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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 3.17 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 3.21 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 3.5 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.



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.



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.



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.

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.

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


52

Funcionamiento

Este mecanismo permite el movimiento constante de la mesa de vibraciones en el plano X, Y

describiendo una trayectoria circular.


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




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


Funcionamiento

Este mecanismo permite el movimiento constante de la mesa de vibraciones en el plano X, Y

describiendo una trayectoria semicircular.


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




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.


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.


• Su tapa base (0.413 N)



Ilustración 3.29.Enmallado, restricción y carga (Base de montaje 2). Fuente: Elaboración

propia

70



aluminio 2014 sufre una deformación de 2.03129−5mm, aproximadamente 20.31 nanómetros. Por

lo que es una deformación es extremadamente pequeña.



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




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


aluminio 2014 sufre una deformación de 3.36835−3mm, aproximadamente 3.36 micras. Por lo

que es una deformación es bastante pequeña.

72



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)


• Rodamiento de bolas 4200BBTVH (0.500 N)

• Eslabón 1 (3.687 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



que es una deformación sumamente pequeña.



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




• Dos rodamientos de bolas 4202BBTVH (1.568 N)

• Eslabón 2 (1.149 N)

• Eslabón 3 (1.071N)


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



que es una deformación sumamente pequeña.



75


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)


• Palanca de giro (35.310 N)

• Eslabón palanca de giro (0.403 N)


Ilustración 3.37.Enmallado, restricción y carga (Base de montaje 3). Fuente: Elaboración

propia

76



aluminio 2014 sufre una deformación de 2.51783−6mm, aproximadamente 2.51 nanómetros.

Por lo que es una deformación en extremo pequeña


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.


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


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


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


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


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

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