo de la
existencia o no de fuerzas resistentes que amortiguan el movimiento vibratorio, en:
● Sin amortiguamiento: No existe resistencia pasiva al movimiento del sistema.
● Con amortiguamiento: Existen resistencias pasivas al movimiento del sistema, es
decir, fuerzas o momentos disipativos que amortiguan el movimiento vibracional.
(Carbonell, Martínez, & Flórez, 2017)
2.1.3 PARÁMETROS DE UNA VIBRACIÓN
● Desplazamiento: Indica la cantidad de movimiento que la masa experimenta con
respecto a su posición de reposo.
● Periodo: Es el tiempo que tarda la masa en realizar un ciclo completo. Frecuencia:
Es el número de ciclos que ocurren en una unidad de tiempo.
● Velocidad: Se refiere a la proporción del cambio de posición con respecto al
tiempo.
7
● Aceleración: Proporciona la medida del cambio de la velocidad con respecto al
tiempo.
2.1.4 ¿QUÉ ES EL ANÁLISIS DE VIBRACIONES MECÁNICAS?
Todas las máquinas generan vibraciones como parte normal de su actividad, sin embargo,
cuando falla alguno de sus componentes, las características de estas vibraciones cambian,
permitiendo bajo un estudio detallado identificar el lugar y el tipo de falla que se está
presentando, facilitando así, su rápida reparación y mantenimiento.
El análisis de vibraciones está basado en la interpretación de las señales de vibración
tomando como referencia los niveles de tolerancia indicados por el fabricante o por las
normas técnicas. (Olarte, Botero, & Cañón, 2010)
2.1.5 ¿CUAL ES LA IMPORTANCIA DEL ANÁLISIS DE LAS VIBRACIONES
MECÁNICAS?
Independientemente de los planes de mantenimiento correctivo y preventivo, el plan de
mantenimiento predictivo se basa, principalmente, en el estudio de las vibraciones
mediante la instalación de sensores que permiten detectar vibraciones fuera de rango. En
general, se suponen vibraciones de pequeña amplitud porque fuera de ellas dejan de tener
validez la mayoría de las hipótesis que se establecen para su estudio. (Olarte, Botero, &
Cañón, 2010)
2.1.6 ¿CÓMO SE REALIZA EL ANÁLISIS DE VIBRACIONES MECÁNICAS?
Debido a que las máquinas están formadas por múltiples piezas que trabajan en conjunto
para lograr determinado objetivo, las vibraciones presentes en éstas, no son más que la
suma de todas las señales de vibración provenientes de cada una de sus partes.
Debido a la complejidad que presentan las señales de las vibraciones, muchas veces, es
necesario convertirlas en señales más sencillas para facilitar su análisis e interpretación.
Esto se consigue transformando la señal al dominio de la frecuencia a través de la
Transformada Rápida de Fourier (FFT), la cual captura la señal en el tiempo, la transforma
en una serie de señales sinusoidales y finalmente las conduce al dominio de la frecuencia.
(Olarte, Botero, & Cañón, 2010)
8
2.1.7 MEDICIÓN DE LAS VIBRACIONES
Debido a que la conversión de una señal de vibración en un espectro de frecuencias
requiere de un manejo matemático un poco complicado, en las industrias modernas,
cuentan con instrumentos especializados que miden las vibraciones entregando los
espectros de frecuencia y la magnitud de sus parámetros.
Los instrumentos analizadores de vibración capturan las señales por medio de sensores.
Estos sensores se colocan directamente sobre la máquina en aquellos puntos que son
susceptibles a fallas.
La toma de medidas debe ejecutarse manteniendo iguales las condiciones de operación
de la máquina, la ubicación de los sensores y el tiempo entre una medición y otra con el
fin de que los datos obtenidos se puedan comparar entre sí. (Olarte, Botero, & Cañón,
2010)
2.1.8 ¿CÓMO INTERPRETAR LOS RESULTADOS?
Con los datos obtenidos de las mediciones, se realiza su interpretación usando técnicas
de análisis que permitan conocer el estado de la máquina. Las técnicas básicas que más
se utilizan, son:
Análisis de Frecuencia: Este análisis se hace en base al espectro obtenido de la señal de
vibración. El espectro está conformado por una gráfica cuyo eje horizontal corresponde a
la frecuencia y el eje vertical a cualquiera de los siguientes parámetros: desplazamiento,
velocidad o aceleración.
Análisis de Tiempo: Este análisis es un complemento al análisis de frecuencia puesto que
sirve para confirmar diagnósticos en aquellas fallas que poseen espectros muy parecidos,
estos problemas pueden ser, el desbalance, el desalineamiento y la holgura. (Olarte,
Botero, & Cañón, 2010)
2.1.9 FALLAS QUE SE PUEDEN DETECTAR CON UN ANÁLISIS DE
VIBRACIÓN
● Desbalanceo
● Desalineamiento
● Defecto de rodamientos
● Ejes torcidos
● Desajuste mecánico
9
2.2 ANALISIS DE ANTECEDENTES
A continuación se desarrollara un modelo de acuerdo a la problemática presentada
anteriormente, por ende se definió que el criterio de periodo a estudiar esta entre el año
2005 hasta la fecha, este se divide en dos partes fundamentales que son estudios a nivel
internacional y nivel nacional, cada uno de estos se presentara primero con su recopilación
de fuentes y como último con el acceso definido/detallado de estas fuentes con un orden
cronológico de cada investigación mencionada en el paso anterior.
Para empezar a definir los orígenes, evoluciones etc. de las maquinas vibratorias primero
tenemos que saber que son básicamente, por lo tanto:
2.2.1 ¿QUE ES UNA VIBRACION?
Los sistemas de ingeniería que poseen masa y elasticidad están capacitados para tener
movimiento relativo. Si el movimiento de estos sistemas se repite después de un
determinado intervalo de tiempo, el movimiento se conoce como vibración, la vibración
es, en general, una forma de energía disipada y en muchos casos un inconveniente. Esto
es particularmente cierto en maquinaria; debido a las vibraciones, se producen ruidos, se
arruinan las diferentes partes y se transmiten fuerzas y movimientos indeseables a los
objetos muy cercanos. (Seto, 1970)
2.2.2 EL ORIGEN DE ESTUDIO DE LAS VIBRACIONES
Una de las opciones para estudiar la evolución del campo de la ingeniería de las
vibraciones mecánicas es a través de la lectura de las biografías de las personas que
efectuaron aportaciones significativas. Por supuesto que en dichas aportaciones no sólo
deben contemplarse los avances en la comprensión de las vibraciones, sino que deben
considerarse los desarrollos en cuanto a metodología y a matemáticas necesarias para
establecer el marco que sistematice los conocimientos. (Estrucplan, s.f)
Este enfoque permite ir armando en nuestros cerebros el complejo rompecabezas que
representa la evolución del conocimiento humano en cualquier área. Circunstancias
culturales relacionadas con la fecha y lugar de nacimiento, educación, guerras, plagas,
etc. van creando las condiciones para que cada paso se dé. (Estrucplan, s.f)
En este texto se presenta una posible lectura de dicha historia clasificando la evolución
de las vibraciones en etapas y dando una lista de personas que han efectuado desarrollos
y dejados registros de sus trabajos en cada una de ellas. (Estrucplan, s.f)
Es posible agrupar, en un primer periodo que denominaremos "orígenes", a los
acontecimientos y a las personas que sentaron las bases conceptuales del campo de las
10
vibraciones. Este periodo va desde la antigüedad hasta el Renacimiento, esto es,
aproximadamente desde el año 3000 A.C. hasta el 1500 de nuestra era. (Estrucplan, s.f)
● Pitágoras de Samos (ca. 570 – 497 A.C) el aporte fue Frecuencia Natural, Física
Experimental; Teoría de números, Vibración de Cuerdas Tensas.
● Heródoto (ca. 484 -425 A.C) el aporte fue Reporta un Transductor de Vibración
● Euclides (350 – 275 A.C) el aporte fue Péndulo Usado como Medidor
Vibraciones
Un segundo periodo a considerar es el que va del renacimiento hasta mediados del siglo
XIX, que llamaremos de "formalización". (Estrucplan, s.f)
En esta época se da un gran desarrollo matemático y conceptual que consolida el cuerpo
teórico de las vibraciones, así como progresos en la instrumentación. (Estrucplan, s.f)
● Galileo Galilei (1564 – 1612) con la medición de la Frecuencia de Péndulos.
● Marinus Mersenne (1588 – 1648) con cuerdas Vibrantes
● Joseph Sauveur (1653 – 1716) con armónicos en Vibraciones
● Daniel Bernoulli (1700 – 1782) con hidrodinámica, Ecuación Diferencial de
Vibración Lateral en Vigas
● Jean le Rond D’ Alembert (1717 – 1783) con Ecuación de Onda
● Sophie Germain (1776 – 1831) con vibración de Placas
● Claude Louis Maria Henry Navier (1785 – 1836) con vibración de Sólidos
El factor determinante de la consolidación del enfoque ingenieril en las vibraciones fue
el desarrollo de la maquinaria de alta velocidad, que se desarrolló por la presión ejercida
por la industrialización. (Estrucplan, s.f)
Esta etapa comprendida desde aproximadamente 1850 a 1950 la denominaremos de
"aplicaciones". (Estrucplan, s.f)
En este dinámico periodo se desarrollan los conceptos y aplicaciones ingenieriles
requeridas por maquinaria como: locomotoras, autos y aviones, que comprende desde las
máquinas de vapor hasta la turbina.
Por supuesto que lo antes mencionado implica el desarrollo de métodos de análisis y
diseño modernos, y también la publicación de los libros, de texto y consulta, que
permitieron la difusión de esta área del conocimiento. (Estrucplan, s.f)
● Edward John Routh (1831 – 1907) con sistemas de Varios Grados de Libertad
11
● John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919) con métodos de Energía,
Primer Tratado de Vibraciones
● Henry Poincaré (1854 – 1912) con vibración No Lineal
● Stephen P. Timoshenko (1878 – 1972) con libros sobre Mecánica y Vibraciones
● Hort con primer Libro de Ingeniería de las Vibraciones
● J.P. Den Hartog con libro sobre Vibraciones
2.2.3 SOLUCIONES TRADICIONALES AL ANALISIS DE VIBRACIONES
Actualmente en la industria se presentan varias maneras de analizar vibraciones dentro
de un equipo mecánico a continuación se presentarán las dos más usadas actualmente
2.2.3.1 Banco de pruebas para el estudio de las vibraciones generadas por
desbalanceo de rotores en voladizo
El desbalanceo mecánico es uno de los problemas de vibración más frecuentes en
máquinas rotativas, siendo éste perjudicial para el tiempo de servicio o vida útil del
equipo. Una de las maneras de detectar la presencia del fenómeno vibratorio es a través
de señales de frecuencia, las cuales tomadas con ayuda de un analizador de vibraciones
muestra la magnitud predominante en condición de desbalanceo. (Goaiberica, s.f.)
Por un lado, el desbalanceo Se define como la condición en la que el eje de inercia del
rotor no coincide con su eje de rotación, provocando que el giro no sea concéntrico y
produciéndose, por lo tanto, fuerzas o momentos dinámicos que producen vibraciones.
(Goaiberica, s.f.)
En la ilustración 1.1 se muestra el plano frontal del módulo para medir vibraciones por
desbalanceo de rotores en voladizo.
12
2.2.3.2 Tecnología clave MBC (mantenimiento basado en la condición)
Esta tecnología sirve para determinar el estado de cada uno de los componentes de los
equipos con el fin de programar las actividades de mantenimiento respectivas, sin afectar
al desarrollo normal de la planta de producción. (Peral, Campillo, & Velasco, 2008)
La utilización de esta tecnología aporta información valiosa en el diagnóstico prematuro
de fallas en los elementos rodantes, engranajes, bombas, compresores, vent iladores y
otras máquinas rotativas. (Peral, Campillo, & Velasco, 2008)
Las fallas que se pueden detectar en las máquinas por medio de sus vibraciones son las
siguientes:
▪ Desbalanceo.
▪ Desalineamiento.
▪ Defecto de rodamientos.
▪ Ejes torcidos.
▪ Desajuste mecánico.
▪ Defectos en transmisiones.
▪ Defectos de engranajes.
▪ Problemas eléctricos.
Ilustración 2.2 detector para mantenimiento. Fuente: (Peral, Campillo, &
Velasco, 2008)
desbalanceoderotoresenvoladizo.Fuente:Goaiberica
13
2.2.3.3 Banco de ensayo de rodamientos para vibraciones
Para la identificación de rodamientos dañados, se propusieron dos montajes con
características diferentes. La propuesta inicial cuenta con un motor en posición vertical
B, conectado a un variador de frecuencia A que permite alterar el régimen de
funcionamiento del mismo. El motor arrastra un rodamiento fijado por una pieza
especialmente diseñada para este fin, C. Para que el sistema no funcione sin carga, se
emplea una masa de 5 kg, D, apoyada sobre la barra de sujeción. La presencia de una
carga descentrada genera un desequilibrio muy importante en el sistema, lo que dificulta
la identificación del fallo en el rodamiento en el espectro de frecuencia. Por este motivo
se ideó un segundo sistema con el motor situado en posición horizontal y cargado con
cilindros neumáticos tanto en dirección radial como axial. (Naranjo, 2013)
Ilustración 2.3 Montajes propuestos para la detección de fallos en los rodamientos. B1 motor vertical y carga descentrada, B2 motor horizontal y carga radial y axial a través de cilindros neumáticos. Fuente: (Naranjo, 2013)
Tabla 2.1 Elementos del montaje B2.Fuente: (Naranjo, 2013)
2.2.4 ALTERNATIVAS USADAS PARA VIBRACIONES
Actualmente en la industria se han modelado varios diseños innovadores que tienen en
común oscilaciones dentro de un plano x, y es decir en 2D, a continuación, se mostraran
brevemente los más relevantes.
14
2.2.4.1 Biela Manivela
Es un sistema de soportes para el conjunto, rodamientos lineales para proporcionar el
desplazamiento de la plataforma en una dirección y el sistema biela-manivela, que está
formado por un disco con ranura que permite variar la amplitud de movimiento y una
manivela que conecta el disco y la plataforma. La biela se conecta al motor, que le
imprime el movimiento de rotación (ilustración 1.4). Además, el sistema cuenta con un
controlador que se encarga de poner en funcionamiento el motor y permite variar la
velocidad de rotación y controlar la frecuencia. (Morales, 2017)
Ilustración 2.4 mecanismo biela manivela. Fuente: (Morales, 2017)
2.2.4.2 Mecanismo polea correa o slider
El slider o carril motorizado se utiliza, por ejemplo, en el desplazamiento del cabezal de
la impresora. Este se compone de un carril que fija la dirección y puede ser de aluminio
para proporcionar precisión y suavidad en el movimiento. Al carril se le acopla el carro,
que cumple con la función del desplazador de la mesa o plataforma. Se diseña el carro
para permitir el movimiento longitudinal de la correa, de forma que esta se encuentre
totalmente tensada y se mueva suavemente. Para ello hace falta una polea dentada, otra
polea idéntica o un cojinete que permita el desplazamiento en el otro extremo. Necesita
un tensor y la correa de transmisión que encaje perfectamente con la polea dentada y
además sea de un material bastante rígido para evitar holguras por la elasticidad del
material, siendo interesante el uso del poliuretano u otro plástico reforzado [Ref. Web 3].
Para controlar el sistema se acopla el motor a la polea dentada. El motor lleva un soporte
que hay que diseñar de un material suficientemente rígido: aluminio, plástico u otro.
(Morales, 2017)
15
Ilustración 2.5 Mecanismo slider. Fuente:(Morales, 2017)
2.2.4.3 Mecanismo husillo y guías
El mecanismo se compone del husillo que gira sobre sí mismo por la acción del motor,
unido a este mediante un acoplamiento. Unido al husillo se diseña un desplazador que
produce el movimiento de la plataforma. Esta se desplaza solidaria a las guías o
rodamientos lineales, que permite un movimiento suave en dicha dirección. Se diseña
también el soporte del motor respecto de la base y el soporte del husillo, posicionándolo
en el extremo contrario al motor, todo ello de aluminio que facilita el mecanizado. Se
acopla una rueda moleteada en el extremo del husillo, para permitir el movimiento manual
del mismo y sirviendo de retención del movimiento axial, que a su vez es absorbido por
los rodamientos colocados en el husillo. (Morales, 2017)
Ilustración 2.6 Mecanismo husillo y guías. Fuente:(Morales, 2017)
2.2.4.4 Actuador hidráulico
Se monta la plataforma sobre un sistema de rodamientos lineales de baja fricción, que
permiten el desplazamiento en la dirección de excitación. El movimiento se produce por
la acción del actuador. El sistema hidráulico cuenta con una servo-válvula para controlar
los cambios de sentido y el movimiento del actuador hidráulico. Para seleccionar este
último, se determina la fuerza máxima que debe ejercer, a través de la carga total de la
mesa y la masa puesta sobre ella, máxima aceleración del conjunto y teniendo en cuenta
capacidad de carga de los rodamientos seleccionados. Por último, el servo-controlador
16
transmite la señal enviada del ordenador a los puertos del actuador en la servo-válvula.
(Morales, 2017)
Ilustración 2.7 Actuador hidráulico. Fuente:(Morales, 2017)
2.2.4.5 Actuador neumático
El movimiento de una mesa vibratoria neumática se genera por medio de actuadores
(cilindros y válvulas), alimentados por un compresor. El desplazamiento, velocidad y
aceleración son controlados por señales eléctricas en una electroválvula. Estas son
recibidas desde un controlador, el cual toma acciones en función de la orden dada. Para
sostener y permitir el desplazamiento de la mesa, se incorporan unos soportes y
rodamientos lineales, igual que en caso de actuador hidráulico. Pero ahora se compone de
un sistema neumático, formado por un compresor de aire que proporciona el flujo de aire
necesario, con su filtro y regulador de aire, una válvula que proporciona la de presión, con
una servo válvula o electroválvula, un servo-controlador para la adquisición de datos,
control y comunicación con la electroválvula y el actuador neumático Para dimensionar
adecuadamente el actuador, hay que calcular la fuerza que este debe transmitir a la mesa.
(Morales, 2017)
Ilustración 2.8 Actuador neumático. Fuente: (Morales, 2017)
17
2.2.4.6 Motor lineal
El movimiento del motor lineal es controlado por un driver que requiere para su
funcionamiento, una señal de referencia SP (señal que indica el movimiento: sismo,
armónico o barrido en frecuencia) y una señal de realimentación, proveniente del encoder
lineal que mide la velocidad y desplazamiento de la mesa vibratoria. La señal de referencia
es generada por un ordenador y enviada en forma de voltaje a través de la tarjeta de
adquisición y control de datos hacia el servo-controlador. Este sistema se compone de los
rodamientos que deben soportar las cargas y realizar los desplazamientos, con baja fricción
y altas velocidades. Se incorpora el encoder lineal y el motor lineal siendo los síncronos
de imán permanente (PMLSM) los más utilizados por alcanzar altas aceleraciones y
además no requieren de elementos de transmisión como cajas reductoras, cadenas o
tornillos de acople para convertir el movimiento de rotación en traslación. Esto evita la
fricción y las limitaciones mecánicas en aceleración y velocidad. Además, el servo
controlador que sea capaz de entregar al motor las corrientes nominales y de pico que va
a consumir durante su movimiento. Y el ordenador o dispositivo que genere la señal para
producir el movimiento. (Morales, 2017)
Ilustración 2.9 Esquema motor lineal. Fuente: (Morales, 2017)
18
2.3 ANÁLISIS DE MÁQUINAS
2.3.1 El análisis de vibraciones en empresas especializadas
Al realizar una exploración de los distintos bancos de prueba para el análisis de vibraciones
mecánicas que se encuentran disponibles en el mercado, es posible encontrar una gran variedad
de equipos, los cuales se caracterizan por tener diferentes funcionamientos y rasgos particulares
para procesos y análisis específicos.
En primera instancia, los bancos de prueba definen sus características en función de los sistemas
o procesos que deben ser analizados y en los cuales la máquina puede funcionar de manera óptima,
es decir que para definir las características del mecanismo que genera el movimiento, se debe
definir necesariamente la capacidad a la que puede trabajar el banco.
La capacidad del banco de pruebas estará definida entonces por la carga del elemento que se desea
analizar y/o las frecuencias bajo las que se debe someter dicho elemento para su posterior análisis.
Como fuentes de información se tomaron en cuenta varias empresas que producen y
comercializan una gran variedad de elementos y máquinas de ensayo, tal es el caso de los bancos
de prueba de vibraciones mecánicas, mesas de vibración y elementos vibrantes; las compañías
mencionadas son mostradas a continuación:
• Ai Si Li (China) Test Equipment Co., Ltd.
Creado en 1988, Ai Si Li (China) Test Equipment Co., Ltd. se especializa en la fabricación de una
variedad de instrumentos de inspección de calidad, prueba de equipos y otros productos de alta
tecnología, la compañía se ha consolidado como un proveedor líder de los ensayos de
instrumentos de la industria, desempeñando un papel crucial en la investigación y desarrollo de la
alta calidad y productos de alto valor dentro de la industria.
Ai Si Li (China) Test Equipment Co., Ltd. es autenticado por las autoridades de los centros de
prueba, incluyendo el “National Measurement and Testing Center and South China Center of
Metrology”. Famoso por la precisión y fiabilidad, estos productos han sido ampliamente utilizados
dentro de la industria, por instituciones de investigación, organismos de inspección de calidad, y
de los colegios y universidades tanto a nivel nacional como en el extranjero, atendiendo a una base
de clientes en todo el mundo. (ASLi Testing, 2019)
19
• Unimec SA
Unimec SA fue fundada en 1979 por una empresa especializada en la fabricación de relojes. En
1999, la empresa se independizó. En 2013, E. Remonnay y C. Froidevaux se hicieron cargo de la
empresa. Al principio, Unimec estaba trabajando en el campo de la automatización y la compañía
se ha convertido en una referencia en este sector, especialmente con sus mesas con movimiento
recíproco y sus brazos de transporte. En la década del 2000, Unimec diversificó su actividad
recurriendo a otros sectores comerciales, como la producción de máquinas y equipos para la
industria de la relojería, la medicina y la microtecnología. (UNIMEC, 2019)
• BRECON - Smart Vibration Technology
Como compañía derivada de BOSCH, BRECON resalta desde 1995 por ofrecer soluciones
inteligentes en el campo de la vibración para compactación, transporte y otras aplicaciones
industriales. BRECON está ubicada en Colonia-Alemania. Nosotros ofrecemos productos de
ingeniería y asesoramiento a nivel mundial.
Como antiguo titular exclusivo de la licencia BOSCH y con nuestra experiencia y know-how en
la aplicación de tecnología vibratoria en muchas industrias, ampliamos de manera continua
nuestra línea de productos. El desarrollo de nuevos productos se realiza siguiendo los
requerimientos del mercado y a menudo es llevado a cabo en estrecha colaboración con fabricantes
de maquinaria.
Nuestros vibradores aseguran un tiempo de producción constante y resultados reproducibles de
calidad. (BRECON, 2019)
• URBAR Soluciones De Ingeniería
Urbar es una empresa especializada en la aplicación de tecnologías basadas en la vibración al
diseño de maquinaria de uso industrial. La compañía retiene los 60 años de experiencia de su
empresa matriz en el diseño y comercialización de maquinaria e instalaciones vibrantes, con lo
que se ha convertido en referente en cuanto a calidad, durabilidad y prestaciones dentro del
mercado de la maquinaria vibrante.
Los productos de Urbar se utilizan en aquellas aplicaciones donde es necesario trasladar, elevar,
tamizar, clasificar o dosificar sólidos, entre los que se encuentran elementos tan dispares como
piezas de fundición, piedras en canteras, arcillas, todo tipo de alimentos (congelados, galletas,
pre-cocinados, caramelos, fritos, etc.), vidrio, cerámica, cemento, productos químicos (plásticos,
colorantes, detergentes, fertilizantes) (URBAR, 2019)
20
En la tabla mostrada a continuación se muestran varios bancos utilizados para el análisis de
vibraciones mecánicas, producidos por las empresas especializadas en este campo:
Tabla 2.2 Bancos de pruebas de vibraciones mecánicas (parte 1).Fuente: Elaboración propia
Tabla 2.3 Bancos de pruebas de vibraciones mecánicas (parte 2).Fuente: Elaboración propia
Nota: Las zonas en negro indican que dicha información no es suministrada por el proveedor.
21
Teniendo en cuenta las tablas mostradas anteriormente se realizará a continuación un análisis de
cada máquina, con el fin de generar precedentes a tener en cuenta para el diseño del mecanismo.
2.3.2 Bancos de Prueba de Vibraciones Mecánicas
• Máquinas de ensayo "Tabla de Vibración"
Inicialmente se puede observar una correlación entre los rangos de frecuencia suministrada por el
mecanismo (De 2.5 a 5 Hz) y la capacidad de carga que tiene el banco (100Kg), la relación es
inversamente proporcional, lo cual implica que en tanto la carga del elemento a analizar vaya en
aumento la frecuencia suministrada por el mecanismo deberá verse disminuida.
Ya que es el mecanismo el que transmitirá la potencia y el movimiento, este estará sometido a los
mayores esfuerzos, es decir que hay una relación directamente proporcional entre la capacidad de
carga del banco y el tamaño de los elementos del mecanismo, en tanto que una carga más elevada
implica eslabones más robustos o un material más resistente al proceso.
De igual manera, aumentar el tamaño de los elementos del mecanismo para suplir la capacidad
deseada (100kg), aumenta el peso de la máquina.
El rango de peso de estas máquinas oscila entre los 100 y 500 Kg según la frecuencia requerida
(De 2.5 a 5 Hz).
Según el volumen de la carga a analizar, se puede requerir maquinaria con dimensiones mayores
o menores, tal y como se muestra en la tabla, realizar un aumento en las medidas de la maquina
aumenta el peso de la misma.
La maquinaria de este tipo, con los requerimientos materiales, y de sensorica especializada
ofrecen altos márgenes de calidad, fiabilidad y precisión en los datos recolectados, por tal razón,
su costo de producción es elevado y dependiendo de la serie o variante de la maquina su precio
puede oscilar entre los 4500 y 22000 dólares.
Al generar el movimiento de la mesa en el plano X, Y, el mecanismo requiere de más potencia de
la que se requeriría si el movimiento fuese desarrollado en un solo eje.
Aplicación: Probar la resistencia a la vibración de envases, juguetes, electrónicos, muebles,
regalos, cerámica, equipo, etc. (Madeinchina, 2019)
Ilustración 2.10 Equipo de prueba de vibración para circuito impreso, para modulo fotovoltaico y para celda solar.
Fuente: (Madeinchina, 2019)
22
• Sistemas de prueba “agitadores de vibración de alta frecuencia”
Es posible observar que, en este banco de prueba pese a tener una carga considerable de 70 Kg,
es posible alcanzar valores muy altos de frecuencia, cercanos a los 3500Hz, esto se puede
adjudicar a varias razones:
-Debido a que el movimiento generado por el mecanismo hacia la mesa es unidireccional
-El peso combinado de la mesa y del elemento a analizar, son pequeños en comparación a la
potencia suministrada
Aplicación: Educación, Investigación y laboratorio de entornos, Respuesta estructural, Ensayos,
Análisis modal, Separación y la compactación de polvos. (Madeinchina, 2019)
Ilustración 2.11 Equipo de prueba de vibraciones vertical y
horizontal por funcionamiento electrohidráulico. Fuente:
(Madeinchina, 2019)
23
Ilustración 2.12 Equipo de prueba de vibraciones trabajando en posición horizontal. Fuente:
(Madeinchina, 2019)
Ilustración 2.13 Mesa aforada del equipo de prueba de vibraciones. Fuente: (Madeinchina, 2019)
24
• Bancos de prueba de vibraciones para la industria relojera
Para este caso de aplicación en particular la frecuencia suministrada por el mecanismo a la
bancada es bastante elevada, sin embargo, el elemento a analizar posee una carga muy pequeña
en comparación, al igual que en el caso anterior el desplazamiento generado es unidireccional.
La sensorica de alta capacidad permite evaluar el funcionamiento de múltiples sistemas a la vez,
recopilando y transmitiendo la información al sistema de análisis.
Aplicación: Comprobar la adaptabilidad, seguridad y resistencia de los componentes contenidos
en elementos de relojería. (UNIMEC, 2019)
Ilustración 2.14 Banco de prueba de vibraciones y fatiga para relojería.
Fuente: (UNIMEC, 2019)
Ilustración 2.15 Montaje del elemento para análisis. Fuente:
(UNIMEC, 2019)
25
2.3.3 Elementos de Vibración
En la tabla mostrada a continuación se muestran varios elementos utilizados para generar
vibraciones mecánicas en las mesas, dichas máquinas son producidas por las empresas
especializadas en este campo:
Tabla 2.4 Elementos de vibración (parte 1).Fuente: Elaboración propia
Tabla 2.5 Elementos de vibración (parte 2). Fuente: Elaboración propia
26
Todas las maquinas vibrantes mostradas anteriormente son utilizadas para diversas aplicaciones
industriales y de ingeniería, sin embargo y como aplicación de interés para este caso en particular,
se debe decir que funcionan como componente generador de movimiento en las mesas de
vibraciones mecánicas, el proceso más usual consiste en ubicar los vibradores o motovibradores a
lo largo de la parte inferior de la mesa o en sus laterales, como se muestra a continuación:
Ilustración 2.16Ubicacióndeloselementosdevibración(vistalatera) Fuente:(Urbar, 2019)
Ilustración 2.17 Ubicación de los elementos de vibración (Vista frontal)
Fuente:(Urbar, 2019)
27
Se puede evidenciar el uso de “tacos de goma”, los cuales son utilizados para que la vibración
generada se aplique solamente a la región de la plataforma vibrante y no se transmita al bastidor,
lo cual podría incurrir en desgaste, desalineación y toma errada de datos.
Ilustración 2.18 Componentes de una mesa de vibraciones. Fuente:
Italvibras
Los motovibradores tanto de alta como de baja frecuencia, funcionan mediante el principio de
excentricidad, la vibración es producida por medio de pesos excéntricos fijos en ambos extremos
del eje del motor, para ajustar la intensidad de la vibración basta con regular los contrapesos en
ambos extremos, como se muestra en el esquema mostrado a continuación:
Ilustración 2.19 Esquema de variación de frecuencia para un moto vibradora
.Fuente: YouTube
28
Ilustración 2.20 Isométrico de un moto vibrador
• Motovibradores de baja frecuencia
Los motovibradores industriales de baja frecuencia combinan mayores amplitudes con fuerzas
que pueden ser desde pequeñas o medianas a extremadamente grandes.
El peso promedio de este tipo de máquinas puede encontrarse entre los 76 y los 210 kg, el cual es
bastante elevado en comparación con otros elementos y sistemas de vibración, no obstante,
compensa esta deficiencia con dimensiones reducidas, las cuales lo hacen más compacto y versátil
frente a requerimientos de poco espacio.
Ofrece rangos de frecuencia bastante elevados por precios que oscilan entre 1 y 3 millones de
pesos, precio bastante reducido en comparación con otros sistemas previamente vistos.
• Motovibradores de alta frecuencia
Los motovibradores industriales de alta frecuencia generan magnitudes de revolución sumamente
altos, sin embargo, son mucho más livianos y compactos que los de baja frecuencia.
Aplicación: Compactación de hormigón, Compactación de refractarios, Compactación de sólidos,
Transportar y cribar, Desapelmazar y desprender, Apisonadores eléctricos y mesas de vibración.
29
• Vibradores neumáticos de bola
Los vibradores neumáticos de bola son elementos mecánicos altamente potentes, que ofrecen
valores extremos de frecuencia, aplicando magnitudes de presión entre 2 y 6 bar con consumos
de aire entre 83 y 675 litros/min.
La frecuencia suministrada es completamente regulable.
La vibración se genera mediante el desplazamiento de una esfera contenida en una recamara
cubierta por dos tapas de nylon, la esfera es conducida por unas vías de acero.
El cuerpo de aleación de aluminio extruido, cuenta con cuatro orificios de montaje para ser
utilizados según la aplicación.
Estos sistemas cuentan con la ventaja de ofrecer valores altos de frecuencia, con valores peso y
dimensiones muy reducidos, por lo que son elementos de gran versatilidad a costos muy bajos.
Aplicación: Vaciado de tolvas, Tamices de filtraje, Mesas vibratorias, Prevención del pegado en
tuberías y silos, Movimiento de mercancías.
Tabla 2.6 Dimensiones de los vibradores neumáticos de bola. Fuente: Catálogo Urbar
Catálogo Urbar
30
• Vibradores neumáticos de rodillo
Los vibradores neumáticos de rodillo son elementos mecánicos con una gran fuerza de arrastre,
que ofrecen valores extremos de frecuencia, aplicando magnitudes de presión entre 2 y 6 bar con
consumos de aire entre 100 y 970 litros/min.
La frecuencia suministrada es completamente regulable.
La vibración se genera mediante el desplazamiento de un rodillo de acero, el cual gira contenido
entre dos tapas de plástico.
El cuerpo de aleación de aluminio extruido, cuenta con cuatro orificios de montaje para ser
utilizados según la aplicación.
Estos sistemas cuentan con la ventaja de ofrecer valores altos de frecuencia, con valores peso y
dimensiones muy reducidos, por lo que son elementos de gran versatilidad a costos muy bajos.
Aplicación: Vaciado de tolvas, Tamices de filtraje, Transporte de pequeñas partículas, Prevención
del pegado en tuberías y silos, Transporte de polvos finos, Compactación de plásticos y hormigón
en moldes, Mesas vibratorias.
Ilustración 2.22 Esquema y plano de los vibradores neumáticos de rodillo. Fuente: Catálogo Urbar
Tabla 2.7 Dimensiones de los vibradores neumáticos de rodillo. Fuente: Catálogo Urbar
31
• Vibradores neumáticos de turbina
Los vibradores neumáticos de turbina son elementos mecánicos bastante potentes, que ofrecen
valores extremos de frecuencia, aplicando magnitudes de presión entre 2 y 6 bar con consumos
de aire entre 33 y 970 litros/min.
La frecuencia suministrada es completamente regulable, el sistema no necesita aceite y es
extremadamente silencioso.
La vibración se genera mediante la fuerza centrífuga de los pares positivos y negativos
desequilibrados en el rotor, dicho rotor se encuentra sobre dos rodamientos de bolas previamente
lubricados con grasa especial para una larga vida útil.
Estos sistemas cuentan con la ventaja de ofrecer valores altos de frecuencia, con valores peso y
dimensiones muy reducidos, por lo que son elementos de gran versatilidad a costos muy bajos.
Aplicación: Vaciado de tolvas, Tamices de filtraje, Mesas vibratorias, Prevención del pegado en
tuberías y silos, Movimiento de mercancías a granel.
Ilustración 2.23 Esquema y plano de los vibradores neumáticos de turbina. Fuente: Catálogo Urbar
Ilustración 2.8 Dimensiones de los vibradores neumáticos de turbina. Fuente: Catálogo Urbar
32
• Vibradores neumáticos de cilindro
Los vibradores neumáticos de cilindro son elementos mecánicos altamente silenciosos y
eficientes, que ofrecen valores extremos de frecuencia, aplicando magnitudes de presión entre 2
y 6 bar con consumos de aire entre 0.8 y 490 litros/min.
La frecuencia y amplitud de oscilación completamente regulables.
Cuerpo de aluminio con anodizado duro, altamente resistente a la corrosión, Pistón de bronce al
plomo.
Estos sistemas cuentan con la ventaja de ofrecer valores altos de frecuencia, con valores peso y
dimensiones muy reducidos, por lo que son elementos de gran versatilidad a costos muy bajos.
Aplicación: Accionamiento de canaletas de transporte y extracción, Esponjamiento y
compactación de mercancías a granel, Activación de procesos mecánicos, Mesas vibratorias.
Ilustración 2.24 Esquema y plano de los vibradores neumáticos de
cilindro. Fuente: Catálogo Urbar
33
Tabla 2.9 Dimensiones de los vibradores neumáticos de cilindro.
Fuente: Catálogo Urbar
34
CAPÍTULO 3: DESARROLLO DEL PROYECTO
3.1 DETERMINACIÓN DE PARAMETROS
Como se puede apreciar, no existen rangos estandarizados de frecuencia o capacidad máxima,
pero sí podemos establecer una aproximación de la gama de estos según la aplicación a
desarrollar, por tal razón es posible relacionar el diseño del mecanismo desde tres aspectos
principales:
Ilustración 3.1 Factores del diseño. Fuente: Elaboración propia
Como se mencionó anteriormente diseñar el mecanismo implica reconocer y entender tanto el
entorno como la aplicación que se le dará al banco de vibraciones, ya que esta información
determinará factores como la capacidad (carga máxima), la frecuencia que debe suministrar el
mecanismo desde la fuente de trabajo, los materiales a trabajar (Metal, Polímero, Cerámico), la
geometría y las dimensiones del sistema completo.
Por tal razón, dichos datos serán establecidos tomando como sitio de aplicación un laboratorio de
la universidad Distrital Francisco José De Caldas, para el cual se cuenta con un espacio límite de
2000x2000x2000 por lo que el diseño del mecanismo será considerado para una mesa y una
bancada que se adecuen a las dimensiones restrictivas.
En vista del espacio disponible, el diseño del mecanismo será desarrollado con el objetivo de
suministrar frecuencias bajas/medias, para el análisis de elementos de baja a media escala.
El intervalo de frecuencia requerido para la mesa de vibraciones estará definido por el tipo de
movimiento que esta ejecute, ya que como se observó anteriormente para aplicaciones que
requieran netamente movimiento lineal se pueden generar valores de frecuencia más elevados,
contrario a movimientos de tipo circular o de tipo multiaxial, por tal razón en la tabla mostrada a
continuación se muestran los intervalos de frecuencia considerados para distintos tipos de
desplazamiento en el plano X, Y.
35
Tabla 3.1 Frecuencias y parametros del mecanismo. Fuente: Elaboración propia
3.1.1 ANÁLISIS DE MOVIMIENTO LINEAL EN DOS EJES
Para realizar el proceso analítico de la posición, velocidad y aceleración con la que trabajan los
mecanismos y por tanto las mesas de vibración, se utiliza como herramienta el software CAE de
Working Model el cual permite crear procesos de simulación de sistemas mecánicos reales; para
este caso en particular se realizará el estudio de los tres parámetros requeridos bajo frecuencias
específicas en tres sistemas diferentes.
Cabe destacar que para los siguientes análisis se tomó un valor para la gravedad de 9.807 m/s^2
y se omitieron factores como la resistencia del aire o fuerzas electrostaticas.
El primer sistema a analizar es un mecanismo que permite generar un movimiento bidireccional
en la mesa, inicialmente un eslabonamiento de manivela- corredera describe un desplazamiento
en dirección al eje X (contenido en el plano X,Y) posteriormente, empleando ruedas dentadas, se
transmite este mismo movimiento hacia otra corredera la cual desplaza una leva que genera el
movimiento final, el cual se encuentra en el eje Y, este diseño es útil si se desea crear un
movimiento combinado en dos ejes.
A continuación, se muestra el análisis de posición, velocidad y aceleración realizado sobre una de
las correderas dentadas y debido que las características de movimiento de ambas son muy
similares, variando una de la otra solamente por la dirección en la que se desplazan se considera
que es el mismo procedimiento de análisis.
Ilustración 3.2 Movimiento lineal en dos ejes (Esquema del eslabonamiento) .Fuente:
Elaboración propia
La grafica mostrada a continuación da evidencia del dato contenido en la tabla 3.1 para el
movimiento lineal en dos ejes, donde el cambio límite de posición para este caso va a estar definido
por la longitud de la manivela del mecánismo, la cual es de 45 mm, dado que la manivela no va a
cambiar su longitud durante cualquiera de los dos procesos (a 25 o 50 Hz) el cambio de posición
máximo se mantendra
36
A continuación, se muestran las gráficas donde es posible observar los valores de velocidad y
aceleración con los que se desplaza la mesa,los cuales son de aproximadamente, 7.6 m/s y 1560
m/s^2 para una frecuencia de 25Hz, y 15.3 m/s y 6233 m/s^2 para un valor de frecuencia de 50
Hz.
Ilustración 3.3Parámetros de velocidadyaceleración del movimientolinealendosejes a
25 Hz. Fuente: Elaboración propia
37
Para el análisis de velocidad a 25Hz se muestra una gráfica de velocidad contra tiempo, con el fin
de evidenciar cómo se comporta este parámetro con respecto a un tiempo de proceso determinado;
Para este caso se tomó un valor cercano a los 5 segundos, durante este intervalo el mecanismo
realizó su desplazamiento y cambió su velocidad, alcanzando un valor máximo de
aproximadamente 7.6 m/s. Para el análisis de aceleración a 25Hz se realizó el mismo
procedimiento que para la velocidad, donde se alcanzan valores de aceleración máxima cercanos
a los 1560 m/s^2.
Ilustración 3.4Parámetros de velocidadyaceleración del movimientolinealendosejes a
50 Hz. Fuente: Elaboración propia
38
3.1.2 ANÁLISIS DE MOVIMIENTO CIRCULAR
El segundo sistema a analizar es un mecanismo que genera movimiento circular en la mesa,
empleando un punto de anclaje fijo ubicado en la periferia de un eslabón rotativo.
En la imagen mostrada a continuación se observa que el cambio de posición en el eje X y en el
eje Y, va a estar definido por la distancia que existe desde el centro de la rueda grande que se
encuentra rotando hasta el centro del anclaje ubicado en el extremo, para este caso específico el
cambio límite de posición radial es de 40.5 mm.
Ilustración 3.5 Movimiento circular (Esquema del eslabonamiento). Fuente: Elaboración
propia
Las graficas mostradas a continuación dan evidencia de los datos contenidos en la tabla 3.1 para
el movimiento circular, donde es posible observar los valores de velocidad y aceleración con los
que se desplaza la mesa los cuales son de aproximadamente, 2.5 m/s y 315 m/s^2 para una
frecuencia de 20Hz, y 3.1 m/s y 493 m/s^2 para un valor de frecuencia de 25 Hz.
39
40
Ilustración 3.6 Parámetros de velocidad y aceleración del movimiento circular a 20 Hz.
Fuente: Elaboración propia
Como se puede observar en las gráficas mostradas anteriormente, tanto la velocidad como
la aceleración tienen componentes tanto en X como en Y, dichos parámetros se encuentran
variando durante el proceso de movimiento del mecanismo, es decir, para el caso de la
velocidad cuando esta alcanza su valor máximo en el componente X (aproximadamente
2.5 m/s), se encuentra en su valor más pequeño en Y.
El mismo comportamiento se evidencia para la aceleración, cuando alcanza su valor
máximo en el componente X (Aproximadamente 316 m/s^2), se encuentra en su valor más
pequeño en Y.
41
42
Ilustración 3.7 Parámetros de velocidad y aceleración del movimiento circular a 25 Hz.
Fuente: Elaboración propia
Como se puede observar en las gráficas mostradas anteriormente, tanto la velocidad como
la aceleración tienen componentes tanto en X como en Y, dichos parámetros se encuentran
variando durante el proceso de movimiento del mecanismo, es decir, para el caso de la
velocidad cuando esta alcanza su valor máximo en el componente X (aproximadamente
3.1 m/s), se encuentra en su valor más pequeño en Y.
El mismo comportamiento se evidencia para la aceleración, cuando alcanza su valor
máximo en el componente X (Aproximadamente 493 m/s^2), se encuentra en su valor más
pequeño en Y.
43
= 5000
= 907,918
907,918
= 5000
= 0,18
3.1.3 ANÁLISIS DE MOVIMIENTO COMBINADO
El tercer sistema a analizar es un mecanismo que genera movimiento semicircular en la mesa,
empleando un mecanismo de cuatro barras que produce un desplazamiento lineal al comienzo.
Para este apartado se implementó el programa de simulación Working Model 2D, como primer
paso y debido a que este sistema es más complejo que los presentados anteriormente se desarrolló
el mecanismo total en un ambiente 2D siguiendo los planos previos al montaje como es el
siguiente:
Ilustración 3.8 Posiciones para el movimiento combinado. Fuente: Elaboración propia
Usando la plataforma AutoCAD se crearon los bocetos, después de esto tan solo se llevó al
programa Working Model 2D, para completar su creación y corroborar las medidas y ángulos
correspondientes se usó el plano de ensamble (se encuentra en los anexos).
Para empezar a analizar los datos correspondientes y tal como se estableció en la tabla de
parámetros, para este diseño se busca poder suministrar una frecuencia de hasta 15 Hz en la salida
del mecanismo (entrada a la mesa), para esto se analizó en el programa la velocidad que relaciona
las RPM de entrada con las de salida, en este caso se tiene que:
44
95,077/( 1
)( 60
) = 907.918 2 1
Es decir que aproximadamente en la salida se tienen 15.13 Hz, valor que satisface el dato
solicitado, esto se puede constatar en la siguiente gráfica.
Ilustración 3.9Parámetros del movimientocombinadoa15Hz.Fuente:Elaboración
propia
Se puede observar que efectivamente el eslabón 1 cumple con lo mencionado anteriormente, se
toma claramente el valor que corresponde a la mitad del arco generado por el eslabón 1, esto se
debe a que en este punto se encuentra su velocidad máxima.
Ahora tan solo queda analizar el instante justo cuando comienza y justo cuando termina, en otras
palabras, cuando el eslabón 6 se encuentra en su punto muerto superior y en su punto muerto
inferior como si se tratase de un pistón.
45
PARA EL PUNTO MUERTO SUPERIOR.
Ilustración 3.10 Movimiento combinado (Punto muerto superior). Fuente: Elaboración
propia
Para este caso se observa que se cumple con la velocidad de 5000rpm para el eslabón 3, en este
punto se tiene que resaltar que de no ser por el eslabón 7 el mecanismo sufriría un agarrotamiento,
es decir no tendría movimiento ya que el arco de giro que genera el eslabón 5 en el trascurso lineal
de 20mm genera un desfase de aproximadamente 1,77mm lo suficiente para que se produzca este
fenómeno.
46
PARA EL PUNTO MUERTO INFERIOR.
Ilustración 3.11 Movimiento combinado (Punto muerto inferior). Fuente: Elaboración
propia
Se denota que en tan solo 0,030 segundos se genera ½ revolución, por lo tanto recorre 17º
aproximadamente, en consecuencia en 1 segundo son 16,66 las veces que el eslabón 1 hace su
recorrido, además, se evidencian los 1,77mm del eslabón 7.
47
3.2 PLANTEAMIENTO Y SELECCIÓN
El programa utilizado para realizar el modelado de los bocetos es el software de diseño SIEMENS
NX, el cual permite procesos tipo CAD/CAE/CAM, esencial para el desarrollo de proyectos de
ingeniería como elaboración de elementos, análisis de sistemas y producción industrial.
A continuación, se muestran los bocetos planteados para el sistema de generación de movimiento
de la mesa de vibraciones, identificando su funcionamiento, características principales y factores
tanto favorables como desfavorables del diseño.
3.2.1 DISEÑO 1
Ilustración 3.12.Vista isométrica boceto 1. Fuente: Elaboración propia
48
Funcionamiento
Este mecanismo permite el movimiento constante de la mesa de vibraciones, el cual se encuentra
delimitado en el plano X, Y mediante la superposición de un desplazamiento en el eje X y otro en
el eje Y de manera simultánea.
El proceso de vibración inicia con el movimiento rotativo suministrado por un motor ubicado
verticalmente, el cual transmite la potencia mediante un mecanismo de biela manivela como se
muestra en la figura anterior.
El movimiento es transmitido a una corredera dentada con desplazamiento lineal (eje X) la cual se
encuentra en contacto con un engrane de dientes rectos que descansa sobre un soporte sujeto a la
base, posteriormente este se conecta con otra corredera confinada en una guía que permite el
desplazamiento en una trayectoria X, Y.
El desplazamiento es aprovechado por una rueda dentada compuesta con una leva de cresta
redonda, la cual transforma el movimiento rotativo del engrane en un movimiento lineal final (eje
Y), mediante un seguidor.
A continuación, se muestran las posiciones de los elementos y los sentidos de giro para el instante
inicial y final del proceso.
Ilustración 3.13.Posiciones iniciales y sentidos de giro boceto 1. Fuente: Elaboración
propia
49
Listado de piezas
En la siguiente tabla se muestran enumeradas las piezas que componen el boceto del mecanismo,
respetivamente se puede apreciar la vista isométrica con estos elementos numerados.
Tabla 3.2. Listado de piezas boceto 1. Fuente: Elaboración propia
Ilustración 3.14.Posiciones finales boceto 1. Fuente: Elaboración propia
50
Ilustración 3.15.Montaje de piezas boceto 1. Fuente: Elaboración propia
Consideraciones
• Este diseño permite un movimiento constante en el plano X, Y mediante la combinación
del desplazamiento lineal del mecanismo en cada eje (X, Y).
• Su funcionamiento se basa en la transmisión del movimiento mediante engranajes (Rueda
dentada y cremallera) los cuales al ser elementos dentados implican encajes y alineaciones
complejas, con el fin de asegurar un contacto óptimo entre ellos durante el proceso, por lo
que un fallo mínimo en el acoplamiento puede generar una parada inmediata en la
máquina.
• La transmisión por engranajes implica elementos de transmisión con dimensiones
pequeñas que pueden transmitir magnitudes grandes de esfuerzo, por lo cual son una
opción útil para aplicaciones de poco espacio.
• Alto rendimiento suministrado por el conjunto.
• Los engranajes ofrecen una alta fiabilidad
• No son elementos convenientes si se desean utilizar frecuencias muy altas.
• Reducen considerablemente el torque suministrado por el motor.
• Utilizar engranajes implica desgaste en las superficies dentadas donde entran en contacto
los elementos, por lo que se hace necesario el uso de algún tipo de lubricación y en caso
de trabajarse altas frecuencias este elemento deberá cumplir el propósito de retirar calor
del material.
51
• Trabajar con este montaje a altas velocidades puede incurrir en altos niveles de ruido.
• Pueden ser elementos costosos según la frecuencia que deban suministrar, ya que entre
más alta sea esta, deberán estar conformados por materiales más resistentes o geometrías
que permitan un contacto más eficiente, por lo que los costos de mecanizado pueden ser
altos.
3.2.2 DISEÑO 2
Ilustración 3.16.Vista isométrica boceto 2. Fuente: Elaboración propia
52
Funcionamiento
Este mecanismo permite el movimiento constante de la mesa de vibraciones en el plano X, Y
describiendo una trayectoria circular.
El proceso de vibración inicia con el movimiento rotativo suministrado por un motor ubicado
verticalmente, el cual transmite la potencia mediante una polea conectada con otra de diámetro
menor, empleando una correa.
La polea más pequeña es ubicada sobre un soporte creado en la base que sirve de anclaje y sitio
de apoyo para el rodamiento de la polea.
La polea cuenta con un soporte excéntrico ubicado en la parte de arriba, el cual permite anclar la
guía superior que se ajusta directamente en la parte inferior de la mesa.
La carcasa tubular cumple una doble función, por un lado, funcionar como bastidor del sistema de
poleas y elementos ensamblados, además de esto, servir de soporte de la guía superior al formar un
encaje durante todo el proceso de giro.
A continuación, se muestran las posiciones de los elementos y los sentidos de giro para cuatro
instantes del proceso, uno inicial, dos intermedios y uno final.
Ilustración 3.17.Cambios de posición boceto 2. Fuente: Elaboración propia
53
Listado de piezas
En la siguiente tabla se muestran enumeradas las piezas que componen el boceto del mecanismo,
respetivamente se puede apreciar la vista isométrica con estos elementos numerados.
Tabla 3.3. Listado de piezas boceto 2. Fuente: Elaboración propia
Ilustración 3.18.Montaje de piezas boceto 2 (parte 1). Fuente: Elaboración propia
54
Ilustración 3.19.Montaje de piezas boceto 2 (parte 2). Fuente: Elaboración propia
Consideraciones
• Este diseño permite un movimiento constante en el plano X, Y, describiendo un
desplazamiento circular de la mesa.
• Su funcionamiento se basa en la transmisión del movimiento mediante poleas y correa
los cuales son elementos que permiten realizar un montaje relativamente sencillo y de
manera inversa al realizar un proceso de mantenimiento de la máquina son fácilmente
retirables para su cambio.
• Utilizar transmisión por correas implica poder manejar frecuencias altas para la mesa de
vibraciones, además, no se requiere de lubricación en este sistema, por lo que reduce en
gran medida los costes de control y mantenimiento; no obstante, sí se requiere de algún
tipo de lubricación en la carcasa tubular donde se encuentra ubicada la guía superior.
• Es posible trabajar con este montaje a altas velocidades sin producir niveles de ruido
considerables debido a la transmisión por correa.
• La correa es susceptible a las temperaturas altas debido a la condición de su material
(generalmente polimérico), además de ser deterioradas por condiciones ambientales
como humedad, polvo, residuos, etc.
• Las pérdidas de potencia suelen ser elevadas, lo cual afecta directamente el rendimiento
debido a deslizamientos iniciales por correas mal tensas.
• El mecanismo está compuesto por pocos elementos por lo que se reduce el riesgo de una
avería por el fallo de un sistema específico.
55
3.2.3 DISEÑO 3
Ilustración 3.20.Vista isométrica boceto 3. Fuente: Elaboración propia
Funcionamiento
Este mecanismo permite el movimiento constante de la mesa de vibraciones en el plano X, Y
describiendo una trayectoria semicircular.
El proceso de vibración inicia con el movimiento rotativo suministrado por un motor ubicado
verticalmente, el cual transmite potencia al sistema mediante el “Eslabón 3” que descansa sobre
un rodamiento ajustado en un soporte anclado a la pared.
El “Eslabón 3” posee un movimiento rotativo, sin embargo, el punto de conexión con el siguiente
eslabón está ubicado de manera excéntrica, por lo cual este elemento se va a comportar como una
56
manivela, a su vez el “Eslabón 2” se comporta como una biela que desplaza al “Eslabón 1” que
está pivotado en un rodamiento acoplado a un soporte de pared, este eslabón se comporta entonces
como un balancín, no obstante, cabe resaltar que el arco que se forma en la salida es sumamente
pequeño (casi recto).
El movimiento es transmitido al “Eslabón guía” el cual se asegura al “Eslabón 1” mediante un
encaje de seguridad.
El “Eslabón guía” realiza un movimiento lineal durante todo el proceso, para asegurar esto se
utilizan elementos que sirven de guía y de soporte para el eslabón, los cuales se ubican en la parte
trasera y en la mitad de este. El primero es la “Base de montaje 1” que sirve de elemento de
descanso para las pinzas deslizantes; el del intermedio es la “Base de montaje 2” que asegura al
eslabón, pero le permite cierta holgura para poder desplazarse.
El “Eslabón guía” se conecta con la palanca de giro que descansa sobre la “Base de montaje 3”,
mediante este proceso el movimiento lineal del eslabón guía se convierte en un movimiento
semicircular ejecutado por la mesa.
Listado de piezas
En la siguiente tabla se muestran enumeradas las piezas que componen el boceto del mecanismo,
respetivamente se puede apreciar la vista isométrica con estos elementos numerados.
Tabla 3.4. Listado de piezas boceto 3. Fuente: Elaboración propia
57
Ilustración 3.21.Montaje de piezas boceto 3 (Parte 1). Fuente: Elaboración propia
Ilustración 3.22.Montaje de piezas boceto 3 (Parte 2). Fuente: Elaboración propia
58
Consideraciones
• Este diseño permite el movimiento constante de la mesa de vibraciones en el plano X, Y
describiendo una trayectoria semicircular.
• Su funcionamiento se basa en la combinación de dos sistemas, inicialmente un mecanismo
de cuatro barras con salida por balancín, posteriormente el movimiento generado es
conectado a un elemento confinado que se mueve de manera lineal y finalmente un
movimiento semicircular.
• Este montaje posee más partes móviles que los demás diseños propuestos, por tal razón
podrían incurrir en mayores costos de fabricación, de mantenimiento y por supuesto de
lubricación, ya que para la fabricación de sus componentes predominan los materiales
metálicos.
• En vista de que los elementos van a estar en contacto repetitivo en el que se pueden
presentar desgastes, se hace necesario construir agujeros de lubricación en los puntos más
críticos.
• Este tipo de montaje requiere de piezas conectadas en una superficie vertical por lo cual
debe realizarse su ubicación en un espacio que permita esta condición.
• Este diseño es el más versátil, ya que, pese a ser el que más piezas contiene, también es el
que presenta elementos con dimensiones más reducidas y posiblemente también sea el de
menor peso.
3.2.4 ELECCIÓN DE DISEÑO FINAL
Para definir la viabilidad de los mecanismos propuestos anteriormente se utiliza como herramienta
de análisis una matriz de decisión, mediante la ponderación de cada boceto frente a diferentes
criterios se determina la mejor solución.
Definición de los criterios y justificación de la ponderación:
• Costo de fabricación: Este aspecto se refiere al valor aproximado que debe invertirse con
el fin de realizar la fabricación de los elementos de la máquina, por tal razón se tienen en
cuenta procesos como mecanizado complejo para ciertas piezas, procesos de fundición de
material, moldeo y lubricación. Los diseños que impliquen un costo mayor reciben una
valoración más pequeña en este aspecto.
• Sencillez del ensamble: Este criterio se refiere al grado de complejidad con el que el
mecanismo realiza su proceso de transmisión y transformación de movimiento, aumentar
el número de eslabones o piezas que intervienen aumenta costos, tiempos de
mantenimiento y un mayor grado de rigurosidad en el momento del ensamble. Los
59
diseños que impliquen un menor número de piezas en contacto y que permitan realizar
una transmisión más fluida del movimiento, reciben una valoración más elevada en este
aspecto.
• Confiabilidad: Este aspecto se refiere al grado de confianza que se le agrega al diseño,
implica que el diseño presente consistencia y un comportamiento estable durante su
proceso de funcionamiento, reduciendo tiempos de parada por errores y averías.
• Seguridad: Este criterio contempla la necesidad de un sistema seguro en caso de que se
presente un detenimiento abrupto del proceso, evitando daños a los elementos más críticos
de la maquina como el motor, además y aún más importante debe asegurarse en todo
momento la integridad del operario o usuario que esté utilizando el artefacto.
• Tamaño: Este criterio se refiere a qué tan grande es el mecanismo de la maquina ya
ensamblado y al espacio requerido para poder realizar su montaje. Los diseños que tengan
un tamaño más compacto, reciben una valoración más alta en este aspecto.
Para realizar correctamente la lectura de la tabla se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:
Ilustración 3.23.Lectura de la matriz de decisión. Fuente: Elaboración propia
1. Como se puede observar a cada criterio se le ha asignado un factor de ponderación, dicho valor
se ha deducido de manera subjetiva según el juicio del diseñador, la suma de las ponderaciones da
un total de 1 (100%).
2. El número observado en la parte superior es la valoración que se le da al diseño según el criterio,
esta calificación está dada entre 0 y 10, siendo 10 el valor ideal.
El número observado en la parte inferior se obtiene multiplicando la valoración de la parte
superior por el factor de ponderación, la sumatoria de estos es observada al extremo derecho de la
tabla.
60
Tabla 3.5. Matriz de decisión. Fuente: Elaboración propia
Como se puede evidenciar en la tabla se obtienen los datos de valoración para los tres diseños
planteados, siendo el valor más alto de 6.45 para el diseño 3, razón por la cual se decide
seleccionar este como el diseño a analizar
3.3 ANÁLISIS CAE
El programa utilizado para realizar el análisis del diseño seleccionado es el software SIEMENS
NX, en este caso se utilizará su herramental de simulación CAE, con el fin de evidenciar el
comportamiento de los elementos que componen el mecanismo al ser sometidos a magnitudes
específicas de carga, evidenciando los efectos generados sobre el eslabón como esfuerzos y
deformaciones.
Para realizar el proceso de análisis mediante elementos finitos se realizan los siguientes pasos:
• Con la pieza a analizar previamente abierta hacer clic en la pestaña “Archivo” y
seleccionar la opción “Preprocesamiento y postprocesamiento”.
• Hacer clic en la opción “FEM y SIM nuevos” lo que creara los entornos para la
configuración de parámetros y posterior solución del análisis.
• Verificar que estén activas las opciones de NX Nastran como solver para un análisis
estructural, estático lineal SOL 101-Restricciones globales.
• Asignar el material a la pieza desde la biblioteca de materiales del programa.
• Realizar el enmallado de la pieza, lo que generará una superficie sobre la cual realizar el
análisis, se debe tener en cuenta que el proceso de enmallado crea nodos en la superficie
del elemento, por lo que un enmallado más fino, con tamaños de nodo más pequeños van
a permitir mayor precisión, no obstante, los procesos pueden tardar considerablemente
dependiendo de la calidad de la malla y del procesador del equipo utilizado.
• Hacer clic en la ventana “SIM” lo que desplegará un nuevo abanico de opciones, de entre
las que se pueden elegir el tipo de restricciones a asignar a la pieza.
61
• Seleccionar el tipo de carga deseado, ya sea de fuerza, presión, torque, etc. y ubicarlo en
la zona requerida sobre la pieza, determinando su magnitud y dirección.
• Finalmente hacer clic en la opción “Resolver” y esperar a que el programa realice el
proceso de análisis, dichos valores son contenidos en la carpeta “Resultados” en donde se
pueden observar la deformación nodal (en mm), los esfuerzos generados (en Mpa), la
deformación física del objeto, entre otros parámetros.
3.3.1 SELECCIÓN DE MATERIALES
Para realizar el procedimiento del análisis CAE se deben reconocer aquellos factores que implican
mayor relevancia para el proceso de movimiento; en vista de ello la primera acción es determinar
el peso de los eslabones, soportes, elementos y juntas que componen el mecanismo, con el fin de
evidenciar las cargas que deben soportar debido al efecto de su propia masa y de la gravedad, no
obstante, el peso de cada pieza estará definido por el material del cual estén fabricados.
La gama de materiales utilizados fue seleccionada tomando en consideración la biblioteca
predeterminada por el software de NX, dichos materiales fueron escogidos para dos casos en
particular.
• Elementos estáticos: Como soportes, guías o piezas que se encuentran anclados o son
parte de la bancada.
1. Aluminio 2014
2. Aluminio 6061
3. Acero
• Elementos dinámicos: Como eslabones, juntas o pasadores que se encuentran en
movimiento o contacto repetitivo con otros.
4. Acero SAE 4340
5. Latón
6. Bronce
1. La aleación de aluminio 2014 está indicada para la construcción de elementos estructurales que
requieran elevadas características mecánicas, en aeronáutica, piezas forjadas para bicicletas
(mariposas, bielas, frenos, etc.), motos, y en general para la construcción de herrajes, tornillos,
pernos, remaches, palas forjadas para hélices de helicópteros, armamento, etc. (Teknika,2019)
Aleación tratable al calor, de alta resistencia, de alta resistencia a la fatiga.
Designación: - 3.1255/ EN AW 2014
- DIN AlCu4S iMg
62
- UNS A92014
Tabla 3.6. Composición química del aluminio 2014. Fuente: Elaboración propia.Fuente:Delta Trading
2. La aleación de aluminio 6061 es una de las más utilizadas de la serie 6000 y posee buena
conformabilidad con una resistencia de media a alta. El aluminio 6061 presenta una muy buena
resistencia a la corrosión y óptima soldabilidad, aunque con una resistencia reducida en la zona
de soldadura.
Esta aleación de uso general puede ser trabajada en frío, anodizada, recocida y extruida y se ha
utilizado en una amplia gama de aplicaciones tales como estructuras de alta resistencia que
requieren buena resistencia a la corrosión, componentes aeroespaciales y de aviación, vagones de
ferrocarril, transporte, accesorios marinos, válvulas, maquinaria y tuberías.(Teknika,2019)
Designación: - 3.3211/ EN AW 6061
- DIN AlMg1S iCu
Tabla 3.7. Composición química del aluminio 6061. Fuente: Fuente:Delta Trading
63
3. Aleación formada de hierro y una pequeña cantidad de carbono que oscila entre el 0.05% y el
2.00% en masa, y otros elementos en menor proporción como silicio, manganeso, cromo, entre
otros. (MIPSA.2019)
Dentro de las propiedades que presenta el acero, se mencionan las más importantes a
continuación:
• Ductilidad
• Dureza
• Resistencia
• Maleabilidad
• Tenacidad
4. Acero de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo. Posee buena resistencia a la fatiga, alta
templabilidad, excelente tenacidad, regular maquinabilidad y baja soldabilidad. No presenta
fragilidad de revenido. Apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecánicas.
Para la fabricación de piezas y herramientas sometidas a las más grandes exigencias y a los más
altos esfuerzos estáticos y dinámicos. Cigüeñales, cardanes, piñones, pernos y tornillos de alta
resistencia, engranajes para máquinas, discos de freno, barras de torsión y árboles de transmisión.
Tabla 3.8. Composición química del acero SAE 4340. Fuente: Fuente:Delta Trading
5. El latón es una aleación formada de cobre y zinc, por la fusión del cobre con un mineral del
zinc, la calamina, para que el latón que sea industrial, el porcentaje utilizado de Zinc no puede ser
menos del 20% y no debe sobrepasar el 40%, pues está composición puede influir en
características mecánicas, como la capacidad de conformación por fundición, la fusibilidad, el
troquelado o el mecanizado. (Mecanizadossinc, 2019)
El latón común presenta las siguientes características:
• Ductilidad
• Es maleable en frío (nunca en caliente porque se puede quebrar). Esta maleabilidad varía
según la composición o la temperatura y cambia si se mezcla el latón con otros materiales.
• El latón se funde alrededor de los 980 ºC. Se puede fundir y colar con moldes para obtener
piezas de geometría complejas.
• Resistente a la oxidación, corrosión, al desgaste y a las condiciones salinas.
• Es de fácil y uniforme mecanizado; es fácil de mecanizar, fundir y troquelar, pero es más
duro que el cobre. Además, admite pocos tratamientos térmicos y solo se realiza el de
cristalización y homogeneización.
64
Se puede usar para armamento, soldaduras, cerraduras, engranajes, munición, fontanería,
construcción naval, válvulas, tornillos, enchufes, clavijas, termostatos, alambres, tubos de
condensador y terminales eléctricas.
6. El bronce es una aleación metálica formada de cobre, como componente básico y de estaño,
con una proporción del 3 al 20%. Aun así, también puede incluir otros materiales en pequeñas
cantidades como de plomo, cinc, fósforo o plata, entre muchos otros. El proceso de mecanizado
del bronce es sencillo, aunque tiene una elongación y ductilidad menor que el acero, por lo que
requiere un cuidado más específico.
Hoy en día, es especialmente útil para el sector mecánico, pues este cuenta con un gran
comportamiento frente al desgaste y es resistente a la corrosión. Gracias a esto, el bronce es muy
útil para la fabricación de engranajes, tubos, manguitos, casquillos o cojinetes, entre otros.
(Mecanizadossinc, 2019)
El bronce común presenta las siguientes características:
• El bronce es más frágil y tiene menos puntos de fusión.
• Es un 10% más pesado que el acero.
• Resiste la corrosión (incluso la de origen marino) y es mejor conductor del calor y de la
electricidad.
• Ausencia de chispas al golpear la superficie dura del bronce.
• Versatilidad en sus propiedades físicas, mecánicas y químicas.
Para realizar el proceso de medición de la masa y el peso de las piezas que conforman el
mecanismo, se realiza el siguiente procedimiento:
• Abrir la pestaña de “Menú”, seleccionar la opción “Materiales” y asignar el material
deseado a la pieza.
• Abrir nuevamente la pestaña “Menú”, seleccionar la opción “análisis” y dar clic en la
sección de “Medir el cuerpo”, de esta forma el programa arrojará varios parámetros físicos
de la pieza, entre los cuales se encuentra la masa y el peso.
65
Dichos valores son consignados a continuación:
Tabla 3.10. Peso de las piezas dinámicas para tres materiales. Fuente: Elaboración propia
Teniendo en cuenta las propiedades mecánicas ofrecidas por los materiales, sus características
principales y el peso que le atribuyen a los distintos elementos del mecanismo se opta por utilizar
la aleación 2014 del aluminio para los elementos estáticos y la aleación de acero SAE 4340 para
los elementos dinámicos, tomando en consideración los siguientes aspectos:
• El aluminio 6061 posee propiedades mecánicas similares al 2014, además lo aventaja al
ser un poco más liviano, sin embargo, este material pierde bastante resistencia en la zona
de soldadura el cual es un factor determinante debido a que muchas de las piezas del
mecanismo deben ser soldadas para realizar su fabricación.
• El acero posee mejores propiedades mecánicas que el aluminio 2014, como un mayor
límite elástico y una mayor resistencia a la tensión y a la compresión, sin embargo, es tres
veces más pesado que el aluminio, factor que influye directamente en la carga que debe
66
soportar el sistema, además realizar el proceso de mecanizado en acero requiere de
herramientas más resistentes para poder vencer la dureza del metal durante la fabricación.
• Tanto el latón como el bronce presentan excelentes propiedades mecánicas, sin embargo,
el latón no permite muchos procesos de tratamiento térmico, el acero SAE 4340 tiene
límites de elasticidad y valores de resistencia muy superiores, además es el más liviano de
los tres, convirtiéndose en la opción más viable en este caso ya que es utilizado para
aplicaciones de alta exigencia y grandes esfuerzos.
3.3.2 ANÁLISIS DE ELEMENTOS ESTÁTICOS
Pese a que los elementos estáticos no están en movimiento, cumplen un papel fundamental en el
proceso de funcionamiento del mecanismo, ya que deben mantenerse completamente fijos en todo
momento, sin ceder ante las cargas producidas por la fuente de potencia (Motor) o el peso de las
piezas soportadas.
A continuación, se muestra el análisis realizado a cada pieza mostrada en la tabla 8.3 para la
aleación seleccionada (Aluminio 2014), cabe destacar que para el valor de carga con el que se
realizará el análisis CAE, se hará la suposición de que el sistema está más cargado de lo normal y
tal caso estará dado si todos los elementos dinámicos están construidos con la aleación de bronce.
3.3.2.1 BASE DE MONTAJE 1
El primer elemento a analizar es la “Base de montaje 1”, es la encargada de sostener
la parte trasera del eslabón guía por lo que se deben considerar las cargas producidas
por los elementos que están siendo soportados con el fin de seleccionar una
magnitud aproximada de fuerza.
Este elemento soporta la carga de cinco piezas:
• Dos pinzas deslizantes (de bronce)
• El encaje del eslabón guía (de aluminio o de acero según el caso)
• Eslabón guía (de bronce)
Nota: El peso del eslabón guía no es completamente soportado por la base de montaje 1, ya que
este también es soportado por la base de montaje 2, no obstante, para el caso de análisis se
supondrá que todo el peso del eslabón está sobre la base de montaje 1 para efectos de sobrecarga.
Para el análisis con aluminio 2014 se muestra la carga de los elementos en Newton (N):
• Dos pinzas deslizantes (1.034 N)
• El encaje del eslabón guía (0.937 N)
• Eslabón guía (11.823 N)
Carga aplicada en la zona: 13.794 N
67
Ilustración 3.24.Asignación del material (Base de montaje 1). Fuente: Elaboración propia
Ilustración 3.25.Proceso de enmallado tetraédrico (Base de montaje 1). Fuente:
Elaboración propia
Ilustración 3.26.Ubicación de las restricciones (Base de montaje 1). Fuente: Elaboración propia
68
Ilustración 3.27.Ubicación de las cargas (Base de montaje 1). Fuente: Elaboración propia
En las imágenes mostradas anteriormente, se puede evidenciar el proceso llevado a cabo para
analizar la pieza (Base de montaje 1) para el aluminio 2014, cabe resaltar que se realizara un
proceso similar para las otras piezas.
Ilustración 3.28.Deformación y esfuerzos (Base de montaje 1). Fuente: Elaboración propia
Como se puede observar en la imagen mostrada anteriormente bajo una carga de 13.794 N el
aluminio 2014 sufre una deformación de 7.34942−6mm, es decir un valor de aproximadamente
7.34 nanómetros. Por lo que es una deformación extremadamente pequeña.
Por otro lado, el software también suministra el valor obtenido para el esfuerzo de Von Mises el
cual tiene un valor máximo para este caso de 0.0328 Mpa
69
3.3.2.2 TAPA BASE 1
La tapa base 1 no está sometida a la carga de algún elemento externo, no obstante, en una situación
en la que el eslabón guía intente desalinearse las pinzas deslizantes evitaran esto al estar
confinadas por la base de montaje y por la tapa, generando una fuerza vertical hacía arriba aplicada
en la parte inferior de la tapa base, sin embargo, existen otros dos puntos de sujeción a lo largo
del eslabón guía, por lo que dicha fuerza es muy pequeña y no se considera crítica.
3.3.2.3 BASE DE MONTAJE 2
La “Base de montaje 2” es la encargada de sostener la parte frontal del eslabón guía, por tal razón
se deben considerar las cargas producidas por los elementos que están siendo soportados con el
fin de seleccionar una magnitud aproximada de fuerza.
• Su tapa base (de aluminio o de acero según el caso)
• Eslabón guía (de bronce)
Nota: El peso del eslabón guía no es completamente soportado por la base de montaje 2, ya que
este también es soportado por la base de montaje 1, no obstante, para el caso de análisis se
supondrá que todo el peso del eslabón está sobre la base de montaje 2 para efectos de sobrecarga.
Para el análisis con aluminio 2014 se muestra la carga de los elementos en Newton (N):
• Su tapa base (0.413 N)
• Eslabón guía (11.823 N)
Carga aplicada en la zona: 12.236 N
Ilustración 3.29.Enmallado, restricción y carga (Base de montaje 2). Fuente: Elaboración
propia
70
Ilustración 3.30.Deformación y esfuerzos (Base de montaje 2). Fuente: Elaboración propia
Como se puede observar en la imagen mostrada anteriormente bajo una carga de 13.794 N el
aluminio 2014 sufre una deformación de 2.03129−5mm, aproximadamente 20.31 nanómetros. Por
lo que es una deformación es extremadamente pequeña.
Por otro lado, el software también suministra el valor obtenido para el esfuerzo de Von Mises el
cual tiene un valor máximo para este caso de 0.0500 Mpa
3.3.2.4 TAPA BASE 2
La tapa base 2 no está sometida a la carga de algún elemento externo, no obstante, en una situación
en la que el eslabón guía intente desalinearse la tapa evitara esto, generando una fuerza vertical
hacía arriba aplicada en la parte inferior de la tapa base, sin embargo, existen otros dos puntos de
sujeción a lo largo del eslabón guía, por lo que dicha fuerza es muy pequeña y no se considera
crítica.
3.3.2.5 ENCAJE DEL ESLABÓN GUÍA
Este elemento es el encargado de conectar al eslabón guía con la base de montaje 1 y estar ajustado
por forma con las pinzas deslizantes, por tal razón se debe considerar la carga producida por el
elemento que está siendo soportado con el fin de seleccionar una magnitud aproximada de fuerza.
• Eslabón guía (Bronce)
Nota: Al igual que para la base de montaje 1, el peso del eslabón guía es soportado por la base de
montaje 1 y la base 2, no obstante, para el caso de análisis se supondrá que todo el peso del eslabón
está sobre el encaje y pospuesto sobre la base de montaje 1, para efectos de sobrecarga.
71
Para el análisis con aluminio 2014 se muestra la carga de los elementos en Newton (N):
• Eslabón guía (11.823 N)
Carga aplicada en la zona: 11.823 N
Ilustración 3.31.Enmallado, restricción y carga (Encaje del eslabón guía). Fuente:
Elaboración propia
Ilustración 3.32.Deformación y esfuerzos (Encaje del eslabón guía). Fuente: Elaboración
propia
Como se puede observar en la imagen mostrada anteriormente bajo una carga de 11.823 N el
aluminio 2014 sufre una deformación de 3.36835−3mm, aproximadamente 3.36 micras. Por lo
que es una deformación es bastante pequeña.
72
Por otro lado, el software también suministra el valor obtenido para el esfuerzo de Von Mises el
cual tiene un valor máximo para este caso de 2.408 Mpa
3.3.2.6 SOPORTE DE PARED 1
Este elemento es el encargado de sostener el peso del “Eslabón 1” además del rodamiento que
permite que este rote libremente, por tal razón se deben considerar las cargas producidas por los
elementos que están siendo soportados con el fin de seleccionar una magnitud aproximada de
fuerza.
• Rodamiento de bolas 4200BBTVH
• Eslabón 1 (de bronce)
Para el análisis con aluminio 2014 se muestra la carga de los elementos en Newton (N):
• Rodamiento de bolas 4200BBTVH (0.500 N)
• Eslabón 1 (3.687 N)
Carga aplicada en la zona: 4.187 N
Ilustración 3.33.Enmallado, restricción y carga (Soporte de pared 1). Fuente: Elaboración
propia
73
Ilustración 3.34.Deformación y esfuerzos (Soporte de pared 1). Fuente: Elaboración
propia
Como se puede observar en la imagen mostrada anteriormente bajo una carga de 4.187 N el
aluminio 2014 sufre una deformación de 1.07483−3mm, aproximadamente 1.07 micras. Por lo
que es una deformación sumamente pequeña.
Por otro lado, el software también suministra el valor obtenido para el esfuerzo de Von Mises el
cual tiene un valor máximo para este caso de 0.914 Mpa
3.3.2.7 SOPORTE DE PARED 2
Este elemento es el encargado de sostener el peso del “Eslabón 3” además de los dos rodamientos
que permiten que este rote libremente, junto con el “Eslabón 2” por tal razón se deben considerar
las cargas producidas por los elementos que están siendo soportados con el fin de seleccionar una
magnitud aproximada de fuerza.
• Dos rodamientos de bolas 4202BBTVH
• Eslabón 2 (de bronce)
• Eslabón 3 (de bronce)
Para el análisis con aluminio 2014 se muestra la carga de los elementos en Newton (N):
• Dos rodamientos de bolas 4202BBTVH (1.568 N)
• Eslabón 2 (1.149 N)
• Eslabón 3 (1.071N)
Carga aplicada en la zona: 3.788 N
74
Ilustración 3.35.Enmallado, restricción y carga (Soporte de pared 2). Fuente: Elaboración
propia
Ilustración 3.36.Deformación y esfuerzos (Soporte de pared 2). Fuente: Elaboración
propia
Como se puede observar en la imagen mostrada anteriormente bajo una carga de 3.788 N el
aluminio 2014 sufre una deformación de 1.81219−3mm, aproximadamente 1.81 micras. Por lo
que es una deformación sumamente pequeña.
Por otro lado, el software también suministra el valor obtenido para el esfuerzo de Von Mises el
cual tiene un valor máximo para este caso de 0.407 Mpa
75
3.3.2.8 BASE DE MONTAJE 3
La “Base de montaje 3” es la encargada de sostener la palanca de giro y su respectivo eslabón,
por tal razón se debe considerar las cargas producidas por los elementos que están siendo
soportados con el fin de seleccionar una magnitud aproximada de fuerza.
• Palanca de giro (de bronce)
• Eslabón palanca de giro (de bronce)
Para el análisis con aluminio 2014 se muestra la carga de los elementos en Newton (N):
• Palanca de giro (35.310 N)
• Eslabón palanca de giro (0.403 N)
Carga aplicada en la zona: 35.713 N
Ilustración 3.37.Enmallado, restricción y carga (Base de montaje 3). Fuente: Elaboración
propia
76
Ilustración 3.38.Deformación y esfuerzos (Base de montaje 3). Fuente: Elaboración propia
Como se puede observar en la imagen mostrada anteriormente bajo una carga de 35.713 N el
aluminio 2014 sufre una deformación de 2.51783−6mm, aproximadamente 2.51 nanómetros.
Por lo que es una deformación en extremo pequeña
Por otro lado, el software también suministra el valor obtenido para el esfuerzo de Von Mises el
cual tiene un valor máximo para este caso de 0.0445 Mpa.
Como se puede apreciar en el análisis previamente realizado, las piezas estáticas al estar sometidas
a las cargas de los eslabones y elementos dinámicos, son deformadas por los efectos del esfuerzo,
no obstante, los valores obtenidos para estos dos factores para cada una de las piezas son
sumamente pequeños.
Si el sistema estuviese funcionando en la realidad la variación del peso estaría dada sobre la
palanca de giro, ya que es sobre este lugar donde se monta la mesa y los objetos a analizar, los
cuales pueden variar en su geometría, volumen y por supuesto en masa. Por tal razón la mesa
soportará diferentes valores de peso durante su tiempo de trabajo, por lo que definir un límite de
peso es esencial.
Las máquinas de ensayo denominadas “tablas de vibración” de la tabla xx permiten generar
magnitudes de frecuencia de 2.5 a 5 Hz debido a que manejan pesos de hasta 100Kg
(aproximadamente 1000N), tomando esto en consideración y dado que con el diseño propuesto se
desean suministrar frecuencias bajas/medias de hasta 15 Hz aproximadamente, para el análisis de
elementos de baja a media escala, se opta por delimitar la carga máxima soportada hasta los 30kg
(aproximadamente 300N)
77
Ilustración 3.39.Deformación y esfuerzos bajo carga máxima. Fuente: Elaboración propia
Como se puede observar en la anterior imagen bajo una carga de 300 N el aluminio 2014 sufre
una deformación de 2.11505−5mm, aproximadamente 21.15 nanómetros. Por lo que es una
deformación muy pequeña.
Por otro lado, el software también suministra el valor obtenido para el esfuerzo de Von Mises el
cual tiene un valor máximo para este caso de 0.374 Mpa.
3.3.3 ANÁLISIS DE ELEMENTOS DINÁMICOS
Para este apartado primero se tomó en consideración el peso total sumado por todas las piezas del
mecanismo, el cual es de aproximadamente 10kg, por otro lado, en la plataforma se desean evaluar
piezas o elementos de hasta 5kg, todo con un total de 15kg, sin embargo, en el mecanismo se van
a presentar rozamientos entre piezas durante su funcionamiento, ya sea por los rodamientos,
desalineamiento o desajuste, es por esto que se sobredimensionó el peso total hasta un valor de
30kg, considerando un dato para la gravedad de 9.8/2, resultando en una fuerza de 294N,
tomando este como un valor crítico, se evalúa cada una de las piezas móviles.
Para detallar las velocidades en cada eslabón más fácil se desarrolló la siguiente tabla (tener en
cuenta que el orden y los valores se tomaron del apartado 3.1.3 de esta sección.
78
Mitad del recorrido
eslabón velocidad aceleración (m/s^2)
1 2,270 m/s 224
2 4,958 m/s 538
3 5000rpm 0
4 2,165 m/s 58
5 2,442 m/s 290
6 4,871 m/s 546
7 4,870 m/s 556
Punto muerto superior
eslabón velocidad aceleración (m/s^2)
1 0,427 m/s 6,41E+07
2 1,078 m/s 5,85E+08
3 5000rpm 0
4 1,187 m/s 1
5 0,468 m/s 1275.66
6 3,001 m/s 4,59E+08
7 2,007 m/s 1,63E+08
Punto muerto inferior
eslabón velocidad aceleración (m/s^2)
1 0,427 m/s 1372,056
2 0.484 m/s 2791,656
3 5000rpm 0
4 1.106 m/s 1185,202
5 0.177 m/s 1370,491
6 0.354 m/s 2725,019
7 0.352 m/s 2.729 Tabla 1,11 resumen de velocidades y aceleraciones de partes dinámicas fuente: elaboración propia
79
3.3.3.1 PINZA DESLIZANTE BASE
Para este tipo de pieza parece que su deformación es demasiada, sin embargo, esto se emplea sin
usar un apoyo inferior, por otro lado, a esta pieza no se le ejerce una fuerza similar ya que esta
solo sirve de guía, su deformación es de 0,129mm
Ilustración 3.40.Deformación (Pinza deslizante base 1). Fuente: Elaboración propia
80
3.3.3.2 ESLABÓN GUÍA
Esta pieza es la que está sometida a más cargas, más exactamente a tres, se detalla que en teoría la
fuerza se debe dividir en dos pero para nuestro caso no lo hicimos para que nuestro diseño tenga un
mayor grado de confiabilidad y durabilidad al estar bajo el efecto de una carga sobredimensionada.
Ilustración 3.41.Deformación y esfuerzos (Eslabón guía). Fuente: Elaboración propia
81
3.3.3.3 ENCAJE ROTACIONAL ESLABON GUÍA
En este caso se calculan los efectos de la carga sólo por un lado, ya que la pieza presentada es
simétrica.
Ilustración 3.42.Deformación y esfuerzos (Encaje rotacional eslabón guía). Fuente:
Elaboración propia
82
3.3.3.4 ESLABÓN 1
Ahora para el eslabón 1 se presenta en dos zonas el esfuerzo, ya que en la tercera solo sirve para
el rodamiento y su rotación previa, sin embargo, se generó la simulación para los tres con un
resultado de deformación de 0.0292mm y con un esfuerzo de 47.05MPa.
Ilustración 3.43.Deformación y esfuerzos (Encaje rotacional Eslabón 1). Fuente:
Elaboración propia
83
3.3.3.5 ESLABÓN 2
En este caso se calculan los efectos de la carga sólo por un lado, ya que la pieza presentada es
simétrica.
Ilustración 3.44.Deformación y esfuerzos (Eslabón 2). Fuente: Elaboración propia
84
3.3.3.6 ESLABÓN 3
Para el análisis de este eslabón se observa en las imágenes superiores cómo se ubicó un par de
torsión, y después como se aprecia en las imágenes inferiores, se combinó el torque y una fuerza,
este par de torsión se usó debido a que es en este eslabón donde esta acoplado el motor y por tanto
se genera una rotación de su eje de simetría, ahora se comprueba que el diseño es funcional debido
a que se presenta una deformación de tan solo 0.00033mm y un esfuerzo de 48.83MPa.
Ilustración 3.45.Deformación y esfuerzos (Eslabón 3). Fuente: Elaboración propia
85
3.3.3.7 PALANCA DE GIRO
Para la palanca de giro solo se presenta en un punto el tirón de la fuerza este lo aplica el eslabón
que se introduce, para este caso se generó una deformación de 0.0056mm y un esfuerzo de 44.43
MPa.
Ilustración 3.46.Deformación y esfuerzos (Palanca de giro). Fuente: Elaboración propia
86
3.3.3.8 ESLABÓN PALANCA DE GIRO
En este caso se calculan los efectos de la carga sólo por un lado, ya que la pieza presentada es
simétrica
Ilustración 3.47.Deformación y esfuerzos (Eslabón palanca de giro). Fuente: Elaboración
propia
87
3.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS
En primera instancia, al realizar el planteamiento de los bocetos para el mecanismo se
tenían como criterios a cumplir dos aspectos principales, por un lado se debía suministrar
un valor de frecuencia de manera constante al espacio que sostenía a la mesa y por otro
lado, debía soportar la carga de sus propios componentes y del elemento a analizar sin
deformarse excesivamente. Para el primer caso se realizó un proceso analítico empleando
el software de Working Model 2D
Mediante la tabla 3.11 se pueden observar las velocidades y aceleraciones de los
eslabones, sin embargo, los eslabones que presentan más criticidad son el de salida y el
de conexión con el motor, respectivamente son el eslabón 1 y eslabón 3, como primer
apartado se tiene que aclarar que la velocidad del motor es constante es decir no se
presencia aceleración en este, en segunda instancia y de acuerdo a la relación presentada
en el apartado 3.1.3 se evidencia la frecuencia de salida en este caso de 15Hz
aproximadamente, se toma el valor medio del recorrido ya que este es donde se presencia
la mayor velocidad del eslabón de salida ya que posteriormente se presenta una
desaceleración.
La propuesta elegida se especificó bajo unas condiciones de diseño particulares
(geometría, forma, tamaño) las cuales se cumplieron con total cabalidad ya que tanto los
valores de deformaciones, como de esfuerzos presentan un comportamiento satisfactorio
respecto a las pruebas con elementos finitos realizadas en el programa Nx, para poder
evidenciar esto el lector se pueden dirigir desde la ilustración 3.24 hasta la 3.47, Se debe
aclarar que visualmente parece que la pieza se deformo extremadamente, pero esto no es
verídico, tan solo el programa exalta este detalle para observar con más precisión las
partes afectadas y esto se confirma con las unidades a sus costados que están en mm.
Se puede decir que el diseño desarrollado es funcional, sin embargo, es pertinente resaltar
que posee varias falencias respecto a otros sistemas, en primer lugar un mecanismo
eslabonado como este no va a poder suministrar valores altos de frecuencia en su salida,
debido a que sus elementos deben realizar movimientos de traslación, rotación o
combinaciones de ambos, y aunque sean elementos de poco tamaño o poca masa, están
constantemente en contacto, lo cual puede generar desgastes o choques, dicho
comportamiento se evidencia en el diseño, donde se requiere de una entrada de 5000 rpm
(aproximadamente 83.3 Hz) para suministrar una salida de 900 rpm es decir 15 Hz , lo
cual implica una relación de tan sólo 0.18.
88
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
-Se analizaron las características de los diseños propuestos y se eligió el más adecuado
empleando criterios y evaluándolos, gracias a una ponderación en la tabla 3.5.
-Se presentaron varias alternativas para la generación del movimiento combinado, pero
se eligió la última propuesta y a esta se le realizó un proceso de análisis CAE con sus
parámetros de carga, esfuerzo y deformación los cuales satisficieron adecuadamente el
diseño (15hz).
-Tomando como referencia los planos elaborados para el diseño, se recomienda realizar
el proceso CAM para los eslabones y componentes del mecanismo con el fin de establecer
el procedimiento requerido para manufacturar las piezas, así como la programación
necesaria si se trabaja con una máquina CNC o la tarea manual efectuada por un operario,
para determinar el tiempo, herramental y costo requerido para mecanizar las piezas.
-Es recomendable diseñar la mesa de vibraciones tomando como base de funcionamiento
el mecanismo desarrollado en este proyecto, ya que continuar con el proceso intelectual
de diseñar la mesa, permitiría más adelante construir la maquinaría con el fin de incentivar
el desarrollo de la infraestructura de la universidad, el proceso de aprendizaje de los
estudiantes y la metodología del grupo de investigación DISING y el semillero SIMEC.
-En vista del proceso realizado en este proyecto se recomienda darle continuidad al trabajo
investigativo, al rigor en la formación de las áreas del conocimiento implicadas, al diseño,
al dibujo de máquinas, a la conformación de elementos, la ideación de procesos y la
aplicación de los materiales, porque son estos algunos de los conceptos que rigen el
funcionamiento de todo tipo de maquinaria, por tal razón es esencial para un tecnólogo
desarrollar experticia en sus habilidades, estableciendo una secuencia lógica,
identificando un problema y planteando las posibles soluciones.
89
BIBLIOGRAFIA
[1] ACEROSBRAVO. (25 de 05 de 2019). ACEROS BRAVO. Recuperado el 25 de 05 de 2019,
de ACEROS BRAVO: http://www.acerosbravo.cl/productos-
pro.php?idcat=2&idpro=51&fbclid=IwAR0mbjScgZfPiVQxO0DCQX3gNEAPLCU7f
vjLw35SXhALSNoOg-nO2T_MjkU
[2] ACEROSBRAVO. (25 de 05 de 2019). CATÁLOGO DE PRODUCTOS. Recuperado el 25
de 05 de 2019, de CÁTALOGO DE PRODUCTOS:
http://www.acerosbravo.cl/imgmodulo/Imagen/116.pdf
[3] ASLi Testing. (10 de 05 de 2019). Recuperado el 10 de 05 de 2019, de
https://www.aslitesting.com/page-2.html
[4] BRECON. (10 de 05 de 2019). BRECON "Tecnología vibratoria inteligente". Recuperado el
10 de 05 de 2019, de BRECON "Tecnología vibratoria inteligente":
https://brecon.de/es/la-empresa/
[5] Carbonell, M; Martínez, E; Flórez, M. (2017). «Teoría de las vibraciones mecánicas».
Recuperado de http://ocw.upm.es/ingenieria-agroforestal/fisica-aplicada-a-la
ingeniería/contenidos/tema-4/VIBRACIONESMECANICAS.pdf
[6] Chagigah. (20 de 09 de 2015). AJUSTE DE CONTRAPESOS motovibrador. Brasil.
[7]DeltaTrading. (17 de 05 de 2019). Delta Trading. Recuperado el 17 de 05 de 2019, de Delta
Trading: https://www.delta-trading.de/es/detalles-del-producto/aluminio-y-metales-
pesados/material-no-31255-en-aw-2014-
aluminio/?fbclid=IwAR3x8jC045dRpjVdRwYr1T8pxAdXecqVmgvCGY9L-
q5lMOVrCUmrcUQDVho
[8] DeltaTrading. (17 de 05 de 2019). Delta Trading. Recuperado el 17 de 05 de 2019, de Delta
Trading: https://www.delta-trading.de/es/produkte/nickel-und-titanlegierungen/
[9] Estrucplan. (s. f). Recuperado el 15 de marzo de 2019, de Estrucplan:
https://estrucplan.com.ar/articulos/historia-de-las-vibraciones-a-traves-de-biografias/
[10] Goaiberica. (s.f.). Recuperado el 15 de marzo de 2019, de Goaiberica:
http://goaiberica.com/analisis-vibraciones-mecanicas/|
[11] Italvibras. (17 de 05 de 2019). CATÁLOGO GENERAL ES010. Recuperado el 17 de 05 de
2019, de CATÁLOGO GENERAL ES010:
http://www.italvibras.it/user/upload_inc_spagnolo_new/spagnolo_completo.pdf
[12] Judith Morales. (2017). «DISEÑO, PROTOTIPAJE Y CARACTERIZACIÓN DE UNA
MESA SÍSMICA DE 1 GRADO DE LIBERTAD A ESCALA» (Tesis de pregrado).
Recuperado de https://uvadoc.uva.es/bitstream/10324/23081/1/TFG-I-587.pdf
[13] Madeinchina. (10 de 05 de 2019). Recuperado el 10 de 05 de 2019, de https://es.made-in-
china.com/co_aslitesting/image_Electronic-Transportation-Paperboard-Vibration-
Table-Testing-Machine_eeeogrneg_aGCRNmdPkOqk.html
90
[14] Madeinchina. (10 de 05 de 2019). Made in china. Recuperado el 10 de 05 de 2019, de Made
in china: https://es.made-in-china.com/co_aslitesting/product_Electronic-
Transportation-Paperboard-Vibration-Table-Testing-Machine_eeeogrneg.html
[15] Madeinchina. (15 de 05 de 2019). Made in china. Recuperado el 15 de 05 de 2019, de Made
in china: https://es.made-in-china.com/co_aslitesting/product_Electrodynamic-Shaker-
High-Frequency-Vibration-Shaker-Test-
System_egghhnsog.html?fbclid=IwAR1euNJIuseGcDIn8yTU8loHflyl3K2DdoIJT-
wCzx9cvWvEneuIN_ACJi0
[16] Madeinchina. (15 de 05 de 2019). Made in china. Recuperado el 15 de 05 de 2019, de Made
in china: https://es.made-in-china.com/co_aslitesting/image_Electrodynamic-Shaker-
High-Frequency-Vibration-Shaker-Test-System_egghhnsog_sUHYMzRoHybi.html
[17] (16 de 05 de 2019). Made in china. Recuperado el 16 de 05 de 2019, de Made in china:
https://es.made-in-china.com/co_aslitesting/image_Frequency-Electrodynamic-
Vibration-Shaker-System_egguheuhg_rAuQyBmFybqW.html
[18] MECANIZADOSSINC. (25 de 05 de 2019). MECANIZADOS DE PRECISIÓN.
Recuperado el 25 de 05 de 2019, de MECANIZADOS DE PRECISIÓN:
https://www.mecanizadossinc.com/mecanizado-laton-propiedades-tipos-
aplicaciones/?fbclid=IwAR2I6RqdRRpW_qxBXeWD3dEhCSmjbdQi33Sd99vlFJ5Whr
pUlKpx3OvlklI
[19] MECANIZADOSSINC. (25 de 05 de 2019). MECANIZADOS DE PRECISIÓN.
Recuperado el 25 de 05 de 2019, de MECANIZADOS DE PRECISIÓN:
https://www.mecanizadossinc.com/bronce-trabajos-mecanizados-precision/
[20] MIPSA. (25 de 05 de 2019). MIPSA EXPERTOS PROCESANDO METALES. Recuperado
el 25 de 05 de 2019, de MIPSA EXPERTOS PROCESANDO METALES:
https://www.mipsa.com.mx/dotnetnuke/Sabias-que/Que-es-el-
acero?fbclid=IwAR3U0nkhV9HRifm_l3cXfmqHTwsp7DliYU3VUsqoytTuWZRp4vs
HMha6wSo
[21] Naranjo, J. E. (2013). DISEÑO. CONSTRUCCIÓN Y MODELADO DE UN BANCO DE
PRUEBAS PARA EL ESTUDIO DE LAS VIBRACIONES GENERADAS POR
DESBALANCEO DE ROTORES EN VOLADIZO. Pereira, Colombia.
[22] OLARTE C., W., & BOTERO A., M., & CAÑON Z., B. (2010). ANÁLISIS DE
VIBRACIONES: UNA HERRAMIENTA CLAVE EN EL MANTENIMIENTO
PREDICTIVO. Scientia Et Technica, XVI (45), 219-222.
[23] Peral, R., Campillo, N., & Velasco, E. (2008). BANCOS DE ENSAYO PARA DOCENCIA
EN VIBRACIONES MECÁNICAS. Acústica.
[24] UNIMEC S.A. Recuperado el 10 de 05 de 2019, de
https://www.unimecsa.ch/unimec_sa/overview/company
[25] Seto, W. (1970). Vibraciones Mecánicas - Teoría y 255 Problemas. En W. Seto,
Vibraciones Mecánicas - Teoría y 255 Problemas (pág. 1). McGraw - Hill.
[26] Teknika. (17 de 05 de 2019). Teknika. Recuperado el 17 de 05 de 2019, de Teknika:
https://www.teknika4.com/es/aluminio-6061
91
[27] Teknika4. (17 de 05 de 2019). Teknika4. Recuperado el 17 de 05 de 2019, de Teknika4:
https://www.teknika4.com/es/aluminio-2014?fbclid=IwAR0-
4qaziGwpK76tFhROmvxBotOtMafuBgk9n9JzzTh7xbioGMTsLqACyWA
[28] UNIMEC. (10 de 05 de 2019). UNIMEC S.A. Recuperado el 10 de 05 de 2019, de
https://www.unimecsa.ch/unimec_sa/overview/company
[29] UNIMEC. (16 de 05 de 2019). UNIMEC S.A - VIBRATEST. Recuperado el 16 de 05 de
2019, de UNIMEC S.A - VIBRATEST:
https://www.unimecsa.ch/products_en/measuring_and_ageing_machines_en/vibratest_e
n
[30] URBAR. (17 de 05 de 2019). CATÁLOGO URBAR. Recuperado el 17 de 05 de 2019, de
CATÁLOGO URBAR: http://www.urbar.com/wp-content/themes/zerif-
pro/pdf/producto_externo_neumatico.pdf?fbclid=IwAR0PD-
jt8AnQQNQVB2dwP3fy1zuWbzinpPsjNakNesrvDRxPRgN84uuic3k
[31] URBAR. (10 de 05 de 2019). URBAR SOLUCIONES DE INGENIERÍA. Recuperado el 10
de 05 de 2019, de URBAR SOLUCIONES DE INGENIERÍA:
http://www.urbar.com/historia/
[32] URBAR. (16 de 05 de 2019). URBAR SOLUCIONES DE INGENIERÍA. Recuperado el 16
de 05 de 2019, de URBAR SOLUCIONES DE INGENIERÍA:
http://www.urbar.com/mesas-de-desmoldeo/
[33] IBROMAQ. (16 de 05 de 2019). VIBROMAQ. Recuperado el 16 de 05 de 2019, de
VIBROMAQ: http://www.vibromaq.com.ar/mesa.html