Capitulo 2 (03-09-2013 )BB PDF

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA SECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICAMÉTODOS DE DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICAESTRUCTURA DE FUNCIONES CAPITULO 2BENJAMÍN BARRIGA GAMARRALima, agosto del 2013FASE II ELABORACIÓN DEL CONCEPTO: Estructura de funcionesFig. 2: Elaboración del conce...

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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA SECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICA

MÉTODOS DE DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA

ESTRUCTURA DE FUNCIONES CAPITULO 2

BENJAMÍN BARRIGA GAMARRA Lima, agosto del 2013

1

FASE II ELABORACIÓN

DEL CONCEPTO: Estructura de funciones

Fig. 2.1: Elaboración del concepto se solución: Estructura de Funciones La elaboración de un concepto de solución en el diseño de una nueva máquina o sistema, se realiza después de detallar el problema a través de un proceso de abstracción. La abstracción nos permite formular una estructura de funciones y la búsqueda de principios de solución apropiados para cada una de las funciones, así como el procesamiento de la combinación de los posibles caminos de solución, nos permitirán determinar un concepto óptimo de solución. Es decir, la elaboración del concepto de solución tiene dos partes:

2



La estructura de funciones y



El concepto de solución

Con la estructura de funciones se buscan todas las funciones parciales que la máquina a diseñar debe cumplir para llevar a cabo su función principal; y éstas se presentan en forma estructurada de manera tal que se aprecie su contribución a la función total. Las funciones ordenadas y agrupadas adecuadamente pueden ofrecer una variedad de posibles soluciones que deben ser evaluadas para obtener la solución definitiva. El concepto de solución no es otra cosa que la personalización de las funciones con sus portadores, es decir las piezas o sistemas que las representan y ejecutan la función o el efecto deseado. Si vemos al detalle una máquina ya construida nos damos cuenta que ésta tiene una serie de piezas que están unidas entre si y que cada una cumple una función. La función (parcial) que cumple cada pieza contribuye a la función total de la maquina o sistema. Por ejemplo, si analizamos en forma global un motor eléctrico, éste no es otra cosa que una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, basada en la ley de Biot-Savart (al someter un conductor con paso de corriente a un campo magnético, se genera una fuerza). Ahora si nos fijamos en cada pieza del motor vemos, que cada pieza cumple una función (parcial) para que sea posible la transformación antes mencionada. Bueno si pretendemos ahora diseñar una nueva máquina o sistema, el proceso del diseño se facilitaría si logramos identificar las funciones (parciales) que se tienen que realizar para que la máquina cumpla su cometido. La identificación de las funciones en una maquina se logran mejor si antes se hace un proceso de abstracción.

3

1 18 6 17 7

2 12

3 13 4

9 16 11 15 10 14

5 8

Fig. 2.2: Ejemplo Funciones: Motor Eléctrico

4

MOTOR ELÉCTRICO Posición

Pieza

01

Carcasa (Estator)

02

Soporte derecho

03

Rodamientos de Bola (2 piezas)

04

Eje

05

Rotor

Función Anclaje del motor. Soporte del bobinado (#7) de las láminas (#6) y disipación de calor. Alojamiento elementos de conexión eléctrica. Soporte del eje (#4). Conducir fuerzas del eje a la carcasa (#1) y se el alojamiento del rodamiento (#3). Conducir calor al exterior. Soportar y conducir las fuerzas originadas en el eje (#4). Generar un grado de libertad (giro) del eje. Disminuir fuerza de rozamiento y conducir el calor al exterior. Conducir energía mecánica a través del giro (torque). Soporte y alojamiento del ventilador (#13) y los ítems #10, #2, #3, #11, #12 y #5 (rotor). Transformar energía magnética en energía mecánica y conducirla a través del eje.

06

Láminas de Acero

Conducir la energía magnética.

07

Bobinado del Estator

Transformar energía eléctrica a energía magnética.

08

Planchas Guía

Fijar el elemento #6 a la carcasa tangencialmente (guía para el montaje de las láminas).

09

Placa Elástica

Eliminar el juego axial del eje y el rodamiento (precarga axial del rodamiento.)

10

Soporte Izquierdo

11

Sello de Laberinto

Soporte del eje. Conducir fuerzas provenientes del eje a la carcasa, conducir el calor al exterior. Alojamiento de los rodamientos, placa elástica y sello de laberinto. Evitar la salida del lubricante del rodamiento al exterior.

12

Tapa Lubricante (2 piezas)

Evitar la salida del lubricante del rodamiento hacia el bobinado y las láminas.

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Ventilador

Ventilar el motor, impulsar el aire / succionar el aire

14

Tornillos

Fijar los soportes #2 y #10 a la carcasa #1

15

Tornillos

Fijar los sellos de laberinto #11 las tapas de lubricante #12 a los soportes

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Tapa de Ventilador

Proteger el ventilador, evitar accidentes. Generar un flujo de aire.

17

Tornillos

Fijar la tapa del ventilador a la carcasa.

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Cáncamo

Elemento roscado al motor para izarlo cuando sea necesario.

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2.0

DETERMINAR LA ESTRUCTURA DE FUNCIONES

Los datos de entrada en esta etapa del diseño se encuentran

en la Lista de

Exigencias del sistema técnico. Durante el proceso de la elaboración de la Lista de Exigencias y la solicitud de un diseño muchas veces se traen consigo ideas fijas para la formulación de la solución del problema. Para apartarse de las ideas fijas y para evitar el bloqueo de nuevas ideas se hace necesario un proceso de abstracción, lo cual nos facilitará la búsqueda de un concepto óptimo de solución. El proceso de abstracción tiene como propósito en un inicio abarcar

la mayor

cantidad de las soluciones posibles (generalizar), con la participación de la nueva tecnología, los nuevos materiales, los nuevos procesos de fabricación, así como la aplicación de los últimos avances de la ciencia. De esta manera se consigue nuevas combinaciones y novedosas y mejores soluciones. Toda firma u oficina de diseño (desarrollo) tiene su propia experiencia, pero también sus prejuicios y convenciones, los cuales junto con el propósito de no correr ningún riesgo en la apertura de nuevas soluciones, impiden el desarrollo de las mismas que, desde el punto de vista técnico y económico, podrían ser mejores. Entonces a partir del análisis de la Lista Exigencias se deberá formular el problema en forma abstracta. El objetivo de esta fase es formular una estructura (óptima) de funciones que refleje el proceso (tareas) del sistema técnico.

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2.1

Abstracción : Caja Negra (Black – box)

Cualquier función, o una función total se puede representar en forma de una caja negra, (Black - box), Fig.2.3 donde sólo se tiene en cuenta 3 magnitudes básicas de entrada y salida: 

Señales



Energía y



Materia

Entrada Señal

Salida (e)

Energía (e)

Señal Black - box

Materia (e) “operandos”

(s)

Energía (s) Materia (s) “operandos”

Fig. 2.3: La máquina como caja negra Conversión de energía, material y señal. Función definida en términos de entrada y salida Dentro de la caja negra “Black - box” se supone que ocurre un proceso técnico aún desconocido, es decir una transformación de las propiedades de las 3 magnitudes básicas descritas como entradas y salidas. MATERIA:

Materia prima, insumos, productos terminados, piezas, gases, fluidos, granulados, objetos de todo tipo.

ENERGÍA:

Energía mecánica, térmica, eléctrica, química, óptica, energía atómica, …también fuerza, calor, corriente, etc.

SEÑALES:

Magnitudes, datos, valores indicados, impulsos de control, información.

Las 3 magnitudes básicas mencionadas son cuantificables tanto en cantidad como en calidad: Cantidad:

Se entiende como número, volumen, masa, caudal, consumo, potencia, etc.

Calidad:

Se entiende como la desviación admisible de valores previstos, grado de calidad, acabado, rendimiento, propiedades especiales como resistencia a la corrosión, al trópico, al choque, etc.

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Fig. 2.4: Representación de un proceso técnico según Hubka 4)

En la Fig.2.4 se puede apreciar como Hubka generaliza aún más la máquina como caja negra, añadiendo las influencias de la tecnología (sistemas técnicos ST) existente y el conocimiento y/o habilidades del hombre. Asimismo prevé que a los operandos principales (Señales, Energía y Materia) se le debe añadir otros adicionales ocasionados o necesarios por el proceso mismo de transformación en la máquina. Entradas adicionales son por ejemplo: si se está diseñando un dispositivo para mecanizar fresando, durante el proceso se genera calor y para mitigarlo o controlarlo se debe agregar un refrigerante. De igual manera al mecanizar no sale solo el cuerpo deseado, sino también viruta, esta sería una salida adicional que debo tener en cuenta al momento de diseñar. En el caso del motor eléctrico, no toda la energía eléctrica se transforma en energía mecánica, sino también genera calor. Luego se puede ver que las entradas y salidas

adicionales se pueden generar

durante el proceso o se necesitan añadirlas para producir los efectos deseados. Espacio x define el medio y época donde se realiza el diseño. No es igual diseñar en la década 70 del siglo pasado y ahora en la década actual. Ahora los medios son otros y hay mayores posibilidades. También esto se refiere al lugar del diseño.

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Tiempo y es el tiempo físico para desarrollar la solución (tiempo disponible para el diseño). No es igual tener 3 meses para un diseño que tener un año. Se supone que para el mismo ritmo de trabajo en el segundo caso resultará un mejor diseño.

Estrategia para resolver problemas de diseño La estrategia para solucionar un problema complejo es descomponerlo éste en partes individuales de manera que se pueda buscar soluciones individuales, y que luego de enlazar las soluciones individuales convenientemente se puede obtener la solución total. Esto se sugiere en la Fig. 2.6 que se presenta a continuación; donde un problema total se divide en problemas parciales y luego éstos en problemas individuales los cuales se solucionan y luego éstas soluciones se integran en las soluciones parciales que contribuyen a la solución total del problema.

Problema total Problemas parciales Problemas individuales (Elementos del sistema) Soluciones parciales (Partes del sistema) Solución total (Sistema) Fig. 2.5: División de un problema en partes, para facilitar la búsqueda de las soluciones6)

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Función total Toda máquina o equipo se puede describir como una función total representada por caja negra donde ocurre una transformación, llamado proceso técnico. Luego, entender y reconocer la transformación que debe ocurrir en la caja negra, que representa a la máquina, es la condición más importante para llegar a la solución exitosa del problema planteado. Después de todo, si vemos bien una máquina ya diseñada y fabricada vemos que ocurre en ella una transformación total sobre las magnitudes de entrada. Ver la Fig. 2.6 el motor, cuya función total es transformar la energía eléctrica en energía mecánica.

Fig. 2.6 Ejemplo de caja negra de un motor eléctrico

Función parcial Si observamos más en detalle vemos que cada pieza en una máquina contribuye a esa transformación total, ejerciendo su función (parcial) dentro de ella. Es decir, todo equipo o máquina están hechos de funciones parciales y son las piezas los portadores de esas funciones. En la Fig. 2.2 y la tabla siguientes se puede apreciar la función que cumple cada pieza en un motor eléctrico, cuya función total o principal es transformar la energía Eléctrica en energía Mecánica. En otras palabras la función total, que representa a la máquina, se puede dividir, en la mayoría de los casos, en un número de partes que pueden estar en serie o en paralelo. Estas partes se llaman funciones parciales.

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Luego diseñar una máquina es reconocer a priori la función total y las funciones parciales que ocurren en ella para producir la transformación deseada. Más adelante esta estrategia de subdividir la función total en funciones parciales nos facilitará encontrar los conceptos de solución.

2.2

DETERMINAR LOS PRINCIPIOS TECNOLÓGICOS

Para poder transformar las magnitudes de entrada (señal, energía y materia) en la caja negra (Black - box) es necesario escoger principios tecnológicos que lleven a la práctica la transformación deseada. Es decir se debe buscar, determinar y fijar los fundamentos científicos y tecnológicos que produzca la transformación deseada. El escoger una o varias tecnologías para resolver un problema de diseño depende de los requerimientos de la lista de exigencias, tanto de la cantidad como de la calidad de sus magnitudes a transformar. Determinar la secuencia de las operaciones (proceso) La transformación ocurre por lo general paso a paso en una serie de operaciones. Las operaciones necesarias para las transformaciones y sus secuencias son decididas por la tecnología, la cual a su vez se basa sobre fenómenos naturales o efectos físicos. Entonces la determinación de los principios tecnológicos es la base para estructurar los procesos técnicos, los procedimientos de trabajo y sus secuencias. Por ejemplo, para la transformación de la forma de una pieza se escoge el fresado, brochado o torneado, y resulta de esa decisión la manera del procedimiento de trabajo y en su mayor parte también su secuencia básica. En la determinación de las secuencias de las operaciones queda muchas veces la posibilidad de algún cambio. Esta posibilidad ha sido ampliamente utilizada por el sistema de Taylor en los procesos de fabricación. Determinar las funciones parciales Una vez determinado los principios tecnológicos en la cual se basará nuestra transformación se deben determinar las funciones u operaciones

(parciales)

intrínsecas que contribuyen en su conjunto a que la transformación ocurra. Esta

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búsqueda de las funciones parciales debe ser cuidadosa y en lo posible muy completa. Estructura de funciones: La unión de las funciones parciales convenientemente nos dará origen a la estructura de funciones, la cual representa en detalle la contribución de ellas en la función total. 2.3

FIJAR LOS PROCESOS TÉCNICOS

Para la transformación de las propiedades de las magnitudes que ingresan a la caja negra se necesita fijar un proceso técnico; es decir el diagrama de flujo de principios tecnológicos escogidos (tecnología) y sus combinaciones, así como la secuencia de las operaciones (del proceso). Para la fijación completa del proceso técnico es necesario reconocer sus cuatro fases: 

Preparación,



Ejecución,



Control y



Fase final.

En la elaboración de un proceso técnico en bloques es posible fijar una estructura completa (con efectos secundarios, efectos de accionamiento, etc.) o tan solo un diagrama de flujo principal.

La alternativa de un diagrama de flujo principal es

recomendable por su sencillez para entenderla. Las alternativas del proceso técnico se originan a través de la aplicación o combinación adecuada de la tecnología y la secuencia de las operaciones. Basándose en una evaluación se puede encontrar la alternativa óptima del proceso técnico. Ejemplo: Máquina para vaciar cilindros a una tolva situada a una altura de 3,5 m Si se trata de vaciar cilindros con la tecnología de elevarlos y volcarlos, esto se haría de la siguiente manera: Ver Fig. 2.7 Secuencia de operaciones El cilindro lleno será colocado, alineado y ajustado correctamente sobre la plataforma de elevación: una vez verificado que las condiciones iniciales estén correctas, se

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procederá a elevar el cilindro hasta una altura de 3.5m. Hecho esto, el material ascendido realizará un movimiento de rotación de tal manera que el líquido que se encuentre dentro de él sea transferido hacia la tolva. Una vez que el proceso de vaciado se haya realizado, se procederá a girar el cilindro en sentido contrario hasta la posición en la que se encontraba antes de iniciar vaciado. Luego, el cilindro bajara a su posición inicial, se le pondrá las tapas respectivas y se desajustará para luego ser retirado. Finalmente se procederá a hacer lo mismo con cada uno de los cilindros. Analizando en detalle se establece el proceso técnico podemos identificar sus fases 1)

Preparación A continuación se especificarán las condiciones iniciales del proceso: a) Colocar el cilindro en la plataforma de elevación. b) Posicionar y alinear el cilindro correctamente (el agujero mas grande de descarga tiene que estar lo mas cercano a la tolva, y el agujero mas pequeño de entrada de aire en la parte superior). c) Asegurar el cilindro para elevarlo. d) Destapar los dos agujeros del cilindro.

2)

Ejecución a) Elevar el cilindro de acero a una altura de 3.5 m b) Rotar el cilindro lentamente (para evitar que fluido salga por los dos agujeros) alrededor de 135º hacia la tolva para iniciar el vaciado. c) Volver a rotar el cilindro pero en sentido contrario la misma cantidad de grados que giró inicialmente. d) Descender el cilindro vacío.

3)

Control a) Verificar que el material se encuentre en las condiciones iniciales b) Encender la máquina e iniciar la elevación c) Controlar la altura de elevación d) Controlar el giro del cilindro y el tiempo de vaciado e) Controlar el descenso del cilindro f) Controlar la parada de emergencia en caso existiese g) Controlar el procesos de inicio a fin

4)

Fase Final a) Colocar las tapas respectivas al cilindro b) Desajustar el cilindro c) Retirar el cilindro d) Reiniciar la secuencia de operaciones

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Fig. 2.7 Movimientos para el vaciado de cilindros

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2.4

DETERMINAR LA APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS TÉCNICOS Y SUS

LIMITACIONES Los efectos necesarios en un proceso técnico pueden ser ejecutados por el hombre o por un sistema técnico. La distribución de la ejecución o producción de los efectos, ya sea estos ejecutados por el hombre o por un sistema técnico, pueden ser extremadamente diferentes. Esta distribución depende de muchos factores o puntos de vista; cualquiera que sea la distribución da origen a una mecanización o automatización. La decisión a cargo del diseñador puede dar lugar a importantes consecuencias políticas y sociales, cuando se trata de proyectar grandes instalaciones. Uno de los factores más importantes a considerar en la distribución son los límites de la capacidad humana. Según sea la distribución se distinguen los siguientes procesos: 

Procesos manuales (operaciones) con la mayor parte de los efectos, tanto en energía como el control, la tiene el hombre.



Procesos mecánicos (operaciones y procesos mecanizados) donde el sistema técnico asume los efectos de energía.



Proceso automáticos (operaciones) donde el sistema técnico asume la mayoría de los efectos de control.

Es necesario tener en cuenta que la decisión por escoger entre los tres tipos de procesos tiene que ver no solo con la capacidad de empleo de mano de obra y sus limitaciones, sino también con el volumen, la calidad y el costo de productos que son neces...