Ficha Tecnica-manual-guia De Laboratorio.docx

Banco de fatiga en flexión rotativa de alta velocidad

Realizado por: Santiago quintana

FICHA TÉCNICA

D+tec

MÁQUINA DE FATIGA POR FLEXIÓN ROTATIVA

Programa de Ingeniería Mecánica

presentado a: óscar Javier Araque fecha 07 de julio

DESCRIPCIÓN FISICA

Versión 2017

La máquina de fatiga de la universidad de Ibagué está capacitada para realizar ensayos de fatiga en distintos materiales, para ello sus elementos críticos como ejes, barras de carga, junta cardanica se construyeron en acero AISI-SAE 4140, La estructura se construyó en acero estructural ASTM-A36. La aplicación de la carga se realiza por medio de un gato mecánico de tornillo, esta carga se aplica a los rodamientos libres de la máquina, todos los 6 rodamientos de la maquina son SKF 6206.El método se sujeción de la probeta se basa en la sujeción de la maquina fresadora, se usan boquillas para fresadora ER-25 de 13 mm y se construyeron tuercas de 2 ½ pulgadas para ajustar la probeta a las boquillas, las dimensiones de la probeta están basadas en la norma ASTM E-466, la cual fija los estándares de los ensayos de fatiga. En la maquina se usa un motor eléctrico de 1 hp y 3450 rpm, también se cuenta con un variador de frecuencia cuyo fin es variar las revoluciones con las que se realiza el ensayo. El motor y variador dependen de un arrancador. Para medir la carga aplicada se usa una celda de carga con capacidad de 500 kg, para medir los ciclos de esfuerzo se usa un sensor fotointerruptor, también se cuenta con un sensor inductivo y un relé de estado sólido, los cuales tienen como función el apagado automático del motor una vez la probeta falle. Se usó un arduino uno para la lectura de los sensores y una pantalla grafica de 128*64 para mostrar las variables en tiempo real.

Especificaciones Técnicas: Carga nominal : 1922N Peso de la maquina: 186 kg Capacidad celda de carga:500 kg sujeción: boquilla ER-25

Motor : 1 HP trifásico(~) Material: acero AISI-SAE 4140 Método de carga: Gato mecánico RPM: ≤3450 -Variador de frecuencia

Voltaje: 220 V Normativa: ASTM E-466 Placa: Arduino Uno

Realizado por: Santiago Quintana Avila

FICHA TÉCNICA

D+tec

MÁQUINA DE FATIGA POR FLEXIÓN ROTATIVA

Programa de Ingeniera Mecánica

presentado a: óscar Javier Araque fecha 07 de julio

Versión 2017

Función La función de la máquina de fatiga es aportar al carácter investigativo de la universidad de Ibagué, implementando una máquina de fatiga confiable y funcional. Esta máquina sigue el estándar RR-MOORE, donde se somete la probeta de estudio a una condición de flexión pura con esfuerzos completamente invertidos. La máquina puede ser usada en ensayos de laboratorio donde el objetivo sea mostrar al estudiante de manera práctica la importancia del fenómeno de fatiga en el diseño, selección y aplicabilidad de los componentes que se diseñan para soportar cargas dinámicas, además esta máquina no solo será una herramienta educativa, sino que está en la capacidad de realizar investigaciones y caracterizar el comportamiento a la fatiga de diferentes materiales.

Mantenimiento  

Verificar que las uniones soldadas de la estructura estén en buen estado. También a su vez verificar que no haya corrosión en ella. Verificar la integridad de las boquillas de sujeción, si se encuentran en mal estado se deben cambiar.

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Verificar que los tornillos de sujeción que se encuentran en distintas partes de la maquina se encuentren ajustados, se debe tener cuidado con los tornillos que une la estructura de la base de los rodamientos fijos, pues si están muy ajustados se afecta el movimiento de pivote, necesario para el correcto funcionamiento de la máquina.



Se recomienda el engrasado de los rodamientos de la maquina periódicamente, antes de cada ensayo verificar si están bien lubricados. Se recomienda un lubricante que maneje una viscosidad cinemática de 10

 

𝑚𝑚2 𝑠

.

La junta cardanica se debe lubricar con aceite, para esto la junta cuenta con unos orificios por donde se debe aplicar el aceite, esto con el fin de reducir el ruido de la máquina. Realizar limpieza general de la maquina removiendo polvo o basura.

Seguridad Para realizar una satisfactoria práctica del ensayo de fatiga con la maquina diseñada, es importante tener en cuenta ciertos parámetros de seguridad, Con el fin de evitar lesiones o fallas en la maquinaria e implementos de apoyo, causados durante la realización de la práctica, es necesario que los estudiantes al momento de realizarla tengan en cuenta lo siguiente:  Es importante portar los implementos de seguridad necesarios: bata, guantes, gafas de seguridad.  Verificar el estado de la maquina antes de iniciar el ensayo.  Una vez sujeta la probeta se debe cubrir los elementos en movimiento con la cubierta de acrílico.  La probeta debe sujetarse con firmeza para resistir las grandes fuerzas y evitar algún incidente lamentable.  Conocer ampliamente todo lo relacionado con la práctica antes de realizarla, para esto se puede leer la guía de laboratorio y el manual de la máquina.

Manual de operación banco de fatiga Antes de realizar el ensayo de fatiga se debe leer el manual de operación de la maquina 

Verificar que todos los componentes estén en buen estado.

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Verificar las uniones atornilladas y su firmeza.

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Verificar la alineación correcta de todos los componentes de la máquina.

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Verificar que los rodamientos estén bien lubricados, esto con el fin de aumentar su vida útil y reducir el ruido de la máquina.

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Verificar que la junta cardanica este correctamente lubricada.

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Verificar que se dé el movimiento de pivote de las bases de los rodamientos fijos, si el movimiento es muy forzado se deben desajustar un poco los tornillos de la estructura que sostiene la base de los rodamientos, hasta el punto que estos caigan por gravedad.

1. Sujeción de la probeta: 

En la sujeción de la probeta no debe existir aplicación de carga.



Levantar la cubierta de protección de acrílico.



Para evitar daños en el sensor inductivo es preferible desmontarlo cuando se esté montando la probeta.

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Se debe desmontar las tuercas con las boquillas de la máquina, luego introducirla probeta en las boquillas, después volver a montar el conjunto tuerca-probetaboquilla en la máquina.



Se enroscan las tuercas con las mano hasta donde se pueda, tener cuidado para que la probeta quede centrada.



se debe apretar firmemente la probeta, esto se hace usando 2 llaves: una de 1 ½ pulgada para la tuerca, y una llave de 1 pulgada para evitar que el eje gire, el cual tiene 2 muescas para esto.



una vez la probeta este en su posición se debe bajar la cubierta de protección de acrílico. 2. Conexión de la maquina

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Se debe conectar la máquina de fatiga a una red trifásica de 220 v con toma de seguridad.

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Alimentar de una toma convencional el arduino, esto se hace por el cable que sale de la caja de circuitos.



Oprimir el botón que está en la caja de circuitos, para activar el sistema electrónico de la máquina. Después de una breve presentación se activa el sensor inductivo y el relé de estado sólido.



El arrancador no se activara si no está activado el relé de estado sólido, por lo tanto si no se alimenta el arduino el motor nunca arrancará. 3. Sensor inductivo- Relé

Cuando la probeta este en su posición se debe verificar si el sensor inductivo está activado, este sensor tiene una luz roja que indica cuando está detectando, si el sensor no está activado se debe acercar a la base de los rodamientos libres, el sensor puede medir hasta 5mm, cuando esté ubicado se deben apretar sus tuercas para que quede fijo. De la correcta ubicación y fijación del sensor inductivo depende un correcto ensayo, pues si el sensor no se fija bien la misma vibración de la maquina puede hacer que se apague todo el sistema.

Al momento de que el sensor inductivo detecta el metal se activa el relé de estado sólido, se debe comprobar si esta condición se da.

4. Aplicación de la carga 

La carga nominal de la maquina es de 1922 N , no se debe exceder este valor



Antes de activar el sistema electrónico se debe garantizar que sobre la celda de carga no exista peso alguno, pues la celda se calibra según el peso presente.



Poner la opción de medición de fuerza en la pantalla de muestreo de datos, esto se hace oprimiendo el botón de la caja de circuitos.



Verificar si la celda de carga está correctamente calibrada, esto se hace poniendo un peso conocido, si esta descalabrada el laboratorista deberá calibrarla.



Comprobar que las barras de aplicación de carga estén posicionadas correctamente, estas deberán articular y ayudar al movimiento de pivote. La longitud de estas barras depende de la ubicación de sus eslabones, por la tanto se debe medir y asegurar que las dos barras tengan la misma longitud. Al momento de que se esté aplicando la carga se pueden mover las barras con el fin de comprobar que estas estén igual de tensionadas.



Se debe asegurar que la superficie de la placa de fuerza toque con la celda de carga, de manera que la celda de carga transmita la fuerza a la placa.



Con el gato aplicar la fuerza requerida, en la pantalla de datos se muestran variables de fuerza y esfuerzo.

5. Puesta en marcha 

Garantizar que el relé de estado sólido este activado, este tiene una luz roja que indica su conmutación.

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Activar el interruptor, luego oprimir el botón verde del arrancador, este energiza al variador de frecuencia que a su vez controla el motor, por lo tanto el motor no se activara enseguida.



El variador de frecuencia controla las revoluciones del motor, por lo tanto se debe tener claro a cuantas revoluciones se realizara el ensayo. En la tabla se aprecian algunos datos de revoluciones según la frecuencia usada. Se debe pedir ayuda al laboratorista para el manejo del variador de frecuencia. Se recomienda usar la maquina en frecuencias menores de 40 Hz, pues a frecuencias mayores se producen niveles altos de ruido y vibración. Frecuencia (HZ) 2 4 7 10 13 15 18 20 25 28 30 35 40 45



𝑹𝒆𝒗

Revoluciones( 𝒎𝒊𝒏) 100 220 400 560 740 860 1040 1160 1440 1620 1720 2100 2400 2700

Se recomienda manejar las siguientes revoluciones según la carga aplicada, esto con el fin de disminuir la vibración y nivel de ruido de la máquina. Esta información se basa en pruebas en acero AISI-SAE 1020, por la tanto puede diferir para otros aceros. Carga (N) <= 100 100-200 200-300 300-400 400-500 >500

RPM Recomendadas 2400 2000 1500 1000 500 260



Una vez que se fije la frecuencia se debe pasar a los datos de ciclos y revoluciones de la pantalla, esto se hace oprimiendo el botón de la caja de circuitos. Cabe aclarar que al pasar de datos de ciclos a fuerza, los ciclos se resetean, por lo tanto se debe estar seguro de que fuerza aplicar.



El botón verde que dice “RUN” en el variador de frecuencia será el que dé inicio a la prueba de fatiga.

6. Fin del ensayo 

La máquina de fatiga se apaga automáticamente una vez la probeta falle, por lo tanto no es necesario la supervisión del estudiante durante el ensayo.



Los datos de ciclos quedaran en la pantalla.



Cuando la probeta falle, esta se debe retirar usando las llaves indicadas, se debe guardar cuidadosamente.



Apagar el arrancador y desconectar de la red trifásica, también desconectar la alimentación del arduino.



Dejar todos los componentes ubicados correctamente.

Guía práctica de laboratorio Laboratorio de resistencia de materiales Prueba de resistencia a la fatiga por flexión rotativa OBJETIVO GENERAL 

Realizar ensayos de fatiga para evaluar el comportamiento de los materiales sometidos a cargas cíclicas.

OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Familiarizar a los estudiantes de ingeniería mecánica de la universidad de Ibagué con el banco de pruebas de fatiga en flexión rotativa.



Determinar la carga a aplicarse para la realización del ensayo



Crear el diagrama S-N a partir de los resultados obtenidos

Consideraciones 

Se trabajara en grupos de 4 personas



Se debe conocer la resistencia a la tracción del material de estudio.



Se debe usar los elementos de protección adecuados, bata, guantes y gafas

Materiales y equipos 

Banco de pruebas de fatiga en flexión rotativa



Calibrador, llave de 1 ½ pulgada, llave de 1pulgada, metro.



4 Probetas según la normativa ASTM E-466

Probeta para la práctica La máquina de fatiga emplea probetas estandarizadas según la norma ASTM E-466, esta probeta es simétrica y debe ser elaborada por medio del proceso de torneado, en el mecanizado se pueden producir rayas en la probeta, estas rayas resultan perjudiciales para el ensayo de fatiga, pues alteran drásticamente la vida del material ya que representan un punto inicial para que las grietas crezcan y se produzca el fallo por fatiga. Por lo tanto es conveniente que la superficie de la probeta este adecuadamente pulida y homogénea. Se presentan las dimensiones en mm de la probeta para el ensayo siguiendo las especificaciones de la normativa ASTM E-466.

La probeta puede ser de Acero AISI-SAE 1020 u otro acero más o menos resistente, esto dependerá del material que se quiera analizar. Determinación de la carga teórica: Antes de comenzar el ensayo se debe tener claro las cargas a las que se someterá las probetas, para esto el estudiante debe realizar el siguiente análisis: En la figura se aprecia el diagrama de fuerzas de la máquina, la carga “Q” se aplicara sobre los rodamientos libres de los puntos C y B, produciendo reacciones en los rodamientos de los puntos D Y A. el sistema trabajara a flexión pura y no existirá torsión.

El estudiante deberá realizar el análisis estático con el fin de hallar las reacciones de los puntos D Y A y el momento máximo aplicado, también debe realizar el diagrama de fuerza y momento flector, con el fin de comprobar que el máximo momento se aplica en la zona de la probeta. El sistema se someterá a un esfuerzo de flexión, que está definido por la siguiente ecuación. 𝜎𝑚𝑎𝑥 =

𝜋 (𝑑𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎 )4 64

𝐼=

𝐶=

𝑚𝑚𝑎𝑥 = LDC ∗ 𝑅𝐷 = LDC ∗

𝑚𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝐶 𝐼

𝑑𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎 2

𝑄 , 𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑏𝑒 𝑚𝑜𝑠𝑡𝑎𝑟 𝑐𝑜𝑚𝑜 𝑠𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑜 𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑑𝑜 2

𝜎𝑚𝑎𝑥 =

16 ∗ LDC ∗ 𝑄 𝜋 (𝑑𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎 )3

La ecuación anterior servirá para conocer el esfuerzo que se debe aplicar a la probeta para generar su fallo por fatiga, pero para cumplir esta condición, el esfuerzo aplicado debe ser igual a la resistencia a la fatiga del material.

𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝑆𝑓 𝑆𝑓 Es la resistencia a la fatiga del material y está definido por la siguiente ecuación 𝑆𝑓 = 𝑎𝑁 𝑏 Por lo tanto

𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝑆𝑓 16 ∗ LDC ∗ 𝑄 𝜋 (𝑑𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎 )3

= 𝑎𝑁𝑏

La ecuación que determina la carga a aplicar queda definida a continuación:

𝑄=

𝑎𝑁 𝑏 ∗

𝜋 (𝑑𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎 ) 16 ∗ LDC

3

Donde: 𝑎=

(0.9𝑆𝑢𝑡 )2 𝑠𝑒

1 0.9𝑆𝑢𝑡 𝑏 = − log 3 𝑆𝑒 𝑆𝑒 = 0.504𝑆𝑢𝑡 para 𝑆𝑢𝑡 ≤ 200 𝑘𝑝𝑠𝑖(1400 𝑀𝑃𝑎) LDC = 42.20 𝑚𝑚 La carga dependerá de la geometría de la probeta, la resistencia a la tracción del material de la probeta y los números de ciclos “N”, estos ciclos serán teóricos y su valor dependerá del criterio del realizador del ensayo. Realización del ensayo El equipo de trabajo realizara 4 pruebas para cuatro valores de N diferentes, antes de esto se debe leer el manual de la maquina donde se especifican cada uno de los pasos y recomendaciones para la realización de los ensayos de fatiga. Resultados El salón de clases deberá intercambiar los resultados de la prueba con el fin de tener más variables para realizar la gráfica esfuerzo vida, por lo tanto se debe tomar valores de N distintos en cada grupo. # probeta

Carga(Nlbf)

Esfuerzo (Mpa-psi) 𝑆𝑓 = 𝜎𝑚𝑎𝑥

1 2 3 4

N teórico

N real

Frecuencia

Revoluciones (RPM)

Actividades y preguntas 

Consultar información sobre el diagrama esfuerzo vida ¿qué importancia tiene para la caracterización del comportamiento a la fatiga de los materiales?



Construir el diagrama esfuerzo vida según los datos obtenidos



Comparar los datos de vida a la fatiga tanto teóricos como reales ¿Cuál es su porcentaje de error? Si difieren ¿Por qué difieren?



¿Qué es el límite de resistencia a la fatiga? ¿Cuál es el límite de resistencia del material según el diagrama realizado?



¿Cuál es la diferencia entre límite de resistencia a la fatiga y resistencia a la fatiga?

Los estudiantes deberán realizar un informe de laboratorio donde muestren y analicen los resultados obtenidos, como se llegó a ellos y donde se resuelva las preguntas planteadas.