Maestranza Valle Verde EIRL Mantenimientos Especiales ...files.mantenimiento-especial.webnode.cl/200000465-d2bbad3b56... · El presente informe tiene por objetivo ... por Método

Maestranza Valle Verde EIRL Mantenimientos Especiales

Antecedentes:

Fabricó y Diseñó: Maestranza Valle Verde EIRL.

Calculó: René Callejas Ingeniero Civil Mecánico Rut: 13.012.752-5

INFORME DE INGENIERÍA Nº 05/01:

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE POLEA

TENSORA DM800x1900 - 2500

Rev. N° Fecha Calculó Revisó Observación 00 04/05/11 René Callejas Carlos Frisch Emitido para revisión y comentarios

VALLE VERDE POLEA TENSORA DM800X1900 . 2500

Página 2 de 21

ÍNDICE DE CONTENIDOS

I. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................................... 3

1.1. REFERENCIAS DE PARÁMETROS ........................................................................................................................................ 3

II. OBJETIVOS.......................................... .................................................................................................................... 3

III. PARÁMETROS Y CONSIDERACIONES PARA EL CÁLCULO ............................................................................ 3

3.1. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS (FEA) ....................................................................................................................... 3

3.2. CONSIDERACIONES Y SUPUESTOS .................................................................................................................................... 4

3.3. CRITERIO PARA LA DETERMINACIÓN DE ESFUERZOS ........................................................................................................ 4

IV. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES A UTILIZAR .................................................................................. 4

V. ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y RESULTADOS......................................... ............................................................... 5

5.1. ESFUERZO ADMISIBLE ........................................................................................................................................................ 5

5.2. MODELACIÓN DE POLEA TENSORA DM800X1900 - 2500 ............................................................................................... 6

5.3. ANÁLISIS DE CARGA CASO 1.............................................................................................................................................. 6

5.4. ANÁLISIS DE CARGA CASO 2............................................................................................................................................ 11

5.5. ANÁLISIS DE CARGA CASO 3............................................................................................................................................ 15

VI. CONCLUSIONES .................................................................................................................................................. 20

ANEXO A-1: PROPIEDADES FISICAS DEL MODELO............................................................................................ 21


Página 3 de 21

I. INTRODUCCIÓN

El presente informe tiene por objetivo realizar un análisis estructural de una Polea Tensora el cual es fabricado por Valle Verde EIRL. Se analiza cada uno de los componentes de la polea según planos proporcionados por Arrequipos Ltda.

El análisis estructural está basado en los parámetros de resistencia y deformaciones. Se realizarán cálculos estructurales por Método de Elementos Finitos, modelando cada

una de las piezas por CAD en 3D utilizando el Software Alibre Design V12.1 (Licencia con módulo: Expert) y posteriormente será analizada en Algor Software Fempro V23.1. (Licencia AE57668).

1.1. Referencias de Parámetros

Plano 42008310/2, Bend Pulley DM800x1900 – 2500, MAN TAKRAF. Plano 100-0083-M-F01, Polea Tensora / Detalle General Eje, Valle Verde. Plano 100-0083-M-F02, Polea Tensora / Detalle General Tambor, Valle Verde. Plano 100-0083-M-F03, Polea Tensora / Detalle General Tapa, Valle Verde.

II. OBJETIVOS

Los objetivos del presente estudio consisten en:

1. Determinar los niveles de esfuerzos a los cuales es sometido la polea. 2. Comparar los resultados de esfuerzos con el admisible. 3. Calcular las deformaciones en los componentes de la polea.

III. PARÁMETROS Y CONSIDERACIONES PARA EL CÁLCULO

3.1. Análisis por Elementos Finitos (FEA)

Para un estudio detallado, se realiza una simulación de la estructura mediante Análisis de Elementos Finitos (FEA), el cual consiste en un método general para la solución de problemas de contorno gobernados por ecuaciones diferenciales. En esencia se trata de una técnica que sustituye el problema diferencial por otro algebraico, aproximadamente equivalente, para el cual se conocen técnicas generales de resolución. Para ello se hace uso de la "discretización" o subdivisión de una región sobre la cual están definidas las ecuaciones en formas geométricas simples. Las propiedades materiales y relaciones gobernantes en estos elementos se expresan en función de los valores desconocidos en los elementos o nodos.

Para el Análisis de Elementos Finitos, se puede utilizar diversos elementos: placa, bloque, viga, barra, etc. En este caso se trabajará con elemento bloque o ladrillo y el Software a utilizar para el cálculo es Algor Fempro V23.1 (licencia AE57668).


Página 4 de 21

3.2. Consideraciones y Supuestos

Las principales consideraciones y supuestos son los siguientes:

1. Estructura Homogénea. 2. Cargas distribuidas uniformemente. 3. No se consideran fuerzas externas como: sismo, viento, vibraciones, etc.

3.3. Criterio para la determinación de Esfuerzos

El criterio a utilizar para determinar los esfuerzos en la estructura, es el criterio de Von Mises también conocida como la Teoría de la Máxima Energía de Distorsión. Este especifica que el material cede si la energía de distorsión alcanza un valor máximo, el cual es igual a la energía de distorsión máxima encontrada en pruebas de tensión. Este criterio está dado por la siguiente expresión:

1

2 s 1

- s 2

s 2 - s 3

1

s 3 - s 1 2 s

(e-1)

Donde s 1 , s 2 y s 3 representan los esfuerzos máximos principales, mientras que s es el esfuerzo producido en la estructura, el cual debe ser siempre menor o en el peor de los casos igual al límite elástico o de fluencia del material.

IV. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES A UTILIZAR

Los materiales considerados en la fabricación de la polea son los siguientes:

Acero A 572 Gr 50: Límite de Fluencia

Resistencia a la Tracción

s y = 345 [MPa]

s u = 450 [MPa] Elongación Mínima A = 18 % Módulo de Poisson u = 0,3 Módulo de Elasticidad E = 195 [GPa]

Acero SAE 4340 (diámetro entre 250 y 500 mm): Límite de Fluencia


s y = 540 [MPa]

s u = 740 [MPa] Elongación Mínima A = 14 % Módulo de Poisson u = 0,3 Módulo de Elasticidad E = 210 [GPa]


Página 5 de 21

Soldadura AWS E7018 Límite de Fluencia


s y = 390 [MPa]

s u = 480 [MPa] Elongación Mínima A = 25 %

V. ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y RESULTADOS

5.1. Esfuerzo Admisible

Por medio del esfuerzo admisible se puede determinar la máxima carga asociada. El esfuerzo admisible se calcula de la siguiente forma:

s adm = s y FS

(e-2)

Donde FS es el factor de seguridad asociado y s y es el límite de fluencia del material. De

esta forma el Esfuerzo Admisible es:

Cuando la estructura se encuentra sometido a cargas fluctuantes, es importante considerar la fatiga, de esta forma el esfuerzo admisible se calcula como:

s admf s u FF

(e-3)

Donde FF es el factor de seguridad por fatiga y s u es El Esfuerzo de Resistencia a la

Tracción del material. Debido al nivel de incertidumbre en la operación y asumiendo un valor conservador, el factor de seguridad por fatiga e 8,0. De esta forma los esfuerzos admisibles por fatigas son:

Para Acero A 572 Gr 50:

s admf 450 MPa

8

56,25 MPa

Para Acero SAE 4340:

s admf 740 MPa

8

92,5 MPa

Para Soldadura AWS E7018:

s admf 480 MPa

8

60 MPa


Página 6 de 21

5.2. Modelación de Polea Tensora DM800x1900 - 2500

La Polea es modelada en CAD con el Software Alibre Design V2011 (módulo Expert) según especificaciones entregadas por planos, tanto en dimensiones como en la designación de materiales.

Fig. 5.1. Soporte modelado en CAD.

Posteriormente el modelo se exporta al Software Algor V23.1 donde se realizará el análisis por método de Elementos Finitos. Al proceder con el mallado, se obtienen las siguientes estadísticas:

Número de Piezas: 5 Número de Elementos: 88454

Pieza 1: Eje Tipo de Elemento = Brick, Número de Elementos= 46898 Pieza 2: Tambor, Tipo de Elemento = Brick, Número de Elementos = 3992 Pieza 3: Tapa1, Tipo de Elemento = Brick, Número de Elementos = 18551 Pieza 4: Tapa2, Tipo de Elemento = Brick, Número de Elementos = 18543 Pieza 5: Soldadura, Tipo de Elemento = Brick, Número de Elementos = 470

5.3. Análisis de Carga Caso 1

Este caso supone operación normal en la polea según especificaciones del plano 42008310/2 de MAN TAKRAF.

Para este caso las condiciones de operación son las siguientes: Carga Sobre el Tambor: 790 kN (Tensión en correas 395 kN). Angulo de Arco: 180º (superficie donde se aplica la carga). Velocidad de Giro: 100 RPM

La figura 5.2 muestra la distribución de esfuerzos en conjunto, donde el máximo es de

30,1 MPa.


Página 7 de 21

Fig. 5.2. Distribución de Esfuerzos para Caso 1.

Las fuerzas y deformaciones por piezas son las siguientes:

Pieza Esfuerzo Deform. Factor

Observación (MPA) (mm) Seguridad

Eje Polea 30,109 0,038 17,93 • Deformación menor a L/500

• No se producirá fatiga, Esfuerzo menor a Admisible

por fatiga

• Cumple condición de Resistencia Tambor 14,092 0,1 24,48 • No se producirá fatiga, Esfuerzo menor a Admisible

por fatiga

• Cumple condición de Resistencia Tapa 14,859 0,037 23,22 • No se producirá fatiga, Esfuerzo menor a Admisible

por fatiga

• Cumple condición de Resistencia Unión Soldada 8,087 0,041 48,23 • No se producirá fatiga, Esfuerzo menor a Admisible

por fatiga

• Cumple condición de Resistencia


Página 8 de 21

Fig. 5.3. Distribución de Esfuerzos en el Eje para Caso 1.

Fig. 5.4. Distribución de Deformaciones en el Eje p ara Caso 1.


Página 9 de 21

Fig. 5.5. Distribución de Esfuerzos en el Tambor pa ra Caso 1.

Fig. 5.6. Distribución de Deformaciones en el Tambo r para Caso 1.


Página 10 de 21

Fig. 5.7. Distribución de Esfuerzos en la Tapa para Caso 1.

Fig. 5.8. Distribución de Deformaciones en la Tapa para Caso 1.


Página 11 de 21


Este caso supone operación bajo condiciones no establecidas en la polea según las especificaciones del plano 42008310/2 de MAN TAKRAF.

Para este caso las condiciones de operación son las siguientes: Carga Sobre el Tambor: 1.580 kN (Tensión en correas 790 kN). Angulo de Arco: 180º (superficie donde se aplica la carga). Velocidad de Giro: 200 RPM


58,38 MPa.




Página 12 de 21


Fig. 5.11. Distribución de Deformaciones en el Eje para Caso 2.


Página 13 de 21

Fig. 5.12. Distribución de Esfuerzos en el Tambor p ara Caso 2.

Fig. 5.13. Distribución de Deformaciones en el Tamb or para Caso 2.


Página 14 de 21

Fig. 5.14. Distribución de Esfuerzos en la Tapa par a Caso 2.


Página 15 de 21


Pieza

Esfuerzo Deform. Factor Observación

(MPA) (mm) Seguridad



por fatiga


por fatiga


por fatiga


por fatiga



Este caso supone operación bajo condiciones no establecidas en la polea según las especificaciones del plano 42008310/2 de MAN TAKRAF.

Para este caso las condiciones de operación son las siguientes: Carga Sobre el Tambor: 790 kN (Tensión en correas 395 kN). Angulo de Arco: 180º (superficie donde se aplica la carga). Velocidad de Giro Final: 200 RPM Aceleración Angular: 50 RPM/s


37,55 MPa.

Página 16 de 21




Pieza Esfuerzo Deform. Factor

Observación (MPA) (mm) Seguridad



por fatíga


por fatíga


por fatíga


por fatíga


Página 17 de 21



Fig. 5.18. Distribución de Deformaciones en el Eje para Caso 3.

Página 18 de 21


Fig. 5.19. Distribución de Esfuerzos en el Tambor p ara Caso 3.

Fig. 5.20. Distribución de Deformaciones en el Tamb or para Caso 2.

Página 19 de 21


Fig. 5.21. Distribución de Esfuerzos en la Tapa par a Caso 3.


Página 20 de 21


VI. CONCLUSIONES

El análisis estructural, se realizó por método de elementos finitos, trabajando con

elemento solido o bloque, para determinar los niveles de esfuerzos en la estructura. Esto según dimensiones las referencias de los planos mencionados en el punto 1.1.

Para determinar el esfuerzo admisible, se consideró la falla por fatiga del material, según lo indicado en el punto 5.1.

Para efectos de cálculo se determinaron 3 casos tal como lo indica en los puntos 5.3, 5.4 y 5.5. Los cuales cumplen con las condiciones de resistencia.

Es importante considerar el buen montaje del equipo para no exponer la Polea a sobre esfuerzos. El aumento de vibraciones puede conllevar a fallas no deseadas. Por tal motivo es importante chequear el alineamiento, balanceo y el funcionamiento de los rodamientos entre otras cosas.

El eje presenta concentraciones de esfuerzos en los radios. Por tal motivo es de vital

importancia que los radios sean amplios. Además la rugosidad y la tolerancia de los radios deben ser según lo indicado en catálogo para el montaje de los rodamientos. Como el eje es de un acero SAE 4340, este posee una buena resistencia a la tracción, sin embargo (principalmente por la dureza) posee menor elasticidad lo que hace disminuir su capacidad frente a vibraciones mecánicas.

Estos cálculos son válidos para las dimensiones indicadas y materiales según planos, y

cuyas propiedades mecánicas sean indicadas en el informe. Se recomienda además, realizar inspecciones, especialmente en los puntos críticos

donde se pueda presentar fisuras o alguna deformación plástica del material.

Rene Callejas Barraza Ingeniero Civil Mecánico

Rut: 13.012.752-5

Página 21 de 21


ANEXO A-1: PROPIEDADES FISICAS DEL MODELO

Model Information

Volume (mm³) 3,6412E+08 Weight (N) 2,8071E+04

Center of Gravity (mm) Mass moment of inertia (N*s²*mm) Mass product of inertia (N*s²*mm)

Xc 2,6297E-01 Ixx 2,0885E+05 Ixy -7,1553E+01

Yc -5,9538E-02 Iyy 1,5420E+06 Ixz 3,0177E+02

Zc 1,5970E-01 Izz 1,5426E+06 Iyz -9,9021E+01

[email protected]

www.greenvalleychile.com

Documents

Maestranza Valle Verde EIRL Mantenimientos Especiales ...files.mantenimiento-especial.webnode.cl/200000465-d2bbad3b56... · El presente informe tiene por objetivo ... por Método