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EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y PROPUESTA DE MEJORAMIENTO DE UN CARRETE METÁLICO No. 24 PARA EMPAQUE DE

CABLE

EVELIO CAICEDO BRAVO

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECÁNICA SANTIAGO DE CALI

2008

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EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO Y PROPUESTA DE MEJORAMIENTO DE UN CARRETE METÁLICO No. 24 PARA EMPAQUE DE

CABLE

EVELIO CAICEDO BRAVO

Trabajo de grado para optar el titulo de Ingeniero Mecánico

Director HECTO E. JARAMILLO SUAREZ

Máster en ingeniería civil

Asesor MIGUEL A. HIDALGO SALAZAR

Ingeniero Mecánico, Msc.

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2008

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Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico. Ing. MIGUEL ÁNGEL HIDALGO S. Jurado o Docente o Director Ing. MAURICIO BARRERA C. Jurado o Docente o Director

Santiago de Cali, 20 de Noviembre de 2008

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Agradezco a mis padres por su incondicional apoyo y los valores que me inculcaron para dar lo mejor de mí. Agradezco a mis profesores por su valiosa enseñanza en especial al Ingeniero Héctor Jaramillo, director de tesis y al Ingeniero Miguel Ángel Hidalgo por su dedicación y valiosa orientación. Agradezco al personal de los laboratorios de materiales, mecánica de sólidos y de proceso manufactura de la Universidad Autónoma de Occidente por el profesionalismo y dedicación que le prestaron al desarrollo de cada uno de los ensayos mecánico que fue necesario realizar.

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CONTENIDO

Pág. RESUMEN INTRODUCCION. 14 1. MARCO TEORICO 15 1.1. METODOLOGIA DE DISEÑO 15 1.1.1. Estrategia sistemática 15 1.2. ELEMENTOS FINITOS 19 1.2.1. Conceptos generales 19 1.2.2. Procedimiento para resolver un problema con el método de elementos finitos

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1.3. MATRIZ DE CALIDAD QFD 22 1.3.1. Definición 23 1.3.2. Estructura del QFD 23 1.3.3. Ventajas 24 2. DESARROLLO DE LA MATRIZ (QFD) 25 2.1. AGRUPACION DE LAS NECESIDADES 26 2.1.1. Proceso de fabricación 26 2.1.2. Manejo del carrete 26 2.1.3. Calidad del carrete 26 2.1.4. Condiciones de trabajo 26

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2.1.5. Protección del producto empacado en él 27 2.1.6. Estético 27 2.1.7. Impacto ambiental 27 2.2. PARÁMETROS DE DISEÑO 28 2.3. ANÁLISIS Y RESULTADOS DE LA MATRIZ Q.F.D 32 3. PROCESO DE FABRICACIÓN CARRETE METALICO No 24 36 3.1. ESPÁRRAGOS 39 3.2. BUJE 39 3.3. RADIOS 40 3.4. BANDA DE RODAMIENTO 42 3.5. TAMBOR METÁLICO 43 3.6. PAREDES DE LÁMINA 43

3.7. SOPORTES DEL TAMBOR 44 3.8. ENSAMBLE 44 4. PRUEBAS MECANICAS DEL ACERO ASTM A-36 47 4.1. ENSAYO DE TRACCIÓN 51 4.2. ENSAYO DE DUREZA 57 4.3. ENSAYO DE IMPACTO 59 5. ANALISIS Y RESULTADOS DEL METODO DE ELEMNTOS FINITOS

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5.1. CASO 1: EL CARRETE APOYADO SOBRE LAS BANDAS 63 5.2. CASO 2: EL CARRETE APOYOS SOBE LOS BUJES 71

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5.3. CASO 3: EL CARRETE ES TRANSPORTADO POR EL MONTACARGAS

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5.4. ANALISIS CUANDO EL CARRETE SE DEJA CAER DE UN CAMION

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6. PROPUESTA DE REDISEÑO 81 7. CONCLUSIONES 87 8. RECOMENDACIONES 88 BIBLIOGRAFIA 89

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LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1. Encuesta de evaluación de las necesidades del carrete 25 Tabla 2. Matriz de relaciones 30 Tabla 3. Especificaciones de diseño 31 Tabla 4. Resultados de la matriz 32 Tabla 5. Piezas del plano 36 Tabla 6. Dimensiones del carrete y tipos de perfiles que se utilizan el la construcción del carrete

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Tabla 7. Composición química del acero ASTM A-36 48 Tabla 8. Propiedades mecánicas del acero ASTM A-36 48 Tabla 9. Composición química del acero ASTM A-36, para 5 coladas diferentes

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Tabla 10. Análisis de la composición química del acero ASTM A-36, obtenida experimentalmente

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Tabla 11. Efectos de los elementos químicos en las propiedades del material

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Tabla 12. Resultados del esfuerzo de fluencia 53 Tabla 13. Análisis estadístico de los resultados de esfuerzo de fluencia 53 Tabla 14. Resultados del esfuerzo máximo 54 Tabla 15. Análisis estadístico de los resultados del esfuerzo máximo 54 Tabla 16. Resultados del modulo de elasticidad 56 Tabla 17. Análisis estadístico de los resultados del modulo de elasticidad 56

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Tabla 18. Resultados de la elongación 57 Tabla 19. Análisis estadístico de los resultados de la elongación 57 Tabla 20. Resultados de dureza Rockwell B y Vickers para acero ASTM A-36

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Tabla 21. Análisis estadístico de los resultados de dureza 58 Tabla 22. Resultados de la resistencia al impacto 60 Tabla 23. Análisis estadístico de los resultados de la prueba de impacto 61 Tabla 24. Esfuerzo y factor de seguridad de cada pieza. 79

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LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1. Estrategia sistemática 16 Figura 2. Modelo continúo y modelo discreto 20 Figura 3. Procedimiento de análisis 21 Figura 4. Ventajas de la matriz QFD 24 Figura 5. Necesidades del cliente en porcentaje 28 Figura 6. Puntos a ganar por cada una de las necesidades del cliente 34 Figura 7. Porcentaje de los parámetros de diseño 34 Figura 8. Plano del Carrete No 24 37 Figura 9. Espárrago 39 Figura 10. Buje 40 Figura 11. Perfil del Radio 40 Figura 12. Corte circular y despunte del radio 41 Figura 13. Corte para que encaje en la banda de rodamiento 41 Figura 14. Agujero para el espárrago 42 Figura 15. Banda de rodamiento 42 Figura 16. Tambor metálico 43 Figura 17. Pared de lámina 44 Figura 18. Ensamble de las tapas 45 Figura 19. Carrete metálico No 24 46 Figura 20. Plano probeta para el ensayo de tensión (dimensiones mm). 51

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Figura 21. Máquina universal de ensayos UTS 200.3 51 Figura 22. Descripción de la curva Esfuerzo Vs. Deformación 52 Figura 23. Esfuerzo Vs. Deformación unitaria 55 Figura 24. Plano probeta para la prueba de impacto. (Dimensiones mm) 59 Figura 25. Probeta fracturada 61 Figura 26. Mallado del carrete 63 Figura 27. Restricciones sobre las bandas 64 Figura 28. Esfuerzos de la condición, apoyos sobre las bandas 65 Figura 29. Factor de seguridad de la condición, apoyo sobre las bandas 65 Figura 30. Desplazamientos de la condición, apoyado sobre las bandas 66 Figura 31. Esfuerzo sobre un radio 67 Figura 32. Desplazamiento del radio 67 Figura 33. Factor de seguridad 68 Figura 34. Factor de pandeo 69 Figura 35. Apoyos en el centro de dos radios 69 Figura 36. Esfuerzos en las bandas 70 Figura 37. Desplazamientos en las bandas 70 Figura 38. Esfuerzo en los espárragos 71 Figura 39. Restricciones sobre los bujes 72 Figura 40. Esfuerzos de la condición, apoyos sobre los bujes 73 Figura 41. Factor de seguridad de la condición, apoyo sobre los bujes 73 Figura 42. Desplazamientos de la condición, apoyo sobre los bujes 74

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Figura 43. Factor de pandeo 74 Figura 44. Restricciones por el montacargas 75 Figura 45. Esfuerzos de la condición, apoyos sobre el montacargas 76 Figura 46. Factor de seguridad de la condición, apoyo sobre el montacargas

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Figura 47. Desplazamientos de la condición, apoyo sobre el montacargas 77 Figura 48. Factor de pandeo 78 Figura 49. Modelo del carrete para análisis de caída 79 Figura 50. Esfuerzo en el análisis de caída 80 Figura 51. Factor de seguridad en el análisis de caída 80 Figura 52. Esfuerzos en toda la estructura 81 Figura 53. Deflexiones en toda la estructura 82 Figura 54. Factor de seguridad en toda la estructura 82 Figura 55. Esfuerzos en un radio 83 Figura 56. Deflexiones en los radios 83 Figura 57. Factor de seguridad 84 Figura 58. Esfuerzo en las bandas 85 Figura 59. Deflexiones en las bandas 85 Figura 60. Factor de seguridad en las bandas 86 Figura 61. Factor de pandeo 86

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RESUMEN

En este trabajo se analiza el carrete metálico No 24, usado para el empaque de cable, con el fin de evaluar su estructura y su desempeño frente al trabajo, ya que en Colombia no se aplican las normas correspondientes para la fabricación de este tipo de carretes. Para el análisis se utilizaron las herramientas computacionales CAD/CAE (Dibujo asistido por computador/ Ingeniería asistida por computador) que permiten simular las condiciones de trabajo del carrete y diagnosticar sus condiciones mecánicas. En visitas a la fabrica R.S.I. Ltda. Se entrevisto al cliente para conocer las condiciones de trabajo a las que se somete el carrete, y las posibles mejoras frente al rediseño que él esperaría. Igualmente se visita las instalaciones donde se observa en forma detallada el proceso de fabricación del carrete metálico. Estas visitas permiten tener una visión integral del proceso, para así enriquecer el desarrollo del análisis y el diseño de la propuesta. Dentro de los análisis se aplica la metodología Q.F.D, que permite valorar las necesidades del cliente y transformarlas en parámetros de diseño y aspectos de ingeniería que posibilitan la satisfacción y el éxito del producto. Los materiales de fabricación del carrete metálico fueron sometidos a pruebas mecánicas bajo las normas ASTM, (E 8/E 8m – 08, E 23 – 07, E 18 – 08). Resultando un acero de calidad aceptable dentro de los estándares internacionales, aunque con un rango de variabilidad en su composición que puede afectar el comportamiento del material en el producto final. Concluyendo que es un acero aceptable para la aplicación en la fabricación de carretes. El carrete metálico se modela con el software Solid Edge, para obtener un diseño geométrico; a partir de este modelo se hace un análisis estructural mediante el software Algor que permite obtener esfuerzos y deformaciones; frente a unas condiciones de trabajo críticas. El análisis realizado mediante la herramienta computacional debe considerarse como una aproximación a la realidad que posibilita el rediseño y/o mejoras que se presentan a dicho producto.

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INTRODUCCION

Este trabajo se fundamenta en una necesidad apremiante a nivel industrial, en el sector dedicado a la producción de cables. Para este campo, es de vital importancia el almacenamiento y transporte de dichos elementos, por lo que es importante preservar su integridad y funcionalidad. La utilización del carrete metálico como herramienta para la industria de los cables es de innegable valor, y el estudio para su mejoramiento se ha quedado atrás relevado a un segundo plano la optimización de su uso; que debe enfocarse a mejorar las condiciones de soporte y movilidad. Desde este trabajo se abordó el tema del carrete metálico así: • Un diagnostico inicial que permite conocer las necesidades, perspectivas y estado actual frente a la utilización del carrete metálico. • La definición del problema desde la aplicación de herramientas computacionales versus necesidades y expectativas del cliente frente a la utilidad del producto. • El desarrollo de pruebas estándar del material para comprobar la calidad de los mismos a utilizar en la propuesta de mejoramiento. • El análisis de las pruebas, para comprobar sus propiedades mecánicas y su pertinencia. Es importante resaltar la apropiación de herramientas computacionales como Solid Edge y Algor que permiten modelar y realizar simulaciones para así predecir el comportamiento del carrete metálico de la propuesta frente a condiciones de trabajo criticas, permitiendo así garantizar un producto de calidad para obtener una mayor eficiencia en su desempeño y utilización. Desde todo este marco de acción se presenta una propuesta de rediseño frente al mejoramiento del carrete metálico como una alternativa de calidad, eficiencia y de alta viabilidad frente al tipo de carrete que se viene utilizando.

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1. MARCO TEORICO

1.1. METODOLOGIA DE DISEÑO El proceso de diseño en ingeniería cumple con una serie de pasos o etapas que conllevan a la creación o innovación de un sistema, componente o proceso, que permite la satisfacción de las necesidades. Es por lo tanto el deseo de diseñar cosas inherentes a los seres humanos, y a medida que las personas reflexionan sobre los aparatos de que disponen, realizan mejoras e idean y fabrican clases completamente nuevas de artefactos. Para lograr o alcanzar este objetivo es necesario definir la estrategia a seguir, con eficacia y calidad, desde el inicio del proceso de diseño, tales como tiempo y recursos, pues en cada caso en particular se debe aplicar la estrategia mas adecuada para dicho fin, de igual forma todas las metodologías si son bien aplicadas convergen en el mismo punto, el cumplimiento del objetivo. Las principales metodologías para seguir un proceso de diseño de ingeniería son: • Estrategias Pahl y Beitz. • Estrategia SEED. • Estrategia simplificada. • Estrategia sistemática.

De estas metodologías las más aplicadas comúnmente son la estrategia simplificada y la estrategia sistemática; en este proyecto se implemento la estrategia sistemática. 1.1.1. Estrategia sistemática. Esta metodología de diseño presenta con más detalle cada una de las etapas a seguir que permiten alcanzar el objetivo, además de ello presenta una propuesta de herramientas que se deben implementar en cada una de las etapas, esto se puede observar en la figura 1; con el ánimo de facilitar el proceso y obtener una mayor garantía en la validación de los resultados.

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Otro aspecto importante a destacar de esta metodología es la continua retroalimentación durante todo el proceso, lo cual disminuye la posibilidad de realizar grandes cambios al diseño una vez terminado, pues periódicamente se revisa que el modelo propuesto cumpla con los parámetros establecidos como base del diseño, lo cual no ocurre con la estrategia simplificada en la cual la retroalimentación se realiza únicamente al finalizar el diseño y las pruebas del este. Figura 1. Estrategia sistemática.

Fuente: El diseño en ingeniería. Ciudad de buenos aires: Universidad Tecnológica Nacional, 2004. p.12 Etapas de la estrategia sistemática: • Reconocer la necesidad: Es indispensable identificar con claridad cual es la necesidad que se desea suplir con el diseño, para poder determinar con miras en esto los objetivos del diseño y garantizar una satisfacción total con el producto terminado.

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• Definir el problema: Esta es quizás la etapa más importante en el proceso de diseño, pues en esta etapa se definen los objetivos y las especificaciones de este, con base en las necesidades que han sido identificadas previamente. Si hay algún error en esta etapa, este se vera reflejado en gran manera en todo el proceso y puede llegar a arruinarlo por completo, por lo cual se aconseja utilizar el apoyo de un software especializado para reducir las posibilidades de error en el desarrollo de esta fase. • Síntesis del problema: Esta etapa depende de la definición del problema, ya que a partir de las especificaciones de diseño planteadas se crea el diseño geométrico; en este momento del proceso de diseño se debe realizar una retroalimentación para garantizar que la propuesta de diseño satisface las necesidades del cliente y es apta para continuar con el proceso. En esta etapa se recomienda utilizar una herramienta computacional de dibujo, que facilite el diseño del producto. • Análisis y optimización: Se debe someter el modelo propuesto a todas las pruebas necesarias para determinar el cumplimiento de las especificaciones de diseño cuando se encuentra en condiciones de trabajo. Este análisis se puede realizar por medio de un software que permita simular el comportamiento del diseño frente a las condiciones determinadas, lo cual evita realizar un modelo real para someterlo a las pruebas necesarias. • Evaluación: Esta etapa del proceso de diseño se realiza para optimizar el producto, relacionando las etapas de síntesis del problema y análisis y optimización; El objetivo consiste en mejorar la propuesta actual a partir de los resultados de la simulación del diseño, aplicando los correctivos necesarios al modelo por medio de la revisión CAE-CAD para garantizar que se cumplan con las necesidades y las especificaciones de diseño planteadas en la etapa de definición del problema. • Presentación: Una vez se han hecho los correctivos necesarios y se ha obtenido el producto esperado se debe presentar el diseño final, en el cual se presente no solo las cualidades y ventajas que tenga, sino las debilidades y restricciones para garantizar su adecuado funcionamiento dentro de unas condiciones de trabajo especificas y un adecuado manejo. El desarrollo del presente proyecto esta enmarcado dentro de los parámetros de un diseño evolutivo, el cual se caracteriza por la mejora y la innovación de

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productos ya existentes basándose para ello en el rediseño de estos, garantizando el cumplimiento de los requerimientos del cliente o especificaciones de diseño y ofreciendo mayor calidad y eficiencia en el producto terminado. La diferencia básica entre un diseño evolutivo y un diseño adaptativo esta en que las necesidades del cliente se mantienen en el diseño evolutivo y lo que se pretende es mejorar el diseño en cuanto a los factores ambientales, tecnológicos, económicos y de seguridad, con el fin de ofrecer un producto que satisfaga tales necesidades a un mejor costo, mayor calidad y eficiencia tanto para el usuario como en el proceso de fabricación; mientras que el diseño adaptativo se realiza cuando a un producto existente se le deben hacer modificaciones para que se cumplan nuevos requerimientos de diseño impulsados por cambios en las necesidades del cliente. Con el rediseño del carrete se busca mejorar el desarrollo productivo de la empresa y ayudar a elevar los niveles de productividad y competitividad empresarial de esta En el diseño evolutivo se deben tener en cuenta algunos aspectos importantes en la determinación de un resultado de óptima calidad, tales como la verificación del diseño del proceso de producción, lo cual es posible de evaluar por medio de el análisis del valor y la matriz QFD (“Quality Function Deployment”, ” traducida normalmente como “Despliegue de la Función de Calidad”) El análisis del valor se basa en el diseño o rediseño de un producto o servicio, asegurar el mínimo costo de todas las funciones que el cliente desea y están de acuerdo a su presupuesto con todas las exigencias requeridas e identificar las oportunidades de mejora que conlleven a un diseño de soluciones. La matriz QFD permite confrontar la información sobre aspectos o variables del producto obtenidas del cliente (requerimientos del producto), con las especificaciones de diseño, con el objetivo de definir las características de calidad del producto. Para la verificación del diseño actual es indispensable el prototipado virtual rápido, que permita por medio de una simulación determinar parámetros importantes del diseño.

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El análisis por elementos finitos es un método informático que permite predecir el comportamiento de los objetos reales y sus reacciones ante fuerzas, calor, vibración, etc., es decir, si funcionarán de la manera para la que fueron diseñados. Esta técnica se denomina análisis, pero dentro del ciclo de diseño de un producto se emplea principalmente para predecir lo que ocurrirá cuando el producto se encuentre en funcionamiento. 1.2. ELEMENTOS FINITOS

Los principios que rigen las leyes físicas no han cambiado desde hace muchos siglos, en la actualidad siguen siendo los mismos, pero los métodos para resolver problemas de ingeniería están en constante cambio; en este trabajo el método que se adoptó se basa en la teoría de métodos finitos, la cual consiste en convertir un medio que es continuo en un medio discreto, con el objetivo de poder realizar un análisis de elemento por elemento de acuerdo a un conjunto de ecuaciones diferenciales que representan el comportamiento del sistema. Gracias al desarrollo tecnológico y los adelantos computacionales especialmente con el avance del software, es posible resolver la infinidad de ecuaciones que arrojan los sistemas, brindando una mayor rapidez en la obtención de respuestas a los problemas para ser analizados, y tomar una decisión mas acertada teniendo una buena aproximación a la realidad, por esto el ingeniero debe estar preparado para poder adaptarse con igual rapidez a los cambios que nos obliga la tecnología. Este tipo de software hace que el papel del ingeniero como diseñador sea el de modelar y analizar los sistemas, porque los cálculos los hace el programa, esto hace que su trabajo sea mas eficiente y efectivo, porque puede mejorar los tiempos de calculo sin tener que verificar los resultados en las ecuaciones realizadas, también se puede evaluar diferentes condiciones en un solo proceso lo cual nos permite hacer una elección entre diferentes opciones o alternativas. 1.2.1. Conceptos generales. La teoría de elementos finitos desarrollo un método para analizar el comportamiento de cuerpos o sistemas sometidos a condiciones que simulan leyes naturales, estas condiciones son aproximadas porque no se puede plantear con exactitud todas las ecuaciones que gobiernan movimiento. El método de elementos finitos permite determinar los esfuerzos, deformaciones y desplazamientos en partes y estructuras mecánicas, civiles, aeronáuticas, marinas y una infinidad de sistemas en los que se pueden aplicar.

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Esta teoría adopta dos conceptos básicos que son: modelo continuo y un modelo discreto; el modelo continuo es aquel que esta compuesto por un numero infinito de puntos y el modelo discreto el cual es el que se encuentra compuesto por un numero finito. Figura 2. Modelo continúo y modelo discreto.

Fuente: Notas de clase de ingeniería asistida por computador. Profesor Héctor E. Jaramillo, MSc., Universidad Autónoma de Occidente. Santiago de Cali, 2007. 1 CD-ROM.

En la figura .2,parte A, se presenta el modelo continuo, al cual no se le puede contar el número de partes que lo conforman y en la parte C se observa el modelo discreto que tiene una gran aproximación al real pero la ventaja es que tiene un número definido de elementos que lo conforman. 1.2.2. Procedimiento para resolver un problema con el método de elementos finitos. Hoy día, los problemas en Ingeniería mecánica se tratan y resuelven generalmente con la ayudada del método de elementos finitos. El análisis por elementos finitos es un método computacional que permite predecir cómo reaccionarán los objetos reales ante fuerzas, calor, vibración, etc., es decir, si se romperán, desgastarán o funcionarán de la manera para la que fueron diseñados. En este trabajo se realizaron todos los análisis con la ayuda del software Algor. En la figura 3 se describen los pasos que se deben seguir para hacer un buen análisis:

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Figura 3. Procedimiento de análisis.

Fuente: Notas de clase de ingeniería asistida por computador. Profesor Héctor E. Jaramillo, MSc., Universidad Autónoma de Occidente. Santiago de Cali, 2007. • Crear una geometría. Cuando ya se ha escogido la geometría que se requiere analizar se la debe modelar, si es un solido se escoge un software especial para este proceso, si es otro tipo de elemento como cerchas, vigas etc., se lo puede hacer en el software que se hace el análisis. • Generar una malla. En esta etapa se transforma el modelo continuo a un modelo discreto para definir el numero de elementos que componen el cuerpo y así determinar el numero de ecuaciones que rigen el sistema, también se define el tipo de elemento a analizar, entre los cuales se encuentran: • Elemento tipo viga. • Elemento tipo hexaedro. • Elemento tipo tetraedro.

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• Elemento tipo placa. • Elemento tipo membrana. • Elemento tipo dos dimensiones. • Elemento tipo cable.

• Asignar atributos. Aquí se debe asignar las restricciones de movimiento (definir cuantos grados de libertad tiene el cuerpo y en que dirección están orientados, Tx, Ty, Tz, Rx, Ry, Rz,), luego se colocan las cargas (fuerzas) que pueden ser puntuales, distribuidas, o superficiales, según el análisis que se requiera. También se pueden colocar otras variables como temperatura, velocidad y aceleración de acuerdo al tipo de elemento que se este analizando. • Definir tipo de análisis. En este paso el tipo de análisis se lo define de acuerdo al tipo de pieza que se tiene, barra, 2D, viga, tetraedro, placa y hexaedro, entre la variedad de análisis tenemos: • Análisis lineal estático de esfuerzos. • Análisis No lineal estático de esfuerzos. • Simulación de eventos mecánicos. • Análisis de fatiga. • Análisis de frecuencias naturales y formas modales. • Transferencia de calor en estado estable. • Transferencia de calor en estado transitorio. • Análisis de fluidos en estado estable. • Análisis de fluidos en estado inestable. • Análisis de pandeo. • Análisis de campos electrostáticos.

• Visualizar resultados. Por ultimo se analizan los resultados arrojados por el programa y se toman las decisiones de diseño que se requiere para hacer alguna corrección en el producto o dar origen a un nuevo producto. 1.3. LA MATRIZ DE CALIDAD (QFD) En el proceso de diseño o de rediseño es importante adoptar una metodología de trabajo para así poder tener una idea clara de cual es el proyecto, que se pretende obtener y cómo se va a desarrollar. En este caso se optó por desarrollar la metodología con la técnica del QFD la cual permite interactuar con el cliente,

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obteniendo información de cuales son sus requerimientos y las posibilidades que tiene para desarrollarlos. Esta técnica es un método de diseño de productos y servicios que recoge las demandas y expectativas de los clientes y las traduce, en pasos sucesivos, a características técnicas y operativas satisfactorias. Para hacer la recolección de información es necesario hacer una visita al cliente en las instalaciones de trabajo para asegurar que lo que pide se pueda realizar. 1.3.1. Definición. QFD viene de la ingle “Quality Function Deployment” que traduce despliegue de la función de calidad; es un sistema organizado para diseñar o rediseñar productos, que recoge la voz del cliente y la traduce a características de diseño y operación que permitan satisfacer las demandas y expectativas del mercado actual. El QFD es un elemento clave de distintas actividades, como la gestión de la calidad, ya que contribuye en gran manera con la optimización del producto estudiado, permitiendo que la empresa se ubique dentro de los más altos estándares de calidad, y lo más importante, logrando ganar terreno frente a la competencia al ofrecerle al cliente un mayor cubrimiento de sus necesidades. Esta herramienta permite identificar las necesidades de los clientes, orientar la integración de equipos de diseño y fabricación de productos, y, en un proceso de mejora continua, satisfacer los requerimientos del mercado con costos decrecientes, menor tiempo de producción, altos niveles de calidad y otros criterios competitivos. 1.3.2. Estructura del QFD. La estructura del QFD sigue los siguientes pasos: • Necesidades de los clientes y la importancia de cada una de estas. • Situación actual del producto. • Meta a la cual se pretende llegar para alcanzar la satisfacción de las necesidades.

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• Determinar las especificaciones de diseño. • Correlación entre las especificaciones de diseño y las necesidades de los clientes. • Evaluación de cada una de las especificaciones de diseño. • Identificación de las oportunidades de mejora en cada una de las especificaciones de diseño de acuerdo a las necesidades de los clientes. 1.3.3. Ventajas. Figura 4. Ventajas de la matriz QFD.

Fuente: Despliegue de la función de calidad Q.F.D. [en línea]. Oaxaca México: Instituto de innovación y calidad gubernamental, 2000. [Consultado 15 de Abril, 2008]. Disponible en Internet:http://www.eoazaca.gob.mx/innovacg/descargar_archivo.php?download=QUALITY%20FUNCTION%20DEPLOYMENT.doc&c=CALIDAD%20PARA%20TI. p 5. En el gráfico, figura 4 se puede apreciar algunas ventajas que nos ofrece el QFD; siguiendo todos los pasos que éste plantea; definiendo detalladamente el producto, se puede disminuir tiempo en el proceso de diseño y en el rediseño, originando mas rápidamente un producto apto para la fabricación que satisfaga los requerimientos del cliente, siendo competitivos en el mercado.

Rediseño

Sin QFD

Tiempo

Diseño Definición

Con QFD

3 Meses o más

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2. DESARROLLO DE LA MATRIZ (QFD). De acuerdo a la metodología elegida para llevar a cabo este proyecto, el QFD y desarrollando todos sus pasos; se hicieron varias entrevistas con el proveedor RSI LTDA y se investigaron las necesidades del consumidor CENTELSA para tener una idea clara de que se quiere, que se puede hacer y como se va a hacer. Tabla 1. Encuesta de evaluación de las necesidades del carrete.

No NECESIDAD Importancia de 1 a 5 1 El carrete es de fácil ensamble 1 2 El carrete requiere tiempos de fabricación cortos 1 3 El carrete es económico 4 4 El carrete es liviano 2 5 El carrete es fácil de transportar 5 6 El carrete permite realizar pruebas al producto 5 7 El carrete facilita el empaque del producto 5 8 El carrete es duradero 3 9 El carrete tiene buena tolerancia al agua 5

10 El carrete es resistente a la corrosión 5 11 El carrete soporta inadecuadas condiciones de transporte 4 12 El carrete es rígido 5 13 El carrete es resistente al impacto 5 14 El carrete soporta caídas 4

15 El carrete soporta cargas considerables según su referencia 5

16 El carrete tolerante a altas temperaturas 1

17 El carrete no afecta la integridad del producto empacado en él 5

18 El carrete es visualmente estético 3 19 El carrete recuperable 4 17 El carrete es reciclable 4

Con estas entrevistas e investigaciones que se muestran en la tabla 1 se obtuvo una gran cantidad de variables importantes que afectan la calidad del producto, estas variables fueron divididas en grupos según el campo en que se desarrollen y se les dio un nivel de importancia de 1 a 5, donde 1 es el nivel de menor y 5 el de mayor importancia.

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2.1. AGRUPACION DE LAS NECESIDADES La encuesta de la evaluación del carrete nos determina claramente las necesidades que se relacionan para determinar con mayor claridad variables de diseño; a continuación se presentan estos grupos: 2.1.1. Proceso de fabricación. En este grupo se presentan las variables que están relacionadas con el proceso de fabricación del carrete, involucrando aspectos de eficiencia y economía. • El carrete es de fácil ensamble. • El carrete requiere corto tiempo de fabricación. • El carrete es económico. 2.1.2. Manejo del carrete. Hace referencia a las variables que intervienen en la manipulación del carrete. • El carrete es liviano. • El carrete es fácil de transportar. • El carrete permite realizar pruebas en el producto • El carrete facilita el empaque del producto. 2.1.3. Calidad del carrete. Estas variables contribuyen o afectan la calidad del carrete, relacionando directamente la vida útil de este. • El carrete es duradero. • El carrete no le afecta el agua. • El carrete es resistente a la corrosión. • El carrete soporta inadecuadas condiciones de transporte. 2.1.4. Condiciones de trabajo. En esta categoría se encuentran las variables que permiten analizar el comportamiento mecánico del carrete y establecer las condiciones óptimas de trabajo de este producto.

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• El carrete es rígido. • El carrete es resistente al impacto. • El carrete soporta caídas. • El carrete soporta cargas considerables de acuerdo a su referencia. • El carrete soporta altas temperaturas. 2.1.5. Protección del producto empacado en él . Estas son las variables que relacionan la utilidad del producto, garantizando que el producto empacado en él se conserve y no se limiten sus funciones. • El carrete no afecta la calidad del producto empacado en él. 2.1.6. Estético. En esta necesidad superior se introdujeron las necesidades del cliente que conllevan una relación de tipo directo con la apariencia física del carrete, como lo son: • El carrete es visualmente estético. 2.1.7 Impacto ambiental. De acuerdo a esta necesidad superior se agruparon las necesidades del cliente que conllevan a una relación directa con el impacto ambiental generado por la construcción del producto. • El carrete es recuperable. • El carrete es reciclable. A estas necesidades se les dio un valor porcentual de acuerdo a la calificación que le dio el cliente (la suma de los valores porcentuales debe dar 100% por requerimiento de la matriz), esto es de gran ayuda para definir los parámetros de diseño. De acuerdo a la tabla 1 donde se encuentran las necesidades del cliente, se pueden determinar los parámetros de diseño, esto nos permite transformar las necesidades en especificaciones que se deben tener en cuenta en el proceso de diseño; en la figura 5 se observa el porcentaje de contribución relativa que tienen las necesidades sobre el trabajo.

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Figura 5. Necesidades del cliente en porcentaje.

2.2. PARÁMETROS DE DISEÑO Los parámetros tenidos en cuenta para el diseño del carrete son: • Masa total (Kg): Es la masa total del carrete.

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• Deformación (%): Es la deformación que se podría presentar en el carrete por efectos externos como exceso de cargas y/o caídas. • Energía absorbida en prueba de impacto, (Julios): Determina la resistencia a la fractura del material, de acuerdo a la capacidad de absorción de energía. • Material: Material en que es fabricado el carrete (teniendo en cuenta las propiedades mecánicas). • Carga del cable (Kg): El peso del cable que sea empacado en el carrete. • Temperatura (co): Es la temperatura que soporta el carrete. • Costo de fabricación por unidad (%): Es el costo total por cada unidad del producto fabricado. • Tiempo de producción (horas): Tiempo total que se requiere para la producción del carrete. • Numero de piezas a ensamblar (#): Numero de piezas que se deben ensamblar para obtener el producto terminado. Con los parámetros de diseño y las necesidades del cliente se crea una matriz que permite relacionar y cuantificar la importancia de estos aspectos, a cada casilla se le coloca un número de acuerdo a la relación que estos tengan. Las relaciones se clasifican entre fuerte (9), media (3), ligera (1) o ninguna (0), como se presenta en la tabla 2. Esto permite dar un valor a las especificaciones del producto.

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Tabla 2. Matriz de relaciones.

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Después de hacer la relación de las necesidades del cliente con los parámetros de diseño, para obtener el grado de relaciones, se caracterizaron estos parámetros en otra matriz, como la mostrada en la tabla 3 de tal forma que se pueda obtener los siguientes aspectos: • Unidades: como se mide la mejora. • Dirección de mejora: mayor es mejor, menor es mejor, nominal es. • Nivel actual: en que nivel esta actualmente nuestro diseño. • Meta: nivel de diseño deseado. • Dificultad: que tan difícil es mejorar. Una vez desarrollado esta matriz tenemos una idea clara de las condiciones en las que se encuentra el producto, cual es la meta a la que queremos llegar y cual será el nivel de dificulta que presenta para poder cumplir con esta meta. Tabla 3. Especificaciones de diseño

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2.3. ANÁLISIS Y RESULTADOS DE LA MATRIZ Q.F.D. Tabla 4. Resultados de la matriz.

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En la tabla 4 se obtuvieron los siguientes aspectos, que son muy importantes para determinar las prioridades del cliente y cuanto se puede mejorar el producto: • Evaluación del cliente: calificación que dan los clientes a cada necesidad, promedio de varias evaluaciones de las entrevistas. • Evaluación ponderada: multiplicación de la evaluación del cliente por los pesos ponderados. • Brecha absoluta: que tantos puntos porcentuales podemos ganar si se mejora al máximo. • Brecha absoluta relativa: que porcentaje de la mejora total está en esta necesidad. Analizando los resultados de la tabla 4 se observa que para el cliente, las necesidades con mayor importancia son: Que soporte caídas y que soporte cargas considerables según su referencia, obteniendo unos valores de 15.9% y 19.8% respectivamente para el porcentaje total de la mejora, y si se logra mejorar al máximo estas necesidades se puede ganar un 5.9% del total. En la figura 6 se observa con más detalles los resultados de la evaluación de las necesidades, aquí se muestran todas las necesidades y el nivel de importancia en el que se encuentran, se puede determinar como está actualmente (valor encerrado en el cuadro verde), lo que se pretende mejorar (valor encerrado en el cuadro blanco) y a lo que se podría llegar si se mejora en un máximo de 100% (la suma del cuadro verde y el blanco).

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Figura 6. Puntos a ganar por cada una de las necesidades del cliente.

Figura 7. Porcentaje de los parámetros de diseño.

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En la figura 7, se observa la importancia de cada uno de los parámetros de diseño en forma porcentual, se puede analizar que el parámetro más importante, es el material; debido a que dentro del objetivo de esta tesis no se encuentra la sustitución del material, se tendrá en cuenta los parámetros de diseño que siguen en orden de importancia, para trabajarlos como puntos fuertes y así darle mayor calidad al producto, los parámetros que se tendrán en cuenta para el diseño o rediseño del carrete No 24 son, masa total y deformación del carrete. Para lograr optimizar estos importantes parámetros se realizará el estudio por medio de elementos finitos en el software ALGOR del carrete metálico No 24; en este software se ha tratado de aproximar a las diferentes condiciones de trabajo a las cuales esta sometido este carrete y se han hecho los análisis para hacer un rediseño, o por el contrario, comprobar que la estructura esta bien diseñada.

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3. PROCESO DE FABRICACIÓN CARRETE METALICO No 24.

El proceso de fabricación del carrete metálico se lleva a cabo en tres pasos que son: • Conseguir la materia prima. • Fabricación de cada elemento por corte, troquelado, doblado, roscado de cada elemento de acuerdo a su funcionalidad. • Ensamble: es la unión de las piezas por soldadura; se trabajan con soldadura de electrodo revestido (SMAW), electrodo 6011 diámetro de 1/8 in. Toda la materia prima es acero ASTM A-36 y las máquinas que se utilizan para este proceso son: cizalla universal, torno, dobladora de perfiles y láminas, prensa hidráulica, equipo de soldadura SMAW y una base de ensamblaje construida por RSI. En la tabla 5 se encuentran el nombre de cada pieza, el número que se le asigno en el plano, figura 8, y la cantidad necesaria de cada una de estas. Tabla 5. Piezas del plano.

ELEMENTO NO NOMBRE CANTIDAD

1 Banda de rodamiento 2

2 Radios 16

3 Soporte del tambor 16

4 Bujes 2

5 Tambor metálico 1

6 Paredes del tambor 2

7 Espárragos 8

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Figura 8. Plano del Carreto No

En la tabla 6 tenemos en forma más detallada los tipos de perfiles que se utilizaron y sus dimensiones (dimensiones en cm).

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Tabla 6. Dimensiones del carrete y tipos de perfiles que se utilizan el la construcción del carrete.

BANDA DE RODAMIENTO Material. Perfil en C de 3 pulgadas Espesor 0,48cm Largo estándar 600cm Diámetro exterior 240cm Diámetro interior 394cm Desarrollo de la banda 752,5cm cantidad 2 RADIOS Material ANG3/16*2 1/2 Espesor de la aleta 0,48cm Largo del radio 116cm cantidad 8 SOPORTE DEL TAMBOR Material ANG3/16*2 1/2 Espesor de la aleta 0,48cm Largo del soporte 6cm Cantidad 8 BUJE material Platina 3/16*2 1/2 Diámetro interior 8,1cm Diámetro exterior 9,05cm Desarrollo 26,9cm Cantidad 2 TAMBOR METALICO Material Lamina HR 3 mm Diámetro exterior 140cm Diámetro interior 139,4cm Ancho 120 cm Desarrollo 438,9cm Cantidad 1 PAREDES DEL TAMBOR Material Lamina calibre 16 Diámetro interior 140cm Diámetro exterior 240cm Cantidad 2 ESPARRAGOS Material Varilla de 5/8 Longitud 118cm Cantidad 8 PESO DEL CARRETE 408Kg

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A continuación se describe cada uno de los pasos que se deben realizar para la fabricación del carrete y se muestra las imágenes de cada elemento. 3.1. ESPÁRRAGOS • Se cortan ocho varillas de 5/8” con una longitud de 1,258m. • A estas varillas se les hace un proceso de roscado en el torno y se obtienen los espárragos, figura 9. Figura 9. Espárrago.

3.2. BUJE • De una lámina de acero de 3/16” x 2 ½” se cortan dos secciones de 26,9cm de largo. • Luego se hace un proceso de cilindrado para obtener la forma del buje. • Ya cilindrado se sueldan los extremos y se pulen para obtener un buen acabado.

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Figura 10. Buje.

3.3. RADIOS

• De un perfil 3/16” x 2 ½” se cortan ocho radios de una longitud de 1,16m cada uno, este corte se hace en la cizalla universal. Figura 11. Perfil del Radio.

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• A un extremo de los radios se le hace un corte en forma circular y otro a 45° para que no haya superposición en el momento en que se unen al buje, esto se hace en la cizalla universal. Figura 12. Corte circular y despunte del radio.

• En el otro extremo se hace otro corte aproximándose a la forma interior del perfil en U para que este encaje perfectamente y no queden espacios, para esto se utiliza la cizalla universal. Figura 13. Corte para que encaje en la banda de rodamiento

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• A una distancia de 65,61cm a partir del extremo donde se une con el buje, se hace un troquelado, creando un agujero para colocar los espárragos. Este proceso se hace en la cizalla universal. Figura 14. Agujero para el espárrago.

3.4. BANDA DE RODAMIENTO • Para esta banda de rodamiento se utiliza un perfil en “U” ó en “C” de 3” x 3/16” con una longitud de 7,52 m, a esta sección se le hace un proceso de cilindrado. Figura 15. Banda de rodamiento.

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3.5. TAMBOR METÁLICO

• De una lámina de 3 mm de espesor se cortan sesiones de 4,4m x 1,20m. • Luego se hace un proceso de cilindrado para obtener la forma del tambor. • Ya cilindrado se sueldan los extremos y se pulen para obtener un buen acabado. Figura 16. Tambor metálico.

3.6 PAREDES DE LÁMINA • A partir de una lámina calibre 16 se cortan 2 secciones para formar las paredes, figura 17, con un diámetro externo de 2400 mm, y un diámetro interno de 1400 mm.

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Figura 17. Pared de lámina.

3.7. SOPORTES DEL TAMBOR • De un perfil de 3/16” x 2 ½” se cortan ocho secciones de 0,06m. esto se hace en la cizalla universal.

3.8. ENSAMBLE • En la base de ensamble se colocan los ocho radios y el buje, para ser unidos por soldadura. • Luego se coloca la banda de rodamiento y se suelda a los extremos de los radios. • En cada radio se suelda un soporte para el tambor.

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Figura 18. Ensamble de las tapas

• Se suelda el tambor sobre una tapa. • Se coloca la otra tapa y se unen por medio de los espárragos. • Se suelda el otro extremo del tambor y se ajustan los espárragos. • Por último se sueldan las paredes de lámina a las tapas del carrete y finaliza el proceso de fabricación.

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Figura 19. Carrete metálico No 24

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4. PRUEBAS MECANICAS DEL ACERO ASTM A36 La caracterización del acero que se utiliza en el carrete, se hace mediante pruebas mecánicas. Las pruebas se llevan a cabo, bajo condiciones medioambientales controladas con el objeto de asegurar que los materiales concuerden con sus especificaciones de uso. Para la realización de las pruebas mecánicas del acero se tomo como base el material que se emplea actualmente para la fabricación de los carretes mixtos y completamente metálicos, en condición de suministro, con el fin de determinar con precisión las propiedades mecánicas con las que se esta trabajando realmente. Los ensayos realizados al material, (acero estructural ASTM A-36), se realizaron bajo la inspección de las siguientes normas de la International standards worldwide, American Standars Tensting Materials (ASTM): E 8/E 8m – 08. Métodos de prueba para ensayos de tensión de materiales metálicos. E 23 – 07. Métodos de prueba para los ensayos de impacto de barra de materiales metálicos. E 18 – 08. Métodos de prueba para ensayo de dureza de Rockwell de materiales metálicos. El acero ASTM A-36 (NTC 1920) de la empresa Acerías de Caldas S.A. ACASA (www.acasa.com), empleado actualmente para tal fin, es un acero estructural al carbono, con aplicación en construcción de estructuras metálicas, puentes, torres de energía, torres para comunicación y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas, herrajes eléctricos y señalización. Según ACASA (www.acasa.com) este acero tiene una composición química estándar como se muestra a continuación en la tabla 7.

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Tabla 7. Composición química del acero ASTM A-36

Elemento Cantidad porcentual (%) Carbono (C) 0,26 máximo Manganeso (Mn) 1.20 máximo Fósforo (P) 0,04 máximo Azufre (S) 0,05 máximo Silicio(Si) 0,40 máximo Cobre (Cu) 0,20 mínimo

Los valores de las propiedades mecánicas de este acero propuestas por el fabricante, Acerías de Caldas S.A., ACASA se presentan en la tabla 8. Tabla 8. Propiedades mecánicas del acero ASTM A-36.

Propiedad mecánica Valor

Esfuerzo máximo de tensión 400 - 500 MPa Esfuerzo de fluencia 250 MPa min.

Elongación (porcentual) 21% Dureza Rockwell B 68 HRB

Al revisar el certificado de calidad de ACASA, para cada una de las coladas del acero ASTM A-36, se puede notar que se presentan variaciones en la composición química del material entre una colada y otra, lo cual influye en las propiedades mecánicas del mismo, dependiendo de la alteración de la proporción de cada uno de los elementos presentes. Este aspecto constituye un factor de error al comparar los datos obtenidos experimentalmente con los datos teóricos, ya que el valor diferencial entre estos no depende únicamente de las condiciones del ensayo, sino que también se debe considerar la alteración de las propiedades mecánicas del material de esa colada debido a los cambios de su composición química. En la tabla 9 se presenta la composición química del acero ASTM A-36 de 5 coladas diferentes suministrada por ACASA.

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Tabla 9. Composición química del acero ASTM A-36, para 5 coladas diferentes.

Elemento

Cantidad porcentual

Colada M2212

Cantidad porcentual

Colada 37657

Cantidad porcentual

Colada 37603 Carbono (C) 0,150 0,160 0,180 Manganeso (Mn) 0,540 0,390 0,530 Silicio(Si) 0,180 0,140 0,150 Azufre (S) 0,041 0,028 0,031 Fósforo (P) 0,019 0,012 0,016 Cobre (Cu) 0,250 0,170 0,260

Elemento

Cantidad porcentual

Colada 36961

Cantidad porcentual

Colada S11494

Cantidad porcentual

Colada S11470 Carbono (C) 0,260 0,130 0,130 Manganeso (Mn) 0,570 0,670 0,640 Silicio(Si) 0,240 0,200 0,150 Azufre (S) 0,017 0,029 0,029 Fósforo (P) 0,009 0,015 0,010 Cobre (Cu) 0,180 0,240 0,340

Si se comparan estos valores obtenidos experimentalmente, para cada colada, con los datos teóricos recomendados para el material, se pueden apreciar variaciones considerables con errores de hasta un 66% y a partir de un 20%, como se muestra en la tabla 10. Estas diferencias tan grandes tienen grandes influencias en las propiedades mecánicas del material, como se menciono anteriormente, ya que cada elemento afecta de manera directa la calidad y comportamiento del material, como se muestra en la tabla 11.

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Tabla 10. Análisis de la composición química del acero ASTM A-36, obtenida experimentalmente.

Elemento Media % Error

Carbono (C) 0,168 35,256 Manganeso (Mn) 0,557 53,611 Silicio(Si) 0,177 55,833 Azufre (S) 0,029 41,667 Fósforo (P) 0,014 66,250 Cobre (Cu) 0,240 20,000

El cálculo del porcentaje de error se obtuvo implementando la ecuación 1, en donde el valor experimental corresponde al promedio aritmético de las coladas descritas en la tabla 9:

100% exp ×−

=teorico

erimentalteorico

Val

ValValError (1)

Tabla 11. Efectos de los elementos químicos en las propiedades del material.

Elemento Efecto en el material

Manganeso (Mn)

Facilita las operaciones de trabajo en caliente como laminación, moldeo, entre otras, aumenta la penetración del temple y contribuye a la resistencia y dureza.

Silicio (Si) Se emplea como desoxidante y aumenta la dureza en los aceros de aleación.

Azufre (S) En grandes cantidades, entre 0.06 y 0.30% aumenta la de los aceros de aleación y al carbono.

Fósforo (P) Se considera un elemento perjudicial en los aceros, casi una impureza, ya que reduce la ductilidad y la resistencia al impacto.

Cobre (Cu) Mejora la resistencia a la corrosión

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4.1 ENSAYO DE TRACCIÓN Se prepararon 7 probetas, tomadas a partir de perfiles en L del acero A-36, de Acerías de Caldas S.A., ACASA y se maquinaron de acuerdo al plano presentado en la figura 20. Figura 20. Plano de la probeta para el ensayo de tensión (dimensiones en mm).

Las probetas de ensayo se acondicionaron a 23 °C y humedad relativa de 50% durante 72 h antes de realizar el procedimiento. Los ensayos se realizaron a 23 °C y humedad relativa de 50%. Las pruebas se realizaron en la Máquina Universal de Ensayos UTS 200.3, mostrada en la figura 21 a una velocidad de ensayo de 11 (N/mm2)/s. Figura 21. Máquina universal de ensayos UTS 200.3.

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La figura 22, muestra la curva, Esfuerzo Vs Deformación arrojada por la prueba de tensión, en la que se pueden apreciar las diferentes zonas que se presentan normalmente en este tipo de curvas y los valores más representativos como se muestra a continuación en dicha figura, tales como: La zona elástica, punto de elongación de fluencia, Zona plástica, esfuerzo de fluencia, esfuerzo último. El esfuerzo de fluencia se calculo utilizando el método offset al 2% de la deformación, según lo recomienda la norma ASTM E 8/ E8 M-08, implementando el software data Studio (www.datastudio.com) para la realización de las figuras necesarias, a partir de los datos arrojados por la máquina de ensayos UTS 200.3 correspondientes a cada prueba. Para la implementación de este método fue necesario trazar una línea paralela a la figura en la región elástica correspondiente a la ley de Hooke, que corte el eje x en el 2% de la deformación de la probeta estudiada; De esta forma el valor correspondiente al esfuerzo de fluencia, se encuentra en la intersección de la línea paralela y la figura Esfuerzo Vs. Deformación porcentual, que describe el comportamiento del material, para cada uno de los ensayos realizados. Figura 22. Descripción de la curva Esfuerzo Vs. Deformación.

Los datos obtenidos en cada una de las 7 probetas sometidas al ensayo de tracción se resumen en la tabla 12.

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Tabla 12. Resultados del esfuerzo de fluencia.

Probeta Sy (Pa) E+8 Deformación (%) 1 3,670 2,151 2 3,619 2,370 3 3,788 2,380 4 3,577 2,700 5 3,723 2,370 6 3,766 2,219 7 3,705 2,640

A los resultados mostrados en la tabla 12, se les hizo un análisis estadístico, tanto al esfuerzo de fluencia como a la deformación, en cuanto al promedio aritmético, como a la desviación estándar, cuyos resultados se resumen en la tabla 13. Siendo la desviación estándar calculada de acuerdo a la ecuación 2.

( )( )1

22

−−

= ∑n

xnxs (2)

Donde: s = Desviación estándar x =Valor de una sola observación n =Cantidad de observaciones x =Media aritmética del conjunto de observaciones

Tabla 13. Análisis estadístico de los resultados de esfuerzo de fluencia.

Esfuerzo de fluencia Deformación Media (Pa) Desviación estándar Media (%) Desviación estándar

3,69E+08 7,62E+06 2,40 0,20 El esfuerzo de fluencia obtenido en las pruebas, 3,69E+08, supera ampliamente el dato dado por el fabricante 2,50E+08 mínimo, mostrado en la tabla 8 lo supera en un 48%, lo cual indica que es muy confiable.

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La resistencia a la tracción o también conocida como esfuerzo ultimo se encuentra dividiendo la máxima fuerza que soporto la probeta por el área de sección transversal original de esta.

(3)

Donde:

= Esfuerzo último.

= Fuerza máxima soportada por la probeta.

= Área transversal de la probeta. (60mm2 ). Los resultados obtenidos para el valor del esfuerzo último del material se presentan a continuación en la tabla 14, y su respectivo análisis estadístico se resume en la tabla 15. Tabla 14. Resultados del esfuerzo máximo.

Probeta Fuerza máxima (N) Esfuerzo último (Pa) Deformación unitaria (mm/mm) 1 28.590,24 4,77E+08 0,17 2 29.088,44 4,85E+08 0,17 3 29.683,89 4,95E+08 0,17 4 29.124,87 4,85E+08 0,18 5 29.602,85 4,93E+08 0,16 6 29.438,87 4,91E+08 0,17 7 29.412,50 4,90E+08 0,17

Tabla 15. Análisis estadístico de los resultados del esfuerzo máximo.

Esfuerzo máximo Deformación unitaria Media (Pa) Desviación estándar Media Desviación estándar

4,88E+08 6,26E+06 0,17 0,006

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Comparando estos valores de esfuerzo máximo con los datos teóricos se puede determinar que se encuentran dentro del rango adecuado para este material, el cual esta entre 400 y 550 MPa, según la tabla 8, y en este caso se tiene un valor promedio de 488 MPa. Figura 23. Esfuerzo Vs. Deformación unitaria.

De la figura 23, se puede obtener un dato muy importante en los aceros, el modulo de elasticidad, E, el cual corresponde al valor de la pendiente de la recta de la zona elástica que cumple con la ley de Hooke, en la cual la relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria es proporcional. En este caso el modulo de elasticidad presenta un valor de 5,61E+10 Pa. Los valores arrojados por las pruebas hechas a las 7 probetas para este parámetro se presentan a continuación en la tabla 16, y su respectivo análisis estadístico en la tabla 17.

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Tabla 16. Resultados del modulo de elasticidad.

Probeta Modulo de elasticidad (Pa) 1 2,12E+11 2 2,53E+11 3 2,11E+11 4 2,17E+11 5 2,53E+11 6 2,04E+11 7 1,80E+11

Tabla 17. Análisis estadístico de los resultados del modulo de elasticidad.

Modulo de elasticidad Media (Pa) Desviación estándar % Error

2,19E+11 2,64E+10 6,10 Al comparar los valores de la tabla 17, del modulo de elasticidad con los valores teóricos recomendados para los aceros, se puede determinar que son valores muy cercanos, ya que el teórico es de 206 MPa, y el experimental es de 219 MPa presentando un error del 6%, el cual se puede considerar aceptable para este tipo de pruebas mecánicas si se consideran posibles fallas de error debidas al maquinado y defectos del material analizado. Para calcular la elongación de las probetas, se juntaron cuidadosamente los finales de la probetas fracturadas y se midieron las distancias entre marcas del extensómetro; para conocer el área reducida se empleó el mismo método que se emplea para el cálculo de la elongación, se juntan los extremos fracturados de la probeta y se mide el grosor en la mínima sección; la diferencia entre al área encontrada y el área de sección transversal original es la reducción del área. Los resultados obtenidos para el valor de la elongación del material se presentan a continuación en la tabla 18, y su respectivo análisis estadístico en la tabla 19.

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Tabla 18. Resultados de la elongación.

Probeta Elongación (mm) 1 15,53 2 14,91 3 15,3 4 14,9 5 14,63 6 14,98 7 15,7

Tabla 19. Análisis estadístico de los resultados de la elongación.

Elongación (mm) Media (mm) Desviación estándar % Error

15,14 0,383 30,28 La teoría de los aceros dice que estos tienen elongación de hasta un 20 %, por lo tanto podemos observar que el material estudiado tiene una gran ductilidad ya que su elongación alcanzo más de un 30% en el área de estudio de las probetas.

4.2. ENSAYO DE DUREZA Se realizo un ensayo de dureza según la norma NTC 3996 para determinar la dureza Rockwell B que corresponde a este acero ASTM A-36, bajo las siguientes condiciones: Las probetas de ensayo se acondicionaron a 23 °C y humedad relativa de 50% durante 72 h antes de realizar el procedimiento. Los ensayos se realizaron a 23 °C y humedad relativa de 50%. Las pruebas se realizaron en el Micro durómetro Vickers Indentec modelo ZHV1 y se obtuvieron los siguientes resultados

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Resultados de dureza Rockwell B y Vickers. Los resultados de dureza Rockwell B y Vickers obtenidos en la prueba se presentan a continuación en la tabla 20. Tabla 20. Resultados de dureza Rockwell B y Vickers para acero ASTM A-36.

Medición Dureza Rockwell B (HRB) Dureza

Vickers (HV)

1 98 240 2 96,4 229 3 No registra valor 248 4 No registra valor 275 5 No registra valor 261 6 95,7 225 7 99,5 217 8 95,6 224 9 No registra valor 245

10 99,8 219 Aplicando la ecuación 2, se realiza el cálculo de la desviación estándar correspondiente a este valor y se presenta en la tabla 21. Tabla 21. Análisis estadístico de los resultados de dureza.

Dureza Rockwell B Dureza Vickers Media (HRB) Desviación estándar Media (HV) Desviación estándar

97,500 1,876 238,300 19,143 Al comparar el valor de dureza obtenidos experimentalmente con el valor teórico para este material, se puede determinar que se encuentra dentro de un rango aceptable ya que la dureza Rockwell B debe ser de 68 HRB y se obtuvo un valor promedio de 97.5 HRB.

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Si se realiza un cálculo del error porcentual aplicando la ecuación 1 y se obtiene un valor de 43%, lo cual se puede considerar recordando que la composición química del material tiene grandes variaciones con relación a los parámetros teóricos establecidos para este material. 4.3. ENSAYO DE IMPACTO Se realizo el ensayo de impacto en la máquina de ensayos Charpy según la norma ASTM E23-07 ae1 mediante el siguiente procedimiento: La probeta de análisis térmicamente acondicionada, se coloca en el apoyo de la máquina de impacto Charpy contra los apoyos; el péndulo es puesto en libertad sin vibraciones, y la muestra es impactada por éste. La información se obtiene de la máquina y las partes fracturadas de la probeta. Este ensayo permite determinar la resistencia a la ruptura del acero estructural ASTM A36, obtenido de la acería ACASA, en probetas de ensayo estándar con muesca en V, en estado de suministro. Las probetas se prepararon con operaciones de maquinado y corte en una fresadora universal Nantong, con una herramienta de corte tipo fresa de cuatro filos, 12 mm, de acero rápido, a partir de un perfil circular de 15 mm de diámetro, como se muestra en el plano de la figura 24. Figura 24. Plano de la probeta para la prueba de impacto. (Dimensiones en mm)

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Las probetas de ensayo se acondicionaron a 23 °C y humedad relativa de 50% durante 72 h antes de realizar el procedimiento. El ensayo se realizo para un lote de 9 probetas, los ensayos se realizaron a 23 °C y humedad relativa de 50%. El péndulo tiene una capacidad máxima de 294 j y 300°. De las nueve probetas seis presentaron fractura completa y tres no se fracturaron. Al realizar la prueba la lectura de la máquina para cada ensayo arrojo los datos de la resistencia al impacto presentados en la tabla 22. Tabla 22. Resultados de la resistencia al impacto.

Probeta Resistencia al impacto (j) Angulo de barrido

(°) Estado final

1

215,820 210,00 Probeta no fracturada

2

210,915 212,00 Probeta no fracturada

3

199,143 220,00 Probeta si fracturada

4

196,200 218,00 Probeta no fracturada

5

196,200 218,00 Probeta si fracturada

6

197,181 217,00 Probeta si fracturada

7

197,181 217,00 Probeta si fracturada

8

194,238 219,80 Probeta si fracturada

9

216,801 220,00 Probeta si fracturada Aplicando la ecuación 2 se realiza el cálculo de la desviación estándar correspondiente a esto valores y se presenta en la tabla 23.

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Tabla 23. Análisis estadístico de los resultados de la prueba de impacto.

Resistencia al impacto Angulo de barrido Media (j) Desviación estándar Media (°) Desviación estándar

202,63 9,138 216,867 3,565 El valor obtenido en esta prueba para la resistencia al impacto del acero estructural ASTM A-36, es un valor que presenta una variación estándar muy pequeña por lo cual es posible afirmar que se obtuvo gran precisión en esta medición y que el ensayo de impacto arrojo valores adecuados para la muestra analizada haciendo mínimos los factores causantes de error. En la práctica se pudo comprobar por el sonido de impacto y la zona de fractura en la probeta que se trata de un material dúctil, ya que se pueden apreciar una deformación muy marcada en la zona de falla lo que representa una característica típica de la fractura dúctil y contraría a una fractura frágil como se puede observar en las fotos de las figuras 25. Figura 25. Probeta fracturada.

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5. ANALISIS Y RESULTADOS DEL METODO DE ELEMENTOS FINITOS El problema que se tiene con los carretes metálicos, es que no se conoce documentación de pruebas realizadas anteriormente; por lo tanto se hizo un análisis estructural, determinando ciertos parámetros como son: • Un chequeo por esfuerzos, de acuerdo a las cargas de trabajo • Un chequeo por deflexiones de acuerdo a su consideración de operación. • Un chequeo por pandeo.

Teniendo muy claro lo que se quiere con este análisis, se procedió de la siguiente manera. El modelado del carrete, se hizo en el software Algor, las medidas fueron suministradas por el fabricante, ya mostradas en el plano de la figura 8, para hacer los análisis de esfuerzos, desplazamientos y pandeo en las tres condiciones mas comunes en que puede estar el carrete, las cuales son: primera; cuando el carrete está apoyado sobre las bandas, segunda, cuando es transportado por un montacargas y tercero, en el momento en que se empaca el cable, en este caso el carrete es soportado por los bujes, pues se coloca de tal forma para que pueda girar libremente para ser enrollado el cable (la prueba de caída se llevo a cavo con un método de análisis no lineal). El carrete tiene un peso de 408 Kg., y el cable pesa 10.283 Kg., dato suministrado por el fabricante R.S.I. LTDA. , para un total del conjunto carrete-cable de 10.691 Kg. Siguiendo los pasos propuestos para hacer los análisis en Algor se hace el modelo del elemento, se define tipo de elemento, perfil de cada sección y también el tipo de análisis, Tensión estática con modelos de material lineal mostrado en la figura 26.

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Figura 26. Mallado del carrete

Luego se colocaron las fuerzas y las restricciones figura 27, para el análisis de cada uno de los casos. 5.1. CASO 1: EL CARRETE APOYADO SOBRE LAS BANDAS. Este análisis se realizó porque es la condición más común en la que se encuentra el carrete, los puntos de apoyo están en las superficies que hacen contacto con el piso, una pequeña sección de las bandas de rodamiento, como el elemento es tipo viga y placa, se restringe el elemento en los ejes Tx y Ty, el eje Tz solo se restringe en un lado en el otro se deja libre por que el carrete con el efecto del peso se puede desplazar en esta dirección, tal como se puede observar en la figura 27.

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Figura 27. Restricciones sobre las bandas

Para que el carrete tenga una estructura resistente a esta condición de trabajo se requiere que el acero del cual esta fabricado no debe superar el límite elástico, porque se ocasionaría la falla en la estructura. El límite elástico del acero ASTM A36 producido por Acerías de Caldas S.A. ACASA, según las pruebas realizadas en los laboratorios de la Universidad es 369 MPa, según la tabla 13. Como este material es un acero dúctil, se realizo un análisis según el criterio de Tresca mostrado en la figura 28 y se determinó que el máximo esfuerzo que presenta la estructura en estas condiciones es 67 MPa; de acuerdo a este valor se puede afirmar que este esfuerzo esta por debajo del límite elástico del material.

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Figura 28. Esfuerzos de la condición, apoyos sobre las bandas.

Se evaluó el factor de seguridad dando como resultado un valor de 5,53, lo cual corrobora que los esfuerzos no sobrepasan el límite elástico del material, según este análisis se puede decir que la pieza no falla. El programa ALGOR así lo indicó, tal como se visualiza en la figura 29. Figura 29. Factor de seguridad de la condición, apoyo sobre las bandas.

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Los máximos desplazamientos son de 0,0006m, tal como se observa en la figura 30 y se presentan en el eje Z, por que en el momento en que se aplica la carga, las tapas tratan de abrirse; estos valores no son considerables si se tiene en cuenta las dimensiones del elemento, no sobrepasan ni siquiera el espesor de la lámina de las tapas, por lo tanto si se evalúa con respecto a los desplazamientos el carrete no presentara deformaciones considerables. Figura 30. Desplazamientos de la condición, apoyado sobre las bandas.

En esta condicion los elementos que mas soportan las cargas son los radios con unos esfuerzos de 57 MPa que se puede observar en la figura 31; esto se debe a la posicion en que se encuentran, perpendiculares al piso por lo tanto la carga se distribuye en solo dos de estos elementos.

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Figura 31. Esfuerzo sobre un radio.

También se realizó un análisis por desplazamientos, los cuales son menores a un milímetro que se pueden observar en la figura 32, por lo tanto, si los comparamos con la longitud del radio que es 1,16m, estos son despreciables. Figura 32. Desplazamiento del radio.

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Los anteriores análisis se pueden corroborar con el factor de seguridad que tiene un valor de de 5.5 que se observa en la figura 33; el cual es bastante alto para este tipo de elementos. Figura 33. Factor de seguridad.

Para corroborar que los análisis anteriores estén bien realizados, se calculo el factor de pandeo, figura 34, este valor es de 0,93, menor a uno, lo cual nos dice que la pieza falla por pandeo, pero realizando mas análisis, cambiando perfiles y espesor de la láminas, se determino que los únicos elementos que fallan por pandeo son las tapas, los otros elementos no presentan ningún problema; lo anterior se demostró en la propuesta de diseño que se presenta en el capitulo 6.

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Figura 34. Factor de pandeo.

En la misma condición “apoyado sobre las bandas”, si giramos el carrete sobre el eje Y 22.5 grados como se aprecia en la figura 35, de tal forma que los apoyos queden en medio de los radios, los elementos que tienen mayor probabilidad de fallar son las bandas, por eso se presenta el siguiente análisis. Figura 35. Apoyos en el centro de dos radios.

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En esta condición los esfuerzos son de 109 MPa, los cuales se ven en la figura 36; superan el valor de todos los análisis realizados, pero no son lo suficientemente altos como para superar el limite de fluencia que es de 370 MPa. Figura 36. Esfuerzos en las bandas.

Las deflexiones son tan solo de 1,8mm como se aprecian en la figura 37; por lo tanto se consideran despreciables en el elemento. Figura 37. Desplazamientos en las bandas.

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Siguiendo en esta condición, otro de los elementos que presenta esfuerzos mucho mas altos que en otra condición son los espárragos con un valor de 80 MPa como se observa en la figura 38. Figura 38. Esfuerzo en los espárragos.

5.2. CASO 2: EL CARRETE APOYADO SOBRE LOS BUJES. Esta condición de apoyo se da en el momento en que se empaca el cable, se coloca el carrete sobre dos ejes apoyados en los bujes y empieza a girar para que el cable sea enrollado; aunque en esta condición el carrete esta en movimiento, se hace un análisis estático porque la velocidad de operación es muy baja, no sobrepasa las 20 rpm. Como el elemento es tipo viga y placa, se restringe el elemento en los ejes Tx y Ty, el eje Tz solo se restringe en un lado, en el otro se deja libre porque el peso del cable puede causar un pandeo o hacer que los radios se desplacen en este eje, dichas restricciones se muestran en la figura 39.

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Figura 39. Restricciones sobre los bujes.

En el análisis de esta condición según el criterio de Tresca se determino que el máximo esfuerzo que presenta la estructura es 48,7 MPa, lo cual se muestra en la figura 40. De acuerdo a este valor se puede afirmar que este esfuerzo esta por debajo del límite elástico del material, 369 MPa, por lo tanto tampoco falla en esta condición. Comparando el valor de este esfuerzo con el de la condición “Apoyado sobre las bandas de rodamiento”, este disminuyo en un 27.31%, la razón de este aumento se debe al cambio que se hace en la estructura de soportar todo el peso sobre dos radios ya que estos son los elementos mas resistentes de la estructura; en el anterior análisis interviene las bandas de rodamiento como apoyo principal del carrete y por la posición en que se encuentran (curvadas), resistirán menos por lo tanto con la carga

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Figura 40. Esfuerzos de la condición, apoyos sobre los bujes.

El factor de seguridad tiene un valor de 7.6, mostrado en la figura 41. Figura 41. Factor de seguridad de la condición, apoyo sobre los bujes.

Por otra parte, los máximos desplazamientos, mostrados en la figura 42 son de 0,0004m, y se presentan en el eje Z; estos valores no son considerables si tenemos en cuenta las dimensiones del elemento, no sobrepasan ni siquiera el espesor de la lámina de las tapas que es la parte mas delgada del carrete, por lo tanto si lo evaluamos con respecto a los desplazamientos el carrete no presentara deformaciones considerables.

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Figura 42. Desplazamientos de la condición, apoyo sobre los bujes.

El factor de pandeo figura 43, tiene un valor de -1,2; el signo menos indica que el elemento esta a tensión, si la misma carga se tuviera que soportar a compresión, el factor se toma en valor absoluto y el resultado seria de 1,2, este resultado no serie el adecuado, pero al igual que en la condición anterior los elementos que tomaron este valor son las tapas; los otros elementos que conforman la estructura tienen un factor mayor, lo cual nos indica que el carrete no falla por este análisis. Figura 43. Factor de pandeo.

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5.3. CASO 3: EL CARRETE ES TRANSPORTADO POR EL MONTACARGAS Esta prueba es la más crítica en condiciones estáticas porque los puntos de apoyo tienen áreas muy pequeñas, esto hace que la fuerza se concentre mucho más en estos puntos causando un aumento considerable en los esfuerzos; como el elemento es tipo viga y placa, se restringe el elemento en los ejes Tx y Ty, el eje Tz solo se restringe en un lado, en el otro se deja libre porque el carrete puede deslizarse sobre las palas del montacargas y generar esfuerzos adicionales que no se podrían detectar si lo dejáramos fijo. Dichas restricciones han sido mostradas en la figura 44. Figura 44. Restricciones por el montacargas.

De acuerdo con el criterio de Tresca se determino que el máximo esfuerzo que presenta la estructura en estas condiciones es 69 MPa; mostrado en la figura 45. De acuerdo a este valor se puede afirmar que este esfuerzo esta por debajo del límite elástico del material.

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Comparando el valor de este esfuerzo con el de la condición apoyado sobre las bandas de rodamiento, este aumentó en un 3% y con respecto a la condición apoyo sobre los bujes aumento en 30%; la razón de este aumento se debe a la reducción del área, sobre la cual se encuentran los apoyos, en la condición apoyado sobre las bandas el área es mayor y los esfuerzos son menores, con este ensayo una vez más se corroboró la ley física que nos dice, a menor área mayor presión. Figura 45. Esfuerzos de la condición, apoyos sobre el montacargas.

El factor de seguridad, visualizado en la figura 46, tiene un valor de 5,4 un poco menor que en los anteriores análisis, pero es aceptable, si se tiene en cuenta que las condiciones de trabajo las consideramos estáticas.

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Figura 46. Factor de seguridad de la condición, apoyo sobre el montacargas.

Los máximos desplazamientos máximos, presentados en la figura 47, son de 0,5 mm (0,0005m) y se presentan en el eje Z; estos valores no son considerables si se tiene en cuenta que las dimensiones del elemento, no sobrepasan ni siquiera el espesor de la lámina de las tapas que es la parte más delgada del carrete, por lo tanto si se evalúa con respecto a los desplazamientos el carrete no presenta deformaciones considerables. Figura 47. Desplazamientos de la condición, apoyo sobre el montacargas.

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El factor de pandeo figura 48, cuyo valor es de 0,78, presenta el mismo problema que en los anteriores análisis, el resultado corresponde a las tapas, para los otros elementos que conforman la estructura el valor es mayor, como ya se dijo, esto se demostró en el capitulo 7 en la propuesta de rediseño. Figura 48. Factor de pandeo.

5.4. ANALISIS CUANDO EL CARRETE SE DEJA CAER DE UN CAMION.

Se determinó que este análisis era importante realizarlo, porque algunos carretes pueden ser llevados a zonas selváticas, donde tener acceso a maquinaria para descargarlos de los camiones no es posible. Por esta razón se hizo un análisis de caída desde una altura de 1m, que es la altura aproximada que tienen los camiones de la cual se dejan caer. El modelado para esta condición se hizo en ALGOR: primero se definió el tipo de análisis MES con modelo de material no lineal. Después se hacen varias copias de estos dibujos y se obtiene el modelo en tres dimensiones, a las piezas que se definen como tipo viga se selecciona cada perfil de la biblioteca de perfiles de ALGOR y las otras piezas son definidas tipo placa a las cuales hay que darles el espesor que les corresponde.

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Una vez obtenido el modelo en ALGOR se coloca la carga, esta carga que es de 10691Kg, se dividió en los 640 puntos que tiene el tambor y se colocó con la opción modo masa amontonada, se definió el sentido en el eje Z, luego se colocó un plano de impacto a 1m, perpendicular al eje Z, el tiempo que se tarda el análisis es 1s y se decidió que hiciera 100 pasos por segundo. Esto se visualiza en la figura 49. Figura 49. Modelo del carrete para análisis de caída.

En esta prueba los esfuerzos según el criterio de Tresca, son de 4774 MPa, mostrados en la figura 50, los cuales sobrepasan el límite elástico del material y también el esfuerzo ultimo, por lo que el factor de seguridad toma un valor de 0.077 figura 51. Los valores de esfuerzo y factor de seguridad de cada pieza los podemos apreciar en la tabla 24. De acuerdo a estos valores la estructura no tiene ninguna posibilidad de mantener su rigidez. Esto quiere decir que la estructura falla. Definitivamente el carrete de ninguna forma puede ser expuesto a esta condición o se debe rediseñar para mejorar esta limitación. Tabla 24. Esfuerzo y factor de seguridad de cada pieza.

ELEMENTO ESFUERZO FACTOR DE SEGURIDAD

bandas -4.7x109 0.07 tambor 2x109 0.18 bujes 2.1x109 0.17 radios -3.8x109 0.09 tapas 4.7x109 0.07 espárragos 1.2x109 0.3

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Figura 50. Esfuerzo en el análisis de caída.

Figura 51. Factor de seguridad en el análisis de caída.

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6. PROPUESTA DE REDISEÑO

Dado que para hacer un diseño que permita soportar el impacto al dejar caer el carrete desde el camión a una altura de un metro, resultaría costosa y daría como resultado un diseño muy pesado, ya que habría que usar perfiles con un alto momento de inercia I, pero, por otro lado es posible aligerar el diseño actual para condiciones estáticas, por cuanto los factores de seguridad dieron resultados un poco elevados. Por lo tanto se decidió cambiar el perfil en ángulo de 2-1/2”x3/16”, por un perfil de 2”x3/16”, para los radios, el espesor de lámina de las tapas de 1,5mm por uno de 2mm y se procedió a hacer el análisis con el programa Algor, bajo estas nuevas condiciones. La condición más crítica es cuando el carrete está apoyado en el piso, lo cual se muestra en la figura 27, del capitulo 5. Los esfuerzos que presenta esa condición son de 77 MPa los cuales se presentan en la figura 52, un valor un poco más alto que el del carrete original que fue de 67MPa ya que se redujo el área de los radios, pero tampoco sobrepasa el límite de fluencia de 370MPa. Por lo tanto tenemos un factor de seguridad de 3.2, que seria el adecuado para este tipo de estructura, este lo podemos ver en la figura 54. Figura 52. Esfuerzos en toda la estructura.

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Las deflexiones que se observan en la figura 53, son muy pequeñas, la máxima es de 0,62 mm; si las comparamos con la altura del carrete que es de 2.4m, estas se consideran despreciables.

Figura 53. Deflexiones en toda la estructura.

Figura 54. Factor de seguridad en toda la estructura.

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También se realizó un análisis individual de los radios, porque fueron estos los cuales se cambiaron del diseño original por unos de menor área en el perfil; por lo tanto como se debe suponer el esfuerzo aumento en un 13% con respecto al de mayor área en el perfil siendo ahora su valor de 66MPa como se mira en la figura 55; las deflexiones también aumentaron, pero no mas de un milímetro lo cual se considera despreciable; estas se observan en la figura 56. Figura 55. Esfuerzos en un radio.

Figura 56. Deflexiones en los radios.

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El factor de seguridad es de 1.9 como se puede observar en a figura 57; un poco bajo pero aceptable si se tiene en cuenta las condiciones de trabajo estáticas del carrete. Figura 57. Factor de seguridad.

A las bandas se les realizó el análisis en la misma condición “apoyado sobre las bandas”; pero girando el carrete sobre el eje Y 22,5 grados como se aprecia en la figura 35, de tal forma que los apoyos queden en medio de los radios, por lo tanto los elementos que tienen mayor probabilidad de fallar son las bandas. Los esfuerzos que resultaron de este análisis son de 126MPa, aumentando en un 14% a los esfuerzos del carrete original en las mismas condiciones de análisis; estos resultados se observan en la figura 58; las deflexiones también se consideran despreciables porque tan solo llegan a 1.2mm, como se observa en la figura 59.

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Figura 58. Esfuerzo en las bandas.

Figura 59. Deflexiones en las bandas.

El factor de seguridad de 3,7 que se observa en la figura 60; todavía resulta un poco alto, lo ideal seria que se encuentre en un rango de 2 a 2,5, pero esto no es posible porque en Colombia no venden perfiles en “U” mas pequeños que los que se utilizan en este carrete, ni tampoco se puede cambiar la forma del perfil por que no hay otro que cumpla la misma función.

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Figura 60. Factor de seguridad en las bandas.

Se validan los anteriores análisis de rediseño con el factor de pandeo, figura 61, obteniendo un valor de 1,55, el cual resulta apropiado para este tipo de estructura Figura 61. Factor de pandeo.

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7. CONCLUSIONES

• Mediante las pruebas que se realizó al carrete, en las diferentes condiciones de trabajo, se determinó que su estructura esta sobre diseñada para trabajo estático, por lo tanto se decidió hacer una propuesta de rediseño, para reducir los factores de seguridad a unos aceptables para este tipo de estructura. • La metodología del QFD dio buenos resultados porque se pudo determinar las especificaciones del cliente y transformarlas en parámetros de diseño para hacer los análisis de la estructura, teniendo en cuenta las condiciones a las cuales está sometida. • Teniendo en cuenta los resultados de la investigación, es posible afirmar que el rediseño del carrete es confiable y seguro, hasta en condiciones dinámicas, como lo es desplazarse sobre sus propias bandas lentamente. • Este trabajo permitió afirmar que el carrete no soporta caídas bajo las condiciones de diseño planteadas. Es importante aclarar, de ser necesario realizar esta condición de trabajo, el nuevo diseño, resultaría ineficiente y costoso, porque se utilizarían perfiles muy grandes, lo que sería perjudicial para el fabricante, ocasionando complicaciones para su manejo en las empresas y dificultades en el transporte. • De acuerdo al cambio de perfiles se puede afirmar que los costos de fabricación pueden bajar, resultando en beneficio del fabricante y de los clientes. • El rediseño, se hizo teniendo en cuenta la maquinaria que posee la fabrica, ya que no se deben hacer modificaciones ni tampoco cambiar ninguna maquina para producir el nuevo carrete.

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8. RECOMENDACIONES

• Por ningún motivo el carrete puede dejarse caer de los camiones en los cuales lo transportan por que su estructura sufriría daños irreparables, a menos que se haga un nuevo diseño. • No se puede empujar con el montacargas para hacerlo dar un bote y que este quede de forma horizontal. • En los sitios que el carrete es almacenado o en los vehículos que se utilizan para su transporte, no se puede colocar uno sobre el otro, porque la estructura no resiste esta carga.

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