Diseño y construcción de un banco de pruebas para el análisis de vibraciones torsionales
El presente libro hace constancia de del diseño, maquinado y ensamble de un banco de pruebas para el análisis de vibraciones torsionales sobre ejes mecanizados de diferentes longitudes y materiales. La idea de la experimentación se basa en realizar pruebas con ejes ubicando dos discos inerciales en...
- Autores:
-
Pico Leal, Miguel Ángel
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2021
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
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El presente libro hace constancia de del diseño, maquinado y ensamble de un banco de pruebas para el análisis de vibraciones torsionales sobre ejes mecanizados de diferentes longitudes y materiales. La idea de la experimentación se basa en realizar pruebas con ejes ubicando dos discos inerciales en los extremos de este con el fin de medir el fenómeno de vibración torsionales a velocidades variables. Una vez el eje se lleva a una velocidad constante, es posible inducir una frecuencia de excitación en el sistema que genera las excitaciones torsionales deseadas para poder analizar dicho fenómeno en una interfaz gráfica ya sea en SIMULINK o con una Ventana de Arduino. Cabe resaltar que la velocidad también podrá ser definida desde la interfaz elegida con el fin de que el operario pueda ver tanto las entradas como salidas del sistema. Estas salidas constaran de un sistema de sensado por parte de dos sensores de herradura ópticos ubicados cada uno en los discos previamente mencionados. El análisis de desfase se basa en la superposición de señales para poder entender el fenómeno que se presenta entre la señal conductora y la señal desplazada. Vale mencionar que dicho fenómeno solo está presente si el sistema se encuentra en resonancia. |
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[1] Carlos Chiroque, “Analisis de vibraciones torsionales utilizando el método de elementos finitos(MEF) - con el fin de prevenir fallas mecánicas”, Investigacion aplicada e innovacion, nov. 01, 2017 [2] Thomas Brown, “Torsional Fatigue Failure - Identification, Diagnosis and Prevention”, IDENTIFYING TORSIONAL FAILURES, mar. 02, 2012. [3] Oscar Sotomayor, “Ecuaciones que rigen una vibración Torsional”, Vibracion Torsional, may 18, 2018. [4] Angel Villapaldo, “Diseño de Elementos de Maquinas”, Diseño de Ejes o Flechas, ene. 23, 2016 [5] BINSFELD, “A beginner’s guide to Torsional Vibration Analysis”, Measurement made easy, oct. 01, 2018. 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Una vez el eje se lleva a una velocidad constante, es posible inducir una frecuencia de excitación en el sistema que genera las excitaciones torsionales deseadas para poder analizar dicho fenómeno en una interfaz gráfica ya sea en SIMULINK o con una Ventana de Arduino. Cabe resaltar que la velocidad también podrá ser definida desde la interfaz elegida con el fin de que el operario pueda ver tanto las entradas como salidas del sistema. Estas salidas constaran de un sistema de sensado por parte de dos sensores de herradura ópticos ubicados cada uno en los discos previamente mencionados. El análisis de desfase se basa en la superposición de señales para poder entender el fenómeno que se presenta entre la señal conductora y la señal desplazada. Vale mencionar que dicho fenómeno solo está presente si el sistema se encuentra en resonancia.Lista de FIGURAS .......................................................................................................................................... 9 Lista de tablas ............................................................................................................................................... 11 1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 13 2.ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................................. 14 3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................................................. 20 3.1. VIBRACION TORSIONAL .............................................................................................................. 20 3.2. CAUSAS DE LA VIBRACION TORSIONAL ................................................................................ 21 3.3. CONSECUENCIAS DE LA VIBRACION TORSIONAL .............................................................. 22 3.4. FRECUENCIAS NATURALES TORSIONALES ......................................................................... 23 3.4.1. METODO DE HOLZER ......................................................................................................... 23 3.4.2. RESONANCIA EN ESTRUCTURAS ................................................................................... 24 3.5. SISTEMA DE EXCITACIÓN TORSIONAL ................................................................................... 25 3.6. SENSORES PARA LECTURA ....................................................................................................... 25 3.7. MEDIDORES DE VIBRACION TORSIONAL ............................................................................... 26 3.7.1. GALGAS EXTENSIOMETRICAS........................................................................................... 26 3.7.2. VIBROMETRO LASER............................................................................................................ 26 3.8. SISTEMAS DE ADQUISICION DE DATOS ................................................................................. 27 3.9. TRANSDUCTORES.......................................................................................................................... 27 3.10. PROGRAMACION DE SOFTWARE ........................................................................................... 27 3.11. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑALES ............................................................................... 28 3.12. FILTRADO Y MEDICION .............................................................................................................. 28 3.12.1. MEDICION POR INTERVALOS DE TIEMPO ................................................................... 28 3.12.2. MEDICION POR SATURACION DE PULSOS ................................................................. 29 3.12.3. MEDICION POR ALINEACION DE TIEMPOS ................................................................. 29 4.OBJETIVOS............................................................................................................................................ 30 4.1. OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................ 30 4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS ...................................................................................................... 30 5.METODOLOGIA ................................................................................................................................... 31 6.DISEÑO.................................................................................................................................................. 35 6.1. PARAMETROS DE DISEÑO ..................................................................................................... 35 6.2. COMPONENTES DE INTERES................................................................................................ 35 6.3. CALCULOS MECANICOS.......................................................................................................... 36 6.3.1. ANALISIS MATEMATICO DEL SISTEMA........................................................................ 40 6.3.2. TORQUE DEL SISTEMA .................................................................................................... 41 6.3.3. DISEÑO EJE......................................................................................................................... 42 6.3.4. RODAMIENTOS................................................................................................................... 42 6.3.5. REACCIONES EN EL SOPORTE MOTOR ..................................................................... 43 6.4. ANÁLISIS POR PANDEO EN EL EJE .................................................................................... 47 6.5. ANÁLISIS REACCIONES EN LOS MANGUITOS ................................................................ 49 6.6. MECANIZADO DE COMPONENTES ..................................................................................... 50 6.6.1. EJE ........................................................................................................................................ 50 6.6.2. DISCOS INERCIALES........................................................................................................ 51 6.6.3. MANGUITOS DE SUJECCION......................................................................................... 52 6.6.4 SOPORTE DEL MOTOR ................................................................................................... 53 9 7.SISTEMA DE ALIMENTACION PARA EL BANCO....................................................................... 53 7.1. TARJETA DE GENERACION DE SEÑALES...................................................................... 54 8.ESPECIFICACIONES DEL BANCO................................................................................................ 56 8.1. SIMULINK PARA EXCITACIÓN............................................................................................. 57 8.2. SIMULINK PARA LECTURA ................................................................................................. 58 8.3. ESCRITURA Y LECTURA POR ARDUINO ........................................................................ 60 9. ESTUDIO DE FRECUENCIAS NATURALES EN EL SISTEMA................................................ 60 9.1 ANALISIS MODAL.................................................................................................................... 61 9.2 METODO HOLZER .................................................................................................................. 72 10.SISTEMA DE MEDICION DE VIBRACION TORSIONAL.......................................................... 73 11. PROTOCOLOS DE PRUEBAS..................................................................................................... 74 11.1. MONTAJE/DESMONTAJE DE KITS................................................................................... 74 11.1.1. FIJACION CHUMACERA SUPERIOR..................................................................... 74 11.1.2. POSICIONAMIENTO DE MANGOS......................................................................... 74 11.1.3. MONTAJE ACOPLE-CHUMACERA......................................................................... 74 11.1.4. FIJACION DISCOS-MANGUITOS............................................................................ 75 11.1.5. DESMONTAJE SISTEMA DIDACTICO................................................................... 75 12. EXPERIMENTACION..................................................................................................................... 76 13. CONCLUSIONES............................................................................................................................ 80 14. RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 81 15. BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................ 82 16. ANEXOS........................................................................................................................................... 85PregradoThis thesis consists of the design, manufacture, assembly and test of an experimental bench for analyzing the phenomenon of torsional vibrations in rotatory equipment. The main goal is to develop a prototype for testing and sensing vibratory variables present in a shaft assembled with two disks. This is mainly done by using a microcontroller, a motor, and the help of Simulink to both write and read signals for the system. From the Simulink model an excitation signal is generated, and then passed to the pulse width modulation wave sent to the Arduino for it to finally get to the motor. The motor is controlled by an H bridge consisting of two mosfets( Semiconductor transistors) . This last one is capable of handling up to 43 amps and 27 volts. When the motor is running, the whole system rotates accordingly, if a frequency signal is induced on Simulink, the alternating voltage will act on the system to produce torsional vibrations. Depending on the magnitude of the frequency the motor will behave alike, causing vibrations along the shaft. For testing purposes, a range of three frequencies have been analyzed to determine the behaviour of the torsional phenomenon. Based on the simulation of the system under different frequencies, it will be experimentally tested until the natural frequency of the system is met and matches the one obtained by the simulation. These vibrations signals are to be captured by the sensors that will filter them out to be seen on an Arduino IDE(Interface Development Environment) at which point comparison among the signals can be made and conclusions can be drawn. If the system signals are indeed out of phase, it’ll be reflected on the Arduino’s scopes. Then it is safe to appreciate the phenomenon. Experimenting and Analyzing vibrations on rotating systems help on to understand common issues that large companies and manufacturers face when something goes wrong in their production lines.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño y construcción de un banco de pruebas para el análisis de vibraciones torsionalesDesign and construction of a test bench for the analysis of torsional vibrationsIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicShaftsTorsional vibrationsNatural frequenciesTorsional excitationResonancePower transmissionMachine theoryMathematical analysisProgramming languageNumerical operationMecatrónicaTransmisión de potenciaTeoría de las máquinasAnálisis matemáticoLenguaje de programaciónCálculo numéricoEjesVibraciones torsionalFrecuencias naturalesExcitación torsionalResonancia[1] Carlos Chiroque, “Analisis de vibraciones torsionales utilizando el método de elementos finitos(MEF) - con el fin de prevenir fallas mecánicas”, Investigacion aplicada e innovacion, nov. 01, 2017[2] Thomas Brown, “Torsional Fatigue Failure - Identification, Diagnosis and Prevention”, IDENTIFYING TORSIONAL FAILURES, mar. 02, 2012.[3] Oscar Sotomayor, “Ecuaciones que rigen una vibración Torsional”, Vibracion Torsional, may 18, 2018.[4] Angel Villapaldo, “Diseño de Elementos de Maquinas”, Diseño de Ejes o Flechas, ene. 23, 2016[5] BINSFELD, “A beginner’s guide to Torsional Vibration Analysis”, Measurement made easy, oct. 01, 2018.[6] JUAN ESTEBAN ÁLVAREZ NARANJO, “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MODELADO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EL ESTUDIO DE LAS VIBRACIONES GENERADAS POR DESBALANCEO DE ROTORES EN VOLADIZO”, Trabajo de grado presentado como requisito para optar por el título de Ingeniero mecánico, nov. 13, 2013[7] “ANÁLISIS DE VIBRACIONES EN MOTORES ELÉCTRICOS ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS[8] DEWESoft, “Vibraciones Rotacionales y Torsionales”, Analisis de Vibracion, ene. 20, 2021.[9] HelloAuto, “Vibraciones de Torsion”, Tipos de Vibraciones de Torsión, mar. 02, 2018.[10] ERBESSD INSTRUMENTS, “Vibracion Torsional, Nuevas Formas de Merdirla”, Vibracion Torsional, jun. 17, 2016[11] W. 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