Este documento presenta el diseño de una máquina de ensayos a fatiga axial para probar uniones soldadas sometidas a cargas cíclicas. El diseño utiliza un sistema biela-manivela para generar movimiento alternativo y aplicar la carga, y cuenta con controles de seguridad y automatización. El objetivo es mejorar los métodos de cálculo de uniones soldadas mediante la validación experimental de modelos matemáticos.

1. Estudiantes:
NELSON ARIAS RINCON
EDGAR CALDERON REYES
Director:
Ing. Nelson Arzola
Bogotá D.C., junio de 2009
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Línea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS
MÁQUINA DE ENSAYOS A FATIGA AXIAL
FASE 1

2. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
•Uso de juntas soldadas como uno de los
métodos predilectos de unión en componentes
mecánicos y estructurales.
•Literatura técnica aporta muy poco acerca de los
métodos y expresiones para el calculo de uniones
soldadas.
•Uso de elevados factores de seguridad para
cubrir la falta de exactitud y así garantizar la
integridad estructural.

3. ENTIDAD FINANCIADORA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA Y
MECATRONICA
PROYECTO:
“Análisis teórico y experimental sobre la
integridad estructural de uniones soldadas
sometidas a cargas cíclicas y mejoramiento de
los métodos de cálculo utilizados.”

4. RESULTADOS ESPERADOS
• Mejorar la infraestructura experimental de la UNAL
mediante el diseño y construcción de una máquina
de ensayo a fatiga.
• Obtener nuevos modelos de comportamiento ante
cargas dinámicas de un grupo de soluciones por
juntas soldadas.
• Consolidar el posicionamiento académico,
tecnológico y experimental de la Universidad
Nacional de Colombia.

5. PRESUPUESTO Y TIEMPO
• Presupuesto destinado: $ 25’000.000
– Diseño y desarrollo de proyecto: $ 3’500.000
– Materiales y Equipamiento: $ 12’000.000
– Manufactura y Ensamble: $ 9’500.000
• Tiempo de desarrollo en meses:
– Diseño detallado de la máquina de ensayo: 4
– Asignación y Entrega de recursos: 6
– Ejecución de proyecto: Compra materiales,
Construcción y Ensamble: 4

6. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
•Debido a la heterogeneidad inducida por el
proceso de soldadura, tanto el metal base como el
cordón y la zona afectada por el calor (ZAC)
poseen propiedades mecánicas diferentes, lo que
hace que el análisis del comportamiento mecánico
del componente soldado sea muy complejo una
vez que es sometido a carga.

7. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO
•Requerimientos del cliente
•Requerimientos de funcionamiento
•Requerimientos ambientales
•Requerimientos de Tamaño
•Requerimientos de tiempo
•Requerimiento de costos
•Requerimientos de estándares
•Requerimientos Del Usuario
•Requerimientos de operación
•Requerimientos de seguridad
•Requerimientos De Fabricación
•Requerimientos De Mantenimiento

8. ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA
•INSTRON
•IVERTEST
•SANDVIK
Serie 5540: 0,5 KN
Capacidad:100 KN a 2.5 MN
FastTrack™ 8874FastTrack™ 8874
Fast Track 8844: 10 - 25 KN

9. ESPECIFICACIONES DE INGENIERÍA
Se establecieron primordialmente los siguientes
parámetros de ingeniería:
• Maximizar piezas estandarizadas.
• Control de encendido, apagado y apagado de
emergencia
• Potencia máxima
• Materiales.
• Volumen, Peso
• Resistencia Mecánica.
• Amplitud del movimiento

10. • Rango de la carga
• Vida útil
• Seguridad en uso
• Factor de seguridad Mecánico
• Volumen de trabajo útil
• Tiempo de montaje y desmontaje de probetas.
• Rigidez entre cabezales
• Rango de frecuencia de la carga.
• Precisión en el registro de los niveles de carga y de
información

11. REQUERIMIENTOS DOMINANTES DEL CLIENTE
• Realizar ensayos de fatiga con diferentes tipos de
solicitaciones.
• Permitir hacer ensayos de fatiga sobre probetas
soldadas en diferentes configuraciones
• Toma de datos automática en cuanto al número de
ciclos y carga.

12. • Selección rápida y precisa de las características del
ciclo de carga (sigma_amp, sigma_medio).
• Permitan monitorear la prueba a través de
indicadores
• Robustez
• Posicionamiento de la probeta rápido y seguro
• Costo no superior a $ 25’000.000

13. FACTORES DE DISEÑO DETERMINANTES
• Generación de movimientos alternantes o
fluctuantes
• Sistema de control
• Frecuencia de ensayo variable
• Rango de carga
• Calidad en los materiales
• Ciclos de mantenimiento
• Nivel de seguridad

14. FUNCIONES:
DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

15. GENERACIÓN DE CONCEPTOS:
VALORACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN GENERADAS

17. GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO

20. BIELA ACERO AISI 4340
CAJÓN
ACERO AISI 1045
PLACAS
COLUMNAS
EXCÉNTRICAS
EJE
PATÍN
CAMISA
BUJE BIELA - PATIN BRONCE SAE 65
SELECCIÓN MATERIALES COMPONENTES
PRINCIPALES

21. COMPONENTES ESTANDARIZADOS
RODAMIENTOS SKF 22215 CC W33
RODAMIENTO SKF 23024 CC W33
PERNOS Y AGUJEROS ROSCADOS
POLEAS
CORREA
BUFIN SERIE S
RANURAS EN T SOBRE LAS PLACAS
CHAVETA Y CHAVETERO

22. MEJORA DE DETALLES
TENSADO DE LA CORREA SISTEMA PIVOTANTE
VIBRACIÓN • ELASTÓMERO ENTRE PLACA
INFERIOR Y ESTRUCTURA .
• RUEDAS EN POLIURETANO DE
ALTA DENSIDAD.
DESENSAMBLE • TIPO MODULAR.
CONTROL • VISIBLE Y DE FACIL ACCESO.
BIELA • ENTERIZA (SIN SOMBRERO)
OREJA DEL PATÍN • PERMITIR EL MOVIMIENTO
ANGULAR RELATIVO ENTRE EL
PATIN Y EL SISTEMA DE
SUJECIÓN

23. HERRAMIENTAS UTILIZADAS
• Solid Edge
• Ansys Workbench
• Excel
• Mastercam
• Torno
• Fresa
• Centro de Mecanizado
• Corte por plasma y oxiacetileno
• Soldadura de arco eléctrico
• Elementos de medición

24. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA

25. SISTEMA BIELA – MANIVELA

27. • El sistema biela – manivela proporciona el
movimiento alternante requerido para generar las
cargas ciclicas.
• Un sistema de doble excéntrica se encarga de
modificar la longitud de la manivela a fin de generar
un desplazamiento en el patín, que se traduce a
través del sistema de sujeción; en una carga de
ensayo en la probeta.

28. ASPECTOS DE SEGURIDAD Y CONTROL DE
LA MÁQUINA
• Sistema de freno electromagnético para parada
instantánea del motor.
• Alarma fin de prueba o fallo de algún dispositivo o
elemento por exceso de temperatura.
• Parada de emergencia.
• Estabilidad estática y dinámica garantizada.
• Variación de la frecuencia de ensayo y arranque
suave del motor.

29. ASPECTOS DE ERGONOMÍA CONSIDERADOS
• Altura.
• Zona útil de trabajo.
• Accesibilidad panel de control y monitoreo.
• Desensamble subsistema generador del
movimiento alternante.
• Subsistemas modulares.

30. APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO

31. APORTE
• Diseño y construcción detallada de la máquina
de ensayo empleando conceptos de diseño
concurrente, prestando especial atención a la
flexibilidad del equipo para ensayar las
configuraciones de juntas soldadas que se
consideren, para aplicar distintos niveles de
esfuerzos (R-variable) y modos amplios de
aplicación de la carga.
• Garantizar la exactitud, repetitividad y
confiabilidad de los ensayos experimentales.

32. VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
• Potencializar los alcances en investigación científica
de la Universidad Nacional.
• Aumentar la calidad en el diseño de uniones
soldadas, con el consecuente incremento en la
confiabilidad y con repercusión en la industria
colombiana de estructuras de acero.

33. • Obtener nuevos modelos de comportamiento ante
cargas dinámicas de un grupo de soluciones por
juntas soldadas, que sirvan de referencia a las
empresas constructoras de infraestructural vial,
residencial e industrial en el país.

34. CONCLUSIONES
• En las uniones soldadas operan diferentes
mecanismos de fallas, debido a su Configuración,
modo tecnológico de obtención de la unión, medio
ambiente en que operan y las características de las
fuerzas aplicadas. Pero, es sin dudas la falla por
fatiga la más catastrófica, porque no muestra
señales previas de pérdida de la funcionalidad, salvo
cuando se emplean planes de inspección adecuados.

35. • Los modelos matemáticos deben ser validados por
medio experimental, esto se logra mediante el
diseño, construcción y puesta a punto de una
máquina de funcionamiento flexible que permita
simular los diferentes parámetros a tener en cuanta
en el modelo.

36. • Los modelos de cálculo para el diseño de uniones
soldadas empleadas en la actualidad poseen una
serie de simplificaciones que los hacen no aptos para
llevar a cabo un análisis preciso de esfuerzos y/o
deformaciones. Aunque se puede emplear el análisis
por elementos finitos para cada caso en particular, su
uso en un ambiente industrial o donde ocurra una
gran variabilidad en configuraciones y geometrías lo
hacen poco atractivo.

37. • Existe la necesidad de contar con modelos analíticos
que posean mayor exactitud para el análisis
tensional y deformacional de las uniones soldadas.
Por otro lado, es de vital importancia contar con
modelos de propagación subcrítica de grietas, con los
cuales se puedan definir planes de inspección
confiables y eficientes, y se pueda realizar una
gestión de vida con una mejor precisión.

38. • El diseño y manufactura de un componente mecánico
complejo (máquina) debe ser parte necesaria en la
formación integral de un ingeniero mecánico
empleando para ello metodologías de diseño robusto
y de manufactura teniendo en cuentas las
limitaciones tecnológicas en los procesos.

39. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y
HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA
EMPLEADAS
• V.I. Feodosiev. Resistencia de Materiales. III Edición.
Editorial MIR
• Gere & Timoshenko. Mecánica de Materiales. II
Edición. Editorial Iberoamericana
• Joseph Shigley. Diseño en Ingeniería Mecánica. VI
Edición. Editorial McGraw-Hill
• Robert L. Norton. Diseño de Maquinas. Editorial
Prentice Hall.

40. • Dobrovolski. Nociones Generales de Elementos de
Máquinas
• Ferdinand Beer. Mecánica Vectorial para Ingenieros.
Estática. V Edición. Editorial McGraw- Hill
• SKF. Catálogo General Productos SKF.
• Transmisiones por Correas Dentadas de Tiempo y
Sincrónicas. Manual de selección. Intermec Ltda.
• Solid Edge
• Microsoft Excel

41. MUCHAS GRACIAS
NELSON ARIAS RINCON
ncariasr@unal.edu.co
EDGAR CALDERON REYES
eacalderonr@unal.edu.co