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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGNIERIA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

CÁLCULO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS MC589 Monografía Individual ANÁLISIS COMPARATIVO DE MÉTODOS DE ANÁLISIS DE FALLA EN ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES Realizado por: Romel Valqui Ramírez 20160342A – Sección A Docente: Ing. Jorge Santiago Chau Chau Fecha: Lima, 12 de diciembre de 2020.

2020-I

1. ÍNDICE 1.

PRESENTACIÓN:..........................................................................................................................3

2.

OBJETIVO:...................................................................................................................................3

3.

METODOLOGÍA:..........................................................................................................................3

4.

ANÁLISIS:....................................................................................................................................3

5.

4.1.

Definiciones:.......................................................................................................................3

4.2.

Comparativa de objetivos:..................................................................................................4

4.3.

Procedimientos y resultados:.............................................................................................4

CONCLUSIONES:.......................................................................................................................10

BIBLIOGRAFÍA:..................................................................................................................................10

ANÁLISIS COMPARATIVO DE MÉTODOS DE ANÁLISIS DE FALLA EN ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES

2.

PRESENTACIÓN:

En el presente trabajo monográfico se realiza un análisis de un artículo científico sobre el acoplamiento flexible en el eje de un barco; abarcamos desde cero el proceso de simulación en el software Ansys para conocer la frecuencia resonante de transmisión, las características del eje de transferencia y la tensión máxima y deformación de los elementos del eje a frecuencias resonantes. Como principales resultados se encuentra que el punto sometido a más estrés es el área del eje ubicada cerca de la fuente de oscilación y cuanto más lejos está la fuente de oscilación, menor es la tensión. Esta investigación se compara con el realizado en el artículo Caracterización de los sistemas de acoplamiento de disco torsional encontrando similitudes en el procedimiento de simulación, cálculo y análisis de resultados.

Palabras claves: Acoplamiento flexible, tensión, estrés, simulación.

3. OBJETIVO: El objetivo del presente trabajo es analizar los procedimientos que se realizan para identificar posibilidades de estrés y falla en acoplamientos flexibles. Para esto se tomará como artículo principal de referencia a: Flexible coupling dynamic analysis as a ship shafting part. 4. METODOLOGÍA: La metodología que trabajaremos para el presente trabajo monográfico se basa en la comparativa entre dos o más artículos con objetivos similares y definir los puntos de análisis similares o contradictorios justificando cada uno de los puntos. 5. ANÁLISIS: 5.1.

Definiciones:

Acoplamientos torsionales:

Los acoplamientos torsionales se utilizan para transmitir potencia entre componentes giratorios en varios sistemas de energía permitiendo pequeñas cantidades de desalineación que de otra manera provocan fallas en el equipo. Al seleccionar un tipo y tamaño de acoplamiento adecuados, es necesario considere tres condiciones importantes: (1) la carga máxima aplicada al acoplamiento, (2) la velocidad máxima de operación y (3) la cantidad de desalineación permitida para operación. Hay muchos tipos de acoplamientos flexibles que utilizan diversos materiales para el elemento flexible del acoplamiento. El diseño del acoplamiento y los materiales utilizados para la parte flexible determinará sus características operativas. 5.2. Comparativa de objetivos: En el caso del artículo titulado “Flexible coupling dynamic analysis as a ship shafting part”, en adelante “artículo principal”; el objetivo se basa en el uso de elementos finitos para definir: a) La frecuencia resonante de transmisión. b) Características del eje de transferencia. c) Tensión máxima y deformación de los elementos del eje a frecuencias resonantes. Para el cálculo dinámico se adoptó el esquema de dos ejes duros interconectados con acoplamiento flexible. Por su parte en el trabajo de investigación “Caracterización de los sistemas de acoplamiento de disco torsional”, en adelante “artículo secundario” utiliza una pila de discos metálicos para contrarrestar el efecto de desalineación. Los beneficios de este tipo de acoplamiento incluyen: facilidad de reemplazo o reparación, retroalimentación visual clara de la falla del elemento y la ausencia de una necesidad para lubricación. La rigidez torsional de un acoplamiento es un factor importante en relación con la cantidad de desalineación permitida. Las características agrupadas del acoplamiento torsional, como la rigidez a la torsión y a la flexión, así como las frecuencias naturales son importantes para el diseño de todo el sistema de energía y tienen para ser lo más preciso posible. En este trabajo se ha desarrollado un modelo preciso marco para determinar estos parámetros basados en un modelo de elementos finitos en 3D completo y procedimiento de reducción de orden de modelo. La metodología desarrollada fue validada por datos experimentales disponibles de un fabricante regional de acoplamientos torsionales. 5.3. Procedimientos y resultados:

En ambos trabajos coinciden en gran medida el proceso de creación del modelo 3D para realizar los análisis mediante software, para esto se establece una serie de pasos: 1. Crear un modelo geométrico. 2. Caracterización del material. 3. Crear un modelo tridimensional de elementos finitos sobre la base del modelo geométrico. En el artículo principal se modela el siguiente acoplamiento de ejes en un barco:

Figura 1: Modelo tridimensional de elementos finitos.

Siguiendo con la metodología de análisis se realiza un análisis de armónicos; donde para determinar las frecuencias naturales y las formas de las oscilaciones hacen uso de la solución SEMODES 103 – Simulación de Respuesta. Como en todo proceso de simulación se debe de configurar las condiciones de la misma, por lo que se realiza el procedimiento siguiente: a) Arreglamos todos los grados de libertad excepto la rotación alrededor del eje Ox para excluir del cálculo del modo que no es apropiado para las oscilaciones torsionales. Para ello aplicamos la herramienta Soporte Cilíndrico a superficies cilíndricas, fijando (Fijo) Radial, Movimientos Axiales, liberando (Libre) solo Tangencial. b) Fijamos todos los grados de libertad en el extremo del eje yendo a la unidad de potencia con la herramienta de Soporte Fijo.

c) Después del cálculo obtenemos dos frecuencias naturales F1= 16Hz (figura 2), F2= 40Hz (figura 3). A la primera frecuencia, todos los ejes junto con la mayor parte del acoplamiento giran con respecto al eje primario (fijo), y el elemento flexible más cercano al eje de entrada está sujeto a la mayor deformación. Los ejes intermedio y secundario giran en diferentes direcciones en la segunda frecuencia natural y el elemento flexible más cercano al eje de salida sufre la deformación máxima.

Figura 2: Las oscilaciones naturales se forman primer F = 16 Hz, Las amplitudes de movimiento: 1 es entrada y 2 es salida.

Figura 3: La segunda forma de las oscilaciones naturales F=40 Hz, Las amplitudes de movimiento: 1 es entrada y 2 es salida.

La distribución de masa efectiva modal se presenta en la tabla siguiente:

A continuación análizamos el cálculo de las oscilaciones forzadas que se realiza en el artículo principal. Después de determinar sus propias formas y frecuencias de oscilación, podemos determinar la respuesta de la construcción a los efectos armónicos. Como no existe la posibilidad de configurar la carga dinámica en la forma de tiempo (es posible especificar el desplazamiento, la velocidad o la aceleración), entonces la aplicaremos expresada indirectamente mediante el desplazamiento o la aceleración. Después del análisis estático, hemos determinado que necesitamos aplicar un tiempo de 6.6 kN.m a una rotación de un grado: 1. En el extremo del eje, donde los desplazamientos eran limitados y basados en las frecuencias naturales, establecimos desplazamientos forzados de 1 grado. 2. Determinamos el coeficiente de amortiguamiento total 0.05 de crítico para toda la estructura. 3. Después de calcular el angular, el desplazamiento es comparable a uno y otro extremo del eje (Figura 4), y las amplitudes de aceleración (Figura 5). Hay dos picos de resonancia a frecuencias de 16 Hz y 40 Hz en los gráficos. 4. Dividiendo la función de desplazamiento de salida a entrada, obtenemos el coeficiente de transmisión (Figura. 6). Hacemos lo mismo con las aceleraciones (Figura 7). La relación de transmisión está por encima de uno en el área de resonancia y disminuye significativamente más allá de la zona de resonancia (Figura 6 y 7). 5. Luego calculamos las tensiones en las líneas del eje a las frecuencias resonantes.

Figura 4: Relación de transferencia a movimientos.

Figura 5: Relación de transferencia a aceleraciones.

En la Fig.8 se presenta un gráfico de cambios de tensión en función de la frecuencia en el área de transmisión más intensa.

Figura 6: Estrés a 16 Hz de resonancia de frecuencia.

Figura 7: Estrés a 40 Hz de resonancia de frecuencia.

Figura 8: Estrés de los elementos.

Debido a las pruebas y simulaciones se determina que el punto sometido a más estrés es el área del eje ubicada cerca de la fuente de oscilación y cuanto más lejos está la fuente de oscilación, menor es la tensión. El coeficiente de transferencia, como se muestra en las Figura 6 y 7, está por encima de uno en el área de resonancia y disminuye significativamente más allá de la zona de resonancia. El cambio de voltaje dependiendo de la frecuencia en el área de transmisión más intensa se muestra en la Figura 8.

6.

CONCLUSIONES: -

El uso de los acoplamientos flexibles en ejes evita en gran medida la falla del acople y por ende del mecanismo gracias a que permite cierto grado de tolerancia en el movimiento y desalineaciones debido en las vibraciones propias de los sistemas acoplados.

-

Una de las formas más efectivas de realizar análisis de tensiones y detectar posibles fallas en acoplamientos es utilizando simulaciones numéricas en softwares especializados.

7.

BIBLIOGRAFÍA: 

Alex B. Francis, Caracterización analítica y numérica experimental de sistemas de acoplamiento de discos de torsión, 2014.



JN Reddy, "Introducción al análisis de elementos finitos no lineales" en, Estados Unidos: Oxford University Press, 2004.