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Equation Chapter 1 Section 1
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Industrial
Modelado y recreación virtual de una Máquina de
Vapor de estructura de madera
Autor: Diego Molina Malpartida
Tutor: Francisco Andrés Valderrama Gual
Dep. Ingeniería Gráfica
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2018
Introducción
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3 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Industrial
Modelado y recreación virtual de una Máquina de
Vapor de estructura de madera
Autor:
Diego Molina Malpartida
Tutor:
Francisco Andrés Valderrama Gual
Profesor titular
Dep. de Ingeniería Gráfica
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2018
Introducción
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5 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Proyecto Fin de Carrera: Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Autor: Diego Molina Malpartida
Tutor: Francisco Andrés Valderrama Gual
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2018
El Secretario del Tribunal
Introducción
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7 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
A mi madre, que me regaló dos vidas;
una que me dió y otra que me enseñó
a vivir.
Introducción
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Índice
Índice ................................................................................................................................................................. 8
Resumen ............................................................................................................................................................ 9
1 Introducción .............................................................................................................................................. 10 1.1 Alcance y contexto del proyecto. ................................................................................................................... 10 1.2 Objetivo del proyecto. .................................................................................................................................... 10 1.3 Metodología de diseño empleada. ................................................................................................................ 11
2 Estado del arte .......................................................................................................................................... 15 2.1 Antecedentes. Estado del arte del proyecto. ................................................................................................ 15 2.2 Novedades tecnológicas sustanciales. ........................................................................................................... 18
3 Resultado final .......................................................................................................................................... 21 3.1 Mecanismo principal ....................................................................................................................................... 23 3.2 Aspectos de diseño ......................................................................................................................................... 25
3.2.1 Entrada superior en la cámara del pistón ............................................................................................................... 25 3.2.2 Entrada inferior en la cámara del pistón ................................................................................................................ 26
4 Desarrollo del modelado ........................................................................................................................... 28 4.1 Grupos mecánicos de componentes ............................................................................................................. 28
4.1.1 Grupo Distribuidor y Pistón ..................................................................................................................................... 28 4.1.2 Grupo Viga basculante ............................................................................................................................................. 33 4.1.3 Grupo Eje motriz ....................................................................................................................................................... 37 4.1.4 Grupo Alternador ..................................................................................................................................................... 39
4.2 Estructura de la máquina y unidades estructurales ..................................................................................... 42 4.2.1 Unidad F1 .................................................................................................................................................................. 44 4.2.2 Unidad F2 .................................................................................................................................................................. 44 4.2.3 Unidad F3 .................................................................................................................................................................. 46 4.2.4 Unidad F4 .................................................................................................................................................................. 47
5 Planos de diseño ....................................................................................................................................... 49
6 Comparativa planos y modelado .............................................................................................................. 58
7 Mejoras del diseño ................................................................................................................................... 61
8 Conclusiones ............................................................................................................................................. 63
Índice de Figuras .............................................................................................................................................. 65
Índice de Tablas ................................................................................................................................................ 67
Referencias....................................................................................................................................................... 68
9 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Resumen
En este proyecto se lleva a cabo el modelado de una máquina de vapor a partir de unos planos de diseño en los que se detallan los diferentes componentes que la conforman. El dispositivo se compone de una estructura de madera que soporta el mecanismo mediante el cual la energía térmica del vapor se transforma en energía mecánica. Previamente al inicio del proceso de modelado, se realiza un estudio minucioso de los planos de diseño de la máquina en el cual se identifican las partes móviles de la misma y como están configuradas las cadenas de movimiento que transmiten la energía hasta la rueda de inercia de salida. Posteriormente, para el modelado de la máquina se hace una distinción principal entre los componentes mecánicos de la cadena de transmisión del mecanismo y los componentes estructurales que le prestan soporte, para los que se crean distintas agrupaciones en las que quedan definidos las partes principales tanto de la estructura como del mecanismo de transmisión. De esta forma, una vez se efectúe el ensamblaje de la máquina se simplifique las partes implicadas en el proceso. Una vez finalizado el modelado, mediante una comparativa entre los planos de diseño de la máquina, en los que se muestran las diferentes vistas de las mismas, y las vistas obtenidas del modelo de la máquina ensamblada, es posible examinar la fidelidad del modelado realizado respecto al diseño en el que se ha basado el mismo. En dicha comparativa puede apreciarse como se han implementado en el modelado de la máquina todos los detalles de diseño expuestos en los planos, de manera que el resultado final fuera una representación lo más exacta posible del modelo de máquina de vapor escogido para el proyecto. Por último, se proponen algunas mejoras para el diseño de la máquina que implicarían la eliminación de algunos componentes y la modificación de otros, con las que se simplificaría el diseño del dispositivo al mismo tiempo que se incrementaría de forma considerable su rendimiento y fiabilidad.
Introducción
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1 INTRODUCCIÓN
1.1 Alcance y contexto del proyecto.
El presente proyecto se lleva a cabo para poner en valor el diseño de una de los mecanismos más
importantes de la historia de la ingeniería, el cual, gracias a la multitud de aplicaciones que
originó en la industria de la Europa occidental, dio paso a la conocida Revolución Industrial,
suponiendo el mayor conjunto de transformaciones socioeconómicas, tecnológicas y culturales de
la historia de la humanidad, desde el neolítico
En esta memoria técnica se explica y detalla cómo, a partir de los planos originales de una antigua
máquina de vapor de madera, se desarrolla un modelo con el programa de diseño gráfico CATIA
V5, en el que se recogen el modelado de todas las piezas que la componen, así como la definición
de los grados de libertad del mecanismo para poder simular el movimiento de transformación
energética.
Asimismo, se dilucida el aspecto funcional de los diferentes grupos de componentes estructurales
y mecánicos que conforman el dispositivo para mostrar el papel que juegan dentro del
funcionamiento del mecanismo, así como las relaciones existentes entre ellos, de manera que el
ensamblaje del conjunto pueda llevar a cabo la tarea para la que fue diseñado.
Por otra parte, también se pretende mostrar la enorme utilidad que posee el programa de diseño
CATIA, con el cual pueden elaborarse modelos tridimensionales de piezas y elementos con
geometrías complejas y enreversadas, que requieren de operaciones de diseño específicas con un
elevado nivel de complejidad con los que se consiguen definir parámetros muy particulares de una
forma práctica y funcional.
Del mismo modo, las opciones de CATIA para el análisis dinámico y cinemático de un mecanismo
son expuestas para su valoración, consistentes en comandos que permiten al usuario especificar
diversos y variados parámetros de cada uno de los elementos que componen el modelo, así como
restricciones a sus desplazamientos en el espacio tridimensional, para conseguir un movimiento
determinado del mismo.
1.2 Objetivo del proyecto.
El objetivo principal del proyecto consiste en representar gráficamente el modelo una máquina
de vapor con estructura de madera, mediante el cual poder obtener una mejor apreciación de la
singularidad de su diseño y las soluciones tecnológicas que supuso en la época en la que se llevó a
cabo.
Asimismo, también se pretende realizar una recreación del movimiento del mecanismo para
mostrar su funcionamiento y el proceso que lleva a cabo para conversión energética que efectúa,
en la que transforma la energía térmica del vapor en energía mecánica, confiriendo a la máquina
la categoría de generador de energía para el accionamiento de otros mecanismos auxiliares.
11 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
De esta forma, para la realización del presente proyecto se establecen los siguientes objetivos
técnicos:
• Detectar y analizar las partes móviles del mecanismo.
• Identificar las cadenas de transmisión del movimiento del mecanismo
• Comprender el funcionamiento global de la máquina mediante el estudio de las posiciones de las diferentes partes móviles a lo largo de un ciclo de trabajo.
• Modelar fielmente las distintas piezas y componentes de la máquina respecto a los planos de diseño originales.
• Simular el movimiento de la máquina una vez modelada.
• Analizar posibles puntos de mejora en el diseño de la máquina.
1.3 Metodología de diseño empleada.
Como ya se ha comentado en la Sección 1.1, para el modelado de la máquina de vapor de madera
se ha utilizado el programa de diseño CATIA, en su versión V5, desarrollado por la compañía
Dassault Systèmes. El programa proporciona apoyo desde la concepción del diseño hasta la
producción y el análisis de productos, habiéndose convertido en un software informático de diseño
de uso extendido en la fabricación e ingeniería asistida por computadora.
Fue inicialmente desarrollado para servir en la industria aeronáutica, haciendo un gran hincapié
en el manejo de superficies complejas. También es ampliamente usado en la industria del
automóvil para el diseño y desarrollo de componentes de carrocería. Así, empresas como el Grupo
VW (Volkswagen, Audi, SEAT y Škoda), BMW, Renault, Peugeot, Chrysler y Porsche registran una
amplia utilización del programa.
Figura 1-1. Diseño en Catia del motor Superquadro de Ducati
Introducción
12
El software está concebido para satisfacer las necesidades de todos sus usuarios, suministrándoles
todas las herramientas que necesiten en su trabajo. Por ello, el diseño está caracterizado por un
entorno modular, en el que el usuario adquiere lo que necesita y dónde siempre queda la puerta
abierta a nuevos módulos. Para hacernos una idea, Catia dispone de más de 100 módulos que
permiten la personalización del producto en base al sector o actividad empresarial que desarrolla
cualquier cliente.
Concretamente, para el diseño mecánico, entorno en el que se desarrolla nuestro proyecto, el
programa proporciona todas las herramientas para la creación y edición de piezas, el análisis
sistemático de cuestiones del diseño como ángulos de salida y desmoldeos, análisis de curvaturas,
propiedades físicas, etc. También está directamente relacionado con el desarrollo de
ensamblajes, puesto que casi siempre nuestra pieza ha de ir incluida en un producto final.
Finalmente, incluye un módulo de dibujo destinado a la extracción de los planos para la planta de
fabricación.
En referencia al proyecto descrito en esta memoria, los módulos del entorno mecánico del
programa utilizados para el modelado de la máquina de vapor han sido los siguientes:
• Part Design: Este módulo fundamental tiene como misión la creación y edición de
sólidos en 3D. Permite la generación de todo tipo de piezas y componentes de cierto grado
de complejidad a partir de herramientas específicas para cada concepto de creación.
• Assembly Design: En este módulo se encuentran todos los comandos necesarios para
el correcto ensamblaje de las distintas partes que constituyen un conjunto y que permiten
la correcta simulación cinemática y dinámica de mecanismos en el mismo y, de forma más
específica, en el módulo DMU Kinematics.
• DMU Kinematics: se trata de un módulo independiente del diseño dedicado a simular
los movimientos que componen el ensamblaje del modelo. Este módulo permite definir
mecanismos cinemáticos, simular el recorrido de las partes móviles y detectar de forma
dinámica las posibles colisiones entre las partes del modelo.
• Drafting: Este módulo permite la generación de los planos y documentación gráfica
del modelo, aportando las vistas, detalles y anotaciones necesarias para la correcta puesta
en fabricación de cualquier diseño. La generación de planos es automática, fácil e intuitiva.
Las vistas, se hacen de forma automática, se pueden incluir holguras y tolerancias, cambiar
el formato de las cotas, según los distintos sistemas de normalización. Asimismo, permite
la generación de los planos de montaje con distintas configuraciones de producto, que se
corresponden con las distintas fases de montaje de éste.
En el módulo de diseño Part Design se crean las diferentes piezas que componen el mecanismo,
en archivos Part.CATPart, donde se almacenan las operaciones de diseño realizadas en cada una
de ellas. Para ello, se utilizan los siguientes comandos de operaciones:
• Sketch: Conexión de curvas o rectas que forman un perfil plano y normalmente cerrado.
13 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
• Pad: Extrusión de perfiles cerrados según dirección lineal.
• Pocket: Vaciado por extrusión de un sólido ya creado.
• Shaft: Generación de sólidos mediante revolución de perfil alrededor de un eje de revolución.
• Hole: Taladrado de superficies.
• Edge Fillet: Realiza redondeos en aristas.
• Chamfer: Realiza chaflanes en las aristas.
• Thread/Tap: Realiza roscado interno o externo alrededor de una superficie cilíndrica.
• Split: Recorte de sólidos con superficies auxiliares.
• Thick Surface: Da espesor a una superficie.
• Circular Pattern: Repetición de elementos según un patrón circular.
• Rectangular Pattern: Repetición de elementos según un patrón cuadrado o rectangular.
• Mirror: Operación de simetría con respecto a un plano.
• Translation: Traslada un sólido de manera simétrica respecto a un plano de referencia.
• Apply material: Permite asignar a un sólido las propiedades mecánicas de un material y le confiere el aspecto físico de dicho material.
• Dynamic Sectioning: Realiza un corte a la pieza o conjunto a partir de la definición de un plano de intersección.
Para el ensamblaje de la máquina, en el módulo de Assembly Design se realiza el montaje de las diferentes partes que componen el modelo. Para ello, se establecen las relaciones para definir el contacto entre las caras de los sólidos, coincidencia de ejes, distancia entre planos, etc. A continuación, se puntualizan los comandos utilizados para definir estas relaciones:
• Fix: Fija un elemento y en torno a este se van fijando los grados de libertad de los demás.
• Coincidence: Coincidencia entre ejes.
• Contact: Contacto de caras.
• Offset: Distancia entre caras.
Introducción
14
• Fix together: Permite fijar en el espacio un elemento a otro.
• Angle: Define el ángulo entre las caras de dos elementos del conjunto. Como particularidad, permite establecer paralelismo o perpendicularidad entre ellas.
• Manipulation: Desplaza sólidos por el espacio tridimensional.
• Measure Item: Mide la longitud entre dos referencias definidas.
Por su parte, la simulación del mecanismo en el módulo DMU Kinematics requirió definir
restricciones de movimiento mediante el uso de los comandos que se describen a continuación:
• Fixed part: Establece la pieza de referencia del conjunto que permanece fija.
• Rigid joint: Restringe el movimiento relativo entre dos piezas.
• Cylindrical joint: Establece el movimiento de giro de un sólido respecto a un eje.
• Prismatic joint: Fija el contacto entre las superficies de dos sólidos.
• Revolute joint: Define el movimiento rotatorio de un sólido respecto a otro.
• Planar joint: Define las direcciones de movimiento entre dos superficies.
15 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
2 ESTADO DEL ARTE
2.1 Antecedentes. Estado del arte del proyecto.
La fuerza generada mediante el vapor de agua ha llamado la atención a muchas civilizaciones
desde hace cientos de años. En el siglo I dC, los científicos griegos observaron que mediante el
vapor podía generarse fuerza o energía para su utilización. A pesar de ello, los antiguos griegos no
usaron el vapor para mover maquinaria.
Desde entonces, a lo largo de la historia se realizaron miles de pruebas para aprovechar la energía
almacenada en el vapor de agua, pero no fue hasta el siglo XVII cuando se tuvo constancia de un
primer mecanismo válido para llevarlo a cabo. Fue, concretamente en el 1606, cuando el militar
español Jerónimo de Ayanz y Beaumont registró la primera patente de una máquina de que se
accionase mediante el vapor de agua.
Pero fue a Eduard Somerset, segundo marqués de Worcester, al que se le atribuye su creación en
1663 con el propósito de elevar el agua a los pisos superiores de su castillo. Otra patente conocida
a finales del XVII fue la de Thomas Savery, el cual le dio la primera aplicación "industrial" al achicar
agua de las galerías mineras.
Posteriormente, en 1695, Denis Papin, físico e inventor francés, la mejoró diseñando un horno y
generador de vapor de gran eficiencia, con el que logró importantes ahorros de combustible y
hasta cuatro golpes del pistón por minuto. Más tarde, añadió unas válvulas de seguridad para
liberar presión y eliminar riesgos, según el siguiente modelo:
Figura 2-1. Diseño de Denis Papin
Estado del arte
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Más adelante, en 1712 Thomas Newcomen mejoró este diseño para crear la primera máquina con
fines prácticos reales: contaba con un cilindro y pistón donde se condensaba el vapor, inicialmente
mojando su superficie con agua fría y posteriormente inyectando además en su interior un chorro
de agua, y consiguiendo así hasta 10 o 12 golpes por minuto.
Figura 2-2. Diseño de Thomas Newcomen
La máquina de Newcomen tenía un ratio de conversión de energía calorífica en mecánica de
apenas el uno por ciento, debido a que su trabajo fue completamente empírico y carecía de
fundamentos teóricos.
El ingeniero inglés John Smeaton realizó un proceso de optimización en el que mejoró el tamaño
de los cilindros de la máquina y elaboró un catálogo de las máquinas de Newcomen instaladas en
minas británicas, en el que detallaba el tamaño y el rendimiento de aproximadamente un centenar
de estas máquinas.
La máquina de Newcomen y las mejoras introducidas por Smeaton constituyeron el primer gran
paso de la denominada Revolución industrial, periodo histórico caracterizado por un cambio
radical en los procesos de producción, comunicación y transporte, pues el empleo del motor de
vapor permitió reemplazar la energía muscular de hombres y animales en energía mecánica
producida por el vapor.
Finalmente, la modificación definitiva y más versátil fue la del escocés James Watt: diseñó una
cámara de condensación independiente para la máquina que evitaba las enormes pérdidas de
vapor (calor) en el cilindro e intensificaba las condiciones de vacío.
17 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 2-3. Diseño de James Watt
En 1769 patentó esta y otras mejoras, como la camisa de vapor, el engrase de aceite y el
aislamiento del cilindro con el fin de mantener las altas temperaturas necesarias para una máxima
eficacia.
Gracias a estas continuas mejoras, las aplicaciones del invento se fueron incrementando hasta
llegar a las fábricas de la industria textil y siderúrgica, y consiguiendo que se asentara en el sector
minero.
Los avances posteriores desarrollaron un motor más compacto y de alta presión que permitió la
implementación de la máquina en medios de transporte como el ferrocarril (Stephenson) y los
barcos de vapor (Fulton) a principios del siglo XIX.
Figura 2-4. Locomotora de vapor Blucher
Estado del arte
18
2.2 Novedades tecnológicas sustanciales.
En 1782, el diseño de la máquina de vapor de Watts ya se había adaptado y se aplicaba en la
maquinaria de sectores como el textil, fábricas de papel, molinos de harina, destilerías, canales,
obras hidráulicas y talleres de diferentes naturaleza, suponiendo para todos ellos una fuente de
energía con una capacidad desconocida hasta la fecha, capaz de cubrir el trabajo de decenas de
personas, provocando así la transformación de todos los sectores que la implementaban con un
considerable aumento su rentabilidad y la productividad.
De las diferentes innovaciones introducidas por la creación y desarrollo de la máquina de vapor,
se van destacar las que se consideran que tuvieron mayor relevancia en un contexto histórico e
internacional y causaron un mayor impacto en diversos sectores de la industria.
De esta forma, se destacan las siguientes invenciones y aplicaciones que con las que se obtuvieron
importantes soluciones tecnológicas a las limitaciones técnicas de la época:
• Locomotora de vapor
La primera locomotora de vapor fue construida por el británico Richard Trevithick en 1803. El 24
de febrero de 1804 Trevithick logró adaptar la máquina de vapor, que se utilizaba desde principios
del siglo XVIII para bombear agua, para que tirara una máquina locomovible que hizo circular a
una velocidad de 8 km/h arrastrando cinco vagones, cargados con 10 toneladas de acero y 70
hombres, sobre una vía de 15 km de la fundición de Pen-y-Darren, en Gales del sur. Fue entonces
que dejó de ser un simple medio para ahorrar trabajo en las minas, convirtiéndose en uno de los
mayores impulsores de la Revolución Industrial.
La realidad es que las primeras locomotoras de vapor que funcionaron regularmente fueron las
diseñadas en 1812 por el inspector de minas John Blenkinsop, que propuso los rieles dentados que
engranaban las ruedas de la locomotora, convirtiéndose en el mecanismo que se utilizó para los
trenes de montaña de cremallera.
Figura 2-5. Máquina de hilar de Samuel Cropton
19 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Fue el inglés George Stephenson otro de los precursores de las locomotoras de vapor. Junto con
su hijo Robert marcaron un hito en la historia del ferrocarril. George Stephenson trabajaba desde
aproximadamente 1798 en las minas como operador de máquinas de vapor y aunque no tenía una
educación formal, su curiosidad y su voluntad le llevaron al estudio y perfeccionamiento de las
locomotoras de vapor. La primera que construyó, la denominó como "Blucher" y la puso en
movimiento el 24 de diciembre de 1814 en la mina de carbón de Killingworth.
Posteriormente, los diseños de locomotora de vapor de George Stephenson revolucionaron los
modelos de máquina de vapor que se conocían hasta la fecha. El modelo de locomotora "Rocket"
introdujo varias innovaciones que luego fueron empleadas en casi todas las locomotoras
construidas desde entonces.
Figura 2-6. George Stephenson junto a su locomotora de vapor Rocket
Este modelo empleaba una caldera multitubular, mucho más eficaz para transferir el calor de los
gases de la combustión al agua. Las calderas anteriores consistían en una sola tubería rodeada de
agua. También empleaba una tobera de salida del vapor de escape para crear un vacío parcial que
tirara del aire que alimentaba el fuego.
• Barco de vapor
Otra de las grandes innovaciones en el sector del transporte fue el barco de vapor de Robert
Fulton. Con 20 metros de eslora y una velocidad que alcanzaba entre 5 y 9 km/hora según la
corriente, fue el primer barco propulsado por una rueda con paletas a través de una maquinaria
accionada por una máquina de vapor, sentando un precedente que transformaría el sector naviero
y el del transporte.
Estado del arte
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Figura 2-7. Dibujo del barco Clermont de Fulton
Estos primeros barcos de vapor fueron movidos por grandes ruedas de paletas, colocadas en sus
costados, pero debido a las dificultades que representaba accionarlas fueron sustituidas por la
hélice de vapor, colocada en la popa de la embarcación, cuyo invento puede atribuirse tanto al
inglés Smith, que la patentó en 1835, como al sueco Ericson o a los franceses Sauvage y Normand.
El problema que se presentó en los buques de ruedas y los de hélice era el enorme consumo de
carbón, lo que ocasionaba que el vapor obtenido tuviera costos muy altos, ya que la energía se
desperdiciaba. Por ejemplo, el Britania de la Compañía Cunard, que desplazaba 1 000 toneladas,
con rueda de paletas consumía cerca de 40 toneladas de carbón por día, mientras el Pereire,
paquebote trasatlántico de hélice de 3.014 toneladas de desplazamiento, desarrollaba 13 nudos y
consumía 80 toneladas cada 24 horas.
El invento de las calderas tubulares permitió el empleo de vapor a alta presión con una
considerable economía en el uso del carbon. En 1933, el ingeniero naval inglés Isherwood
construyó el buque Arcwear, de 7 000 toneladas, cuya máquina sólo consumía 20 toneladas a una
marcha de 11 nudos, consumo que se reducía a 10 toneladas cuando desarrollaba 9 nudos.
El diseño de las calderas también progresó al introducirse los tubos hidráulicos que permitieron el
aumento de la presión en las máquinas de vapor y, al mismo tiempo, la reducción del consumo del
carbón y la disminución en el número de calderas. El Normandie contaba con 31, mientras que,
años más tarde, el Queen Elizabeth sólo llevaba 12 calderas. Algunos mercantes modernos de gran
tonelaje, que alcanzan altas velocidades, tienen una sola caldera, demostrándose así los avances
que se han logrado en sus diseños en los últimos años.
21 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
3 RESULTADO FINAL
El presente proyecto se basa en el modelado de una máquina accionada por un mecanismo que
utiliza el vapor de agua, calentado por una caldera de carbón, como agente motriz. Su diseño fue
previo al famoso modelo de caldera de vapor de James Watt en 1769. De hecho, este tipo de
máquina eran denominadas “motores de viga” debido a la viga basculante implementada en el
mecanismo en su parte superior para transferir el movimiento del pistón a la biela.
La antigüedad de este modelo de máquina queda patente observando su diseño, en el que pueden
observarse algunos componentes inexistentes en el modelo de la máquina de vapor, como es el
balancín implementado en el alternador para accionar la válvula del distribuidor.
Sin embargo, llama la atención algunas inconsistencias como los tornillos de fijación, los pasadores
de chaveta, los pasadores elásticos y las tuercas hexagonales en lugar de las más primitivas de
forma cuadrada, lo cual da lugar a pensar que su autor tenía una mente entrenada y
experimentada en la construcción de mecanismos de ingeniería.
La estructura de la máquina está realizada con piezas de madera, compuesta en 4 grupos
principales que se ensamblan entre sí para para formar una base sólida.
Por otra parte, las diferentes secciones del mecanismo están compuestas por piezas metálicas de
latón y otras de madera de nogal, cuyo montaje se apoya en la estructura de madera para crear
las cadenas de transmisión que convierten el movimiento longitudinal del pistón, accionado por la
fuerza del vapor de agua, en un movimiento rotatorio del volante de inercia.
En las figuras a continuación se muestran las perspectivas frontal y anterior del modelo de la
máquina con todos sus componentes ensamblados:
Figura 3-1. Perspectiva delantera de la máquina de vapor
Resultado final
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Figura 3-2. Perspectiva anterior de la máquina de vapor
Seguidamente, se muestra una figura del modelo renderizado en el que representa de una forma
más fidedigna el aspecto que tendría el dispositivo en la realidad. En esta representación se puede
apreciar con más detalle los materiales de los elementos de diseño utilizados:
23 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 3-3. Renderizado del modelo de la máquina de vapor
Se puede estimar que, una vez ensamblados todos los componentes y puesto en funcionamiento
el mecanismo, la velocidad de rotación del volante de inercia no superaría las 100 rpm. Debido al
considerable tamaño de la máquina, es importante comprobar que el volante de inercia se
encuentra perfectamente calibrado. En caso contrario, el momento cinético ejercido por la
descompensación en la distribución de las masas podría provocar la fractura de la estructura del
mecanismo.
3.1 Mecanismo principal
Para analizar el mecanismo de la máquina, en la siguiente imagen se exponen los componentes
mecánicos que intervienen directamente en la transformación del movimiento longitudinal del
pistón en el movimiento rotatorio del eje:
Figura 3-4. Mecanismo motriz simplificado
En la figura anterior puede observarse como el pistón engrana con la viga basculante mediante
una guía flotante conectada a la viga a través de dos clavijas que permiten el giro tanto de la viga
como de la guía del eje del pistón.
Seguidamente, a través de una viga basculante, el movimiento longitudinal del pistón se transmite
al brazo biela, el cual hace girar el cigüeñal, generando la rotación del eje motriz de la máquina
que, a su vez, hace girar la rueda de inercia.
Por último, solidario al eje motriz gira una rueda excéntrica que, en su rotación, desplaza
verticalmente el balancín del alternador, el cual mueve al mismo tiempo la válvula del distribuidor
para que el vapor cambie su entrada en la cámara conforme al movimiento del pistón, de manera
que no se interrumpa el movimiento de la máquina.
Resultado final
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En la imagen a continuación, se muestran la cadena motriz de la máquina con el resto de
componentes mecánicos necesarios para garantizar el correcto funcionamiento del mecanismo:
Figura 3-5. Componentes del mecanismo motriz.
La siguiente figura incluye la rueda o volante de inercia de la máquina, la cual se encarga de
absorber la energía del movimiento:
25 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 3-6. Componentes del mecanismo y volante de inercia
3.2 Aspectos de diseño
El vapor a presión, proveniente de una caldera que no se muestra en el modelado, una vez llega
al distribuidor, tiene dos vías de escape por las que circular, provocando de esta forma, el
movimiento longitudinal alternativo del pistón.
A continuación, se analizan los dos movimientos posibles del mecanismo que produce la fuerza
producida por el vapor:
3.2.1 Entrada superior en la cámara del pistón
Cuando el vapor llega al distribuidor, para continuar su movimiento encuentra que la vía superior
está abierta (debido a que la excentricidad de la rueda excéntrica se encuentra girada hacia
abajo), permitiendo su entrada en el cilindro.
De esta forma, el vapor entra en la cámara y empuja el pistón hacia abajo, accionando el
movimiento basculante de la viga, de manera que ésta última se mueve verticalmente hacia abajo
en el extremo en que conecta con el pistón y, por el efecto balancín, se desplaza verticalmente
hacia arriba en el extremo en el que conecta con el brazo, provocando así movimiento rotatorio
de la manivela y, por extensión, el del eje.
Resultado final
26
Esta circulación del vapor se ve favorecida por los pesos del pistón, la viga y las pesillas colocadas
en ella, los cuales acompañan el movimiento que activa el vapor en su recorrido por el sistema de
alimentación del mecanismo.
Por el contrario, en esta configuración del mecanismo, en la que la vía superior del distribuidor
se encuentra abierta, si el vapor quisiera avanzar hacia abajo, desplazando el tope inferior del
distribuidor en el mismo sentido, los pesos colocados en el balancín del alternador opondrían una
mayor resistencia a su movimiento que la que encuentra por la vía superior del distribuidor,
garantizando así el movimiento del pistón hacia abajo.
En la figura a continuación, se indica en amarillo la salida del vapor del distribuidor. Asimismo, se
indican en verde los pesos de los componentes del mecanismo que restan resistencia a la
circulación del vapor por la vía superior del distribuidor, favoreciendo que entre en el cilindro por
la abertura superior, provocando así el movimiento hacia abajo del pistón.
Figura 3-7. Elementos condicionantes del movimiento vertical
descendente del pistón
3.2.2 Entrada inferior en la cámara del pistón
En esta configuración del mecanismo, la vía inferior del distribuidor se encuentra abierta y la
superior bloqueada, por lo que el vapor entra en el cilindro por la parte baja, desplazando a éste
hacia arriba, provocando el movimiento vertical ascendente de la viga en el extremo en el que
conecta con el pistón, el cual se traduce en un movimiento descendente vertical del extremo
conectado al brazo. De esta forma, al igual que antes, se provoca un movimiento rotatorio de la
manivela y del eje motriz del mecanismo.
27 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Para llevar a cabo este movimiento, la energía térmica del vapor tiene que vencer la resistencia
que oponen los pesos del pistón, la viga y las pesillas que ésta lleva instaladas.
La otra alternativa a su movimiento por la parte inferior del distribuidor sería empujar el tope
superior del distribuidor hacia arriba, lo cual resulta imposible. En esta configuración del
mecanismo, el balancín del alternador se encuentra haciendo tope con la rueda excéntrica
colocada en el eje motriz. El movimiento ascendente del distribuidor implicaría que el balancín
se desplazase por debajo de la rueda, lo cual, físicamente, resulta imposible, encontrándose este
movimiento impedido del todo.
En la siguiente imagen se indica con una flecha en amarillo la salida de vapor por la entrada
inferior de la cámara. Asimismo, los pesos de los componentes que oponen resistencia a este
movimiento se indican con las flechas en rojo. Por último, la otra posibilidad de movimiento del
mecanismo se encuentra señalizada con las flechas en negro. La imposibilidad de ejecutarse dicho
movimiento al encontrarse impedido por el contacto de la rueda excéntrica con el balancín del
alternador, se indica con la tachadura de las fechas.
Figura 3-8. Elementos condicionantes del movimiento vertical
ascendente del pistón
Desarrollo del modelado
28
4 DESARROLLO DEL MODELADO
4.1 Grupos mecánicos de componentes
En este apartado se muestran el modelado de los diferentes grupos de componentes mecánicos
que conforman la cadena motriz de la máquina de vapor. Salvo la rueda excéntrica, que está
fabricada en acero, el resto de componentes mecánicos son de latón, por lo que su modelado tiene
asignado las propiedades físicas de estos materiales para cumplir con el diseño original del
mecanismo.
Por su parte, en el diseño se indica que el volante de inercia está fabricado con madera de arce
dura, cuya densidad es de 700 kg/m3. Debido a que la gama de maderas predefinida por CATIA no
incluía la madera de arce, se ha sustituido por la madera Kingwood, de idéntica densidad a la de
arce dura. De esta forma, se garantiza que la componente de inercia se mantenga fiel al diseño
original a lo largo de la simulación.
A continuación, se van a describir los diferentes grupos principales de la cadena motriz de la
máquina, de forma ordenada respecto al inicio del movimiento:
4.1.1 Grupo Distribuidor y Pistón
El vapor a presión entra en el mecanismo a través de la entrada del distribuidor, el cual está
atornillado a la cabeza y a la base del cilindro por dos tubos metálicos. Estos tubos crean dos
conductos por los que puede circular el vapor de agua desde el distribuidor a la cámara del pistón.
29 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 4-1. Perspectivas delantera y anterior del conjunto pistón y distribuidor
Tal y como se muestra en las siguientes figuras, dentro del distribuidor se encuentra un eje con
dos válvulas de admisión, las cuales se encargan de bloquear o liberar las entradas superior e
inferior del distribuidor, respectivamente, para que el vapor circule hasta el cilindro.
De la misma forma, también se muestra el pistón colocado dentro de la cámara, el cual tiene sus
movimientos limitados por la cabeza y la base de la cámara.
Atendiendo a evitar situaciones de bloqueo, los canales de entrada de vapor se han colocado en
las superficies que hacen de topes al movimiento del pistón, de manera que cuando éste llegue a
una posición extrema, se garantice que la presión del vapor pueda accionarlo.
El grupo pistón se compone de los siguientes componentes mecánicos:
- Eje distribuidor
- Cámara distribuidor
- Eje pistón
- Cabeza de cámara
- Pared de cámara o cilindro
- Base de cámara
Desarrollo del modelado
30
Figura 4-2. Ejes de pistón y distribuidor
Para apreciar mejor el diseño de este grupo de componentes, en la siguiente imagen se ha
realizado un corte transversal al distribuidor y al cilindro. En la sección que se muestra, puede
observarse de forma clara el sistema creado para conducir el vapor desde la entrada a las partes
baja y alta de la cámara del pistón.
31 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 4-3. Sección del conjunto pistón y
distribuidor
Las siguientes figuras muestran con más detalle los conductos de la cabeza y la base del cilindro,
a través de los cuales se introduce el vapor de agua para accionar el pistón:
Desarrollo del modelado
32
Figura 4-4. Sección de la cabeza y base del cilindro
En la cabeza del cilindro se ha practicado un orificio central por la que sale el eje del pistón para
transmitir su movimiento. En la parte superior del orificio, más ancho que la parte inferior, se
aloja un perno encargado de evitar fugas de vapor por la parte superior la cámara, al mismo
tiempo que permite que el del pistón se deslice a través de él.
Figura 4-5. Perno de la cámara pistón
33 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Por último, para orientar el movimiento vertical del pistón, en la superficie inferior de la travesera
inferior de la unidad estructural F3 se coloca una guía por la que pasa el eje del pistón, de manera
que en caso de que el movimiento del pistón provoque algún esfuerzo lateral a lo largo de su eje,
el cual, aumenta con la distancia, no repercuta por completo en la guía flotante que lo conecta
con la viga basculante. Si no que, de esta forma, sea absorbido en su mayor parte por esta guía
que, al estar fijada a la estructura, posee una mayor robustez.
Figura 4-6. Guía del eje pistón
4.1.2 Grupo Viga basculante
El grupo de viga basculante se encarga de transmitir el movimiento del pistón al brazo biela, en
el sentido contrario. Para ello, se compone de la viga basculante y del brazo biela, que conecta
con el cigüeñal del eje.
Desarrollo del modelado
34
Figura 4-7. Componentes principales del grupo de viga basculante
En el esquema de componentes principales representado, el movimiento rectilíneo del pistón
desplaza arriba y abajo la parte trasera de la viga. La viga, en su parte intermedia, está fijada a
una base basculante que gira solidaria con ella. Este movimiento, provoca que el otro extremo de
la viga adquiera un movimiento vertical en el sentido contrario al del pistón, que se transfiere al
brazo biela conectado a ella.
Para definir el conjunto viga basculante y brazo biela, se definen los siguientes componentes:
- Viga basculante
- Clavijas de engache del eje pistón con la viga
- Base basculante
- Eje de base basculante
- Cojinetes de base basculante
- Engache de brazo biela
- Cabezas del brazo biela
- Brazo biela
- Eje de enganche de brazo
- Tapa superior de base basculante
- Tapa superior de engance brazo
35 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
- Bulones de agarre
- Pesillas
Figura 4-8. Componentes del grupo viga basculante
En la siguiente imagen, se muestra en detalle el enganche entre el eje pistón y la viga basculante,
el cual se realiza a través de una pareja de clavijas que tienen el giro permitido, por su parte
superior, respecto a un eje insertado en la viga. En su parte inferior, también pueden girar
libremente respecto a la guía flotante en la que se fija el eje pistón:
Desarrollo del modelado
36
Figura 4-9. Enganche eje pistón y viga basculante
Por otra parte, el enganche de la viga basculante con el brazo biela se realiza mediante la conexión
entre la cabeza superior del brazo y una pieza de enganche fijada a la viga, entre las que se
ensambla un eje para permitir el giro de ambas piezas entre sí. A continuación, se muestran
imágenes en detalle del enlace de ambos elementos:
Figura 4-10. Enganche viga basculante y brazo biela
37 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
4.1.3 Grupo Eje motriz
En el grupo de eje motriz, los componentes principales consisten en el cigüeñal y el eje.
Concretamente, el cigüeñal es el encargado de convertir el movimiento vertical transmitido por
la viga basculante, a través del brazo biela, en uno rotatorio gracias a su excentricidad respecto
a su eje de giro.
En la siguiente figura se muestran los componentes principales del grupo eje motriz:
Figura 4-11. Componentes principales del grupo eje motriz
El grupo eje motriz también incluye otros componentes esenciales para el correcto funcionamiento
de la máquina. En el eje se instala una rueda excéntrica, que gira solidaria a él, sobre la que se
apoya el balancín del alternador del distribuidor.
De esta forma, el movimiento rotatorio del eje hace girar la rueda excéntrica de manera que la
excentricidad hace subir y bajar la válvula del distribuidor para regular la entrada de vapor en el
cilindro de forma coordinada con el movimiento del pistón, de manera que se garantice el
movimiento alternativo del pistón con la entrada de vapor por la parte baja y alta de la cámara
de forma alternativa.
Por último, en el eje también se incluyen un soporte y una tapa posterior con los que se fija el
volante de inercia al eje motriz.
El grupo de eje motriz incluye los componentes mecánicos que se enumeran a continuación:
- Cigüeñal
- Eje motriz
- Rueda excéntrica
Desarrollo del modelado
38
- Soporte de rueda de inercia
- Tapa posterior de rueda de inercia
- Guías del eje
- Volante de inercia
En las siguientes figuras se muestra el conjunto de eje motriz con y sin volante de inercia. En la
primera imagen se ha eliminado el volante del conjunto para poder apreciar los elementos de
soporte de la misma, situados en el extremo izquierdo del eje.
Figura 4-12. Componentes de eje motriz con y sin volante de inercia
Para orientar la dirección de giro del eje, se colocan dos guías que se fijan a los soportes
longitudinales de la unidad estructural F4:
39 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 4-13. Guías del eje motriz
El brazo biela y el eje motriz se conectan mediante el cigüeñal, que gira solidario con el segundo.
En un saliente cilíndrico del cigüeñal, se acopla el brazo para girar respecto al mismo durante el
ciclo de trabajo de la máquina.
Figura 4-14. Enganche brazo biela y cigüeñal
4.1.4 Grupo Alternador
El grupo alternador es el encargado de desplazar la válvula del distribuidor verticalmente para
que abra o cierre las entradas superior e inferior que conectan con la cámara del cilindro, de
manera que la entrada de vapor en la cámara del pistón esté coordinada con la posición de este
último.
Desarrollo del modelado
40
Este grupo mecánico es imprescindible para conseguir que la máquina se mantenga en movimiento,
ya que, si el vapor solo entrase por una de las aberturas del cilindro, no tendría un movimiento
alternativo y la máquina permanecería parada.
Para garantizar que esto sea así, en el ensamblaje de la máquina se calibra la posición vertical
del eje de la válvula respecto a la rotación de la rueda excéntrica, de forma que cuando el
movimiento del pistón haga girar el eje motriz, alcanzando una posición extrema dentro de la
cámara, éste a su vez haga girar la rueda excéntrica lo suficiente para desplazar la válvula del
distribuidor, de manera que la entrada de vapor en la cámara se produzca por la otra abertura del
distribuidor, provocando el movimiento del pistón en el sentido contrario.
En la siguiente figura se muestran los componentes principales del grupo alternador, compuestos
por la válvula del distribuidor, el balancín del alternador y la rueda excéntrica:
Figura 4-15. Componentes principales del grupo alternador
Los componentes modelados para el grupo alternador son los que se mencionan a continuación:
- Balancín del alternador
- Clavijas de enganche
- Clavijas intermedias
- Guía flotante
- Eje de la viga
- Bracket de soporte
- Pesillas
La válvula tiene en su parte superior una rosca a la que se fija la guía flotante, de manera que el
movimiento del balancín quede conectado con la válvula y se transfiera así el desplazamiento
provocado por el giro de la rueda excéntrica.
41 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Para ello, el balancín se conecta a la guía flotante con dos tipos de clavijas (de enganche e
intermedias) que tienen los giros permitidos entre ellas y con la guía flotante, de forma que
puedan producirse los desplazamientos verticales de la válvula y el balancín y, durante éstos, el
grupo se mantenga conectado en todo momento.
Figura 4-16. Componentes del grupo alternador
El balancín gira respecto a un eje insertado en su parte media, el cual se apoya en la pata derecha
de la unidad estructural F2 y en un bracket de soporte colocado en la travesera media de esta
unidad estructural.
Por su parte, la rueda excéntrica gira solidaria con el eje motriz. De esta forma, cada ciclo de
trabajo del pistón corresponde a una vuelta completa del eje y, a su vez, de la rueda excéntrica.
A efectos operacionales, esta restricción permite que la máquina se mantenga calibrada a lo largo
de numerosos ciclos de trabajo.
En la siguiente figura se expone una ampliación del enganche del balancín del alternador con el
eje de la válvula, en la que puede observarse el ensamblaje de los dos juegos de clavijas que
permiten el movimiento relativo entre ambos componentes. Las clavijas de enganche están fijadas
al balancín mientras que las intermedias tienen el giro permitido en sus dos extremos, pudiendo
rotar respecto a la guía flotante de la válvula y a las clavijas de enganche.
Desarrollo del modelado
42
Figura 4-17. Enganche balancín y válvula
4.2 Estructura de la máquina y unidades estructurales
La estructura del mecanismo está compuesta por vigas y listones de madera de nogal. La estructura
se divide en 4 grupos estructurales principales que se ensamblan entre sí para formar una base sólida
que soporta el mecanismo de la máquina.
En varios de los componentes de la estructura se han practicado taladrados para llevar a cabo el
anclaje de elementos del mecanismo o para introducir tornillos de fijación con los que reforzar el
ensamblaje con otras piezas de la estructura.
En la figura a continuación se muestra la perspectiva del ensamblaje de las 4 unidades estructurales
en las que se cimenta el mecanismo:
43 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 4-18. Estructura de la máquina
En la imagen a continuación se añaden dos refuerzos metálicos que ayudan a darle una mayor rigidez
a la estructura frente a las vibraciones causadas por el giro del volante de inercia:
Figura 4-19. Estructura de la máquina con refuerzos
Desarrollo del modelado
44
4.2.1 Unidad F1
La unidad estructural F1 es la base de la estructura en la que se apoyan el resto de componentes
estructurales y mecánicos. Su estructura se compone de varias vigas y traveseras ensambladas
perpendicularmente para conformar una base sólida. Salvo las vigas, el resto de componentes tienen
en sus extremos unas pestañas que se insertan en las vigas y en algunos de las traveseras ortogonales
para conseguir un ensamblaje robusto.
Para la unidad estructural F1 se modelan los siguientes componentes estructurales:
- Viga base derecha
- Viga base izquierda
- Soporte longitudinal
- Soporte transversal delantero
- Soporte transversal medio
- Soporte transversal trasero
Figura 4-20. Unidad estructural F1
4.2.2 Unidad F2
La unidad estructural F2 da soporte al grupo mecánico del alternador y la unidad estructural F3. En
su travesera media se han practicado dos orificios para fijar un bracket en el que se apoya el eje del
balancín del alternador, siendo su otro apoyo la pata derecha de unidad estructural, en la que se ha
efectuado un agujero para insertarlo.
Por otra parte, al soporte superior de la unidad estructural se le han realizado dos muescas de
pequeña profundidad para encajar los soportes longitudinales de la unidad estructural F3.
45 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Los componentes estructurales que componen la unidad F2 de la estructura son los que se
enumeran a continuación:
- Pata derecha
- Pata izquierda
- Travesera media
- Soporte superior
- Espiches inferiores
- Espiches superiores
En la siguiente figura se muestran los componentes estructurales de la unidad F2 ensamblados:
Figura 4-21. Unidad estructural F2
En el ensamblaje de las patas con las vigas de la base y con el soporte superior se han introducido
unos espiches de unión para reforzarlo, para lo que ha sido necesario realizar orificios en cada uno
de los componentes que intervienen en este montaje, de manera que los espiches pudieran
implementarse de forma oculta, constituyendo un refuerzo interno de la estructura.
Desarrollo del modelado
46
Figura 4-22. Espiches superiores e inferiors de la unidad F2
4.2.3 Unidad F3
El papel principal de la unidad estructural F3 es servir de soporte para la viga basculante del
mecanismo. Para ello, en su travesera inferior se ensamblan dos postes de metal para fijar la unidad
estructural al soporte transversal trasero de la base. Por otra parte, sobre la travesera inferior se
colocan los soportes longitudinales, que encuentran su otro punto de apoyo en el soporte superior de
la unidad estructural F2.
Finalmente, sobre los soportes longitudinales se coloca la travesera superior, encima de la cual se
ensamblan los cojinetes de la base basculante, los cuales permiten el giro de la misma para que la
viga basculante pueda continuar el movimiento generado por el pistón.
La unidad estructural F3 está formada por los siguientes componentes estructurales:
- Postes de metal
- Travesera inferior
- Travesera superior
- Soportes longitudinales
47 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 4-23. Unidad estructural F3
4.2.4 Unidad F4
La unidad estructural F4 es la encargada de dar soporte al grupo de eje motriz. Consta de dos
traveseras colocadas sobre la base de la estructura, las cuales, a su vez, sirven de base a los dos
soportes longitudinales sobre los que se fijan las guías del eje para que, de esta forma, la dirección
de giro del eje se mantenga a lo largo del ciclo de trabajo de la máquina.
En la zona comprendida entre los dos soportes longitudinales se ubica la rueda excéntrica que
acciona el balancín del alternador, la cual disfruta de suficiente espacio para completar sus giros
sin entrar en conflicto con ninguno de los componentes de la unidad estructural.
Los componentes estructurales de la unidad estructural F4 son los que se enumeran a continuación:
- Soporte longitudinal exterior
- Soporte longitudinal interior
- Travesera delantera
- Travesera trasera
Desarrollo del modelado
48
Figura 4-24. Unidad estructural F4
5 PLANOS DE DISEÑO
En este apartado se muestran los planos de diseño de la máquina sobre los que se basa el modelado
de la misma. Se componen de 6 páginas en los que se detallan las dimensiones y algunas
características concretas de la geometría de los componentes estructurales y mecánicos que
conforman este modelo de máquina de vapor.
Asimismo, también se muestran las vistas generales del montaje de la máquina, en las que se
puede apreciar la distribución de los componentes en el ensamblaje de la máquina.
En los planos de diseño las medidas representadas aparecen indicadas en unidades de pulgada y
hacen referencia a las medidas reales del mecanismo. Realizando la conversión de las medidas a
unidades del sistema métrico, se tiene que 1 pulgada equivale a 0,254m.
De esta forma, para tener una referencia del tamaño real de la máquina, se toman los siguientes
elementos del mecanismo en cada uno de los ejes dimensionales:
• Largo: la distancia longitudinal del mecanismo coincide con el largo de las vigas de la base,
siendo éste de 2.29m (9in).
• Ancho: para el ancho de máquina basta sumar el largo de uno de los soportes transvesales
de base, de 1.2m(4,75in), y el ancho de las dos vigas de la base de 0,19m (0,75in) cada
una, resultando un ancho total de 1,58m.
• Altura: considerando el eje del pistón, cuya longitud es de 1,24m (4,875in), y sumando la
altura de una de las vigas de la base de 0,19m(0,75in) y la de la viga basculante de 0,16m
(0,625in), más un salto entre el eje del pistón y la viga basculante de valor aproximado al
de la altura de la viga (0,16m), se tiene una altura total aproximada de la máquina de
1,75m.
Para establecer una comparativa sencilla con alguna referencia conocida, las medidas de la
máquina se corresponderían de una forma aproximada a las del modelo de vehículo Smart Fortwo,
el cual tiene unas dimensiones de 2,695x1663x1555m:
Figura 5-1. Vehículo Smart Fortwo
Planos de diseño
50
50
Por nuestra parte, dado que muchas de las medidas de los planos venían indicadas con fracciones,
para simplificar el proceso de modelado en el programa de diseño, se multiplicaron por un factor
de 10. Dicho de otro modo, se ha aplicado una escala 10:1 a los planos de diseño, de forma que el
modelado realizado tendría un tamaño 10 veces superior al del mecanismo real.
A continuación, se adjuntan los planos de diseño de la máquina:
51 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 5-2. Vistas de la máquina de vapor
Planos de diseño
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Figura 5-3. Planos de unidades estructurales F1 y F3
53 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 5-4. Planos de unidades estructurales F2 y F4, viga basculante y brazo biela
Planos de diseño
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Figura 5-5. Planos de volante de inercia y componentes del eje motriz
55 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 5-6. Planos del grupo distribuidor y pistón
Planos de diseño
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Figura 5-7. Planos de componentes mecánicos de la viga basculante y el balancín
Por otra parte, muchos de los componentes estructurales y mecánicos de la máquina de vapor
tienen practicados orificios y roscas de diferentes dimensiones. Las dimensiones indicadas en los
planos de la máquina, de origen presumiblemente americano, están en unidades de pulgada.
57 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
En los planos de diseño de la máquina, las dimensiones de la mayoría de estas operaciones de
taladrado están indicadas con una nomenclatura específica que determina el valor del diámetro
de la perforación realizada.
Dado que, por un lado, era necesario descifrar los valores de longitud a los que hacía referencia
la nomenclatura utilizada en los planos y, por otro lado, el modelado de la máquina se ha realizado
utilizando como unidad de medida el metro, ha sido necesario utilizar una tabla de referencia con
la que especificar las medidas indicadas en la nomenclatura y convertirlas a unidades de longitud
en metros.
La tabla utilizada para tal fin se muestra a continuación. En ella puede observarse varias columnas
en las que, en cada una de ellas, se muestra a la izquierda la nomenclatura asignada a un valor
de diámetro concreto y, a la derecha, dicho valor en unidades de metro:
Tabla 5-1. Estandarización en metros de taladrados en pulgadas
Comparativa planos y modelado
58
58
6 COMPARATIVA PLANOS Y MODELADO
En este apartado se muestran de forma conjunta las diferentes vistas de la máquina de vapor tal y
como aparecen en los planos de diseño, junto con las vistas del modelo realizado en CATIA. De esta
forma, puede apreciarse la fidelidad del modelado llevado a cabo respecto al diseño representado
en los planos:
Figura 6-1. Alzado de la máquina
59 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
Figura 6-2. Perfil izquierdo de la máquina
Figura 6-3. Perfil derecho de la máquina
Comparativa planos y modelado
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Figura 6-4. Vista en planta de la máquina
61 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
7 MEJORAS DEL DISEÑO
Tal y como se ha comentado en el Capítulo 3, el diseño de la máquina pertenece a una época
previa a la creación de la máquina de vapor por parte de James Watt, por lo que, aunque resulta
funcional, registra numerosos aspectos que afectan a su rendimiento operacional. Debido a ello,
el diseño admite varias modificaciones que resultarían en una simplificación del mismo y en un
aumento notable del trabajo generado.
A continuación, se describen las mejoras que podrían llevarse a cabo para optimizar su diseño y
se analizan las ventajas mecánicas que supondrían estas modificaciones:
1. Posición horizontal del Cilindro: Si el cilindro se instalase en posición horizontal, el efecto
de la gravedad en el movimiento del pistón le afectaría por igual a lo largo de todo su
recorrido, resultando en un movimiento más uniforme a lo largo de su ciclo de trabajo, en
el que de disminuiría la probabilidad de que se diesen “tirones” por parte del pistón.
2. Posición horizontal del Distribuidor: La rotación del cilindro también supondría girar el
distribuidor 90 grados para continuar en paralelo con el cilindro, de forma que los dos tubos
de salida del distribuidor permanecieran alineados con las dos entradas de la cámara del
pistón.
3. Eliminación de la Viga basculante del mecanismo: Una vez colocado el cilindro en posición
horizontal, el brazo que actúa de biela en el diseño original podría conectarse directamente
con el eje del pistón, pudiendo así prescindir de la viga basculante, además de otros
componentes del grupo cuya finalidad es habilitar y dar soporte el movimiento basculante
de la viga, como son la base basculante, el enganche del brazo biela y el eje de las clavijas,
entre otros.
4. Eliminación del Balancín del alternador: Una vez girado el cilindro y, en consecuencia,
también el distribuidor, el balancín del alternador no resultaría funcional en el nuevo diseño,
por lo que podría eliminarse junto con todos los componentes implementados en ella
(pesillas, eje y clavijas).
5. Eliminación de la Unidad estructural F3: Eliminadas del mecanismo la viga basculante y el
balancín del alternador, la unidad estructural F3 carece de función en el diseño, por lo que
podría suprimirse en el nuevo diseño de la máquina.
6. Eliminación de la rueda excéntrica: Suprimido el balancín del alternador del mecanismo,
la rueda excéntrica que lo acciona resultaría irrelevante en el diseño de la máquina. Su
eliminación aumentaría el rendimiento de la máquina, ya que, una vez suprimida, se
reduciría el par resistente al movimiento de giro del eje motriz.
7. Nuevo mecanismo alternador de la válvula del distribuidor: En el nuevo diseño de la
máquina, la función del grupo alternador se llevaría a cabo mediante pestañas salientes en
el eje del distribuidor. Por otro lado. el eje del pistón también incluiría otras pestañas con
las que, en el movimiento longitudinal del pistón, empujarían a las del eje del distribuidor,
accionándolo en ambos sentidos del movimiento del pistón.
Mejoras del diseño
62
62
Todas estas mejoras, además de suponer un incremento en el rendimiento del mecanismo, debido a
que se eliminarían elementos que crean resistencia tanto al movimiento longitudinal del pistón
(pesillas, peso viga basculante) como al par de rotación del eje (peso balancín del alternador),
también conllevarían una reducción notable del peso de la máquina, lo cual sería una ventaja a la
hora de transportarla o llevar a cabo tareas de reparación en las que hubiera que desmontar total o
parcialmente las piezas y componentes del mecanismo.
Por otra parte, aunque en la época en la que se elaboró el diseño de la máquina no era posible debido
al conocimiento limitado en el campo de los materiales, a día de hoy, podrían utilizarse materiales
más livianos y resistentes para la fabricación de sus componentes, como aleaciones de aluminio o de
acero, dando como resultado una mayor cantidad de energía mecánica transmitida al volante de
inercia, al tener que desplazar el mecanismo masas más pequeñas durante su ciclo de trabajo. De la
misma forma, también se conseguiría aumentar la fiabilidad de la máquina a lo largo de su vida útil.
63 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
8 CONCLUSIONES
Para llevar a cabo este proyecto, debido a mi desconocimiento sobre el programa de diseño CATIA,
el primer paso consistió en el estudio de 2 manuales del software que me permitieron aprender el
procedimiento para diseñar los componentes del modelo, ensamblarlos y definir las restricciones
de movimiento para poder llevar a cabo una simulación dinámica del mismo.
En la etapa previa al proceso de modelado, consistente en la lectura de planos para la comprensión
de la dinámica del mecanismo, había algunos elementos de giro que no se habían representado de
forma clara en los planos, lo cual dificultaba la tarea de visualizar la cadena de transmisión
completa del mecanismo.
Por otra parte, una vez comenzado el proceso de modelado, descubrí que en los planos de diseño
las cotas de algunas partes de los componentes no se habían indicado debidamente. Para darles
un valor que fuera coherente con el resto de elementos del modelo, las calculé por diferencia con
las cotas de componentes adyacentes y, en caso de que no fuera posible, las estimé en base a
elementos que tuvieran una longitud similar en el plano.
En general, los planos de los diferentes componentes del mecanismo estaban bien definidos y no
entrañó una dificultad excesiva trasladar sus dimensiones y geometría al modelo realizado en el
programa de diseño. Incluso, en algunos de los elementos se habían realizado comentarios para
aclarar aspectos de diseño.
En la fase de ensamblaje de los componentes de la máquina, el diseño erróneo de un pequeño
número de ellos originó conflictos por intersección o, por el contrario, holguras en las partes en
las que el encaje no debería dar lugar a la existencia de juego. Una vez modificado el diseño de
estos componentes fallidos, el ensamblaje se finalizó correctamente.
Finalmente, la fase de simulación fue la que más trabajo requirió, debido a que durante la fase
de ensamblaje no se realizaron todas las restricciones necesarias para otorgarle al movimiento del
mecanismo un único grado de libertar, de forma que el programa no era capaz de identificar el
movimiento exacto que debía realizar el mecanismo. Para solventarlo, se efectuó un análisis de
grados de libertad de la máquina para detectar aquellos componentes que carecían de
restricciones de movimiento.
Una vez terminado el modelado de la máquina y tras adquirir un mayor conocimiento del
mecanismo que implementa, me resultó evidente que la máquina poseía muchos puntos de mejora
(descritos en el Capítulo 7) con los que se podría incrementar de forma considerable su
rendimiento.
En este sentido, cabe pensar que, debido a la época en la que se elaboró el diseño de este modelo
de máquina de vapor, el sistema de intercambio térmico utilizado en la caldera para calentar el
agua seguramente sería energéticamente ineficiente. Basándonos en el modelo de caldera
multitubular creado por Stepehenson durante el desarrollo de modelos avanzados de locomotora,
la aplicación de una caldera de este tipo en la máquina que nos ocupa no solo reduciría
drásticamente el consumo de carbón utilizado como combustible, sino que además también
influiría en una mejora notable de su eficiencia energética y su rendimiento.
Conclusiones
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64
En conclusión, la realización de este proyecto me ha otorgado nuevos y amplios conocimientos
sobre el programa de diseño CATIA, aportándome una nueva herramienta para llevar a cabo el
diseño y análisis de mecanismos y productos propios del campo de la ingeniería.
Por otra parte, la investigación sobre el funcionamiento de la máquina de vapor y la búsqueda de
modelos basados en su diseño me ha proporcionado un mayor conocimiento sobre soluciones
tecnológicas para optimizar la transformación de energía térmica en energía mecánica.
65 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1-1. Diseño en Catia del motor Superquadro de Ducati 11
Figura 2-1. Diseño de Denis Papin 15
Figura 2-2. Diseño de Thomas Newcomen 16
Figura 2-3. Diseño de James Watt 17
Figura 2-4. Locomotora de vapor Blucher 17
Figura 2-5. Máquina de hilar de Samuel Cropton 18
Figura 2-6. George Stephenson junto a su locomotora de vapor Rocket 19
Figura 2-7. Dibujo del barco Clermont de Fulton 20
Figura 3-1. Perspectiva delantera de la máquina de vapor 21
Figura 3-2. Perspectiva anterior de la máquina de vapor 22
Figura 3-3. Renderizado del modelo de la máquina de vapor 23
Figura 3-4. Mecanismo motriz simplificado 23
Figura 3-5. Componentes del mecanismo motriz. 24
Figura 3-6. Componentes del mecanismo y rueda de inercia 25
Figura 3-7. Elementos condicionantes del movimiento vertical descendente del pistón 26
Figura 3-8. Elementos condicionantes del movimiento vertical ascendente del pistón 27
Figura 4-1. Perspectivas delantera y anterior del conjunto pistón y distribuidor 29
Figura 4-2. Ejes de pistón y distribuidor 30
Figura 4-3. Sección del conjunto pistón y distribuidor 31
Figura 4-4. Sección de la cabeza y base del cilindro 32
Figura 4-5. Perno de la cámara pistón 32
Figura 4-6. Guía del eje pistón 33
Figura 4-7. Componentes principales del grupo de viga basculante 34
Figura 4-8. Componentes del grupo viga basculante 35
Figura 4-9. Enganche viga basculante y brazo biela 36
Figura 4-10. Enganche viga basculante y brazo biela 36
Figura 4-11. Eje motriz 37
Figura 4-12. Componentes de eje motriz con y sin volante de inercia 38
Figura 4-13. Guías del eje motriz 39
Figura 4-14. Enganche brazo biela y cigüeñal 39
Figura 4-15. Componentes principales del alternador 40
Figura 4-16. Componentes del alternador 41
Figura 4-17. Enganche balancín y válvula 42
Índice de Figuras
66
66
Figura 4-18. Estructura de la máquina 43
Figura 4-19. Estructura de la máquina con refuerzos 43
Figura 4-20. Unidad estructural F1 44
Figura 4-21. Unidad estructural F2 45
Figura 4-22. Espiches superiores e inferiores 46
Figura 4-23. Unidad estructural F3 47
Figura 4-24. Unidad estructural F4 48
Figura 5-1. Vehículo Smart Fortwo 49
Figura 5-2. Vistas de la máquina de vapor 51
Figura 5-3. Planos de unidades estructurales F1 y F3 52
Figura 5-4. Planos de unidades estructurales F2 y F4, viga basculante y brazo biela 53
Figura 5-5. Planos de volante de inercia y componentes del eje motriz 54
Figura 5-6. Planos del grupo distribuidor y pistón 55
Figura 5-7. Planos de componentes mecánicos de la viga basculante y el balancín 56
Figura 6-1. Alzado de la máquina 58
Figura 6-2. Perfil izquierdo de la máquina 59
Figura 6-3. Perfil derecho de la máquina 59
Figura 6-4. Vista en planta de la máquina 60
67 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 5-1. Estandarización en metros de taladrados en pulgadas 57
Referencias
68
68
REFERENCIAS
A continuación, se indican las páginas de referencia consultadas a lo largo del desarrollo del
proyecto, desde la búsqueda y obtención de los planos de la máquina, pasando por la búsqueda
de manuales del programa Catia hasta finalizar con referencias para documentar históricamente
el proyecto:
[1] http://www.john-tom.com/html/ElmersEngines.html (Agosto 2017- Septiembre 2017)
[2] http://www.muchocatia.es/ (Septiembre 2017 – Abril 2018)
[3] http://grupocarman.com/blog/catia-v5/ (Octubre 2018)
[4] http://foroscatia.geo3d.es/forum/catia-v5/ensamblajes/simulacion-de-movimientos-0
(Febrero 2018 – Mayo 2018)
[5] http://ceibal.elpais.com.uy/historia-de-la-maquina-a-vapor/ (Marzo 2018)
[6]https://ahombrosdegigantescienciaytecnologia.wordpress.com/2015/08/05/la-primera-
maquina-de-vapor-efectiva-de-la-historia-newcomen/ (Marzo 2018)
[7] https://clarrobla.wordpress.com/tag/maquina-de-vapor/ (Abril 2018)
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/John_Smeaton (Abril 2018)
[9] https://es.wikipedia.org/wiki/Denis_Papin (Abril 2018)
[10] http://sosiales.blogspot.com.es/2010/11/evolucion-de-la-maquina-de-vapor-y.html (Abril
2018)
[11] https://www.ecured.cu/Locomotora_de_vapor (Mayo 2018)
[12] http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/067/htm/sec_8.htm
(Mayo 2018)
69 Modelado y recreación virtual de una Máquina de Vapor de estructura de madera