Ingeniería Mecánica

Simulación de soldadura de acero hipoeutectoide por arco eléctrico con electrodo de tungsteno y protección gaseosa

Resumen El objetivo del trabajo fue simular los esfuerzos residuales y la distorsión de una soldadura por arco eléctrico con electrodo de tungsteno y protección gaseosa de un acero hipoeutectoide, empleando el método de los elementos finitos, las transformaciones microestructurales teniendo en cuenta el efecto del material de aporte, elemento poco estudiado en la literatura especializada que se enfoca más en soldaduras autógenas. La modelación se dividió en dos etapas: una simulación térmica y una simulación estructural. Fueron empleadas las propiedades termo - dependientes de un acero ASTM A210 Gr. A1 y de un alambre ER - 70S6. Se analizaron los puntos en el espesor de la placa y a distintas longitudes del centro de soldadura. Los resultados obtenidos tuvieron similitud con los expuestos en la bibliografía consultada. Los esfuerzos máximos fueron de tracción. Los valores más importantes de distorsión total se encontraron a menores a 20 mm del centro de soldadura. A partir de esa longitud, son prácticamente nulos. Se determinó una marcada diferencia entre los esfuerzos residuales longitudinales y los transversales en la zona fundida.

Abstract The aim of the work was to simulate the residual stresses and distortion of an electric arc welding with tungsten electrode and gas shielding of a hypoeutectoid steel, using the finite element method, the microstructural transformations and taking into account the effect of the filler material, an element little studied in the specialized literature that focuses more on autogenous welds. The modelling was divided into two stages: one thermal simulation and another structural simulation. The thermal-dependent properties of an ASTM A210 Gr. A1 steel and an ER - 70S6 wire were used. The spots were analyzed in the thickness of the plate and at different lengths of the weld center. The results obtained were similar to those reported in the literature. The maximum stresses were tensile. The most important values of total distortion were found at less than 20 mm from the weld center. Above this length, they are practically nil. A marked difference between longitudinal and transverse residual stresses was found in the molten zone.

Diseño de un Canal de ensayos hidrodinámicos para medir la resistencia al avance de embarcaciones

Resumen La Armada de Chile, durante años ha promovido la investigación, desarrollo e innovación, logrando insertarse en el mundo académico y, de esta forma, generar instancias para que sus alumnos se involucren cabalmente en actividades de esta índole. De la mano con lo anterior, el año 2018 alumnos de la Academia se adjudicaron recursos monetarios para llevar a cabo un proyecto de implementación de un laboratorio de ensayos hidrodinámicos para la docencia e investigación en el ámbito marítimo, proyecto postulado al concurso del Fondo de Desarrollo Institucional del Ministerio de Educación. Este trabajo muestra el proceso de diseño que permitió implementar un Canal de Ensayos Hidrodinámicos de proporciones académicas para medir la resistencia al avance de embarcaciones a través del estudio del comportamiento de diferentes cascos a escala, así como los argumentos de los alumnos para determinar las diferentes características constructivas del estanque de agua, carro de arrastre, sistema de remolque y control de velocidad, y sistema de adquisición de datos.

Abstract The Chilean Navy has promoted research, development, and innovation, marking a position inside the academic world, hence, generating instances for its students to be fully involved in activities of this nature. Hand in hand with the above, in 2018 students of the Academy were awarded monetary resources to carry out a project to implement an academic-size towing tank laboratory for research and teaching in the maritime field, project that was postulated to the contest of the Institutional Development Fund of the Ministry of Education. This work shows the design process that allowed the implementation of a academic-sized towing tank to measure the total hull resistance of boats through the study of the behavior of different hulls to scale, as well as the arguments of the students to determine the different characteristics of the water tank, tow truck, towing and speed control system, and data acquisition system.

Electrodo con revestimiento periférico tipo cinta para el recargue mediante soldadura manual por arco eléctrico

Resumen En los talleres de mantenimiento se emplean electrodos E6013 para el recargue de piezas, donde el relleno posee baja dureza y resistencia al desgaste. El problema abordado consistió en modificar la composición química del metal depositado por estos electrodos mediante la aplicación de un revestimiento periférico. El objetivo fue evaluar el comportamiento operativo y de fusión de electrodos E6013, bajo un revestimiento periférico aplicado con una cinta revestida con variaciones en la composición. Mediante un diseño de mezcla se determinó la composición del revestimiento de la cinta. El desempeño operativo se evaluó aplicando un criterio de expertos. Además, se determinó experimentalmente la influencia de la composición de la cinta sobre la composición química del metal depositado y la dureza. El procesamiento estadístico se realizó con un software para análisis estadístico. Los electrodos E6013 con revestimiento periférico demostraron buenas propiedades operativas. La composición química del metal depositado fue modificada con aportes de C y Cr, a partir de la cromita y el grafito del revestimiento periférico. Durante la fusión del electrodo con el revestimiento periférico se garantiza la reducción carbotérmica de la cromita, a partir del calor aportado por el arco eléctrico, contribuyendo a alear el cordón de soldadura con Cr.

Abstract In maintenance workshops, E6013 electrodes are used for hardfacing parts; therefore, the filler has low hardness and wear resistance. The problem addressed was to modify the chemical composition of the metal deposited by these electrodes by applying a peripheral coating. The objective was to evaluate the operational and melting behavior of E6013 electrodes, under a peripheral coating applied with a coated tape with variations in composition. By using a mix design, the composition of the tape coating was determined. Operational performance was evaluated by using expert criteria. In addition, the influence of the tape composition on the deposited metal chemical composition of the and the hardness was experimentally determined. Statistical processing was performed with the software for statistical analysis. E6013 peripherally coated electrodes demonstrated good operating properties. The chemical composition of the deposited metal was modified with contributions of C and Cr, from the chromite and graphite of the peripheral coating. During the fusion of the electrode with the peripheral coating, the carbothermic reduction of the chromite is guaranteed, from the heat provided by the electric arc, contributing to alloy the weld bead with Cr.

Caracterización de la permeabilidad de andamios porosos de ácido poli-láctico fabricados con impresoras 3D comerciales

Resumen En este trabajo se caracterizó la propiedad de permeabilidad de andamios porosos, fabricados de ácido poli-láctico mediante impresión 3D usando el método de deposición fundida, a partir de la modelación matemático-estadística de la relación entre porosidad y permeabilidad. Los andamios se diseñaron con morfología interna de superficies minimales triplemente periódicas de los tipos Diamante, Giroide y Primitiva de Schwarz con tres niveles de porosidad: 50, 60 y 70 %. La fabricación se llevó a cabo en la impresora comercial Wanhao 6D. La medición de la permeabilidad se realizó en una instalación experimental que cumple con la ley de Darcy. Los resultados para cada estructura se ajustan a un polinomio cuadrático con un coeficiente de correlación superior al 98 % para todos los casos. Las pruebas de normalidad y homocedasticidad indican la pertinencia de los modelos.

Abstract In this work, the permeability property of porous scaffolds, made of polylactic acid by 3D printing using the fused deposition method (FDM), is characterized from the mathematical-statistical modeling of the relationship between porosity and permeability. The scaffolds were designed with internal morphology of triply periodic minimal surfaces of the Schwarz Diamond, Gyroid and Primitive types with three levels of porosity: 50, 60 and 70 %. Manufacturing was carried out on the commercial Wanhao 6D printer. The permeability measurement was performed in an experimental setup that complies with Darcy's law. The results for each structure fit a quadratic polynomial with a correlation coefficient greater than 98% for all cases. The normality and homoscedasticity tests indicate the relevance of the models.

Determinación de las propiedades de los polvos de carburo de tungsteno cementado para la fabricación de insertos

Resumen En el actual contexto de desarrollo industrial, la utilización del carburo cementado ocupa un lugar importante en la producción de insertos para herramientas de corte. El presente trabajo tuvo como objetivo la determinación de los valores de densidad aparente, de tasa de flujo y de tamaño de los granos del polvo utilizado en la fabricación de insertos P30S por la industria nacional. Se aplicaron los procedimientos para el control de la densidad aparente y la tasa de flujo (según las norma ASTM B 212-13 y ASTM B213-13 respectivamente) así como el tamaño promedio del grano. Las técnicas utilizadas fueron mediante la aplicación del embudo de Hall (que se fabricó para este propósito) y la microscopía óptica. Los valores obtenidos para la densidad aparente, la tasa de flujo así como el tamaño promedio de grano para el polvo P30S, tuvieron correspondencia con esta designación. Los resultados de las mediciones de densidad y dureza de los insertos fabricados fueron contrastados.

Abstract In the current context of industrial development, the use of cemented carbide occupies an important place in the production of inserts for cutting tools. The objective of this work is to determine the values of apparent density, flow rate and size of the powder grains used in the manufacture of P30S inserts by the national industry. The procedures for the control of bulk density and flow rate (according to ASTM B 212-13 and ASTM B213-13 respectively) as well as average grain size were applied. The techniques used were through the application of the Hall funnel (which was manufactured for this purpose) and optical microscopy. The values obtained for the apparent density, the flow rate as well as the average grain size for the P30S powder, corresponded to this designation. The results of the density and hardness measurements of the manufactured inserts were contrasted.

Análisis paramétrico de un colector solar de aire con dos canales trabajando en régimen forzado

Resumen Los colectores solares de aire son empleados en procesos de calentamiento y secado con mucha frecuencia. El modelo más distribuido es el colector solar plano. Este modelo está formado por una placa metálica que recibe directamente la radiación solar que atraviesa una cubierta de vidrio. Cuando el flujo de aire atraviesa dos canales separados, la placa absorbedora se localiza entre ambos canales. La simulación numérica de un colector solar de aire permite estudiar el comportamiento de diferentes configuraciones geométricas, evitándose así la realización de experimentos caros y demorados. La mejor localización de la placa absorbedora es el objetivo de este trabajo. El estudio se desarrolló bajo régimen turbulento de flujo y fueron modeladas once posiciones para la placa. Cuando el comportamiento termohidráulico es considerado, la mejor configuración fue la denominada 35 - 45. La configuración fue la que presentó la mayor eficiencia energética y la mayor eficiencia exergética. Una eficiencia térmica de 85.75 % fue alcanzada por la configuración mencionada bajo una radiación solar de 800 W/m2. Las pérdidas de calor a través de la cubierta y fondo del colector son responsables de los resultados finales obtenidos.

Abstract Air solar collectors are employed frequently in heating and drying process. The most distributed model is probably the flat solar collector. The model consists of a flat plate receiving directly the solar radiation passing through a glazing top surface. When the air flow through two separated channels, the absorber plate is located in between them. Numerical modelling allows to study the performance of multiples geometric configurations, avoiding expensive experiments. The objective of this research is to determine the best location for the plate located inside the channel of an air solar collector. The numerical study is carried on inside the turbulent flow regime and eleven different positions for the plate were modeled. When the thermohydraulic behavior is considered, the configuration with the best performance was the named 35-45. The configuration presented both, the higher effective thermal efficiency and exergetic efficiency. An effective thermal efficiency value about 85.75 % was reached by the 35-45 configuration under a solar energy radiation of 800 W/m2. The heat losses from the cover and from the bottom are responsible by the final outcomes.

Rediseño del filtro de 5µm de una planta de producción de agua purificada

Resumen El agua purificada es una materia prima esencial en los procesos productivos en la industria farmacéutica y biofarmacéutica. El incremento de la disponibilidad y calidad de la misma se puede mejorar con nuevos elementos de diseño como elemento dentro de la confiabilidad operacional. El objetivo de este trabajo fue realizar una adecuación en el proceso de obtención de agua purificada transformando el diseño del filtro de 5 µm de la primera etapa del proceso, concebido en su diseño original como desechable por uno de acero inoxidable y la adición de una acción de retro lavado, para reducir los costos de operación por concepto de remplazo. Entre los métodos empleados se encuentra el modelo de confiabilidad operacional que incluye el diseño en la confiabilidad de proceso, el empleo de la metodología de Harrington adecuada al método de Nigel Cross para la evaluación de los cambios realizados, lo que dieron como resultado la factibilidad de la sustitución del filtro SupaGard del fabricante Sartorius por el filtro SupaMesh del fabricante Amazon Filter, mejorando la producción de agua purificada en 3300 lts semanales.

Abstract Purified water is an essential raw material in production processes in the pharmaceutical and biopharmaceutical industry. The increase in its availability and quality can be improved with new design elements as an element within operational reliability. The objective of this work was to carry out an adaptation in the process of obtaining purified water, transforming the design of the 5 µm filter of the first stage of the process, conceived in its original design as disposable by one of stainless steel, and the addition of an action backwash, to reduce operating costs for replacement. Among the methods used is the operational reliability model that includes the process reliability design, the use of the Harrington methodology appropriate to the Nigel Cross method for the evaluation of the changes made, which resulted in the feasibility of the replacement of the SupaGard filter from the manufacturer Sartorius with the SupaMesh filter from the manufacturer Amazon Filter, improving the production of purified water by 3300 liters per week.

Implementación del indicador Efectividad Total del Equipamiento a bandas transportadoras en una mina

Resumen La industria minera constituye uno de los renglones más importantes de la economía de la mayoría de los países, desarrollarla con la mayor eficiencia posible es tarea de primer orden para la ciencia, por lo que se emplean grandes esfuerzos en el estudio de las principales operacionales y de mantenimiento que la componen con el fin de optimizar recursos. El problema que fundamentó esta investigación fue la necesidad de establecer la relación entre la productividad, el mantenimiento y el reemplazo del equipamiento minero que se utiliza en la minería a cielo abierto a gran escala, partiendo del análisis de su desempeño bajo condiciones concretas de explotación. Por lo que se trazó el objetivo de implementar el indicador que mide la Efectividad Total del Equipamiento a las bandas transportadoras en una mina, a partir de la información de la producción del año 2021-2022. Del análisis se obtuvo como resultado más importante el bajo rendimiento que hace referencia al no correcto aprovechamiento de la capacidad de la máquina en el tiempo que estuvo disponible, ocasionado fundamentalmente a eliminar roturas.

Abstract The mining industry is one of the most important sectors of economy in most countries, developing it as efficiently as possible is a major task for science, due to this reason great efforts are being devoted to study the main operations that make it up in order to optimize resources. The problem that bases this investigation is the need to establish the relationship between productivity, maintenance and replacement of mining equipment that is used in large-scale in the open-pit mining, based on the analysis of their performance under specific exploitation conditions. Therefore, the objective of implementing the indicator that measures the Total Equipment Effectiveness (OEE) to the conveyor belts in a mining company was outlined, based on the production information for the year 2021-2022. From the analysis, the most important result was obtained: low performance refers to the incorrect use of the machine's capacity in the time it was available, mainly caused to eliminate breakages.

Sistema de gasificación para el tratamiento de los residuos forestales en comunidades rurales turísticas

Resumen En la última década se ha evidenciado un notable incremento en la producción mundial de gas de síntesis procedente de la gasificación de la biomasa; este proceso constituye una vía de aprovechamiento energético a partir de la conversión termoquímica de residuos forestales. El objetivo fue realizar el análisis energético de un sistema de gasificación de la biomasa forestal residual en el complejo eco-turístico Las Terrazas con la finalidad de obtener energía útil. Se desarrolló un modelo en el software SuperPro Designer para la gasificación de este tipo de recurso biomásico, que permite predecir la evolución de la composición del gas pobre en función de la temperatura y la composición elemental de la biomasa forestal. Para el gas producto de la gasificación se obtiene un valor de poder calórico de 5,87 MJ/m3. En el bloque de potencia, constituido por una turbina a gas con generador eléctrico acoplado, se logra generar electricidad con una capacidad de 620,42 kW, unos 2 948,24 MWh de energía eléctrica al año. Con el calor residual de los gases de escape de la turbina, se propone generar 0,5 kg/s de vapor para la cocción de alimentos y para el sistema de agua sanitaria de varias instalaciones de servicio del complejo eco-turístico.

Abstract In the last decade, there has been a notable increase in the world production of synthesis gas from biomass gasification; this process constitutes a way for energy utilization from the thermochemical conversion of forest residues. The objective was to carry out an energy analysis using a residual forest biomass gasification system at the Las Terrazas eco-tourist complex in order to obtain useful energy. A model was developed in the SuperPro Designer software for the gasification of this type of biomass resource, which allows for predicting the evolution of the composition of the lean gas as a function of temperature and the elemental composition of the forest biomass. For the gas produced by gasification, a calorific value of 5.87 MJ/m3 is obtained. In the power block, consisting of a gas turbine with a coupled electric generator, electricity generation is achieved with a capacity to generate. With the waste heat from the turbine's exhaust gases, it is proposed to generate 0.5 kg/s as steam for cooking food and for the sanitary water system of various service facilities of the eco-tourist complex.

Ensayo de la metodología Flipped Classroom en la enseñanza de Química para Ingenieros Mecánicos

Resumen El aula invertida o Flipped classroom es una metodología que permite al estudiante obtener información en un tiempo y lugar que no requiere la presencia del profesor, cambiando así sus roles tradicionales. El objetivo fue evaluar el impacto de la implementación del aula invertida como método de enseñanza para el desarrollo cognitivo en el tema 3 de la asignatura Química para Ingeniería Mecánica, en la Universidad de Oriente. Se aplicó la metodología a 138 estudiantes en los cursos 2021 y 2022. Se elaboraron carpetas digitales del tema 3 de la asignatura, conteniendo videos obtenidos de YouTube, así como guías de orientación y otros materiales didácticos confeccionados por el colectivo de profesores. Las técnicas utilizadas fueron la observación y la encuesta. Los resultados mostraron que los estudiantes estuvieron mejor preparados en las clases, más motivados con esta metodología de aprendizaje y propusieron extenderla a los otros temas de la asignatura. Los resultados docentes del tema 3 fueron mejores, en comparación con los temas 1 y 2, en los que no se aplicó la propuesta. Se concluye que la metodología permite una mayor adquisición de los conocimientos y fomenta en los estudiantes la autogestión de su aprendizaje y valores como la responsabilidad.

Abstract The inverted classroom or Flipped classroom is a methodology that allows the student to obtain information in a time and place that does not require the presence of the teacher, thus changing their traditional roles. The objective was to evaluate the impact of the implementation of the Flipped classroom as a teaching method for cognitive development in topic 3 of the chemical subject for Mechanical Engineering, at the Universidad de Oriente. The methodology was applied to 138 students in the 2021 and 2022 courses. Digital folders of topic 3 of the subject were prepared, containing videos obtained from YouTube, as well as orientation guides and other didactic materials made by the group of teachers. The techniques used were observation and survey. The results showed that the students were better prepared in the classes, more motivated with this learning methodology and they proposed to extend it to the other topics of the subject. The teaching results of topic 3 were better, compared to topics 1 and 2, in which the proposal was not applied. It is concluded that the methodology allows a greater acquisition of knowledge and encourages students to self-manage their learning and values such as responsibility.

Estudio sobre la microestructura y problemática de grietas para obtención de aleación de aluminio-silicio

Resumen En este trabajo los autores investigaron cómo mejorar las consecuencias perjudiciales que provoca la fase intermetálica (β-AlFeSi), que se forma con el hierro en aleaciones de Aluminio Silicio (Al-Si) para pistones de motores Diésel. El objetivo esencial fue obtener una pre-aleación compleja de aluminio y posteriormente la aleación correspondiente a pistones, mediante el desarrollo de una tecnología de fusión utilizando lingotes de Aluminio (Al) puro y Silico-Manganeso. Se analizó la composición química del material en medio del proceso de fundición, a través de una cantidad estimada de muestras, tanto de la pre-aleación como la aleación, finalmente se verificó el comportamiento de los distintos elementos y en especial del Manganeso (Mn). Para ello se tomó como referencia la Norma Española UNE 38265; se utilizaron equipos de espectrografía con las muestras obtenidas de los semiproductos y la posterior obtención de resultados metalográficos. Finalmente se obtuvo una aleación modificada con el intermetálico (α-AlFeMnSi) que transforma la morfología del compuesto β- AlFeSi, en una estructura diferente a agujas.

Abstract In this work, I discuss how to ameliorate the detrimental consequences of the intermetallic phase (β-AlFeSi), which forms with iron in Aluminium Silicon (Al-Si) alloys for diesel engine pistons. The essential objective was to obtain a complex aluminium pre-alloy and subsequently the corresponding alloy for pistons, by developing a melting technology using pure Aluminium (Al) and Silico-Manganese ingots. The chemical composition of the material was analysed in the middle of the melting process, through an estimated quantity of samples, both of the pre-alloy and the alloy. Finally, the behaviour of the different elements was verified, especially Manganese (Mn). For this purpose, the Spanish Standard UNE 38265 was used as a reference; spectrography equipment was used with the samples obtained from the semi-finished products and subsequent metallographic results were obtained. Finally, a modified alloy was obtained with the intermetallic (α-AlFeMnSi) that transforms the morphology of the β- AlFeSi compound into a structure different from needles.