Revista UIS Ingenierías

Estrategias pedagógicas para mejorar la enseñanza del diseño de máquinas en un programa de tecnología mecánica

Carlos Romero-Piedrahita, Libardo Vanegas-Useche, Miguel Díaz-Rodríguez — vie, 22 mar 2019 11:24:51 -0500

El objetivo de este trabajo es presentar un método reformado de la práctica docente del curso de Diseño de Máquinas ofrecido en el Programa de Tecnología Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira. El curso combina los conceptos de selección racional de materiales y la teoría de resistencia de materiales con los procedimientos seguidos para definir las geometrías y dimensiones de los elementos clásicos presentados en maquinaria y sistemas mecánicos. Se utilizan el aprendizaje activo, actividades prácticas, sesiones de laboratorio, ejemplos prácticos, proyectos y recursos tecnológicos y virtuales como medios para lograr de manera efectiva los resultados del aprendizaje. Un objetivo importante es integrar los cálculos de resistencia y rigidez con el proceso de diseño de ingeniería, que incluye el diseño conceptual, creatividad, trabajo en equipo, optimización, diseño detallado y documentación. El uso de herramientas tecnológicas, proyectos menores y principales, junto con actividades prácticas en el laboratorio, se supone que mejora el proceso de enseñanza y ayuda a los estudiantes a adquirir las competencias deseadas.

Obtención de MMC superficial en AA5052-H32 empleando el proceso FSP

vie, 22 mar 2019 12:23:41 -0500

En este trabajo se empleó el proceso friction stir procesing (FSP), para obtener un material compuesto de matriz metálica (MMC por sus siglas en inglés) en la superficie de una lámina de aluminio AA5052-H32, empleando partículas de alúmina fase gamma como material de refuerzo. El proceso FSP es una tecnología nacida del proceso FSW con la finalidad de modificar las propiedades superficiales de un material. A diferencia de los MMC fabricados por métodos convencionales y volumétricos, el FSP permite obtener materiales que, al ser modificados solo superficialmente, mejoran las propiedades tribológicas de la pieza en regiones de interés. Estos materiales o piezas pueden ser sometidos a procesamiento posterior, es decir, el procesamiento superficial permite que características como la soldabilidad del material base se mantengan, a diferencia de algunos MMC obtenidos por fundición.

Para la fabricación de los MMC superficiales se emplearon dos herramientas, una para introducir las partículas en la superficie del material y otra herramienta para distribuirlas en la región procesada. Se fijaron los parámetros de velocidad de giro, velocidad de avance y número de pasadas de inserción: 1000 rpm, 100 mm/min y dos pasadas respectivamente. Se fabricaron tres grupos de muestras: sin partículas, con micropartículas de tamaño 5 µm y con nanopartículas de tamaño 50 nm, variando el número de pasadas de distribución para cada grupo. El valor teórico de la dureza del aluminio 5052-H32 es de 68 HV. Los resultados mostraron que el material procesado sin partículas presentó una disminución de dureza aproximada del 13 % en los casos evaluados; mientras que el procesado con partículas de alúmina, tanto micro como nano, generó un incremento en la dureza superficial del material del 6 y el 24 % respectivamente, con dos pasadas de distribución. Al incrementar a cuatro las pasadas de distribución, la dureza se redujo alcanzando valores cercanos al material base. Los resultados obtenidos indican que es posible modificar favorablemente las propiedades superficiales de un material empleando FSP.

Obtención de muestras de óxidos a bajo costo

Miryam Rincón-Joya, Jose Jose Barba-Ortega, Elaine París — vie, 05 abr 2019 18:10:42 -0500

En este trabajo se presenta un estudio comparativo de tres métodos en la obtención de muestras a bajo costo. Las muestras obtenidas son nanopaticulas de óxido de Hierro, óxido de Cobre y nanotubos de Titanio. Las dos primeras fueron obtenidas por el método Sol-Gel, precursores poliméricos y la tercera muestra por el método de anodización química. Las muestras fueron caracterizadas por métodos ópticos como Raman, Rayos X y microscopía electrónica de barrido. Los métodos usados para la obtención de las muestras son métodos químicos de los cuales se pueden obtener excelentes muestras a un costo bajo y con el uso de laboratórios simples, sobre todo en Colombia donde las inversiones en laboratorios de investigación es baja hasta el momento.

Rendimiento energético de un horno equipado con quemadores regenerativos bajo el régimen de combustión sin llama

mar, 26 mar 2019 10:51:21 -0500

La creciente demanda energética y el aumento de las emisiones contaminantes son una grave problemática en la actualidad. El aumento de la eficiencia es una de las principales alternativas para reducir tanto el consumo de combustibles como la cantidad de contaminantes. En este sentido, el régimen de combustión sin llama con quemadores regenerativos se presenta como una tecnología que permite de forma simultánea alcanzar estas características. En el presente estudio se llevó a cabo la evaluación energética de forma experimental de un horno operando a 25 kW en el régimen de combustión sin llama, usando gas natural como combustible. De forma adicional se realizó una simulación CFD para evaluar la capacidad de predicción de los modelos seleccionados. Los resultados obtenidos del balance de energía muestran que la eficiencia térmica del horno bajo el mencionado régimen supera en un 10 % adicional la alcanzada en combustión convencional, además de obtener niveles de emisiones sumamente bajos. Los modelos seleccionados reproducen las tendencias generales del régimen y, sin embargo, subestiman las tasas de reacción dentro del proceso de combustión del CH₄.

Sistematización de los cálculos de prediseño de los motores de combustión interna

Edison Heano, Carlos Alberto Romero-Piedrahita, Héctor Quintero — mar, 26 mar 2019 14:38:29 -0500

Los motores de combustión interna son máquinas complejas en las cuales concurren diversos procesos y variables y que, ante todo, constituyen objeto de diseño. En el campo industrial, el diseño de un nuevo motor empieza por la concepción de una solución bien establecida con consideración de la experiencia de los diseñadores. Para realizar el diseño estructural de un motor, se requiere determinar las fuerzas y momentos en sus componentes derivados de los procesos a lo largo de los ciclos de trabajo, con observación de las variaciones de las presiones y las temperaturas en el cilindro y de las fuerzas y momentos de inercia en los componentes de los mecanismos y la estructura. Es el propósito de esta investigación el desarrollo de una serie de procedimientos para obtener las dimensiones iniciales de un motor, aplicando las teorías de diseño adecuadas para el dimensionamiento geométrico y la caracterización termodinámica y dinámica de un motor de combustión genérico, de manera que, a partir de la información mínima de partida (potencia, par, revoluciones y condiciones de explotación), se puedan obtener las dimensiones marco de las partes del conjunto móvil y del bloque y la culata, teniendo en cuenta una base de materiales de construcción. Para la sistematización del prediseño de los motores se ha desarrollado una hoja de cálculo en la que se pueden seleccionar o especificar las características deseadas del motor y composición del combustible, se realiza la termoquímica de la combustión, se determinan las emisiones, se calculan los procesos del ciclo termodinámico real con consideración de la ley de liberación de calor, se obtiene la evolución de las presiones y temperaturas a lo largo del ciclo del motor, se calculan las fuerzas debidas a las presiones de los gases y a la masa de las partes del conjunto móvil en cada uno de ellos, se calcula el par en el cigüeñal, se obtiene la característica externa de velocidad y se realizan los cálculos previos de las partes principales del motor.

Planificación de posicionamiento satelital multiconstelación en entornos urbanos

Michael S. Puentes, Diego Rueda, Raul Ramos, Carlos J Barrios — vie, 29 mar 2019 16:28:16 -0500

Un posicionamiento mediante un servicio GNSS (sistema global de navegación por satélite) solo es posible con la recepción simultánea de la señal de al menos cuatro satélites. La probabilidad de pérdida de visibilidad de los satélites GNSS en entornos urbanos es especialmente crítica por los elementos arquitecturales propios de una ciudad, y esto puede imposibilitar la localización de un receptor. Esto será crucial para ciertas aplicaciones, por ejemplo, un vehículo transportador de valores que requiera un monitoreo continuo de su posición. Este trabajo describe un método de planificación de rutas urbanas en función de las necesidades de posicionamiento, integrando el cálculo de la posición de los satélites a través de la mecánica orbital, con imágenes de Google Street View y segmentación semántica con técnicas de Deep Learning. De esta manera, predecir la relación de visibilidad entre un observador y los satélites de un servicio GNSS.

Cargos de respaldo por uso de la red eléctrica en el costo unitario de energía distribuida: desafíos y oportunidades para la planificación

Ulises Daniel Lubo — jue, 11 abr 2019 11:38:32 -0500

Con el avance tecnológico en las técnicas de generación de electricidad y la necesidad imperante del desarrollo sostenible de los países, el uso masivo de energías alternativas a las tradicionales ha tomado relevancia en los últimos quince años, con metas claras hacia 2020 para desarrollo sostenible. En materia de reglamentación, Colombia no puede quedarse atrás: ya se han hecho avances en el tema con la ley 1715 de 2014 y varios decretos que incentivan la producción de energías renovables. El objetivo de este artículo, como aporte a este avance, es dar cuenta del estado del arte frente a la forma en que se maneja, por regulación tarifaria, el balance neto y autoconsumo residencial de energía por DER en varios países de Europa. Además, se entrará en detalle acerca de las ventajas que ofrece usar una metodología seleccionada para considerar cargos justos de respaldo por uso de la red eléctrica por parte de generadores distribuidos a partir de energía solar fotovoltaica. Todo esto desde un enfoque de planificación de la red, en el que se selecciona una metodología de largo plazo que integra de manera eficiente la generación distribuida al sistema interconectado, y que permite períodos de transición en su implementación, con el fin de evitar el trastorno de los operadores de redes (OR). Asimismo, este análisis se soporta en la operación simulada de un sistema con DER y los cambios en flujos de cargas por descongestión e inyección de excedentes que tiene el sistema eléctrico en el escenario de un uso masivo de estos recursos.

Coordinación emergente en sistemas multirobots

Angel Eduardo Gil Perez, José Aguilar, Rafael Rivas, Eladio Dapena — vie, 26 abr 2019 11:48:39 -0500

En la naturaleza se encuentran sociedades de seres vivos que coordinan sus acciones de forma no centralizada. Por ejemplo, en las colonias de hormigas ocurren procesos emergentes, que combinan las acciones de los individuos en función de un objetivo común. En este trabajo, se describe una capa de gestión que facilita los procesos de coordinación emergente en los sistemas multirobots. Esta capa en particular permite la aparación de la emergencia y la autoorganización en el sistema. En conjunto con las capas de gestión individual y de gestión del conocimiento, manejan los procesos necesarios para el funcionamiento del sistema multirobot.

Mecanismo de pronosupinación adaptable a dispositivos de rehabilitación de la extremidad superior

María Guadalupe Contreras-Calderón, Eduardo Castillo-Castañeda — vie, 26 abr 2019 12:23:42 -0500

La robótica de rehabilitación es una herramienta para asistir al terapeuta; reduce el tiempo de recuperación del paciente y mejora la repetitividad de los ejercicios. Los dispositivos para rehabilitación del brazo se han desarrollado para emular ejercicios en el plano horizontal; sin embargo, la mayoría de los dispositivos no considera la pronosupinación del brazo. El presente artículo expone el diseño de un dispositivo que se puede implementar en el efector final de algunos de los dispositivos existentes. El pronosupinador consiste en un cabestrillo y un cilindro que permite la rotación del antebrazo. Puede ser manual, en cuyo caso el paciente lo puede rotar; o automático, operado mediante un motor. Las características del pronosupinador, en combinación con los dispositivos de rehabilitación para el brazo, contribuyen a mejorar las terapias de rehabilitación y reducen costos en general para el sector de la salud.

Controlador CNC para modernización del proceso de fresado a bajo costo: caso con fresadora Supernova

lun, 29 abr 2019 15:49:59 -0500

Se presenta la implementación de un controlador CNC para una fresadora Alecop Supernova, compuesto por una tarjeta electrónica Motenc-lite PC100 (3 ejes), de 32 entradas analógicas y 16 entradas digitales (I/O) para datos. El computador ensamblado para la comunicación entre el controlador y la fresadora es de 512 Mb-RAM, 40Gb disco duro, procesador de 700 MHz, y SO Ubuntu 6.02-86bits, con tarjeta de gráficos de 800x600p, para ejecución del software libre EMC2. Se escogió la ejecución en entorno Axis para vista interactiva de los códigos G y de las coordenadas de la herramienta, y velocidades de husillo y corte. El funcionamiento del controlador se verificó con el maquinado de una pieza de media complejidad que requiere de agujero y desbastado interno. La implementación realizada mejora la funcionalidad en el modelado de piezas, al llevar la máquina de 2½ (con el antiguo controlador Fagor 8025) a 3 grados de libertad, permitiendo ahora el movimiento simultáneo en los ejes x, y, y z, dando así un mecanizado más limpio y detallado.

Diseño de una máquina de rotomoldeo basada en el principio de giróscopo

lun, 29 abr 2019 16:36:41 -0500

Se reporta el diseño de una máquina tipo giróscopo de dos ejes usada en el proceso de rotomoldeo para fabricar piezas ornamentales de mármol sintético. Como característica de diseño, se considera el movimiento independiente para cada eje de rotación suministrado por motores independientes. Las velocidades de rotación sugeridas para cada uno de los ejes fueron tomadas a partir de experimentos documentados en publicaciones previas. Las ecuaciones dinámicas se usaron para establecer las expresiones del torque en cada eje de acuerdo con la masa y forma (inercia) de los elementos rotatorios. Un diseño conceptual y detallado, combinado con las ecuaciones dinámicas que rigen el movimiento permitieron establecer el algoritmo y respectiva programación en Matlab. Este programa calcula factores de seguridad de componentes disponibles en el mercado local y arroja el dimensionamiento inicial que es usado en la herramienta paramétrica DriveWorkXpress de SolidWorks para crear un modelo CAD, usado para simulaciones de elemento finito y para generar planos de fabricación. El procedimiento se ilustró para el caso de un ornamento de tamaño 0.9x0.9x0.6m.

Investigación numérica sobre el uso de álabes multielemento en turbina hidrocinética de eje horizontal

Edwin Chica-Arrieta, Jonathan Aguilar-Bedoya, Ainhoa Rubio-Clemente — mar, 30 abr 2019 09:29:56 -0500

En este trabajo se presenta el dimensionamiento de los álabes de una turbina hidrocinética de 1 kW con 3 álabes con perfiles hidrodinámicos multielemento. Para ello, se implementó la teoría de Elemento de Álabe (BEM, por sus siglas en inglés). Se utilizó el perfil hidrodinámico Eppler 420 y se diseñó la turbina a partir de una velocidad de la corriente de agua de 1,5 m/s, con una relación de velocidad de punta de álabe ( ) de 6,325, un ángulo de paso de la sección del álabe ( ) de 0°, un coeficiente de potencia de 0,4382 y una eficiencia mecánica del 70%. Para el diseño del álabe, se eligió el perfil Eppler 420 multielemento, por presentar una elevada relación entre el coeficiente de elevación y arrastre. Se llevó a cabo un estudio de computación 2D en el código JavaFoil del perfil Eppler 420, con el fin de determinar la longitud de las cuerdas del elemento principal y de la solapa posterior (flap) óptima para un ángulo de deflexión del flap de 30° en condiciones de un bajo número de Reynolds.

Estrategias de eficiencia energética en vehículos livianos del transporte por carretera en Colombia

Juan Castillo, Álvaro Restrepo, Juan Tibaquirá, Luis Quirama — vie, 03 may 2019 14:31:41 -0500

El sector de transporte por carretera en Colombia es el responsable del 44 % del consumo de energéticos. Igualmente, se clasifica como el principal consumidor de los combustibles derivados del petróleo y el sector productivo con mayores pérdidas de energía. En este estudio se presentan estrategias tecnológicas y operacionales que mejoran el rendimiento de los vehículos livianos. Además, se identifican metodologías encaminadas a la medición del consumo energético y emisiones de los vehículos y se evalúa la conducción eficiente como estrategia de eficiencia energética en Colombia. Como resultado, se implementó la metodología de pruebas basada en la Regulación CFR 40 de los Estados Unidos y COPANT en un laboratorio del país, y se evaluó mediante el aseguramiento metrológico el consumo de combustible en un vehículo liviano de combustión interna. Adicionalmente, empleando conducción eficiente se identificó un aumento en el rendimiento del 15 % y 20 % en pruebas de laboratorio y ruta respectivamente.

Análisis de un interno tipo brida de un recipiente horizontal a presión utilizando elementos finitos

Luis Espinoza, Octavio Andrés González-Estrada, Carlos Graciano — lun, 06 may 2019 15:44:52 -0500

Este trabajo presenta el estudio de la distribución de esfuerzos mecánicos del interno tipo brida en un recipiente a presión que opera a 175 °F y 135 psig, utilizando el método de los elementos finitos. Este equipo pertenece a estaciones de flujo y tiene como función principal separar gas y agua de un fluido de producción. Por efecto de una contingencia, se presume la aparición de grietas en el material entre los agujeros del interno. La distribución de los esfuerzos mecánicos alrededor de los agujeros del interno se estimó utilizando el módulo estructural de ANSYS v18.2. Los resultados obtenidos muestran que la concentración de esfuerzo se localiza en los orificios centrales del interno y el rango de los esfuerzos está entre 25 MPa y 137,5 MPa. Como resultado se indica que para garantizar las operaciones es necesario soldar una almohadilla de refuerzo hacia el centro del interno.

AAplicación de metodología design thinking en el desarrollo de cortadora automática CNC para MiPyME de confección

jue, 09 may 2019 13:44:28 -0500

Actualmente, el sector de la confección de prendas de vestir enfrenta importantes retos de calidad, productividad y competitividad, tanto a en el ámbito local como en el internacional. El proceso de corte de tela se ha convertido en un área crítica cuando las MiPyME de confección buscan aumentar su participación en el mercado. Hay disponibilidad de máquinas automáticas para el extendido y corte de tela, pero a gran escala y con altos costos de adquisición y mantenibilidad. El presente artículo describe el proceso de desarrollo de un novedoso sistema automático para extendido, sujeción y corte de tela, basado en la metodología design thinking, dando respuesta a la necesidad de optimización de espacio, reducción de costos e incremento de la seguridad de las personas. Los prototipos físicos y virtuales permitieron probar las ideas de diseño preliminar. Se utilizaron herramientas como AMEF y métodos ponderados para la consolidación del diseño final del sistema.

Aplicación computacional para el análisis de los músculos extraoculares con base en un modelo de cinemática paralela del ojo

Carlos Andrés Trujillo-Suárez, Andrés Felipe Jaramillo-Osorio — jue, 09 may 2019 15:17:22 -0500

Se propone un modelo mecánico para los movimientos oculares basado en un mecanismo de cinemática paralela, donde los músculos extraoculares son reemplazados por cables. Basados en este enfoque se presentan las condiciones anatómicas para el movimiento del ojo y se analiza la cinemática inversa para obtener curvas de isodeformación de los músculos extraoculares. Se desarrolló una aplicación computacional que simula el movimiento del ojo y presenta las curvas de deformación asociadas en tiempo real. Los resultados son una contribución novedosa al modelado de sistemas biomecánicos utilizando teoría cinemática; la aplicación computacional es un recurso útil para entrenamiento médico y clínico.

Estimación de los parámetros de motores de inducción a partir de las medidas de pérdidas de potencia

Julio Martin Duarte-Carvajalino, Oscar Guerrero-Díaz, Ciro Carvajal-Lavastida — lun, 20 may 2019 17:17:49 -0500

La nueva norma de etiquetado en Colombia (RETIQ) requiere que los motores de inducción especifiquen su eficiencia en condiciones nominales. La Comisión Internacional de Electrotecnia (CIE) indica tres formas de calcular la eficiencia de motores de inducción. Una de estas formas considera en detalle cada una de las pérdidas de potencia en el motor. Es claro que, desde el punto de vista del fabricante, sería muy ventajoso conocer en detalle cada una de las pérdidas de potencia, con el fin de mejorar la eficiencia del motor. Adicionalmente, las mediciones hechas para el cálculo de las pérdidas de potencia proveen suficiente información para estimar los parámetros eléctricos de los motores de inducción, usando algoritmos de optimización. Los mejores resultados se obtuvieron usando un algoritmo genético hibrido y búsqueda de armonía.

Producción de petróleo y gas en Venezuela: análisis mediante la función de Cobb-Douglas

Didier Bermúdez-Cabrera, Marco González — mié, 29 may 2019 15:16:23 -0500

La producción de energía está directamente relacionada a la demanda creciente y la excesiva dependencia de la producción de los recursos fósiles, es decir, carbón, petróleo y gas natural, cuya obtención debe planificarse en un escenario seguro, limpio, eficiente y sostenible. El presente trabajo tiene como objetivo analizar la producción de petróleo en la República Bolivariana de Venezuela, durante el periodo comprendido entre el 2002 y el 2015. Se elaboró un modelo econométrico utilizando la función de producción de Cobb-Douglas, y los resultados obtenidos permitieron observar la brecha existente entre la producción real y las metas propuestas por el Estado venezolano.

Factor de amplificación dinámico ante la caída del carro de avance durante la construcción de un puente de viga cajón por el método de voladizos sucesivos

vie, 24 may 2019 00:00:00 -0500

Dentro de las metodologías de construcción más utilizadas para puentes de viga cajón sobresale el método de voladizos sucesivos. En este método, la superestructura es construida de manera progresiva y cuasisimétrica respecto de las pilas usando dovelas hormigonadas in-situ. El proceso se basa en carros de avance apoyados en dovelas predecesoras que permiten la fundida de las siguientes dovelas. Ya que durante construcción existe el riesgo de la caída accidental del carro de avance, diferentes guías de diseño recomiendan estudiar esta situación mediante un análisis estático considerando la carga del carro en conjunto con un factor de amplificación dinámico (FAD) igual a 2.0. Debido a que este fenómeno es puramente dinámico y no estático, en este artículo se estudia la validez del enfoque pseudoestatico mediante el cálculo del FAD a partir de análisis dinámicos. En el estudio se investigaron la incidencia de la rigidez del tablero, la etapa constructiva y el tiempo y tipo de rotura sobre el FAD. Los resultados obtenidos demuestran que los valores más altos del FAD se presentan en tablero flexibles, y que la etapa constructiva critica corresponde a aquella antes de fundir la dovela de cierre. Además, se encontró que la recomendación de las guías de diseño es inadecuada, ya que es posible que ocurran FAD iguales a 3.0. Esto demuestra que el uso de análisis pseudoestáticos no es el correcto para esta situación accidental.

Estudio preliminar de las características petrográficas, petrofísicas y comportamiento mecánico de rocas naturales tipo “Piedra Bogotana” y “Mármol Royal Bronce” utilizadas en construcciones patrimoniales y recientes en Colombia

jue, 30 may 2019 10:44:02 -0500

La piedra natural ha sido un elemento importante en la construcción colombiana desde la época colonial y hasta la actualidad, especialmente en la ciudad de Bogotá. Rocas areniscas y calizas son elementos decorativos y estructurales de edificaciones patrimoniales y recientes y su uso gana notoriedad con la recuperación de espacios urbanos para el disfrute de la población. En este trabajo se muestran los resultados de algunos ensayos de caracterización tecnológica de dos variedades de rocas ampliamente utilizadas en la construcción, conocidas coloquialmente con los nombres de Piedra Muñeca o Piedra Bogotana y Mármol Royal Bronce, utilizadas tanto en edificaciones patrimoniales como recientes. Los métodos de ensayo seguidos para evaluar algunas de las propiedades petrofísicas y mecánicas de estas dos rocas fueron: Análisis petrográfico, índices físicos (densidad aparente, porosidad aparente y absorción de agua), resistencia a la compresión, resistencia a la flexión, resistencia al desgaste y resistencia al impacto, expuestos en la norma brasileña ABNT NBR15845 de 2010. Los resultados obtenidos permiten determinar, de forma preliminar, que la Piedra bogotana en sus dos variedades (amarilla y rosada) puede ser usada como elemento estructural (muros, columnas, vigas y cimentaciones) y como material de revestimiento de edificios o de pisos y plazoletas, con la recomendación de uso de la variedad amarilla preferiblemente en espacios interiores; el Mármol Royal Bronce puede ser usado en cualquier tipo de revestimiento de paredes, pisos y calles de alto tráfico, como elemento estructural y en acabados.