Diseño y construcción de una máquina instrumentada de ensayos de fatiga por flexión para materiales compuestos

El presente proyecto se basó en el diseño y construcción de una máquina que permite realizar ensayos de fatiga por flexión para materiales compuestos principalmente. La máquina fue diseñada para aplicar un esfuerzo máximo de 200 Mpa, también cuenta con un sistema de monitoreo y control por medio de...

Full description

Autores:: Gil Sierra, Elian Hernando
Zambrano Jiménez, Hernando

Tipo de recurso:: Trabajo de grado de pregrado

Fecha de publicación:: 2021

Institución:: Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB

Repositorio:: Repositorio UNAB

Idioma:: spa

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description	El presente proyecto se basó en el diseño y construcción de una máquina que permite realizar ensayos de fatiga por flexión para materiales compuestos principalmente. La máquina fue diseñada para aplicar un esfuerzo máximo de 200 Mpa, también cuenta con un sistema de monitoreo y control por medio de un conjunto de PLC y HMI, en esta ultima se pueden visualizar las variables involucradas en el proceso como la cantidad de ciclos y el esfuerzo experimentado por la probeta en tiempo real. La máquina de ensayos está dividida en tres secciones: Sistema electromecánico: allí se encuentra el motor, la transmisión de potencia, mecanismo de aplicación de carga y los sensores. Caja de potencia: Está ubicado el variador de frecuencia y el breaker de potencia. Caja de control: Se encuentra el PLC, la HMI, los módulos de tratamiento de señales y los breakers de control. El funcionamiento de la máquina es totalmente automático, únicamente se debe instalar la probeta en el lugar dispuesto para ello y seguir los pasos que se indican en la HMI, una vez la probeta falla esta se detiene y da por terminado el ensayo, adicionalmente es posible terminar el ensayo manualmente en caso de que se requiera. La máquina cuenta con manual de usuario y guía de ensayos, esto con el fin de facilitar su operación, también se adjunto un documento con el plan de pruebas que se le realizó a la máquina.
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La máquina fue diseñada para aplicar un esfuerzo máximo de 200 Mpa, también cuenta con un sistema de monitoreo y control por medio de un conjunto de PLC y HMI, en esta ultima se pueden visualizar las variables involucradas en el proceso como la cantidad de ciclos y el esfuerzo experimentado por la probeta en tiempo real. La máquina de ensayos está dividida en tres secciones: Sistema electromecánico: allí se encuentra el motor, la transmisión de potencia, mecanismo de aplicación de carga y los sensores. Caja de potencia: Está ubicado el variador de frecuencia y el breaker de potencia. Caja de control: Se encuentra el PLC, la HMI, los módulos de tratamiento de señales y los breakers de control. El funcionamiento de la máquina es totalmente automático, únicamente se debe instalar la probeta en el lugar dispuesto para ello y seguir los pasos que se indican en la HMI, una vez la probeta falla esta se detiene y da por terminado el ensayo, adicionalmente es posible terminar el ensayo manualmente en caso de que se requiera. La máquina cuenta con manual de usuario y guía de ensayos, esto con el fin de facilitar su operación, también se adjunto un documento con el plan de pruebas que se le realizó a la máquina.1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1 2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ................................................................................... 2 2.1 DESCRIPCIÓN BREVE DEL PROBLEMA ......................................................... 2 2.2 JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................... 2 3. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 4 3.1 OBJETIVO GENERAL .......................................................................................... 4 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.................................................................................. 4 4. ESTADO DEL ARTE......................................................................................................... 5 5. MARCO TEÓRICO.......................................................................................................... 10 5.1 FATIGA ................................................................................................................ 10 5.2 MATERIALES COMPUESTOS .......................................................................... 13 5.3 NORMATIVA ...................................................................................................... 14 5.4 MECANISMOS .................................................................................................... 15 5.5 MOTORES ........................................................................................................... 15 5.6 AUTOMATIZACIÓN .......................................................................................... 16 5.7 ALCANCES DEL PROYECTO........................................................................... 17 6. METODOLOGÍA ............................................................................................................. 18 6.1 FASES DE LA METODOLOGÍA ....................................................................... 18 7. DISEÑO ............................................................................................................................ 19 7.1 PROPUESTAS DE DISEÑO ............................................................................... 19 7.2 EXPLORACIÓN DE SOLUCIONES .................................................................. 21 7.3 DISEÑO CAD ...................................................................................................... 24 8. SELECCIÓN Y CARACTERIZACION DE COMPONENTES ..................................... 28 8.1 GENERALIDADES DEL ENSAYO ................................................................... 28 8.2 SELECCIÓN DEL MOTOR ................................................................................ 31 8.3 SELECCIÓN DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA ........................................... 34 8.4 DISEÑO DEL EJE ................................................................................................ 38 8.5 SELECCIÓN DE LAS CHUMACERAS ............................................................. 46 8.6 COMPONENTES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS ..................................... 48 8.7 DIAGRAMAS DE LA MAQUINA .....................................................................51 9. PROGRAMACIÓN .......................................................................................................... 54 9.1 PROGRAMACIÓN DEL VARIADOR DE FRECUENCIA ............................... 56 9.2 DISEÑO Y PROGRAMACION DE LA PANTALLA HMI ............................... 57 10. ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES ................................................................... 60 10.1 CALIBRACION SENSORES .............................................................................. 61 11. RESULTADOS Y EVIDENCIAS .................................................................................... 63 12. CONCLUSIONES ............................................................................................................ 69 13. TRABAJOS FUTUROS ................................................................................................... 70 14. LISTA DE REFERENCIAS ............................................................................................. 71 15. ANEXO 2: PLAN DE TRABAJO .................................................................................... 74 16. ANEXO 3: TABLA DE ACTIVIDADES ........................................................................ 75 17. ANEXO 4: RESULTADOS ESPERADOS...................................................................... 79 vi 18. ANEXO 5: DOCUMENTACION UTILIZADA PARA LA SELECCIÓN DE LA TRANSMISION DE POTENCIA ................................................................................................ 79 19. ANEXO 6: DOCUMENTACION UTILIZADA PARA LA SELECCIÓN DE LAS CHUMACERAS ........................................................................................................................... 83 20. ANEXO 7: ANALISIS SIMULACION CAE .................................................................. 85 21. ANEXO 8: CALCULOS PRELIMINARES DEL EJE.................................................... 96 22. ANEXO 9: DESCRIPCIÓN DE LA PROGRAMACIÓN ............................................. 105 23. ANEXO 10: MANUAL DE USUARIO ......................................................................... 110 24. ANEXO 11: 25. 26PregradoThis project was based on the design and construction of a machine that allows to carry out flexural fatigue tests for mainly composite materials. The machine was designed to apply a maximum effort of 200 Mpa, it also has a monitoring and control system through a set of PLC and HMI, in the latter you can view the variables involved in the process such as the number of cycles and the stress experienced by the specimen in real time. The testing machine is divided into three sections: Electromechanical system: there are the motor, the power transmission, the load application mechanism and the sensors. Power box: The frequency variator and the power breaker are located. Control box: There is the PLC, the HMI, the signal processing modules and the control breakers. The operation of the machine is fully automatic, only the test piece must be installed in the place provided for it and follow the steps indicated in the HMI, once the test piece fails it is stopped and the test is terminated, additionally it is possible terminate the test manually if required. The machine has a user manual and test guide, this in order to facilitate its operation, a document was also attached with the test plan that was carried out on the machine.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 una máquina instrumentada de ensayos de fatiga por flexión para materiales compuestosDesign and construction of an instrumented bending fatigue testing machine for composite materialsIngeniero 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/TPMechatronicFatigue testsElectromechanical systemControl boxMachine designMathematical modelsMaterial fatigueStructural failuresMechanical designSensorsMecatrónicaDiseño de máquinasModelos matemáticosFatiga de materialesFallas estructuralesDiseño mecánicoEnsayos de fatigaSistema electromecánicoMotorCaja de controlSensoresAlmaguer-Zaldivar, P. M., & Estrada-Cingualbres, R. A. (2015). Evaluación del comportamiento a fatiga de una unión soldada a tope de acero AISI 1015. Ingeniería Mecánica, 18(1), 31-41Andres, T. R., Pahola, P., & Reyes-Ortiz, O. J. (2014, October). Automation of a fatigue machine for the load analysis in flexible pavements. In 2014 III International Congress of Engineering Mechatronics and Automation (CIIMA) (pp. 1-4). IEEEASTM B 593-96(2003) Standard Test Method for Bending Fatigue Testing for CopperAlloy Spring MaterialsASTM E 468-11 (2004) Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic MaterialsASTM E 739-10(2004) Standard Practice for Statistical Analysis of Linear or Linearized Stress-Life (S-N) and Strain-Life (´-N) Fatigue DataASTM E 74-13ª Standard Practice of Calibration of Force-Measuring Instruments for Verifying the Force Indication of Testing Machines.Beléndez, T., Neipp, C., & Beléndez, A. (2002). Estudio de la Flexión de una Viga de Material Elástico no Lineal. Revista Brasileira de Ensino de Física, 24(4), 383-38Bhatkar, O. P., Mhatre, S. Y., Pilankar, A. S., Desai, V. S., & Katlikar, M. J. (2017). Design and fabrication of combined fatigue testing machine. Int. Adv. Res. J. Sci. Eng. Technol,Carlos, Q. Q. J., Ernesto, F. G., Víctor, Q. A., & Jorge, B. L. (2014). Diseño e implementación de un sistema de control y monitoreo basado en HMI-PLC para un pozo de agua potable. Ingeniería, investigación y tecnología, 15(1), 41-50Chapman, S. J. (2012). Máquinas Eléctricas (Quinta ed.). México, D.F.: McGraw-HilComposites Industry Market Overview. (2020, 22 enero). American Composites Manufacturers Association. https://acmanet.org/composites-industry-overview/Di Brico, M., & Mollerach, C. (2015). Máquina de ensayos de fatiga tipo SchenckFranco, G. & Marannano, Giuseppe & Pasta, A. & Mariotti, Gabriele. (2011). Design and use of a Fatigue Test Machine in Plane Bending for Composite Specimens and Bonded Joints. 10.5772/14480Garcia Fontes, J. A. (2013). Introduccion a la Automatizacion Industrial. Malaga: Universidad de Malaga.Gondar, G. J., & Rodríguez, R. J. (2007). Diseño y construcción de una máquina para ensayos de fatiga de muestras planas por flexión alternativHamrock, B., Jacobson, B., & Schmid, S. (2000). Elementos de Máquinas. Mexico, D.F: McGraw-HillI. (2020a, marzo 31). Centro de masas y momento de inercia. Recuperado 6 de enero de 2021, de https://www.elrincondelingeniero.com/centro-de-masas-e-inercia/Johnson, C. (2020, 3 enero). 2020 State of the Industry Report. Composites Manufacturing Magazine. http://compositesmanufacturingmagazine.com/2020/01/2020-state-of-the-industryreport/Kulkarni, P. V., Sawant, P. J., & Kulkarni, V. V. (2018). Design and development of plane bending fatigue testing machine for composite material. Materials Today: Proceedings, 5(5), 11563-11568Lee, M. 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Diseño y construcción de una máquina instrumentada de ensayos de fatiga por flexión para materiales compuestos

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