Ingeniería Mecánica

Fatigue behavior stem hip prosthesis for walking

La prótesis de cadera consiste en sustituir la parte superior fracturada del fémur por una pieza de material biocompatible. Debido a las cargas aleatorias que sobre esta prótesis actúan al caminar la persona injertada, surge la fatiga sobre la prótesis. En este trabajo se realiza el cálculo a fatiga del vástago de una prótesis de caderas fabricada con acero inoxidable austenítico AISI 316L y de uso actual. Para ello se emplea el método de los elementos finitos, considerando la compleja geometría del vástago, el material y las cargas variables resultantes del caminar de la persona con la prótesis artificial colocada. Se calcula el daño a fatiga que estas cargas provocan en la misma así como el número de pasos que pueden darse, garantizándose una larga vida útil de la prótesis por este concepto de resistencia.

The hip prosthesis consists in substituting the fractured femur part by a piece of biocompatible material. Because the random character of loads acting over this prosthesis while person walk, crop up the fatigue on the prosthesis. The fatigue behavior of austenitic stainless steel hips prosthesis is studied in this article. The method of finite elements is used, considering the complex geometry of the part, the material and the variable acting loads, as results of steps of walking person. The fatigue damages are calculated as well as the number of steps that can be given, guarantying a long life of the prosthesis for fatigue resistance concept.

Evaluation of waste heat recovery in frigorific industry

La recuperación de calor forma parte de las medidas propuestas para el empleo adecuado del amoniaco en países tropicales. Este artículo analiza un sistema de recuperación de calor instalado en una instalación de refrigeración industrial. En el análisis, que parte de las lecturas comparativas de parámetros de operación de la instalación, se determinó la efectividad del intercambio térmico, el incremento en la eficiencia del sistema de refrigeración, así como el combustible ahorrado por concepto de calentamiento del agua en la industria. Los resultados obtenidos reportaron que el diseño térmico basado en intercambio de calor en espacios anulares, permite un ahorro importante de recursos y un elevado índice de aprovechamiento térmico

The waste heat recovery by heat pipes is accepted as an excellent way of saving energy and preventing global warming. This article assesses the impact of the use of a heat exchanger used as a heat recovery in the refrigeration industry. Elements are evaluated from the point of view of heat transfer, evaluating the quality of heat exchange process. Is calculated increase in the efficiency of the cooling system. The heated water is used in the steam generation system of the industry. Is calculated fuel consumption savings resulting from this warming. The findings provide elements that show the enormous potential of this technique in the refrigeration industry

Behaviour microstructure of an alloy TI-6 AL-4V used in leached pulp

En el trabajo se determina el comportamiento microestructural de la aleación Ti-6 Al-4 V del tipo α + β de la cual se fabrica el cuerpo de las válvulas que trabajan en la línea de pulpa lixiviada, que por efecto del fluido sufren perforaciones y son recuperadas por proceso de soldadura, en el establecimiento del ciclo térmico de soldadura se tuvo en cuenta la intensidad de corriente, el voltaje del arco eléctrico, la velocidad de soldadura y la energía lineal del proceso de soldadura. Como material de aporte se seleccionó el electrodo consumible ERTi-2. De la válvula dañada se seleccionaron muestras de diferentes zonas, las cuales se caracterizaron en dependencia con la afectación de la pulpa lixiviada caliente.

In this article, we study various solution schemes reported in the literature, which deal with the problem of irregular parts distribution on flat surfaces with two-dimensional nesting. Different solution schemes were analyzed, which they consider to be the real geometry of the part, during the evaluation and positioning them on the surface to be cut, ensuring the best use of the material. The proposed scheme is characterized by a graphic treatment of the pieces that can accelerate the process of recognition and evaluation of options coupling between them, as well as the creation of cluster populations growing to its final location on the surface to be cut. In the generation of populations of possible solutions, using an algorithm based on the method of integration variables, in addition is made comparing the results obtained by the proposed method with other results generated by procedures developed by different authors, achieving improved use.

Tolerance induced damage under cyclic contact loading of WC-Co cemented carbides

El comportamiento mecánico de los carburos cementados WC-Co ha sido estudiado en detalle teniendo en cuenta los defectos preexistentes del material (daño intrínseco). Sin embargo, la información sobre los efectos del daño inducido en servicio (daño extrínseco) en la integridad estructural de estos materiales es escasa. En este contexto, en este trabajo se evalúa la influencia del daño extrínseco en la resistencia mecánica residual de dos calidades con microestructuras diferentes. Para ello, se emplea la técnica de indentación esférica como medio para generar daño de forma controlada. Los resultados muestran que al incrementar el tamaño de grano del carburo y el contenido de cobalto, la respuesta mecánica de carburos cementados frente al contacto esférico es cada vez más cuasi-plástica, bajo la aplicación de cargas tanto monotónicas como cíclicas, y en consecuencia el material muestra una mayor tolerancia al daño.

The mechanical behavior of WC-Co cemented carbides has been studied in detail taking into account the pre-existing material (intrinsic damage) defects. However, information on the effects of service-induced damage (extrinsic damage) on the structural integrity of these materials is limited. In this context, in this paper the influence of extrinsic damage on the residual strength of two grades with different microstructures is evaluated. With this purpose, a spherical indentation technique is employed as a means for generating a controlled damage. The results show that by increasing the grain size of the carbide and the cobalt content, the mechanical properties of cemented carbides compared to spherical contact is increasingly quasi-plastic, under the application of both monotonic and cyclic loads, and consequently the material shows greater damage tolerance.

Reliability and risk analysis of an experimental set-up for wastewater treatment

Una de las exigencias modernas para el uso de equipos en todas las ramas de la economía, la ciencia y la educación, es su explotación segura. En este trabajo, se realizó el análisis de confiabilidad y riesgo de una instalación experimental para el tratamiento de aguas residuales con radiación ultravioleta. Se empleó la técnica del árbol de fallos y se analizaron dos variantes de cálculo. La primera variante consideró fuentes no confiables de suministro de energía eléctrica y la segunda consideró la existencia de fuentes confiables. Como resultado se identificaron 20 conjuntos mínimos de corte, 12 de primer orden y 8 de tercer orden. Además, se infirió, la necesidad de contar con una fuente alternativa de electricidad y que es importante establecer redundancia de grupo de componentes para instalaciones a escala industrial. El análisis demostró que la instalación es segura para su uso en la experimentación a escala de laboratorio.

One of the modern requirements for using equipments in all the areas of economy, science and education, is its safety operation. In this work, it was carried out the reliability and risk analysis of an experimental set-up for the wastewater treatment with ultraviolet radiation. The fault tree technique was used and two variants of calculation were analyzed. The first variant considered unreliable sources of electricity supply and the second considered the existence of reliable sources. As a result, 20 minimal cut sets were identified 12 of first-order and 8 of third-order. Besides, the necessity of an alternative supply electrical power source was inferred and it is important to establish redundant components group for industrial scale facilities. The analysis demostrated the set-up is safety for its use in the laboratory

Simulation tribological system formed by substrate roughness coating using numeric methods

Esta investigación se centra en simular y analizar usando el Método de los Elementos Finitos, los esfuerzos obtenidos en un sistema sustrato+recubrimiento como consecuencia del contacto con una partícula rígida, sometida a carga normal y deslizamiento a lo largo de la superficie del sistema, la cual cuenta con una rugosidad Ra de 0,36?m. Los resultados evidencian la importancia de considerar la rugosidad del sistema recubierto durante la simulación del ensayo de rayado, contrario a las simulaciones que reporta la literatura, ya que esta afecta el comportamiento de esfuerzos y deformaciones durante el contacto y deslizamiento. Además los resultados sugieren que al considerar la rugosidad del sistema, aumenta la posibilidad de surgimiento prematuro de grietas durante el ensayo de rayado.

This research focuses on simulate and to analyze using Finite Element Method, the stresses behavior obtained in a system (substrate+coating) as a result of the contact with a rigid particle under normal load and sliding along the surface of the system, which has roughness Ra of 0,36?m. The results show that in the scratch test simulation, the roughness of coated system must be considered contrary to the literature simulations of this field, since this affects the stresses and deformations behavior during contact and sliding. Thus, to increase surface roughness peaks greater possibility of inducing stress cracking.

Characterization of untreated zeolites and bentonites as reinforcement in polymer matrix composites

Las bentonitas con microestructuras compuestas de placas silicio aluminosas. Se logró el objetivo de caracterizar las bentonitas sódicas de Wyoming, USA, Patagonia de Argentina, nordeste de Brasil, así como las bentonitas policatiónicas de Brasil, la cálcica activada con sodio y zeolita de Cuba no organofilizadas para emplearlas como refuerzo en materiales compuestos de matriz polimérica. Estos materiales se evaluaron usando técnicas físico-químicas como fluorescencia de rayos X, difracción de rayos X, microscopia electrónica de barrido, humedad, capacidad de intercambio catiónico, absorción e hinchabilidad en diluyente acuoso. Los resultados confirmaron rangos variables de intercambio catiónico, hinchamiento y absorciòn en agua entre las bentonitas analizadas, debido a su naturaleza química estructural en hidratación, logrando mayores valores las sódicas, luego la cálcica activada y con menor valor las policatiónicas, pero permiten usarlas como carga en polímeros.

Bentonites with aluminous silicon microstructure composed of plates. The work accomplished to characterize the sodium bentonites in Wyoming USA, Patagonia Argentina, Northeast Brazil and the Brazilian polycationic bentonites, calcium-activated sodium zeolite from Cuba without organic modification not organophilized to employ as reinforcing in composite materials of polymer matrix. These materials were evaluated for physical and chemical assay techniques such as X-ray fluorescence, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, moisture, cation exchange capacity, absorption and swelling aqueous diluent. The results confirmed variables ranges of cationic exchange, swelling and water absorption from the bentonites tested, due to its chemical-structural hydration, achieving higher values nature the sodium, and then activated with calcium polycationic lower value, but permitting use as charge in polymers.

Experimental heat transfer coefficients for the liquor cooling in plate heat exchanger

La pérdida de eficiencia del proceso de enfriamiento del licor amoniacal, mediante el uso de intercambiadores de calor de placas, está asociada a imprecisiones en la estimación de los coeficientes de transferencia de calor y la acumulación de incrustaciones en la superficie de intercambio. El objetivo de la investigación es determinar los coeficientes de transferencia de calor y la influencia de las incrustaciones en la pérdida de eficiencia de la instalación. Mediante un procedimiento iterativo se estableció la ecuación del número de Nusselt y su relación con el número de Reynolds y Prandtl. Se utilizó un diseño experimental multifactorial. Los resultados predicen el conocimiento de los coeficientes para el cálculo del número de Nusselt en ambos fluidos. Los valores de los coeficientes del licor amoniacal son inferiores, ello se debe a la presencia de componentes gaseosos. La ecuación obtenida muestra correspondencia con el modelo de Buonapane, el error comparativo es del 3,55 %.

The loss of efficiency of the ammonia liquor cooling process, by means of the plate heat exchanger, is associated to the incorrect estimate of the heat transfer coefficients and the accumulation of inlays in the exchange surface. The objective of the investigation is to determine the transfer coefficients and the influence of the inlays in the efficiency loss of the installation. By means of an iterative procedure was obtained the Nusselt number equation and the relationship with the Reynolds and Prandtl number, for it was used it a design experimental multifactorial. The results predict the knowledge of the coefficients for the calculation of the Nusselt number for both fluids. The ammonia liquor coefficients values are inferior, due to the presence of gassy components. The obtained equation shows correspondence with the Buonapane pattern, the comparative error is 3,55 %.

Automatization and optimization of shell and tube heat exchangers design using the method of Taborek

Los intercambiadores de calor del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más importante de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos químicos. Existen en la literatura numerosos métodos para el diseño de Intercambiadores de calor de tubo y coraza. Entre los más conocidos se encuentran el Método de Kern, el Método de Bell Delaware, el Método de Tinker, el Método de Wills and Johnston y el Método de Taborek. El presente trabajo tiene como objetivo describir y automatizar el método de Taborek. Se realiza además la optimización del Costo del Intercambiador de Calor mediante el método de Recocido Simulado y el método de los algoritmos genéticos. Se puede concluir que la optimización por ambos métodos arroja resultados similares, disminuyendo apreciablemente el costo del intercambiador optimizado.

Shell and tube heat exchangers are the most important equipment for heat transfer without combustion in plants of chemical processes.There are many methods for designing shell and tube heat exchangers in literature. Among the most known are the Kern´s Method, the Method of Bell Delaware, the Method of Tinker, the Method of Wills and Johnston and the Method of Taborek. The objective of this paper is to describe and automate the Taborek´s method. It is also realized and optimization of the heat exchanger cost using the genetic algorithm and Simulated Annealing. It can be concluded that the optimization using both methods conduces to similar results, diminishing considerably the optimized exchanger cost

Modelling of continuos casting steel during first cooling system with curve mold

En el proceso de enfriamiento primario durante la colada continua de aceros sucede una serie de transformaciones físicas que inciden directamente en la calidad final del producto. Los modelos matemáticos que explican este fenómeno no pueden ser tratados indistintamente para una instalación u otra debido a las disímiles variables implicadas en el proceso. En esta investigación se obtuvo un modelo físico estadístico mediante regresiones múltiples sucesivas para el caudal necesario de agua en máquinas de colada continua de aceros con cristalizador curvo. Para el modelado se tuvo en cuenta las variables de operación del enfriamiento en cristalizadores curvos así como la validación estadística en condiciones de explotación en tiempo real. El modelo obtenido permitió estimar el comportamiento de las variables de control del proceso con suficiente precisión.

In the process of primary cooling in the continuous casting of Steel there are physical transformations that affect directly the quality of the final product. The mathematical models that explain this phenomenon cannot be applied to different installations because the variables involved in the process are different. In this research, a physical-statistical model was obtained through multiple and successive regression for the flow of water which is necessary in this complex process. For the modeling the variables of operations in the cured cooling systems were taken into account as well as the statistical validation in conditions of exploitation in real time. The model permitted to predict the behavior of the variables with sufficient precision.