Recibido el 29 de julio de 2010
Aceptado el 17 de septiembre de 2010
^rND^sSILVA^nV. O.^rND^sVAN DIJK^nT.^rND^sVALENCISE^nM.^rND^sCOLL CÉSAR^nJ. O.^rND^sLUCCI^nM. A.^rND^sVAN DIJK^nT.^rND^sCABRÉ^nM. T.^rND^sVENEGAS^nR.^rND^sPARODI^nS. G.^rND^sFERNÁNDEZ TOLEDO^nP.^rND^sSÁNCHEZ GÓMEZ^nP. J.^rND^1A01^nAna^sTeresa Carbonel - Siam^rND^1A02^nAntonio^sTorres - Valle^rND^1A01^nAna^sTeresa Carbonel - Siam^rND^1A02^nAntonio^sTorres - Valle^rND^1A01^nAna^sTeresa Carbonel - Siam^rND^1A02^nAntonio^sTorres - Valle

Artículo Original

Evaluación de percepción de riesgo ocupacional

Occupational risk perception evaluation

Ana Teresa Carbonel - Siam^I, Antonio Torres - Valle^II
I. Grupo Empresarial Farmacéutico. Ministerio de la Industria Básica, MINBAS.
Calle 18, No 4310, Playa, La Habana, Cuba.
Teléfono: 202-2291
II. Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas. INSTEC, Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medioambiente. CITMA.
Ave Salvador Allende y Luaces, Quinta de los Molinos, Plaza de la Revolución, La Habana, Cuba.
Teléfono: 878-9862
Email: [e-mail]

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Resumen

En el artículo se realiza un análisis de la percepción del riesgo como fenómeno comprometedor del desarrollo tecnológico, así como generador de errores humanos, principales contribuyentes a la ocurrencia de accidentes industriales y laborales. En base a una revisión detallada de varias de las metodologías de análisis de percepción de riesgo, el documento presenta el diseño de la metodología de Evaluación de Percepción de Riesgo Ocupacional (EPRO), que puede ser generalizada para otros objetivos de estudio. Finalmente se ofrecen los resultados de una aplicación en una planta de producción de un laboratorio farmacéutico.

Palabras claves: riesgo, percepción de riesgo, errores humanos, variables de percepción de riesgo, evaluación de percepción de riesgo.

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Abstract

The paper presents the analysis of risk perception as a compromising phenomenon of the technological development, and as an important source of human errors, the main contributors to the industrial and occupational accidents. Based on a detailed review of several risk perception methodologies, it is presented the design of the Occupational Risk Perception Analysis (EPRO in spanish), which can be generalized to others objectives of study. Finally, it is presented the results of the application of EPRO to the Production Plant of a pharmaceutical laboratory.

Key words: risk, risk perception, human errors, risk perception variables, risk perception evaluation.

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INTRODUCCIÓN

La realización de múltiples evaluaciones de seguridad en disímiles sectores [1, 2, 3] y las estadísticas consultadas [4, 5] revelan la preponderancia del error humano en la ocurrencia de accidentes. A su vez, la inadecuada percepción del riesgo constituye una causa clara de la incorrecta valoración del peligro y por ende, del error humano [6, 7, 8].

Al igual que los accidentes de tránsito, a pesar de su secuela de muertes y lesionados, son interpretados como menos peligrosos que las caídas de aviones, los accidentes laborales, aparentemente menos graves pero más frecuentes, son considerados menos importantes que los grandes desastres industriales. Esta situación está relacionada con factores de índole subjetivo que han sido mejor estudiados dentro de la percepción del riesgo, disciplina que, aunque relativamente reciente, ya se revela como un importante paso en el análisis del factor humano en los estudios de riesgo.

Lo que sucede en general respecto al que se ha identificado como riesgo subjetivo (o interpretación del riesgo por parte del público general), es que está sujeto a múltiples variables de percepción difíciles de cuantificar. En este sentido, este aspecto se comporta en relativa desventaja respecto al riesgo objetivo, cuantificable en manos de los expertos, y que responde a factores como la frecuencia de los accidentes y sus consecuencias.

La percepción del riesgo ha evolucionado desde una etapa en la que era negada por los expertos y considerada un producto de la incultura de la población, hasta convertirse en un problema complejo y estudiado por un gran número de psicólogos, sociólogos y expertos en temas de seguridad [8].

El riesgo subjetivo se ha transformado también en un regulador del desarrollo tecnológico porque representa, a nivel social, la aceptación o el rechazo de los grandes adelantos científicos. La interpretación sobre el potencial catastrófico tras grandes accidentes industriales (por ejemplo, Piper Alfa, Isla de las Tres Millas, Chernobil, Bophal) ha comprometido o retrasado el desarrollo de numerosos avances científicos y ha representado pérdidas económicas enormes para los propietarios de las tecnologías [9].

Los riesgos laborales están, por sus implicaciones sociales, a un nivel más bajo. Reconocido en sus inicios como un tema manejado por expertos [9, 10, 11], la percepción del riesgo laboral ha ido ganando cada vez más terreno como mecanismo regulador de la seguridad laboral.

Por otra parte, no se puede negar que muchos grandes desastres industriales, han comenzado o se han agravado por simples problemas de percepción de riesgo. Por solo citar algunos ejemplos [9], los errores de comunicación que desataron el accidente de la plataforma petrolera Piper Alfa, el desalineamiento tras mantenimiento de las bombas de alimentación de emergencia en la central nuclear de la Isla de las Tres Millas, la realización de las pruebas eléctricas que conllevaron al desastre de la planta nuclear de Chernobil, y la gran cantidad de errores humanos desencadenantes de accidentes aéreos, han partido de problemas de percepción inadecuada de los riesgos.

Resumiendo entonces, la inadecuada percepción de riesgo puede comprometer el desarrollo tecnológico y convertirse en un importante desencadenante de accidentes industriales y laborales. Es por ello trascendental contar con métodos que permitan su estudio.

Tratándose de un aspecto tan abarcador, se ha restringido la investigación, en primera instancia, a los riesgos laborales de un laboratorio farmacéutico (objeto de investigación), resultando el problema científico que "el insuficiente conocimiento sobre la percepción de riesgos ocupacionales en el laboratorio es una limitante trascendental en la comprensión de los errores humanos que son causa fundamental de los accidentes e incidentes laborales". Como hipótesis se plantea que "el conocimiento sobre la percepción de los riesgos laborales se logra a través de la aplicación de una metodología de evaluación de percepción de tales riesgos, diseñada a la medida del objeto de estudio". De esta forma, el objetivo general es "diseñar una metodología de evaluación de percepción de riesgo ocupacional que incluye el análisis selectivo previo de los puestos de trabajo más peligrosos".

El método EPRO (Evaluación de Percepción del Riesgo Ocupacional), resumido en el artículo, es el resultado de la recopilación dialéctica y de la conjunción creativa de las mejores experiencias consultadas sobre técnicas de análisis de percepción de riesgo [8, 11, 12, 14, 15].

Por su capacidad de generalización, el método propuesto permite los análisis de percepción de riesgo en otros ámbitos, como selección de personal para labores riesgosas, aceptación de nuevas tecnologías o teorías científicas, comportamiento social ante epidemias, etc.

A modo de ilustración, se muestra la aplicación de la metodología EPRO [16] a una planta de inyectables de un laboratorio farmacéutico, en el que los actores fundamentales de los procesos son técnicos y operarios mecánicos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se investigaron los 10 puestos de trabajos de la planta de inyectables, con sus correspondientes trabajadores (12 técnicos y operarios), los cuales constituyeron la muestra base de los análisis. En este grupo se centraron las encuestas para evaluación de percepción de riesgo. Adicionalmente, se incluyeron 4 directivos relacionados con la explotación de la planta. La observación de los puestos permitió, no solo estudiar su estado técnico, sino disponer de los datos respecto al tiempo de exposición del trabajador a los peligros relativos al puesto. La muestra tomada para el análisis (16 personas) representa al universo de trabajadores y directivos de la planta de inyectables (23) con un nivel de confidencia del 85% y una precisión del 10%, lo que se considera suficiente para los objetivos del estudio [17].

Un algoritmo simplificado del método EPRO [16] se presenta en la figura 1.

Figura 1. Algoritmo Simplificado del método EPRO

La SELECCIÓN DE VARIABLES DE PERCEPCIÓN DE RIESGO depende de los objetivos del estudio, tal como lo muestran las bibliografías consultadas. Por ejemplo, para análisis de riesgos psicosociales en general se aprecian variables de tres tipos, las de carácter individual, las relacionadas con la naturaleza del riesgo o riesgo físico, y las relacionadas con la gestión del riesgo o riesgo gestionado [8]. Sin embargo, cuando se trata de riesgos laborales algunos autores proponen variables más específicas como clima organizacional, respuestas de los supervisores y de los compañeros, conducta hacia la seguridad, tensión en el desempeño, contenido de la tarea, relaciones interpersonales, organización del tiempo de trabajo, gestión de personal, relaciones trabajo familia, entre otras [11, 13, 14, 15]. En el ámbito laboral, otros autores regresan a las variables tradicionales [12]. En la metodología EPRO [16] se ha preferido conservar, salvo algunas excepciones, las variables psicosociales propuestas por [8], considerando que las variables incluidas en otros métodos constituyen subconjuntos de estas.

Otro aspecto importante respecto a la selección de variables es el análisis de su relación con la percepción de riesgo asociada a cada una, detectándose que algunas se comportan de manera directamente proporcional como el potencial catastrófico, el pánico generado o el efecto sobre los niños, mientras que otras lo hacen de forma inversa como la familiaridad, la controlabilidad y la vinculación laboral.

Para el DISEÑO DE ENCUESTAS se han seguido reglas propuestas por expertos [13, 14], concluyéndose en esencia que los cuestionarios deben estar adaptados a los tipos de peligros y a los grupos de estudio, que deben generar empatía, avanzar de lo conocido a la incertidumbre, de lo general a lo particular y de lo institucional a lo individual [16].

Otro aspecto del diseño de encuestas, pero a su vez relacionado con la evaluación, fue la concepción de preguntas cerradas y ordenadas de manera unipolar en tres gradaciones, de manera que, siempre que fue posible, se consiguió una correlación con la escala de percepción de riesgo asociada. Como escala de medición se estableció una distribución sencilla en tres niveles, donde 1 significa subestimación del riesgo y 3 sobrestimación, siendo el nivel 2 la estimación adecuada de riesgo [16].

Fue importante también preparar una matriz que relacionó las preguntas con las variables, resultando que en ocasiones una misma pregunta sirve para la evaluación de más de una variable de percepción. Ello implicó, en el caso del riesgo ocupacional, que las variables confianza en la institución y comprensión del riesgo, fueron las más investigadas, lo que coincide con el comportamiento histórico de la percepción del riesgo laboral [10].

Respecto al DISEÑO DE LOS INDICADORES DE CUANTIFICACIÓN se prefirió utilizar esquemas simples que permitieran hacer valoraciones promediadas a nivel de variable, de individuo y por grupos de interés [16]. Aunque se comprende que una simplificación relacionada con la independencia entre variables, puede resultar inadecuada, se prefirió la misma para evitar las subjetividades que puede implicar suponer tales dependencias. En este sentido, se optó por insistir más en el estudio de las variables de interés para cada tipo de riesgo.

En el DISEÑO DE LAS SALIDAS se prepararon esquemas analíticos y gráficos, que permitieron realizar comparaciones de tipo absoluto (contra los niveles mencionados) y relativo (entre diferentes individuos, grupos o variables). Una salida gráfica bien acogida por su nivel ilustrativo, fueron las gráficas de línea quebrada de variables de percepción versus nivel de percepción (perfil de riesgo percibido) [16].

Para la APLICACIÓN AL OBJETO DE ESTUDIO se propuso el flujograma presentado en la figura 2.

Figura 2. Flujograma de aplicación del método EPRO

Dado el nivel de detalle que se pretende desarrollar con las encuestas y su análisis posterior, se decidió aplicar las mismas de manera selectiva, escogiendo como parámetro de filtrado el nivel de riesgo de cada puesto de trabajo, calculado según el método de Análisis de Tipos y Efectos de Peligros (ATEP) [18]. Esto permitió considerar, el término de riesgo basal [11] y lograr la SELECCIÓN DE LOS GRUPOS humanos de mayor interés [16].

La ADAPTACIÓN DE LA ENCUESTA constituyó un paso necesario pues es posible que la encuesta preparada por defecto no contemplara algunas características particulares de los peligros objeto de análisis u otros aspectos inherentes a los grupos analizados.

Posteriormente, se pasó a la APLICACIÓN DE LA ENCUESTA al personal para conocer sus opiniones sobre aquellos aspectos que permiten realizar la EVALUACIÓN. Esta se basó en los indicadores de cuantificación mencionados. Finalmente se establecieron RECOMENDACIONES. El estado de la cultura de la seguridad deberá reevaluarse (RETROALIMENTACIÓN), pasado un período de aplicación de las recomendaciones, para comprobar su efectividad [16].

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La aplicación del método ATEP [18] permitió determinar los puestos de trabajo más peligrosos de la planta de inyectables partiendo de su riesgo global y promedio. Sobre estos puestos de trabajo más peligrosos se aplicó el método EPRO [16].

El procesamiento de los datos recopilados a través de las encuestas de percepción de riesgo así como el cálculo de indicadores de percepción, aportan tablas del tipo del fragmento mostrado en la Tabla 1. En la misma pueden apreciarse los valores de percepción individual por cada variable (PIx- columnas 1 a 20 y filas A1 a C2), los de percepción global a nivel de cada variable (PGx - fila final), los de percepción global de cada sujeto (PGs - columna final derecha) y los de percepción global colectiva (PG_G - ver celda sombreada extrema inferior derecha).

Tabla 1 - Fragmento de la evaluación de las variables de percepción para operarios

El análisis global de los resultados muestra una baja percepción global del riesgo laboral entre los operarios (PG_G = 1.52), ya que no se alcanza el valor 2. Entre los directivos la percepción del riesgo se muestra superior (PG_G = 2.01). Por otra parte, entre los operarios encuestados, los de más alta percepción del riesgo (PGs) son los operarios de calderas (por ejemplo C1), lo que se deriva de la preparación recibida de la empresa ALASTOR, especializada en temas de operación de calderas.

De manera general, entre los directivos existe mayor percepción del riesgo que entre los operarios, lo que se debe a su mayor participación en las decisiones de la entidad donde se comparten y concilian temas de seguridad, a la vez que en muchos casos sus cargos exigen deberes más claros para con la seguridad laboral (por ejemplo, realización de auditorías a puestos de trabajo, control de capacitación, etc.).

Entre las variables de percepción, las que mayor índice alcanzan (PGx) entre los operarios son, las de Confianza en la Institución (PG₈), Sexo-Edad-Educación-Ingresos (PG₂) y Demanda (PG₂₀). En el caso de la primera, ello está de acuerdo con la práctica internacional (el obrero confía en la gestión de los riesgos por parte de la gerencia) y con la política de exigencia en la empresa en lo que respecta a temas de seguridad laboral. La segunda es un reflejo de la composición y experiencia de trabajo del colectivo encuestado. En cuanto a la variable PG₂₀ los resultados alcanzan la media ya que la vinculación a indicadores de eficiencia induce presiones productivas, y generan ciertas demandas psicológicas, que favorecen una percepción mediana del riesgo.

Sin embargo, tales resultados no resultan suficientes para alcanzar una percepción de riesgo adecuada, tal como lo reflejan las restantes variables. La figura 3 muestra el perfil de percepción de riesgo para los operarios y directivos de la planta de inyectables.

En el eje horizontal figuran las 18 variables de percepción estudiadas (se excluyen las variables 18 y 19 ya que no son aplicables para los tipos de peligros analizados), mientras que en el vertical se muestra la escala de valores de percepción, representando el 1 la subestimación del riesgo,
y el 3, una sobrestimación del riesgo. El resultado mejor esperado para el perfil de percepción es una línea recta sobre el valor 2 obsérvese en la figura 3 que entre los operarios no se alcanzan nunca valores de percepción de riesgo superiores a 2, excepto para la variable 2.

Observando el perfil de riesgo laboral obtenido para los operarios de la planta se aprecia que, de las 18 variables investigadas, 16 no alcanzan el valor medio, lo que representa también un sumario de baja percepción de riesgo. Esta situación se representa a través de una línea quebrada que, en general, se mantiene por debajo de 2.

Una particularidad del perfil de riesgo presentado, y que contribuye a su interpretación, es que las variables de percepción cuyo comportamiento es inversamente proporcional a su influencia en la percepción se han encerrado en un cuadro continuo (rojo), mientras que, los comportamientos especiales en los que los valores extremos de las variables de percepción (bajo o alto) determinan una baja percepción se han encerrado en un cuadro discontinuo (azul). La variable 2 (Sexo-Edad-Educación-Ingreso) es una variable preparada para estudios demográficos, tiene un comportamiento complejo y no puede ser descrita con un patrón de proporcionalidad, por ello se ha diferenciado con un círculo. El resto de las variables se comportan de manera directamente proporcional a su influencia en la percepción de riesgo.

En el gráfico se ha representado también el valor medio global de percepción para los grupos objeto de análisis (operarios y directivos).

El perfil de riesgo aporta una información valiosa porque permite descubrir claramente sobre qué variables y en qué dirección debe centrarse la formación para lograr los más certeros esfuerzos en el logro de adecuados niveles de percepción. En base al estudio de percepción de riesgo realizado se dictarán cursos especializados dirigidos a los operadores de las áreas peligrosas y se implementarán técnicas y estrategias más adecuadas para la promoción de la prevención de riesgos laborales y el incremento de la cultura de la seguridad [19].

Figura 3. Perfil de percepción de acuerdo a las variables investigadas para el grupo de operarios y directivos evaluados

CONCLUSIONES

El desarrollo del documento corrobora la hipótesis sobre la posibilidad del conocimiento de la percepción de los riesgos laborales con la aplicación de una metodología diseñada al efecto. Así mismo, demuestra el cumplimiento del objetivo general planteado a través del diseño del método de Evaluación de Percepción de Riesgo Ocupacional (EPRO).

De manera general, los errores humanos, principales causantes de los accidentes laborales, pueden deberse tanto a la subestimación (que origina apatía y optimismo irracional) como a la sobreestimación del riesgo (que provoca alta tensión, stress y pesimismo).

El método de evaluación de la percepción de riesgo laboral identificado como EPRO, se caracteriza por aprovechar lo más positivo de las tendencias de evaluación estudiadas e introduce algunos aportes para potenciar la herramienta. Una de sus más importantes características es que permite identificar, a nivel de variable de percepción de riesgo, dónde deben centrarse los esfuerzos esenciales en el incremento de la cultura de la seguridad del grupo humano analizado.

La EPRO fue aplicada a una planta de un laboratorio farmacéutico de producción de medicamentos identificándose parámetros cuantitativos que permiten estimar características de percepción de riesgo a nivel de variables, individuos y grupos, y su resultado final será la aplicación de un programa de elevación de la cultura de la seguridad.

Esta herramienta, tras sencillas adaptaciones puede ser utilizada para múltiples objetivos donde la percepción del riesgo es factor clave.

REFERENCIAS

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Disponible en: http://www.monografias.com/trabajos-pdf2/analisis-riesgo-confiabilidad-seguridad-mantenimiento /analisis-riesgo-confiabilidad-seguridad-mantenimiento.shtml

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18. TORRES OQUENDO, C. Análisis de Tipos y Efectos de Peligro por puesto de trabajo. Aplicación a la planta de inyectables del Laboratorio Julio Trigo. Tutor: Siam, A. T. C. y Valle, A. T. Trabajo de Diploma de Ingeniería Industrial, Facultad de Ingeniería Industrial. Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría", La Habana. 2009.

19. Organismo Internacional de Energía Atómica. Cultura de la Seguridad Viena:1991. Colección Seguridad del OIEA. INSAG-4.

Recibido el 18 de mayo de 2010
Aceptado el 15 de julio de 2010
^rND^sPRADES LÓPEZ^nA.^rND^sGONZÁLES REYES^nF.^rND^sMELIÁ^nJ. L.^rND^sSESÉ^nA.^rND^sBENAVIDES^nF. G.^rND^1A01^nCarlos^sFigueroa - Hernández^rND^1A02^nCarlos^sDiez - Cicero^rND^1A01^nUrbano^sOrdoñez - Hernández^rND^1A01^nCarlos^sFigueroa - Hernández^rND^1A02^nCarlos^sDiez - Cicero^rND^1A01^nUrbano^sOrdoñez - Hernández^rND^1A01^nCarlos^sFigueroa - Hernández^rND^1A02^nCarlos^sDiez - Cicero^rND^1A01^nUrbano^sOrdoñez - Hernández

Artículo Original

Modelos matemáticos para el cálculo de la fatiga de contacto a partir de la formación de un micropitting

Mathematical models to determine the contact fatigue during the micropitting formation

Carlos Figueroa Hernández^I, Carlos Diez Cicero^II, Urbano Ordoñez Hernández^III
I, III. Departamento de Tecnología y Construcción de Maquinarias. Facultad de Ingeniería Mecánica
Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría" - CUJAE
Calle 114 #11901 e/119 y 127. Marianao. La Habana. CP 19390. Cuba
Email: [e-mail] , [e-mail]
II. Dpto. Gráfica de Ingeniería, Facultad de Ingeniería Mecánica
Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría" - CUJAE
Calle 114 #11901 e/119 y 127. Marianao. La Habana. CP 19390. Cuba
Email: [e-mail]

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Resumen

El presente trabajo muestra el proceso de obtención de modelos para calcular el número de ciclos necesarios, durante la formación de microppiting en aleaciones metálicas, sometidas a fatiga de contacto. En el desarrollo de los modelos se tuvo en consideración la iniciación de microgrietas debajo de la superficie en aquellos lugares donde, las tensiones tangenciales alcanzan magnitudes localmente superiores al límite de fluencia del material analizado. Los defectos microestructurales tales como: límites de grano, frontera de fases, la presencia de nódulos de grafito e inclusiones no metálicas se tuvieron en cuenta. Para la modelación se utilizaron expresiones que permiten realizar un balance energético en las diferentes etapas de de incubación y propagación de grietas. Durante los cálculos se consideró que en el mecanismo de iniciación de grietas estuvo presente la acumulación de dislocaciones y el incremento local de las tensiones.

Palabras claves: Micropitting, Fatiga de contacto, Modelos matemáticos, Defectos, Grieta.

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Abstract

The present work show the procedure that allow to obtain the mathematical models to determine the number of necessary cycles during the formation of micropitting in metals alloys subjected to contact fatigue. During obtaining of the models was takes into account the formation of undersurface microcracks where the maxims tangential tensions appear, which reach values over the yield point of materials. Microestructural defects such as grain and face boundary, graphite nodules, nom metallic particles were also considered to obtain the mathematical equations. Incubation period and propagation of crack on the material were described using an energetic balance. During the calculations it was considered that in the mechanism of crack initiation was present the movement of dislocations and the local increasing of stress. It was determined that irreversibility factor has a significant influence in the obtaining of mathematics model.

Key words: Micropitting, Contact fatigue, Mathematics model, Defects, Crack.

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INTRODUCCIÓN

La durabilidad de los elementos mecánicos sometidos a fatiga de contacto, se determina a partir de ensayos de laboratorio, donde finalmente, se obtiene una curva que describe el comportamiento de las tensiones que son aplicadas en la superficie del material, con respecto al número de ciclos de aplicación de la carga. Para la obtención del comportamiento antes citado se requiere de un gran número de ensayos.

En el presente trabajo se muestra la obtención de las expresiones que permitirán determinar, la cantidad de ciclos necesarios para la iniciación de una grieta de fatiga superficial.

El modo de manifestarse la rotura por fatiga de contacto es mediante la aparición del micropitting. El proceso de formación del mismo, ocurre a partir de una grieta que se inicia debajo de la superficie del material, y que crece por la acción de las cargas cíclicas. En este trabajo se hace un análisis y selección de las expresiones que más se pueden relacionar con los fenómenos de rotura durante el desgaste por rodadura, considerando las características metalográficas de los materiales metálicos.

INICIACIÓN DE UNA GRIETA DE FATIGA

La incubación de una grieta por fatiga representa una de las etapas más importantes y más difíciles de pronosticar en el proceso de formación de un micropitting. La posición y forma de iniciación de la grieta depende de la microestructura del material, del tipo de carga aplicada y de la geometría de la pieza. Las grietas pueden ser iniciadas en la superficie o debajo de esta, en dependencia de las condiciones de contacto. Las tensiones de igual forma aparecen en los lugares citados anteriormente, las mismas pueden ser normales o tangenciales [1, 2, 8]. En el caso de las tangenciales, su máxima intensidad se alcanza a una determinada profundidad y es en ese lugar precisamente donde se originan las grietas que luego crecen hacia la superficie, formando un ángulo determinado. La profundidad donde aparecen las máximas tensiones tangenciales va a depender de las propiedades del material, de la magnitud de las cargas y de las condiciones del contacto.

Cuando la grieta es iniciada en el área de máximas tensiones subsuperficiales, el mecanismo de iniciación de la grieta es atribuido al movimiento de las dislocaciones a lo largo de las bandas de deslizamiento, límites de grano o en la interface de una inclusión [3].

Para el estudio de la influencia que tiene la presencia de un defecto en el material que lo rodea, se parte del punto de vista desarrollado por Griffith [4, 9], al introducir en el material una discontinuidad o grieta que es de forma elíptica. También se considera que la fatiga está ocurriendo bajo cargas normales cuyos valores están por debajo del límite de fluencia, pero que sin dudas provoca una deformación elástica en la geometría de aquellos defectos esféricos, convirtiéndolos en una elipse que puede influir decisivamente en la reducción del período de incubación de la grieta, pero que además brinda la posibilidad de hacer las suposiciones de Griffith y de calcular los parámetros geométricos necesarios y su influencia en la vida útil de la pieza [6, 7, 11]

La determinación de la energía de deformación alrededor de una grieta se determina utilizando la expresión dada por Petch [4]. En el caso de las tensiones tangenciales quedaría de la forma siguiente:

(1)

Donde: C es la semilongitud del defecto, tensión tangencial, G módulo de elasticidad tangencial.

El incremento DWd en cada ciclo de carga es obtenido sustituyendo las tensiones tangenciales por Dt= t_max- t_min y por 2tf que es la resistencia del material al movimiento de las dislocaciones. Entonces la expresión (2) quedaría de la forma siguiente.

(2)

El número de ciclos necesarios para el inicio de una grieta en la interface metal inclusión puede ser determinado por la expresión siguiente [5].

(3)

Donde: Ni es el # de ciclos hasta que se inicia la grieta, S energía de fractura por unidad de área y r radio de la inclusión en el eje de mayor magnitud.

Durante la determinación del número de ciclos, es necesario tener en cuenta que las dislocaciones después que se agrupan son irreversibles. Por lo que el cálculo debe ser afectado por el coeficiente de irreversibilidad f.

Relacionando (2) y (3) se obtiene la expresión siguiente:

(4)

Para calcular el radio de curvatura de la elipse formada, luego que un defecto esférico (poro o nódulo de grafito) ha sufrido una deformación elástica, se utilizó el programa de elemento finito ALGOR, donde se simularon los niveles de deformación del defecto para 4 valores de tensiones normales de contacto (s), tres por debajo del límite elástico y uno por encima. Se consideraron además las propiedades del material, en este caso, el hierro fundido. El radio de curvatura de la elipse (r) se calculó utilizando la expresión (5). Los resultados se muestran en la Tabla 1.

(5)

Tabla I. Resultados de la simulación

Con los resultados de la simulación se hizo un análisis de regresión, obteniéndose la expresión que permite relacionar la tensión normal aplicada (s) con el radio de curvatura (r), expresión (6) y la función que relaciona la semilongitud del semieje mayor de la elipse (C ) con la tensión aplicada (s), expresión (7).

(6)

(7)

Después de obtenidas las características geométricas del defecto, debe ser utilizada la expresión (4) para calcular el número de ciclos hasta el inicio de la grieta.

OTRAS CONSIDERACIONES EN EL ANÁLISIS DE LOS MECANISMOS DE INICIACIÓN DE GRIETAS

El mecanismo de fractura propuesto para el análisis y obtención del modelo de iniciación de grietas es el de Cleavage, teniéndose que para n pares de dislocaciones, las cuales producen un desplazamiento nb, la longitud del núcleo formado producto de la acumulación de dislocaciones es igual a c, pudiéndose reconocer distintas contribuciones a la energía total, expresadas por unidad de espesor. E es el módulo de elasticidad longitudinal, G es módulo de elasticidad tangencial y n es el coeficiente de Poisson.

La energía de Griffith [10, 12] de una grieta de longitud total c bajo un esfuerzo p:

(8)

El trabajo realizado por el esfuerzo en formar el núcleo:

(9)

La energía de deformación de la dislocación de borde "agrietada" con vector de Burger nb:

(10)

Donde: r es tomado como la distancia sobre la cual este campo de deformación es efectivo y c/2 es tomado como el radio del núcleo de la dislocación de borde agrietada.

El número de ciclos necesarios para el inicio de una grieta puede ser determinado a través de la expresión siguiente [5]:

(11)

Para el caso de las tensiones tangenciales y suponiendo que en la grieta c=nb=R, las expresiones 8, 9, 10 se pueden escribir como sigue:

(12)

(13)

(14)

Por tanto, la expresión (11) se puede escribir de la forma siguiente:

(15)

Teniendo en cuenta que a la energía de deformación ( DWd) estarán asociados los valores de energía U₁ y U₂ y al valor de energía superficial (y) se le agregó el valor de energía U₃, la ecuación 15 una vez despejado el número de ciclos N_i quedará como sigue:

(16)

CONCLUSIONES

• La metodología propuesta puede ser utilizada para predecir la formación de grietas a partir de inclusiones con geometría elíptica.
• Se obtuvieron expresiones para predecir la formación de un micropitting en aleaciones metálicas.
• El coeficiente de irreversibilidad de las dislocaciones tiene una influencia significativa en el período de incubación de un agrieta.
• Se ha obtenido un modelo matemático que permite calcular el período de incubación de una grieta (N_i), en función de los parámetros límite de fluencia, módulos de elasticidad de primer y segundo orden, coeficiente de Poisson, carga actuante y magnitud del defecto.
• El incremento del semieje mayor de la elipse formada en el nódulo de grafito sometido a deformación elástica no es significativo.

REFERENCIAS

1. HURLEY, P. J. y EVANS, W. J. "A new method for predicting fatigue crack propagation rates". Materials Sciencie and Engineering. 2007. vol 466,
p. 265-273.

2. DOMMARCO, L. C.; BASTIAS, P. C.; DALL'O, H. A., et al. "Rolling Contact Fatigue (RCF) Resistance of Austempered Ductile Iron (ADI)". Wear. 1998. vol 221, nº 1, p. 69-74.

3. GLODEZ, S. "Surface fatigue of gear teeth flanks". Computer and Structures. 1999. vol 73, p. 475-483.

4. CHALMERS, B. Metalurgia Física. Estados Unidos. 1962. p 87-205.

5. TANAKA, K. "A theory of fatigue crack initiation at inclusion". Metallurgical Transaction 13A. 1982. vol 117, nº 23.

6. PRADO, J. M. "Dry sliding wear of austempered ductile iron". Materials Science and Technology. The Institute of Materials. 1995. p. 340-448.

7. FIGUEROA, C. Estudio experimental sobre el comportamiento del hierro austemperado nitrurado (ADI) a la fatiga de contacto. En Congreso Cubano de Ingeniería Mecánica. La Habana, Cuba. 2000.

8. HOUBAERT IRMEN, Y. Fundamentos del comportamiento mecánico de los materiales metálicos. Universidad de Gante. Bélgica, 1994.

9. MEDEIROS, J. T. N. "Fadiga de Contato e Mapa de Desgaste de Discos Metálicos Não Conformes Solicitados por Contato de Rolamento Cíclico". Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP. Brasil. 2002.

10. KNOTT, J. F. B. Fundamentals of Fracture Mechanics. Cambridge: Department of Metallurgy and Materials Science, Cambridge University, 1973.

11. FIRRAO, D. "Relation between fatigue crack initiation and propagation, toughness and microstructure in large steel blooms for automotive plastic molds". International Journal of Fatigue. 2007. vol 29, p. 1880-1884.

12. HUANG, X. "Simplified three-dimensional model for fatigue crack initiation". Engineering. Fracture Mechanics. 2007. vol 74, p. 2981-2991.

Recibido el 13 de agosto de 2010
Aceptado el 2 de octubre de 2010 ^rND^sHURLEY^nP. J.^rND^sEVANS^nW. J.^rND^sDOMMARCO^nL. C.^rND^sBASTIAS^nP. C.^rND^sDALL'O^nH. A.^rND^sGLODEZ^nS.^rND^sTANAKA^nK.^rND^sPRADO^nJ. M.^rND^sMEDEIROS^nJ. T. N.^rND^sFIRRAO^nD.^rND^sHUANG^nX.^rND^1A01^nDeivis^sAvila-Prats^rND^1A01^nRamón^sAlesanco-García^rND^1A01^nFeliciano^sGarcía-García^rND^1A01^nDeivis^sAvila-Prats^rND^1A01^nRamón^sAlesanco-García^rND^1A01^nFeliciano^sGarcía-García^rND^1A01^nDeivis^sAvila-Prats^rND^1A01^nRamón^sAlesanco-García^rND^1A01^nFeliciano^sGarcía-García

Artículo Original

Coste del kWh eólico generado en Cuba, a partir de datos de viento de una región de buenos potenciales eólicos

Cost of the kW h generated with wind energy in Cuba, analyzing the data of wind of a region of good potentials

Deivis Avila - Prats, Ramón Alesanco - García, Feliciano García - García
Grupo de Investigación I+D Ingemar, Dpto. de Ingeniería Marítima. Universidad de La Laguna.
Avda. Francisco La Roche, s/n. 38001- S/C Tenerife, España.
Email: [e-mail], [e-mail], [e-mail]

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Resumen

En el presente trabajo se muestran los resultados del análisis efectuado acerca de los costes de producción del kW h eólico que se pueden obtener en el archipiélago cubano, a partir de los datos de viento de una región de buenos potenciales eólicos. Para la realización del mismo se procesan los datos de viento de seis estaciones meteorológicas, seleccionando para el estudio la de mayor potencia media de viento. Se calcula la energía eléctrica anual que serian capaces de generar aerogeneradores de: 800, 900, 2000 y 2300 kW de potencia nominal, bajo las condiciones de viento de dicha región. Se determina el coste de producción del kW h eólico generado con las diferentes máquinas, a partir de un coste de inversión por kW eólico instalado.

Palabras claves: energía eólica, distribución de Weibull, coste de producción eólico.

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Abstract

In this study, the results of the analysis made about the costs of production of the kW h of wind energy that can be obtained in Cuba are shown. For the realization of the same one the data of wind of six meteorological stations are processed, selecting for the study the stations with the maximum value of annual mean wind speed. A technical assessment has been made of electricity generation from four wind turbines having capacity of (800 kW, 900 kW, 2000 kW and 2300 kW). The yearly energy output for the four different turbines were calculated for the station with the maximum value of annual mean wind speed. It is determined the cost of production of the kW h of wind energy generated with the different machines, taking 1400 dollars per kW installed like inversion cost.

Key words: wind energy, Weibull distribution, wind energy production cost.

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INTRODUCCIÓN

El Consejo Mundial de Energía Eólica, más conocido por sus siglas en ingles (GWEC), da a conocer que la potencia eólica a nivel mundial creció en un 31% en 2009, añadiendo 37500 MW al total de las instalaciones, llegando a sumar 157900 MW [1]. Lo que permite aseverar que la energía eólica se encuentra entre las energías con mayor crecimiento dinámico en la actualidad y se sitúa a la vanguardia de las energías renovables.

America Latina cuenta solamente con 1078 MW eólicos instalados, habiendo incorporado 411 MW de los mismos en el año 2009. El país con mayor potencia eólica instalada es Brasil con 602,2 MW, pretendiendo totalizar en un futuro no muy lejano una potencia total instalada de 3140 MW [2]. Cuba es uno de los países del área que no cuenta con grandes yacimientos de petróleo, ni gas natural y que ha decidido invertir en la energía eólica; considerando que es una de las fuentes energéticas renovables más abundantes del territorio, pudiendo estar su capacidad eólica instalable alrededor de los 3500 MW [3].

Los resultados más significativos obtenidos por el archipiélago en este campo son: Culminación en el año 2006 del Mapa Eólico de Cuba. Tener instalados hasta el momento 7,23 MW de potencia eólica, valor que podría ascender hasta 11,73 MW, cuando entre en funcionamiento un cuarto parque eólico a finales del 2010 [4].

Los planes futuros de la empresa eléctrica cubana son seguir desarrollando proyectos eólicos, los cuales deben ser más competitivos desde el punto de vista económico, disminuyendo sus costos de inversión por kW eólico instalado. Atendiendo a esta observación, el siguiente trabajo se traza como objetivo: determinar los costes de producción del kW h generado en Cuba a partir del análisis de los datos de viento de la estación meteorológica de mayor potencia media de viento de las seis estaciones analizadas, la producción de energía eléctrica anual generada por aerogeneradores de: 800, 900, 2000 y 2300 kW de potencias nominal y los costes de inversión por kW eólico instalados en el territorio.

Caracterízación del viento

El conocimiento de la distribución de frecuencias en que ocurren las distintas velocidades del viento, es un factor muy importante para la evaluación de los potenciales eólicos de cualquier área. El más simple y práctico de los métodos utilizados para su determinación, son las funciones de distribución probabilística.

La distribución de Weibull se puede definir como la distribución estadística por excelencia para describir el comportamiento de las velocidades de viento. La función densidad de probabilidad

f (v) correspondiente a la ley de Weibull es del tipo de dos parámetros: factor de escala c en (m/s) y factor de forma k, adimensional, la expresión se plantea como [5]:

(1)

En este estudio los parámetros k y c de Weibull se determinan a través del método de los mínimos cuadrados.

Otro parámetro de gran importancia para el tratamiento de los vientos es la extrapolación de sus velocidades; uno de los modelos de cálculo más usados para su realización, se basa en admitir una ley potencial para la variación de la velocidad con la altura según la expresión [6].

(2)

donde v₁ y v₂ son las velocidades de viento a las alturas z₁ y z₂, respectivamente y a es un coeficiente que depende de la longitud de rugosidad (z₀) del terreno.

En la práctica a suele estar entre 0,1 y 0,3, para obtener su valor se utiliza la expresión que aparece a continuación; siempre y cuando z_o ³ 0,1 m.

(3)

Cálculo energético del viento

La potencia eólica disponible (Pd) asociada al caudal de aire que atraviesa el área expuesta (A), perpendicularmente al flujo de viento se calcula como [6]:

(4)

donde (r) es la densidad del aire y (v) es la velocidad de mismo.

Cuando se desea extrapolar los valores del potencial eólico (P_d) a una altura sobre el nivel de suelo (z1) desde otra altura (z2) se emplea la expresión.

(5)

Esta expresión solo brinda una variación aproximada del potencial eólico con la altura, siendo válida para cálculos preliminares de potenciales eólicos.

Cálculo económico

En el estudio económico de los parques eólicos es de interés conocer el coste unitario de producción eléctrica a partir del viento, para su comparación con los sistemas convencionales.

El coste unitario de producción (cu) se puede determinar actualizando al año cero todos los costes (explotación y financieros) en que incurre el proyecto a lo largo de su vida útil operativa y sumarlos todos ellos a la inversión inicial. El cociente entre la cantidad resultante en unidades monetarias constantes del año cero y la energía eléctrica total que se espera producir a lo largo de toda la vida del proyecto (20 años) permite una estimación razonable del coste unitario de producción ($/kW h) referidos al año cero [6].

(6)

La actualización al año cero de los costes anuales de explotación y financiación se realizara usando la tasa de descuento real, incluidos los efectos de inflación (r). Los costes de explotación y de financiación se determinan para cada año en unidades monetarias nominales (umn). De esta forma, el coste unitario de producción (c_u) se determinará según la expresión:

(7)

las variables que intervienen en la expresión son:

c_u: coste unitario de producción ($/kWh) en unidades monetarias constantes (año 0).

n: número de años de vida operativa de la instalación (20 años).

I: inversión inicial (año 0).

V_R: valor residual de la instalación al fin de su vida útil (umn del año n).

OM_j: costes de operación y mantenimiento en el año j (umn del año j).

F_j: costes financieros correspondientes al año j (umn año j).

E_j: energía eléctrica producida en el año j (kWh).

r: tasa unitaria de descuento real, incluyendo también en ella los efectos de la inflación.

La tasa unitaria de descuento real (r) puede ser calculada a través de la expresión:

r=(k+g+(k·g)) (8)

donde (k) es la tasa unitaria de descuento aparente y (g) es tasa unitaria de inflación anual.

La tasa unitaria de inflación (g) y la tasa unitaria de descuento aparente (k) se tomarán constantes para todo el periodo de análisis del parque eólico.

Parámetros de las estaciones meteorológicas

En el trabajo, los datos de velocidades de vientos se toman de los estudios de potenciales eólicos realizados por un grupo de investigadores del Instituto de Meteorología de Cuba (INSMET) [7]. Los estudios fueron realizados a partir de las mediciones de viento de torres meteorológicas colocadas para la estimación del recurso eólico en diferentes condiciones físicas-geográficas del archipiélago.

En la Tabla 1 aparecen las coordenadas geográficas de las seis estaciones meteorológicas utilizadas en el estudio. La Figura 1 muestra la localización geográfica de las estaciones meteorológicas.

Tabla 1. Coordenadas geográficas de las seis estaciones meteorológicas utilizadas en el estudio (Fuente: [7])

Figura 1. Ubicación geográfica de las estaciones meteorológicas estudiadas. (Fuente: [7])

La Figura 2 muestra la distribución probabilística de Weibull, para las velocidades de viento analizadas en el periodo de un año en las seis estaciones meteorológicas estudiadas. La Tabla 2 da a conocer la potencia media que ejerce el viento por metro cuadrado (Pm), los parámetros k, c de la distribución de Weibull y la velocidad media del viento (n ) para las mismas, a una altura de 50 metros sobre en nivel del suelo.

Tabla 2. Franja temporal de datos del viento de las seis estaciones meteorológicas, medidos a una altura de 50 metros sobre el nivel del suelo. (Fuente: [7])

Figura 2. Distribución probabilística de Weibull de las velocidades de viento en el periodo de un año, en las seis estaciones meteorológicas estudiadas. (Fuente: elaboración propia)

Selección del emplazamiento a estudiar

Entre los datos que nos ofrece la Tabla 2 se encuentra la potencia media que ejerce el viento por metro cuadrado (P_m), encontrándose los valores de las estaciones meteorológicas estudiadas entre 124 y 261 W/m². La mayor potencia media de viento de todas las estaciones analizadas pertenece a la de Santa Cruz del Norte, La Habana, la que posee buenas condiciones meteorológicas y de infraestructura, dado que se encuentra en un área de elevaciones montañosas, con muy baja probabilidad de ocurrencia de fenómenos meteorológicos severos (huracanes, trombas marinas, tornados y tormentas, etc.) [8], encontrándose muy cerca de puertos, redes de alta tensión de transmisión eléctrica, centros industriales y contando con buenas condiciones viales en el enclave. Tomando en consideración todo lo antes expuesto, se determina tomar para el estudio los datos de la estación meteorológica de Santa Cruz del Norte, con los que se realizarán distintos cálculos energéticos a partir de las velocidades de viento en la misma y se determinarán los costes de producción del kW h generado para distintas propuestas.

Energía producida por los aerogeneradores seleccionados

Las características de los aerogeneradores seleccionados para el estudio aparecen en la Tabla 3. Estas máquinas presentan un sistema de acoplamiento (rotor-generador) directo sin caja multiplicadora, lo cual minimiza las sobrecargas mecánicas y aumenta la vida útil del equipo, disminuyendo los costes de operación y mantenimiento de la turbina [9,10]. En estudios realizados por investigadores del Centro de Combustión y Energía (CECYEN) de la Universidad Matanzas, Cuba [11], se demuestra que este tipo de turbinas son las óptimas para las condiciones de viento de nuestro archipiélago. Las curvas de potencia de los aparatos se encuentran graficadas en la Figura 3, siendo sus potencias nominales 800, 900, 2000 y 2300 kW.

La selección realizada pretende evaluar turbinas con una avanzada tecnología, las cuales se diferencian por su potencia nominal. La energía eléctrica anual que serian capaces de generar las mismas, así como las horas equivalentes, se muestra en la Tabla 4. Todos los cálculos fueron realizados para una densidad estándar del aire de 1,225 kg/m³.

Tabla 3. Características comerciales de los aerogeneradores. (Fuente: [9])

Figura 3. Curvas de potencia de los aerogeneradores seleccionados. (Fuente: [9])

Tabla 4. Energía generada por los aerogeneradores en un año. (Fuente: elaboración propia).

Los resultados obtenidos arrojan que la menor producción de energía eléctrica por año es la del aerogenerador de 900 kW con 1 994 741 kW h/año y 2217 horas equivalentes. La mayor producción estará a cargo de la máquina de 2000 kW, con 6 265 811 kW h/año, y 3133 horas equivalentes. Ambos cálculos fueron realizados a una altura de buje de 78 metros.

Número de aerogeneradores por propuesta

En la actualidad son puntuales los casos donde se decide colocar un aerogenerador aislado para la producción de energía eléctrica, siendo los llamados parques eólicos las opciones más viables, tanto desde el punto de vista técnico, como económico. Dadas estas razones, se decide realizar la propuesta de parque eólico para el estudio, el cual variará su potencia nominal entre los 11 y los 12 MW, en dependencia de las máquinas utilizadas para el mismo, tal y como aparece en la Tabla 5.

Tabla 5. Número de aerogeneradores por propuesta. (Fuente: elaboración propia)

El número de aerogeneradores para cada propuesta dependerá de la potencia nominal de cada máquina, por los que a menor potencia del equipo, se necesitarán un mayor número de turbinas eólicas.

Análisis económico

A continuación se presenta un análisis económico de los costes de producción del kW h generado a partir del viento en Santa Cruz del Norte. Los cálculos se realizaron tomando un costo por kW eólico instalado igual a 1400 $/kW (valor promedio del costo por kW eólico instalado en Cuba
[4, 12], puede ser mayor en algunos casos). Los resultados obtenidos aparecen en la Tabla 6.

Tabla 6. Coste de producción del kW h eólico. (Fuente: elaboración propia)

Los costes de producción del kW h eólico generado para las inversiones analizadas se encuentran entre los 4,6 y los 6,0 centavos dólar; perteneciendo el menor de ellos a la máquina de 2000 kW de potencia nominal, la cual esta propuesta para formar con seis turbinas un parque eólico de 12 MW.

CONCLUSIONES

Tomando en consideración todos los aspectos analizados en este trabajo se llega a las siguientes conclusiones.

1. La estación meteorológica situada en la región de Santa Cruz del Norte, La Habana, se selecciona como la de mayor potencia media de viento por metro cuadrado de las seis estaciones analizadas, con un valor de 261 W/m² a 50 metros de altura sobre el nivel del suelo. La misma posee buenas condiciones meteorológicas y de infraestructura.

2. La mayor producción de energía eléctrica obtenida a partir de los aerogeneradores analizados está a cargo de la máquina de 2000 kW de potencia nominal, con 6 265 811 kW h/año, una altura de buje de 78 metros y 3133 horas equivalentes anuales.

3. Los costes de producción del kW h eólico generado a partir de los potenciales eólicos existentes en la región seleccionada y una inversión de 1400 $/kW eólico instalado se encuentran entre los 4,6 y los 6,0 centavos dólar; perteneciendo el menor de los costes a la máquina de 2000 kW de potencia nominal.

REFERENCIAS

1. Global wind power boom continues despite economic woes. GWEC. (Global Wind Energy Council), 2010. [Consultado el: 18 marzo de 2010]. Disponible en: http://www.gwec.net/

2. "La energía eólica en América Latina". Infopower. LAWEA (Latin American Wind Energy Association). 2009. vol. 120, p. 11-16.

3. SOLTURA, R. y ROQUE, A. "Mapa del Potencial Eólico de Cuba". Energía y Tú. 2007. vol. 37, nº Enero-Marzo.

4. "Proyecto (PIN) Parque Eólico Gibara 2 ". INEL. (Empresa de Ingeniería y Proyectos para la Electricidad). 2009,
[Consultado el: 8 de febrero de 2010]. Disponible en: http://www.cdmbazaar.net

5. UCAR, A. y BALO, F. "Evaluation of wind energy potential and electricity generation at six locations in Turkey". Appl Energy. 2008. vol. 12,
nº 016.

6. VILLARRUBIA, M. Energía Eólica. Energías. Alternativas y Medio Ambiente. Barcelona: CEAC, 2004. 322 p. ISBN: 8432910627

7. ROQUE, A.; et al. Red de torres meteorológicas de referencia para el programa eólico cubano. En VI Conferencia Internacional de Energía Renovable, Ahorro de Energía y Educación Energética. La Habana, Cuba. 2009.

8. LIMIA, M.; VEGA, R. y PÉREZ, R. Climatología de los Ciclones Tropicales que han afectado a Cuba y a sus provincias. Centro del Clima. Instituto de Meteorología de Cuba. Agencia de Medio Ambiente. CITMA, 1999.

9. Aerogeneradores Enercon, gama de productos. ENERCON GMBH, 2009. [Consultado el: 15 de marzo de 2010].
Disponible en: http://www.enercon.de/es/_home.htm

10. Parque Eólico de 16,1MW Hoya de Lucas con vertido directo a la red, Arico, Tenerife. CANETECH (Sociedad Canaria de Tecnologías Medioambientales). Escuela Superior de Náutica, Universidad de la Laguna, España, 2007. 212 p.

11. AVILA PRATS, D. Análisis de factibilidad técnico-económico para la construcción de un parque eólico en la provincia de Matanzas. Universidad de Matanzas Camilo Cienfuegos. Centro de Documentación del CECYEN, 2003.

12. LEIVA, G. "Parque Eólico de Turiguanó". Energía y Tú. 1999. vol. 6, nº abril-junio

Recibido el 29 de abril de 2010
Aceptado el 22 de septiembre de 2010
^rND^sSOLTURA^nR.^rND^sROQUE^nA.^rND^sUCAR^nA.^rND^sBALO^nF.^rND^sLEIVA^nG.^rND^1A01^nFreddy Enrique^sRodríguez-Villarroel^rND^1A02^nJorge^sRodríguez-Matienzo^rND^1A01^nFreddy Enrique^sRodríguez-Villarroel^rND^1A02^nJorge^sRodríguez-Matienzo^rND^1A01^nFreddy Enrique^sRodríguez-Villarroel^rND^1A02^nJorge^sRodríguez-Matienzo

Artículo Original

Modelo por elementos finitos de un tubo a presión interna con una grieta transversal parcial

Partial transverse crack modelling in pipes under internal pressure using finite elements

Freddy Enrique Rodríguez Villarroel^I, Jorge Rodríguez Matienzo^II
I. Instituto Pedagógico de Maturín, Estado de Monagas, Republica Bolivariana de Venezuela.
Email: [e-mail]
II. Dpto. de Mecánica Aplicada, Facultad de Ingeniería Mecánica.
Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría" - CUJAE
Calle 114 #11901 e/119 y 127. Marianao. La Habana. CP 19390. Cuba.
Email: [e-mail]

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Resumen

La detección de defectos en tubos sometidos a presión interna es un aspecto poco estudiado. Uno de los problemas a resolver es el modelado de los defectos, en particular los del tipo grieta cerrada. La dinámica de un tubo con un fluido interno a presión implica dificultades adicionales al problema. Se presentan los principios y las ecuaciones necesarias para poder modelar por el método de los elementos finitos la presencia de una grieta transversal parcial en un tubo de paredes delgadas en varios escenarios: vacío, con un fluido interno y con un fluido a presión. El análisis modal es empleado para determinar los cambios en los parámetros del modelo y valorar la influencia de la grieta en los mismos. Se parte del experimento de S.M. Murigendrappa y S.K. Maiti, el efecto de la grieta está representado por una reducción de la rigidez a la flexión del tubo en la zona de extensión d, cuya extensión es determinada a partir del concepto de energía potencial de la deformación, planteado por A P. Bovsunovsky y V. V. Matveev.

Palabras claves: grieta cerrada, análisis modal, tubos, elementos finitos.

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Abstract

Fail detection in pipes under internal pressure is a not enough studied matter. A main problem is fault modeling, particularly the closed crack type. The dynamic of a pipe filled with a fluid under pressure implies additional challenges. The equations and principles needed to obtain a finite elements model of a partial transverse crack in a thin walled pipe are shown in different sceneries: empty, filled with fluid and filled with fluid under certain pressure. A modal analysis is performed to obtain the changes in modal parameters and crack influence. The result shows a good agreement with those obtained by S.M. Murigendrappa and S.K. Maiti. The crack is modeled trough a reduction of bending stiffness in a reduced zone. Its extension is calculated using the principle of equal strain energy between the crack zone and the model, exposed by A P. Bovsunovsky and V. V. Matveev.

Key words: crack detection, modal analysis, pipes.

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INTRODUCCIÓN

Un problema que ha ocupado a un gran número de investigadores en todo el mundo ha sido la determinación del estado técnico de los sistemas mecánicos. En la actualidad se dispone de un conocimiento acumulado que permite resolver este problema para los sistemas con partes móviles, en particular los sistemas con partes giratorias. No se puede decir lo mismo de los sistemas estáticos, entre los cuales se incluyen las estructuras, tanto civiles como mecánicas, las instalaciones de redes técnicas y otras. La ausencia de movimiento en estos sistemas implica el uso de fuentes externas de energía que permitan la medición de sus parámetros y la obtención de la información. Una extensa revisión de esta problemática se encuentra en [6].

Existen algunos trabajos sobre la detección de defectos tales como corrosión, grietas, etc. en tubos, fundamentalmente en los empleados en ductos de combustibles líquidos y gaseosos [11, 16, 17] que en general se basan en el uso del ultrasonido o técnicas más o menos tradicionales. Los métodos empleados en la detección de defectos en estructuras existentes en la actualidad tienen como característica principal su carácter local. Si bien para una gran cantidad de situaciones esto es técnicamente posible, en las estructuras o sistemas de gran volumen o extensión su uso es complicado y generalmente requiere de un gran consumo de tiempo y recursos. El uso de las vibraciones mecánicas se presenta como una herramienta muy atractiva para diagnosticar las estructuras. Se parte de la base que los defectos mas frecuentes en estas repercuten de manera significativa en la rigidez y prácticamente despreciable en la masa, por lo que es de esperar una variación en sus parámetros modales, en especial en las frecuencias naturales.

Es de particular importancia el contar con métodos apropiados de detección de defectos para ciertas industrias como la petrolera, donde la seguridad durante las operaciones es fundamental. De allí la pertinencia de las tecnologías que eviten fallas catastróficas en elementos de trasegado de crudo y sus derivados que se asocien a derrames, pues los mismos son causa de perdidas económicas, de impacto ambiental y en algunos casos de pérdidas humanas [7]. Para el monitoreo de estos sistemas de distribución y transporte de crudo se dispone de sistemas SCADA y las RTU. El termino SCADA usualmente se refiere a un sistema central que monitorea y controla un sitio completo o un sistema que se extiende sobre una gran distancia. La mayor parte del control del sitio es en realidad realizada automáticamente por una Unidad Terminal Remota (UTR) o por un Controlador Lógico Programable (PLC). Las funciones de control del servidor están casi siempre restringidas a reajustes básicos, los datos se presentan a un operador (humano) y a través del sistema éste controla el proceso. A pesar de estos sistemas han ocurrido accidentes en los cuales se ha derramado crudo debido a la ruptura de los poliductos, lo que expone la debilidad de los sistemas SCADA en la prevención de la ocurrencia de fallos no pronosticados. Las variables de control más comúnmente auditadas son presión, temperatura o volumen, las cuales no guardan siempre relación directa con el estado de la estructura. Cuando se detecta una disminución o aumento exagerado de alguna de ellas se supone la presencia de una ruptura o taponamiento según sea el caso. Generalmente no se conoce la localización y se gasta un gran esfuerzo en la ubicación visual y posterior tratamiento.

Contar con un procedimiento que posibilite la inspección y detección temprana de defectos estructurales en ductos sería de gran importancia. Para ello se debe estudiar profundamente el problema tanto teórica como experimentalmente. Se espera definir los modelos necesarios para representar la presencia de una grieta en una viga tipo tubo de paredes delgadas a presión interna empleando el método de los elementos finitos, sobre el cual se estudiará el uso de vibraciones mecánicas y el análisis modal para obtener información sobre la presencia del defecto del tipo grieta transversal parcial. Como referencia para el modelo se emplean los resultados planteados por Murigendrappa S.M., Maiti S.K en [16, 17].

DESARROLLO

La presencia de un defecto en su estado inicial, como puede ser una grieta por fatiga influye en los parámetros dinámicos. Es por eso que se propuso desde la década del 70 el empleo de las vibraciones en su detección, dado que en su estado incipiente se supone que se afectan la rigidez y el amortiguamiento del sistema, pero no de forma notable su masa, lo que presupone a su vez que varíe la frecuencia natural como se presenta en [12]. Esto hizo que el análisis modal fuera una de las primeras herramientas utilizadas en la detección de una grieta. Sin embargo los primeros trabajos [4, 6, 22] dieron resultados contradictorios en la relación frecuencia natural-grado del defecto, lo que incitó a seguir estudiando el problema.

El uso de modelos de representación de los sistemas con defectos, entre ellos los de elementos finitos es de gran importancia, y para tener un buen resultado se necesita una representación correcta de la grieta. Para ello se requiere:

• Determinar los parámetros geométricos que definen la grieta.
• Suministrar los datos teóricos que sustentan la simulación.
• Comparar contra valores experimentales.

Son interesantes en este aspecto los trabajos de Sinha-Frisweell [21], que emplea una zona triangular a ambos lados de la grieta con rigidez disminuida en modelo por MEF, los de Tian et al [8], con un resorte de rigidez propuesta anteriormente por Rizos-Aspragathos [20] y un modelo continuo de una viga aplicando la transformada wavelet, Palacz-Krawzuck, [17] que usan un resorte similar en un modelo continuo y el MAC y COMAC como métodos de análisis, Dado-Shpli [15] usan también el resorte en un modelo por elementos finitos y el análisis modal. Estos y otros trabajos que se encuentran en la literatura usan diferentes técnicas de análisis de los resultados y condiciones de contorno, están dirigidos en lo fundamental a vigas, algunos pocos a pórticos o estructuras más complejas, y se ocupan de grietas abiertas. El caso de una grieta cerrada ha sido menos abordado en la literatura por las dificultades adicionales que ello implica. Chondros-Dimarogonas-Yao [2] emplean un modelo continuo bi-lineal para reflejar el cierre y apertura de la grieta y el análisis modal, lo que es un proceso más complicado y que no representa una ganancia notable en calidad. Bovsunovsky-Matveev [1] emplean una zona de inercia reducida en una distancia d₁ a ambos lados de la grieta, un modelo continuo y el análisis modal. Esta representación permite reflejar el comportamiento del sistema como sistema continuo y fue empleada también en [12] combinado con la transformada wavelet. Se considera como el más adecuado para abordar la situación tratada en este trabajo.

En [16] se realizó un experimento en tubos de paredes delgadas con una grieta transversal, Figura 1.

Figura 1, esquema del experimento [16]

En dicho trabajo se determinó la frecuencia natural del tubo vacío, lleno de agua y lleno de agua a presión, con y sin grieta. Los tubos eran de aluminio y acero al carbono.

El experimento es modelado por elementos finitos, empleando el principio enunciado en [1]: el principio es reducir el momento de inercia en una extensión d1 determinada, de forma tal que la variación de la energía potencial de la deformación en esa zona sea equivalente a la producida por la grieta. Los parámetros de la grieta se definen en la Figura 2.

Figura 2, parámetros de la grieta a, b.

a. es la profundidad de la grieta

b. es la longitud de la recta de fondo transversal de la grieta.

c. radio exterior de la tubería.

d. diámetro exterior de la tubería.

La presencia de la grieta disminuye el momento de inercia de la sección transversal, y por lo tanto implica una variación de la energía potencial de la deformación en una distancia d1, ahora desconocida. Esta variación es (despreciando la variación del momento flector a lo largo del tubo):

(1)

M: Momento Flector

I_c, n_c: Momento de Inercia con y sin grieta.

E: Módulo de Young

d1: Extensión del sistema donde se calcula DU2

o sea, energía potencial para la flexión sin grieta (con I_nc) menos energía potencial para la flexión con grieta (con I_c). Simplificando:

(2)

La variación de la energía potencial de la deformación por la presencia de la grieta, de profundidad "a" y longitud de cuerda "c", [1], viene dada por:

(3)

Donde k₁ es el factor de intensificación de las tensiones (SIF) y A es el área de la grieta. Se determina a partir de:

(4)

F₁ depende de la configuración del objeto, en este caso un cilindro hueco, y la grieta. Se recuerda que el esfuerzo a flexión pura es:

(5)

Se considera el punto más profundo de la grieta, entonces k₁ se evalúa para "a", "c", etc. y alcanza un valor constante y determinado para la grieta, la energía potencial de la deformación por la grieta es finalmente:

(6)

A= Área de la grieta.

Para la determinación de k₁ y F₁ según [14], se evalúan:

(7)

En esta expresión t es el espesor de pared, f es un parámetro que depende de si varía el ancho o la profundidad de la grieta con la carga. Se toma 10º para variación de la longitud y 90º para variación del ancho.

Además

(9)

Finalmente U1 será:

(10)

Para resolver las ecuaciones 7, 8 y 9 se toma:

(11)

Igualando DU₁ con DU₂:

(12)

De donde d₁ es:

(13)

El módulo de la resistencia a la flexión Wxx es:

(14)

La sección xx es la transversal del tubo quitando la grieta. Sustituyendo en 14:

(15)

Es en la extensión 2d₁ donde se reduce el momento de inercia, según las dimensiones de la grieta.

Sin embargo, a los efectos de un modelo por elementos finitos es más fácil construir un modelo de geometría (dimensiones) constante. La reducción de la inercia implica una reducción en la rigidez EI, que se define como EI_c, para el caso de la presencia de la grieta, lo que se puede lograr conservando el valor el momento de inercia y variando el módulo de Young al valor adecuado.

Se tomó uno de los experimentos de [16], correspondiente al tubo de acero al carbono y se determinaron todos los valores necesarios.

Tabla 1. Parámetros de la grieta a modelar

En la Tabla 1, E_e, E_f y E_p representan respectivamente el valor del módulo de Young para los casos de tubo vacío, lleno y lleno a presión. El parámetro j es necesario para el cálculo de F₁. L y L_c son la longitud efectiva del tubo y la posición de la grieta respecto a un extremo respectivamente, t es el espesor de pared del tubo.

Luego de efectuados los cálculos para una profundidad de grieta dada, se obtiene:

Tabla 2. Parámetros del modelo

Aquí el subíndice c significa "con grieta" y nc "sin grieta". Con estos resultados se construyeron los modelos correspondientes por elementos finitos en ANSYS. Se seleccionó el elemento SHELL 63, por cumplir con la teoría de membranas y permitir la aplicación de presión interna. Los modelos se muestran en la Figura 3. La zona de color diferente es la que, en el caso de la simulación de la grieta, tiene un material de módulo de Young reducido, como se ve en la Figura 4. En todos los casos las restricciones en los extremos corresponden a articulaciones. Se hizo el análisis modal de todos los modelos para los primeros modos naturales de vibración y se compararon las frecuencias naturales obtenidas con las determinadas experimentalmente en [16] para los mismos modos. En [16] no se dan resultados para el primer modo, por eso no se incluye este modo en la Tabla 3.

Figura 3. Modelos por EF del tubo sin y con grieta

Figura 4. Detalle de representación de la grieta

Los resultados de las frecuencias naturales se muestran en la Tabla 3

Tabla 3. Frecuencias naturales, Hz

El tiempo de ordenador consumido no es excesivo, los modelos son relativamente simples de construir. De la Tabla 2 se observa que la zona de inercia reducida es de sólo 1,4 mm de extensión, por lo que se conserva el carácter local del defecto en el modelo. Tal como se reporta por varios autores [4, 6, 8, 9] la variación en la frecuencia natural para los casos sin y con grieta no es significativa.

Los resultados muestran una excelente correspondencia con los experimentales reportados en [16]. Los modelos reflejan adecuadamente la presencia del fluido en el interior, incluyendo el caso de fluido a presión, siendo el error relativo menor en esos casos. La profundidad de la grieta modelada no influye en los resultados.

CONCLUSIONES

El modelo del tubo con grieta parcial a presión interna elaborado por el método de los elementos finitos brinda resultados que se corresponden adecuadamente con los experimentales aportados por Murigendrappa [16]. El error en todos los casos está por debajo del 5%.

El error obtenido permite afirmar que el procedimiento seguido para representar la grieta planteado por Bovsunovsky [1], y el modelo por elementos finitos construido a partir del mismo, puede ser utilizado para el caso de grietas en tubos sometidos a presión, variando la rigidez de la sección en la cual se encuentra la grieta.

Estos resultados posibilitan el ensayo de métodos de detección de la presencia de la grieta de forma teórica, usando modelos confiables y abren un camino para una posterior experimentación.

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Recibido el 24 de junio de 2010
Aceptado el 28 de octubre de 2010
^rND^sBOVSUNOVSKY^nA. P.^rND^sMATVEEV^nV. V.^rND^sCHONDROS^nT. G.^rND^sDIMAROGONAS^nA. D.^rND^sYAO^nJ.^rND^sCHONDROS^nT. G.^rND^sDIMAROGONAS^nA. D.^rND^sFRANCISCO^nA.^rND^sRUMICHE^nP.^rND^sINDACOCHEA^nJ. E.^rND^sJIAYONG^nT.^rND^sZHENG^nL.^rND^sXIANYUE^nS.^rND^sKIM^nJ. T.^rND^sSTUBBS^nN.^rND^sLALU^nM.^rND^sIDICHANDY^nV. G.^rND^sGANAPATHY^nC.^rND^sMAHJOOB^nM. J.^rND^sSHAHSAVARI^nA. A.^rND^sRODRÍGUEZ MATIENZO^nJ.^rND^sMICKENS^nT.^rND^sSCHULZ^nM.^rND^sSUNDARESAN^nM.^rND^sMOHAMMAD H.F^nD.^rND^sSHPLI^nO. A.^rND^sMURIGENDRAPPA^nS. M.^rND^sMAITI^nS. K.^rND^sMURIGENDRAPPA^nS. M.^rND^sMAITI^nS. K.^rND^sSRIRANGARAJAN^nH. R.^rND^sPALACZ^nM.^rND^sKRAWCZUK^nM.^rND^sPALACZ^nM.^rND^sRIZOS^nP. F.^rND^sASPRAGATHOS^nN.^rND^sSINHA JYOTI^nK.^rND^sFRISWELL MICHAEL^nI.^rND^1A01^nTania^sRodríguez-Moliner^rND^1A01^nMario^sJacas-Cabrera^rND^1A01^nFederico^sMartínez-Aneiro^rND^1A02^nYaquelín^sGarcía-Muñoz^rND^1A01^nTania^sRodríguez-Moliner^rND^1A01^nMario^sJacas-Cabrera^rND^1A01^nFederico^sMartínez-Aneiro^rND^1A02^nYaquelín^sGarcía-Muñoz^rND^1A01^nTania^sRodríguez-Moliner^rND^1A01^nMario^sJacas-Cabrera^rND^1A01^nFederico^sMartínez-Aneiro^rND^1A02^nYaquelín^sGarcía-Muñoz

Artículo Original

Influencia de los parámetros de corte en el espesor de la zona de deformación plástica secundaria

Influence of cutting parameters on the thickness of the secondary-plastic-deformation zone

Tania Rodríguez - Moliner^I, Mario Jacas - Cabrera^I, Federico Martínez - Aneiro †^I, Yaquelín García - Muñoz^II
I. Departamento de Tecnología en Construcción de Maquinaria. Facultad de Ingeniería Mecánica.
Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría" - ISPJAE.
Calle 114 #11901 e/119 y 127. Marianao. La Habana. CP 19390. Cuba
Email: [e-mail] , [e-mail]
II. Direccion de Transporte. Ministerio del Interior - MININT, Ave Camilo Cienfuegos, Carretera Central. Arroyo Naranjo. Cuba

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Resumen

Este trabajo tiene como objetivo estudiar la influencia de los parámetros de corte en el espesor de la zona de deformación plástica secundaria (ezdps), utilizando calzos recubiertos con nano capas de TiN/TiAlN en un acero AISI 1045. Los resultados han sido comparados contra los obtenidos con una cuchilla calzada convencional de la firma SANDVIK con recubrimientos de TiCN-Al2O3-TiN, posibilitando el estudio del efecto de los recubrimientos nano-capas en el proceso de corte de metales.

Los resultados obtenidos demuestran que los efectos de la profundidad de corte y la velocidad de avance en el ezdps, usando cuchillas recubiertas con nano capas, siguen la misma tendencia que en las cuchillas convencionales aunque con valores mucho menores. A medida que la profundidad de corte y la velocidad de avance aumentan el ezdps aumenta proporcionalmente. Estos resultados se corresponden con los obtenidos por otros autores usando cuchillas convencionales.

Palabras claves: Deformación plástica secundaria, viruta, corte de metales, cuchillas recubiertas con nanocapas.

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Abstract

The aim of this paper is to study the influence of the cutting parameters in the thickness of the secondary plastic deformation zone (ezdps), for nano-layered (TiN/TiAlN) cutting tools. The results have been compared with the ones obtained for a conventional cutting tool.

The results show the effects of cutting speed, cut thickness and advance speed on the ezdps. The ezdps increases as the cut thickness, and advance speed increases. The effect of the cutting speed is contrary to the others. These results agree with the trend obtained by previous investigators, although the values obtained for the nano-layered-coated cutting tool are lower than with conventional tools.

Key words: Secondary plastic deformation, chip, cutting metals, nano-layered-coated cutting tool.

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INTRODUCCIÓN

El proceso de formación de la viruta es un proceso físico complejo, en el que intervienen tanto la deformación elástica como la plástica, observándose tres zonas bien definidas de deformación: primaria, secundaria y terciaria. (Figura 1).

Durante el proceso de corte, la capa de metal a cortar, es comprimida y deformada plásticamente, hasta alcanzarse la condición de fractura del material en el punto más crítico dando origen a la viruta. Esta deformación sufrida por el material se conoce como deformación primaria.

La viruta, una vez formada, es obligada a deslizarse sobre la superficie de ataque de la herramienta (materiales dúctiles), donde la fuerza de fricción, que se opone a su deslizamiento por la superficie de ataque de la herramienta provocará en la cara de la viruta que incide en la superficie de ataque, determinados valores de deformación plástica conocida como secundaria.

Este proceso está acompañado no solo de la fricción, sino también de generación de calor, formación de filo recrecido, contracción y enrollado de la viruta, deformación plástica en frío de la superficie maquinada (deformación terciaria) y desgaste de la herramienta.

Figura 1. Esquema donde se muestran las diferentes zonas de deformación durante el corte
1, Zona de deformación primaria; 2, zona de deformación secundaria; 3, zona de deformación terciaria. ezdps: Espesor de la zona de deformación plástica secundaria.

La deformación plástica producida tanto en la zona primaria como secundaria, son las principales consumidoras del trabajo empleado en el proceso de corte de metales, siendo el espesor de la zona de deformación plástica secundaria una medida de la magnitud del mismo. Mayores valores del ezdps estarán relacionados con una mayor energía empleada en el proceso y por tanto un mayor desgaste de la herramienta. En la literatura se ha establecido que el espesor de la zona de deformación plástica secundaria se encuentra entre un 2 y un 20% del espesor de la viruta. [1]

Existen en la literatura numerosos estudios sobre el proceso de formación de la viruta durante el corte de metales [1-4], sin embargo no existen estudios profundos sobre la zona de deformación plástica secundaria.

En las últimas décadas se ha generalizado el uso de herramientas de corte con recubrimientos duros que posibilitan un aumento de la productividad de hasta un 60% [5]. Con estos recubrimientos aumenta la dureza de la herramienta, su resistencia al desgaste, la fatiga y la corrosión; disminuyendo el coeficiente de fricción [6]. El empleo del corte a altas velocidades ha sido posible por los avances logrados en los recubrimientos, en sus composiciones y disposiciones. Recientemente, se han desarrollando recubrimientos duros multi-componentes y multicapas, dispuestos en forma de nano capas. Estos, están en un constante estudio y reportes sobre las ventajas de su uso pueden ser encontradas en la literatura [7,8].

En la magnitud del espesor de la zona de deformación plástica secundaria influyen una serie de aspectos como: material a elaborar, geometría de la herramienta, régimen de corte, rugosidad superficial de la superficie de ataque de la herramienta, etc.

Como objetivo principal de este trabajo se plantea el estudio de la influencia del régimen de corte, para insertos recubiertos con multi-nano capas de TiN/TiAlN, en el espesor de la zona de deformación plástica secundaria (ezdps) de la viruta en un proceso de torneado.

DISEÑO EXPERIMENTAL

Para dar cumplimiento a los objetivos del trabajo se realizó un diseño experimental multifactorial con variables bloque (2³.2), lo que garantiza el análisis de las tres variables del régimen de corte (profundidad de corte, velocidad de avance y velocidad de corte), para dos herramientas diferentes. Los valores de los niveles de las variables de los regímenes de corte así como de los materiales de las herramientas se muestran en sus dos niveles en la Tabla 1.

Tabla 1. Niveles de las variables de experimentales

Selección de las herramientas de corte

Para el estudio de la interrelación de los parámetros de corte y el espesor de la zona de deformación plástica secundaria se tomaron dos insertos recubiertos, uno comercial de la firma SANDVIK y otro recubierto con nano capas de TiN/TiAlN. Ambos insertos presentan la misma geometría: ángulo de ataque -6⁰; ángulo de incidencia 6⁰; ángulo de posición principal 93⁰. El inserto de WC está recubierto con 300 multicapas de TiN/TiAlN, lo que equivale a 150 bi-capas de espesor de 15 nm de TiN y TiAlN, con un espesor total del recubrimiento de aproximadamente 3 µm. La función del Nitruro de Titanio y Aluminio es proveer al recubrimiento de elevada dureza y resistencia a la oxidación, potenciando aun mas las ventajas del uso de recubrimientos de TiN. El recubrimiento de TiN/TiAlN posee una resistencia a la tracción de 30GPa y una elevada eficiencia durante el mecanizado a altas velocidades. [8],

Como referencia, para comparar, se usó un inserto comercializado por la SANDVIK con un recubrimiento TiCN-Al2O3-TiN (GC4025) [SANDVIK. "Herramientas para tornear". Manual de trabajo 1998]. Este inserto es de uso industrial y ampliamente empleado en los procesos de maquinado. Este inserto tiene un recubrimiento grueso resistente al desgaste, sobre un substrato duro de alta resistencia térmica. El recubrimiento interior, de 8?m de espesor, esta superpuesto con una capa de Al₂O₃ de 6µm de espesor. La capa externa está compuesta por un fino recubrimiento de TIN. El espesor del recubrimiento es aproximadamente de 10 µm. Esta combinación de una capa gruesa resistente al desgaste y un sustrato tenaz de cobalto, aporta unas excelentes propiedades de resistencia al desgaste, en una amplia gama de aplicaciones, tanto en acero como en fundiciones. En la Figura 2 se pueden observar las geometrías de los dos insertos utilizados en el proceso experimental.

Figura 2. Insertos utilizados en la fase experimental	Figura 3. Estructura del acero 1045 en estado de recocido

La rugosidad de los insertos fue medida con un perfilómetro Taylor Hobson. Se realizaron 4 mediciones en la superficie de ataque y 4 en la superficie de incidencia en cada uno de los bordes cortantes de los insertos. Los promedios de las mediciones realizadas a cada uno de los insertos se muestran en la Tabla 2. Como se puede observar la cuchilla recubierta nanométricamente presenta un mejor acabado superficial.

Tabla 2. Rugosidad de los insertos

Material a elaborar

Como material a elaborar se seleccionó un acero dúctil, con el objetivo de magnificar la deformación plástica secundaria. Con este fin se utilizó un acero AISI 1045 en estado recocido con una dureza de 202 HB. Figura 4

En la Tabla 3 se muestran los resultados del análisis de composición química realizado al material a elaborar, correspondiéndose con un acero
AISI 1045

Tabla 3. Composición química del acero a elaborar el cual se corresponde con un acero AISI 1045

Resultados experimentales

Se tomaron 16 muestras de viruta según diseño experimental. En todos los casos se logró una viruta continua tal como se muestra en la figura 4. Porciones de las mismas fueron preparadas para su análisis metalográfico de acuerdo a la metodología propuesta por Domínguez A. [9].

Figura 4. Muestras de virutas tomadas	Figura 5. Muestra 1. Se puede observar la deformación primaria y la secundaria. Señalado en rojo se encuentra el ezdps. Nital 2%, (400x)

La observación de las muestras para la determinación del ezdps se realizó con microscopía óptica. Con ayuda de una cámara digital y un software especializado (EDn-2.exe) fue posible la medición del espesor de la zona de deformación plástica secundaria. En la Tabla 4 se muestran los resultados obtenidos para cada una de las muestras.

Tabla 4. Resultados experimentales para cada una de las muestras. Espesor de la zona de deformación plástica secundaria (ezdps)

En las figura 5 se puede observar la micro estructura de la muestra 1. En esta se pueden observar claramente la deformación primaria y secundaria. (Compárese la estructura contra la mostrada en la figura 3). En todas las muestras analizadas fue posible visualizar y medir el espesor de la zona de deformación plástica secundaria. (Tabla 4).

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para analizar la influencia de los diferentes parámetros del régimen de corte, se graficaron diferentes rectas, partiendo de los datos tabulados en la tabla 4. Cada una de las líneas representadas en las figuras 6, 7 y 8 se corresponden con experimentos donde solo se varió el parámetro en estudio, permaneciendo para cada una de las rectas el resto de los parámetros constantes.

Influencia de la velocidad de avance:

Como se puede observar en la Figura 6, un aumento en la velocidad de avance origina un aumento del Ezdps. Esto se manifiesta tanto para la cuchilla en estudio (nano-capas de TiN/TiAlN) como para la Sandvik convencional.

Estos resultados se pueden explicar por un aumento de la sección transversal de la viruta, por lo que se requerirá una mayor fuerza de corte para su obtención y como resultado la viruta ejercerá una mayor presión en la superficie de ataque de la herramienta, provocando una mayor deformación y espesor de la zona de deformación plástica secundaria. [1, 8]

Como se puede apreciar en el grafico, las 4 series correspondientes a la cuchilla en estudio poseen espesores de la zona de deformación plástica secundaria inferiores a los presentados en la cuchilla de comparación.

Figura 6. Influencia de la velocidad de avance en el ezdps. Las líneas en azul representan los experimentos realizados con la cuchilla recubierta con nano-capas de TiN-TiAlN y las líneas en rojo los de la cuchilla convencional Sandvik

Influencia de la profundidad de corte (t):

Como se puede observar en la Figura 7 un aumento en la profundidad de corte origina también un aumento del ezdps. Al aumentar t aumenta la sección transversal dela viruta, por lo que al igual que sucede con la velocidad de avance implica fuerzas de corte y consecuentemente deformaciones mayores.

En esta figura también se pueden observar menores valores de deformación para las cuchillas recubiertas con nano-capas, a pesar de seguir la misma tendencia obtenida con la cuchilla Sandvik

Figura 7. Influencia de la profundidad de corte (t) en el ezdps. Las líneas en azul representan los experimentos realizados con la cuchilla recubierta con nano-capas de TiN-TiAlN y las líneas en rojo los de la cuchilla convencional Sandvik

Influencia de la velocidad de corte (Vc):

Uno de los aspectos que influye en el Ezdps es el coeficiente de fricción, el cual disminuye a altas velocidades de corte por acción del incremento de las temperaturas [1, 8, 9]. Esto implica que al aumentar las velocidades de corte por encima de determinados valores el Ezdps disminuye.

Como se observa, las rectas de la figura 8 se corresponden con lo planteado de forma evidente, lográndose un decrecimiento de la deformación plástica secundaria a medida, que aumenta la velocidad de corte. Igualmente se manifiestan menores valores de deformación para la cuchilla recubierta con nano-capas de TiN/TiAlN.

Figura 8. Influencia de la velocidad de corte en el ezdps. Las líneas en azul representan los experimentos realizados con la cuchilla recubierta con nano-capas de TiN-TiAlN y las líneas en rojo los de la cuchilla convencional Sandvik

De los resultados obtenidos, expresados en la tabla 4, se puede observar que en la totalidad de los casos, los valores se ezdps fueron inferiores en las virutas obtenidas con los insertos con recubrimiento nano-métrico de TiN/TiAlN, aunque hay que señalar que la tendencia seguida en esta ultima es la misma que en la cuchilla de comparación (Sandvik).

Esto pudiera explicarse por los valores bajos de rugosidad superficial que presentaron este tipo de placas en comparación con los obtenidos con los insertos de la firma SANDVIK. Bajos valores de rugosidad superficial, implican una disminución de la fuerza de fricción entre la viruta y la superficie de ataque de la herramienta, lo que repercutirá en una menor deformación en la zona secundaria.

CONCLUSIONES

1. Se pudo observar que en todos los experimentos, el Ezdps resultó menor con la utilización de insertos con recubrimiento nanométrico de 300 nano capas de TiN/TiAlN, lo que se explica por los menores valores de rugosidad superficial en sus superficies, provocando una disminución del la fuerza de fricción.

2. La influencia de las variables de corte sobre el Ezdps con la utilización de cuchillas recubiertas con nano-capas de TiN/TiAlN, arrojó resultados que se corresponden con los planteados en la literatura para cuchillas convencionales.

Agradecimientos

Los autores quisieran agradecer la invaluable colaboración de la MSc. Elena Fraga Guerra para la realización del diseño experimental.

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Recibido el 19 de mayo de 2010
Aceptado el 30 de julio de 2010
^rND^sOLAYINKA^nO. A.^rND^sBEJARANO^nG.^rND^sGRZESIK^nW.^rND^sBARSHILIA^nH. C.^rND^1A01^nAntonio^sTorres Valle^rND^1A01^nDiana^sFigueroa del Valle^rND^1A01^nAntonio^sTorres Valle^rND^1A01^nDiana^sFigueroa del Valle^rND^1A01^nAntonio^sTorres Valle^rND^1A01^nDiana^sFigueroa del Valle

Artículo Original

Diseño de ejercicio docente basado en el estudio comparativo de metodologías de optimización del mantenimiento

Design of docent exercise based on comparative study between maintenance optimization methodologies

Antonio Torres Valle, Diana Figueroa del Valle
Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas. INSTEC, Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medioambiente. CITMA
Ave Salvador Allende y Luaces, Quinta de los Molinos, Plaza de la Revolución, La Habana, Cuba.
Teléfono: 878-9862
Email: [e-mail] , [e-mail]

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Resumen

La enseñanza basada en problemas constituye un paso importante en la educación de los ingenieros. Partiendo del desarrollo de la enseñanza activa, el artículo presenta el diseño de un ejercicio docente basado en el estudio comparativo de dos métodos de optimización del mantenimiento: categorización de equipos y mantenimiento centrado en la confiabilidad (RCM en inglés). La aplicación concluye con referencias comparativas de carácter técnico donde se demuestra la superioridad del segundo método. Finalmente, se establecen recomendaciones para el diseño técnico metodológico del ejercicio.

Palabras claves: mantenimiento, optimización, categorización de equipos, mantenimiento centrado en la confiabilidad, enseñanza basada en problemas, ejercicio docente, recomendaciones metodológicas.

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Abstract

The problem based learning is an important step in the education of the engineers. Beginning from the development of the active learning the paper presents the design of docent exercise based on comparative study between two maintenance optimization methodologies: Equipment Categorization and Reliability Centered Maintenance (RCM). The application concluded with technical comparative references, where demonstrates the superiority of the second one. Some recommendations for the technical methodological design of exercise are establishes.

Key words: maintenance, optimization, equipment categorization, reliability centered maintenance problem based learning, docent exercise, methodological recommendations.

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INTRODUCCIÓN

A lo largo de la historia, producto de las Revoluciones Industriales y Tecnológicas, se ha podido apreciar una importante modernización de la industria a la que no ha sido ajeno el mantenimiento. De esta forma, han surgido nuevas técnicas, que le han dado un nuevo enfoque a la organización y responsabilidad de este dentro de la industria, así como una mayor importancia a los aspectos de calidad, seguridad y medio ambiente, unidos a una alta disponibilidad de los equipos.

Dentro de las nuevas técnicas mencionadas se encuentran las metodologías de optimización del mantenimiento, las cuales constituyen herramientas para perfeccionar los esfuerzos gerenciales, técnicos y económicos en el área del mantenimiento y dar así respuesta a los requerimientos de seguridad y confiabilidad exigidos a las instalaciones industriales.

Al estudiar las metodologías de optimización del mantenimiento se aprecia que estas se encuentran dispersas en una amplia bibliografía, adolecen de enfoques cuantitativos basados en parámetros de confiabilidad y muchas parten de bases económicas, lo que las hace cuestionables para su uso en la optimización de la seguridad [1]. La generalización de estas prácticas pasa por la asimilación de técnicas de relativa complejidad para las que no se han desarrollado suficientemente casos demostrativos que permitan la capacitación del personal gestor y mantenedor. Por ello, un aspecto importante en todo este cuestionamiento es la necesidad de un estudio detallado que logre integrar lo mejor de las metodologías existentes y las sistematice a través de ejemplos útiles para su enseñanza [1].

En este sentido, la enseñanza basada en problemas [2 - 11] se ha convertido en una filosofía de la educación que ha revolucionado la práctica docente de la ingeniería, en la cual se requiere desarrollar en los estudiantes capacidades creadoras y de independencia para la solución de problemas complejos.

Una posibilidad clara del desarrollo de la crítica dialéctica la ofrecen los ejercicios comparativos. Este tipo de ejercicio resulta prometedor para desarrollar capacidades meta-cognitivas de análisis. El estudio desarrollado en el marco de [1] permitió determinar "la inexistencia de estudios comparativos de carácter integral sobre la aplicación de metodologías de optimización del mantenimiento que permitan su uso con objetivos docentes" (problema científico). Por ello, se planteó como hipótesis que "la comparación de metodologías alternativas de optimización del mantenimiento a través de su aplicación a un sistema tecnológico resulta un ejemplo de gran utilidad para el proceso de enseñanza-aprendizaje en pregrado y postgrado".

Constituyó objetivo principal del trabajo "realizar un estudio comparativo de sistemas alternativos de optimización del mantenimiento a través de su aplicación a un sistema tecnológico patrón diseñado con objetivos docentes" [1].

MATERIALES Y MÉTODOS

Para la realización del estudio comparativo de metodologías de optimización del mantenimiento se escogieron, luego de un estudio detallado de varias de las metodologías disponibles [1], las de Categorización de Equipos [1] y la de Optimización Integral del Mantenimiento basada en RCM
[12 - 16].

La primera de las metodologías [1] se caracteriza por un enfoque subjetivo basado en criterios cualitativos, tiene un fundamento economicista y, aunque no está preparada para enfrentar el análisis de sistemas de seguridad, ha sido modificada durante este estudio para lograr tal objetivo. Este método se aplica de manera sencilla utilizando, para evaluar a cada equipo del sistema objeto de análisis, un listado de atributos predefinidos. El resultado de esta práctica es la categorización de los equipos según la cual se aplica una política de mantenimiento. El resultado de la aplicación de la política de mantenimiento puede reevaluarse nuevamente, pasado un período razonable, con otra aplicación de la lista de atributos.

Un algoritmo simplificado del método de Categorización de Equipos [1] se presenta en la figura 1.

Figura 1. Algoritmo del método de Categorización de Equipos

El primer paso consiste en la definición de las fronteras del análisis. Un ejemplo del análisis cualitativo por atributos para un equipo del esquema utilizado como ejemplo docente, se presenta en la Tabla 1.

Tabla 1. Lista de atributos y ejemplo de evaluación

La columna de mayor aporte define la clasificación o categoría para el mantenimiento, que se asocia al equipo en cuestión. En el caso ejemplo corresponde a la categoría B.

El establecimiento de la política de mantenimiento a aplicar se extrae de la Tabla 2.

Tabla 2. Política de mantenimiento a aplicar según la Categorización de Equipos

La metodología basada en RCM tiene un enfoque sistémico integral con carácter técnico económico, prioriza los aspectos de seguridad, y se asienta en análisis cualitativos y cuantitativos de sistemas partiendo de criterios de riesgo. Esta metodología esta informatizada dentro del Sistema de Gestión de Mantenimiento Orientado a la Seguridad y a la Disponibilidad (código MOSEG Win Ver. 1.0) [12], utilizado normalmente en la práctica docente de pregrado y postgrado de ingeniería nuclear. El algoritmo del método basado en RCM se presenta en la figura 2.

De manera similar, el primer paso del algoritmo, tiene como objeto el establecimiento de las fronteras del análisis. En algunas instalaciones complejas, como las centrales nucleares, esta etapa se basa en los resultados de estudios de seguridad previamente realizados.

La clasificación de equipos para el mantenimiento se logra a través del uso de medidas de importancia tradicionales en los análisis de confiabilidad de sistemas. Las sugerencias de políticas de mantenimiento a aplicar están automatizadas dentro del código MOSEG [12], partiendo de dichos análisis previos.

Figura 2. Algoritmo del método basado en RCM

Los análisis de confiabilidad de sistemas se fundamentan en la solución de árboles de fallos complejos a partir de los cuales se obtienen, entre otras múltiples aplicaciones, el ordenamiento relativo por su contribución al riesgo o la indisponibilidad del sistema, de los elementos integrantes del mismo [12, 13]. Esto es punto de partida para deducir las políticas de mantenimiento a aplicar. Por ejemplo, para equipos con categoría de alta criticidad, se priorizan tareas de monitoreo a condición (mantenimiento predictivo) por sobre las tareas de búsqueda de fallos (detectivo). Una última alternativa de mantenimiento son las tareas de monitoreo por tiempo (preventivo). El análisis pasa por la adaptación de las sugerencias de políticas de mantenimiento, realizadas por el código MOSEG, a la realidad de los registros específicos de fallo por equipo en la industria en cuestión. De manera similar al caso anterior, la metodología basada en RCM se retroalimenta con los resultados de la aplicación de las políticas de mantenimiento.

En el marco del diseño metodológico docente del ejercicio se definieron los objetivos educativos e instructivos, así como las habilidades a desarrollar, las orientaciones metodológicas al profesor, los recursos y medios a emplear, el sistema de evaluación previsto y la atención a la diversidad en el grupo objeto de la enseñanza [12, 17].

DISEÑO DEL EJERCICIO DOCENTE BASE DE APLICACIÓN

Para el diseño metodológico del ejercicio de aplicación se han utilizado las experiencias sobre proyectos evaluativos de la asignatura de Gestión de Mantenimiento Industrial, correspondiente al pregrado de acuerdo al currículo de 5to año de la carrera en Ingeniería en Instalaciones Energéticas y Nucleares [1], y de la asignatura Mantenimiento Orientado a la Seguridad [12], correspondiente al postgrado en las categorías de maestría y doctorado.

Los objetivos educativos del ejercicio van encaminados a desarrollar la independencia y la confianza en la solución de problemas de mantenimiento partiendo de indicadores de confiabilidad y riesgo, conocer el estado del arte de las técnicas más avanzadas de gestión del mantenimiento industrial e incentivar el trabajo en equipo para resolver problemas complejos de la gestión del mantenimiento de la industria.

Como objetivos instructivos se destacan aplicar técnicas de optimización del mantenimiento de diferentes niveles de complejidad, según las exigencias de seguridad y confiabilidad, e implementar la utilización del mantenimiento centrado en la confiabilidad a instalaciones con riesgo asociado a su explotación.

El sistema de habilidades prevé desarrollar capacidades para determinar programas de mantenimiento acorde a las características de los sistemas analizados partiendo de indicadores de confiabilidad y riesgo, así como desplegar destrezas en el manejo de herramientas informáticas destinadas a la optimización del mantenimiento basadas en criterios de seguridad y disponibilidad.

Como orientaciones metodológicas resaltan la explicación por el profesor de los conceptos básicos correspondientes al tema, así como de los diferentes métodos de optimización a emplear, la solución interactiva profesor - estudiantes de un ejercicio comparativo de aplicación de las metodologías de optimización del mantenimiento, la utilización práctica de las herramientas informáticas bases de las metodologías y la muestra y discusión de un informe resumen sobre la documentación de los resultados del ejercicio.

Entre los recursos disponibles para la impartición de este tema están un tutorial con el desarrollo detallado del ejercicio objeto de estudio [1], diapositivas en PowerPoint con los aspectos más importantes del mismo, el libro preparado como soporte de la asignatura [12] y una versión docente del software base de aplicación de la metodología RCM [12, 14].

El sistema de evaluación de estos conocimientos es un proyecto de optimización del mantenimiento basado en un ejercicio comparativo similar al desarrollado en clases, el cual se resuelve en grupos o equipos de trabajo y se evalúa de manera individual. El diseño del sistema a analizar y los datos de partida se ha multiplicado y diversificado con el objeto de disponer de una amplia variedad de ejercicios similares que se asignan a los equipos de estudiantes conformados en el aula.

Para la atención a la diversidad del grupo el profesor preverá la distribución balanceada de los estudiantes entre los equipos de trabajo, prestando atención preferente a la ubicación de los estudiantes con problemas de aprendizaje. Procurará también utilizar las capacidades de los estudiantes con mejores indicadores de aprendizaje asignándoles labores como jefes de equipo y utilizándolos en la asesoría de su grupo de estudio.

Como marco técnico del ejercicio docente se han empleado las prácticas de planificación del mantenimiento seguidas en industrias reales [12 - 16] procurando cumplir de manera ordenada los pasos en la concepción de un sistema de mantenimiento [12]. La tarea se ordena considerando la precedencia de las etapas de solución y las potencialidades del código MOSEG, incluyendo de manera general los siguientes aspectos: codificación de equipos, datos técnicos, personal y brigadas de mantenimiento, procedimientos de mantenimiento, seguridad durante el mantenimiento, presupuestos para el mantenimiento, tareas típicas, patrones de evaluación del mantenimiento, programación del mantenimiento, evaluación de estrategias, cálculo de repuestos y gestión de almacenes [12]. Por otra parte, los tópicos relacionados con el método de Categorización de Equipos son resueltos manualmente y, por sus limitaciones, necesita considerar sólo algunas de las pautas anteriores [1].

Como base para el diseño del esquema tecnológico de referencia se tomó el sistema tecnológico de enfriamiento de emergencia del núcleo de la Central Nuclear de Embalse [14] al que se realizan algunas simplificaciones con el objeto de preparar el ejemplo con carácter docente. Estas modificaciones van dirigidas a lograr que puedan ser explotadas todas las posibilidades del código MOSEG Ver. Win 1.0 en su versión docente [12].

Además, han sido incluidos en el ejercicio datos referentes al régimen de explotación del sistema, datos históricos de mantenimiento a nivel de equipos y procedimientos genéricos de ejecución de mantenimientos, los que, comúnmente, no están contemplados en ejercicios docentes.

Con el objeto de realizar una comparación técnica equilibrada, esta se ejecuta en base a las potencialidades diseñadas dentro del método de Categorización de Equipos. Aquellas posibilidades adicionales, en las que el método basado en RCM supera al de Categorización de Equipos, son destacadas aparte.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Desde el punto de vista docente metodológico constituye un resultado trascendente la concepción de un ejercicio para la enseñanza activa destinado a practicar la crítica sobre bases científicas. Este aspecto se enmarca en el desarrollo de la enseñanza basada en problemas para incentivar la independencia y creatividad de los estudiantes. Resultan también importantes, la introducción de esta modificación a los programas de las asignaturas relacionadas con la enseñanza del mantenimiento, así como el diseño de varios ejercicios similares para su generalización en la práctica docente.

De manera resumida, los resultados más importantes del ejercicio en el orden técnico son:

1. El enfoque subjetivo del método de Categorización de Equipos, obliga al analista a acercarse más al lado conservador de los resultados y exige de mayores gastos y esfuerzos de mantenimiento, que el método basado en RCM, en el cual las posibilidades del enfoque sistémico cuantitativo permiten la priorización más objetiva de las necesidades de mantenimiento.

2. Los resultados del ejercicio patrón muestran que, de acuerdo al método de Categorización de Equipos (primario), se sobremantienen el 63% de los equipos respecto a los considerados por el método basado en RCM (secundario). El enfoque subjetivo del método primario sólo consigue una coincidencia en la clasificación respecto al método secundario para el 36% de los equipos (ilustrado en la figura 3).

Figura 3. Muestra gráfica de las coincidencias de clasificación de equipos para el mantenimiento entre los métodos de Categorización de Equipos y RCM

3. Al aplicar el método basado en RCM se eliminan los sobremantenimientos con sus errores humanos asociados, y, como aspecto importante, los impactos en el incremento de la disponibilidad y la seguridad son mayores que con el método de Categorización de Equipos.

4. El ejercicio patrón demuestra que, una simple reducción de frecuencias de mantenimiento a la mitad, para los equipos considerados de baja criticidad según el método RCM, reduce la carga típica laboral para 33 tareas típicas en 96 horas-hombre, lo que se traduce en varios cientos al aplicarse a una estrategia real.

5. Un resultado trascendente, y sólo apreciable a través de técnicas cuantitativas especializadas (como la de Optimización Integral basada en RCM), son las debilidades de diseño del sistema, que no pueden ser corregidas con más pruebas o mantenimientos. Esta situación aparece reflejada en el ejercicio patrón en 6 equipos redundantes de alta y mediana criticidad (20% del total), para los que habría que aplicar actividades de prueba o mantenimiento con frecuencias inferiores a 1 semana, lo que se considera impracticable.

6. Como posibilidades adicionales del Sistema de Gestión de Mantenimiento Orientado a la Seguridad se destacan el análisis multifactorial y la evaluación multiparámetrica de estrategias de mantenimiento.

CONCLUSIONES

El artículo corrobora la hipótesis planteada sobre las capacidades didácticas de un ejercicio comparativo de metodologías de optimización del mantenimiento, así como cumple con el objetivo principal de realizar un estudio comparativo de dichas metodologías con objetivos docentes. En el marco del documento se establecen pautas docente - metodológicas y técnicas para el diseño del ejercicio integral de análisis comparativo de metodologías de optimización del mantenimiento. La concepción de ejercicios demostrativos de este tipo constituye un esfuerzo en el desarrollo de la enseñanza basada en problemas para abarcar la temática de las metodologías complejas de optimización del mantenimiento. De esta forma, su aplicación en la docencia de pregrado y postgrado redunda en el logro de una mejor eficiencia en el aprendizaje.

Las principales conclusiones de carácter técnico muestran que, por la disponibilidad de información de partida y la factibilidad de su aplicación integral, se utilizan para comparar dos métodos de optimización del mantenimiento, el de Categorización de Equipos y el de Optimización Integral basado en RCM. Al primero lo distingue un enfoque economicista e individual a nivel de equipos, la simplicidad de su aplicación y una base cualitativa sujeta a criterios subjetivos, mientras que al segundo lo distingue un enfoque sistémico de carácter técnico y económico, con posibilidad de priorizar los aspectos de seguridad, la necesidad de un conocimiento de experto para su implementación y una base cuantitativa que ayuda a la aplicación del principio de Pareto. Los resultados técnicos de la aplicación muestran los altos niveles de optimización que se logran cuando se dispone de métodos de mayor alcance como el basado en RCM. Ello redunda en políticas de mantenimiento más acertadas desde el punto de vista técnico y económico.

Desde el punto de vista docente metodológico resalta que, en el marco de las regulaciones establecidas en el Reglamento Docente Metodológico, se han modificado los planes de estudio D para incorporar en la Disciplina de Seguridad de la Industria estos nuevos conocimientos y prácticas en la enseñanza del mantenimiento. Como objetivo educativo se destaca el ejercicio de la crítica de manera coherente y científicamente fundamentada y como objetivos instructivos se desarrollan los relacionados con el conocimiento de nuevas metodologías de optimización, su utilización y comparación con otras más evolucionadas y el empleo de nuevos tipos de datos en la implementación de ejercicios sobre sistemas de mantenimiento.

REFERENCIAS

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Recibido el 26 de mayo de 2010
Aceptado el 11 de julio de 2010
^rND^sNORTHWOOD^nM. D.^rND^sMCDERMOTT^nK. J.^rND^rND^sNAFALSKI^nA.^rND^sANDERSEN^nH.^rND^sHILLS^nG^rND^sTEDFORD^nD.^rND^sOLIVER^nK.^rND^sHANNAFIN^nM.^rND^sLLORENS MOLINA^nJ.^rND^1A01^nJesús^sCabrera - Gómez^rND^1A02^nHenry^sAraque - Rivas^rND^1A01^nJesús^sCabrera - Gómez^rND^1A02^nHenry^sAraque - Rivas^rND^1A01^nJesús^sCabrera - Gómez^rND^1A02^nHenry^sAraque - Rivas

Artículo Original

Mejoras al programa de mantenimiento de máquinas deslodadoras para la extracción de aceite de palma

Improving the maintenance program of extracting fruit palm oil machines

Jesús Cabrera - Gómez^I, Henry Araque - Rivas^II
I. Centro de Estudios en Ingeniería de Mantenimiento. CEIM. Facultad de Ingeniería Mecánica
Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría" - CUJAE
Calle 114 #11901 e/119 y 127. Marianao. La Habana. CP 19390. Cuba.
E-Mail: [e-mail]
II. Instituto Universitario de Tecnología Caripito. Estado Monagas. Venezuela.
Email: [e-mail]

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Resumen

La aplicación de nuevos enfoques de mantenimiento a partir de la identificación de oportunidades de mejora de la confiabilidad operacional y los elementos que la componen, es una necesidad para todas las organizaciones que pretendan incrementar sus indicadores de eficiencia. Las máquinas que son objeto de estudio en el presente trabajo, pertenecen a una importante empresa cuyo objeto es la extracción de aceite a partir de los frutos de la palma africana. Estas máquinas son atendidas, en teoría, a partir de un programa de mantenimiento preventivo que ha demostrado limitaciones, toda vez que la mayor parte de las intervenciones realizadas en los últimos años muestran un carácter eminentemente reactivo. A partir de la realización de un análisis en el que fueron establecidas las funciones, los fallos funcionales, los modos de fallo y sus efectos, se identificaron los requerimientos de mantenimiento de estas máquinas y las tareas necesarias para asegurar la continuidad de las funciones, las que se cocentraron en una propuesta de programa con marcada tendencia a las actividades proactivas.

Palabras claves: mantenimiento de equipos rotatorios, confiabilidad operacional, mantenimiento proactivo, estrategias de mantenimiento, confiabilidad operacional.

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Abstract

The application of new maintenance approaches related with operational reliability improvement and its elements is a necessity for all enterprises that intend to increase efficiency indicators. The rotating machines studied in this paper belong to an important plant that extracts oil from African palm tree fruits. These machines are submitted, in theory, to a preventive maintenance program, but actually the most of maintenance activities are reactive. An analysis in order to identify functions, functional failures, failure modes and failure effects was made. Maintenance tasks for assuring the continuity of functions were also identified and concentred in a proposal with a very proactive trend.

Key words: maintenance of rotating equipment, operational reliability, proactive maintenance, maintenance strategies, operational reliability.

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INTRODUCCIÓN

El departamento de mantenimiento de una importante empresa que se dedica a la extracción de aceite a partir de los frutos que ofrece una variedad de palma africana, se ve obligado constantemente a actuar de manera reactiva sobre sus máquinas deslodadoras (se trata de centrífugas separadoras, utilizadas comúnmente en este tipo de industrias extractivas), las que en teoría cuentan con características de diseño y construcción que requieren de poco mantenimiento.

Adicionalmente, estos equipos vienen presentando desde hace algún tiempo, problemas de vibraciones, que se han atribuido, sin comprobación experimental alguna, a estados de desbalance, que son corregidos aplicando un simple tanteo de colocación de masas. Esta situación ha motivado la parada y cambio de algunos componentes con una frecuencia preocupante.

En la actualidad la empresa ejecuta un nivel de actividades proactivas muy bajo, que se reduce al recambio de partes a las 3200 h de funcionamiento, tomando como único criterio la sugerencia del fabricante. Esta forma de atender el mantenimiento de las deslodadoras no garantiza la disponibilidad necesaria en época de cosecha pico, lo que implica la necesidad de establecer nuevas actividades proactivas utilizando técnicas asociadas a las buenas prácticas de mantenimiento tendientes a lograr una mayor confiabilidad y disponibilidad de estos equipos.

LAS MÁQUINAS DESLODADORAS Y SU CONTEXTO OPERACIONAL

La deslodadora es una centrifuga separadora de lodos (mezcla de agua, aceite y partículas sólidas), que ha sido diseñada para la recuperación del aceite de palma que se encuentra en las calientes aguas lodosas, procedentes del decantado primario. Sus características de diseño y construcción hacen que la máquina necesite poco mantenimiento y sus componentes pueden cambiarse fácil y rápidamente [1].

Figura 1. Máquina deslodadora y ubicación de puntos de medición de vibraciones

El cuerpo de la máquina (ver Figura 1) está fabricado de hierro fundido y consta de dos partes, una inferior y otra superior. La parte inferior es sujetada a la base de concreto, ésta soporta al rotor e, internamente, tiene un canal para la descarga del agua residual. La parte superior está montada sobre la parte inferior y a su vez cubre la caja del rotor, en su parte superior tiene una boca de visita que permite inspeccionar las boquillas internas para realizar mantenimiento e indica el sentido de giro del rotor [3].

La caja del rotor está conformada por dos piezas de forma abombada de acero inoxidable, que constituyen la misma, en la cual se encuentran los rodamientos. Estos soportes están provistos de tapas para evitar la entrada de polvo. Una de las tapas está provista de un prensa estopa, enfriado por agua, que constituye el cierre entre el suministro de agua lodosa y el eje hueco (muñón). En el conducto que suministra el agua lodosa, se encuentra la tapa del soporte de los rodamientos, en el cual está montado un tubo de descarga de aceite recuperado, y el mismo puede incorporar agua caliente para realizar la limpieza interna de la máquina.

La mezcla de agua lodosa aceitosa caliente es impulsada bajo presión, por un conducto de suministro al centro del rotor en funcionamiento, que tiene forma de estrella con seis boquillas. Además de partículas de agua, arena y otras impurezas, el agua lodosa caliente que viene del tanque primario contiene aceite de palma que debe ser recuperado. Con el rotor girando, lleno total, el agua lodosa caliente es sometida, por la acción de la fuerza centrifuga, a aceleraciones tanto axiales como radiales que producen la separación de las partículas sólidas y el agua, evacuándose el aceite a través del tubo de descarga.

La mezcla debe tener una temperatura promedio de 90 a 95ºC para garantizar una buena separación y el caudal de mezcla que procesa el equipo está entre 5000 y 6000 l/h, dependiendo del diámetro de la boquilla.

El accionamiento está formado por un motor eléctrico acoplado a un embrague hidráulico, el cual transmite el movimiento por medio de cinco correas trapezoidales a la deslodadora. La velocidad de rotación está entre 1400 y 1450 rpm con carga. Cuenta con una caja de protección eléctrica que evita cualquier sobrecarga, activa un sistema de alarma y luces indicadoras del funcionamiento una vez que haya ocurrido una parada por cualquier motivo. La mezcla de entrada requiere una composición volumétrica que debe estar controlada para asegurar la calidad del proceso y la salida de éste.

LA ESTRATEGIA ACTUAL DE MANTENIMIENTO

En la actualidad las actividades de mantenimiento aplicadas a las deslodadoras son básicamente reactivas. Se lleva un control de horas de funcionamiento y, una vez alcanzadas las 3200 h de operación, se realiza un reemplazo de aquellos componentes internos que presenten deterioro e igualmente un balanceo por tanteo del rotor si así lo requiere. El plan de mantenimiento del equipo en conjunto, considera la parte de control por separado. La información recabada por reparaciones realizadas es muy vaga y algunas averías ocurridas en varios equipos tienen diferencia de criterio, por lo tanto no existe uniformidad de la información. La recopilación de la información obtenida no permite con claridad determinar cual es el fallo más frecuente en los equipos.

Debido a la cantidad variable de fruta agrícola, estos equipos permanecen por varios meses trabajando continuamente y luego muy pocas horas, el resto del tiempo pueden estar parados por falta de la materia prima. Adicionalmente no cuentan con un plan de mantenimiento diseñado para el periodo de baja producción, que garantice la disponibilidad de los equipos para el período de cosecha pico.

CARACTERIZACIÓN DE LA SITUACIÓN RELATIVA A LOS FALLOS

En la actualidad la empresa cuenta con seis deslodadoras, las cuales están sometidas a un régimen de funcionamiento variable que depende de la producción de fruta según la época, siendo mayor en los meses de Julio a Octubre y menor en los meses de Enero a Mayo. Para estabilizar la producción de fruta y consecuentemente la extracción de aceite en niveles altos durante todo el año, la empresa desarrolla en estos momentos un programa de resiembra y fomento de nuevas plantaciones. Se estima que este régimen de altas y bajas disponibilidades de frutas dure aproximadamente cuatro años y luego la producción se estabilizará.

En época de baja cosecha, cuando una máquina falla, independientemente del fallo ocurrido, el operador procede al arranque de otro equipo y luego realiza un análisis, para determinar por que falló el equipo que estaba en servicio. Como ya se explicó, en el futuro próximo quedará eliminada la redundancia temporal de equipos, incrementándose la necesidad de solucionar los fallos en el menor tiempo posible. En estas nuevas condiciones se pondrá de manifiesto con toda su fuerza la necesidad de pasar a una estrategia de mantenimiento fundamentalmente proactiva.

Recabada toda la información referente a los fallos, se procedió a realizar un análisis de la misma, para determinar cuales eran los fallos más frecuentes. En la Figura 2, se observa una distribución casi uniforme, que no permite determinar con claridad la ocurrencia de fallos predominantes en los equipos. Los fallos similares están desglosados con otros términos, no utilizando una uniformidad. En el historial suministrado no aparece con detalle el fallo presentado, la actividad realizada, el personal utilizado ni el tiempo de ejecución. Se requiere realizar una unificación de términos para facilitar la descripción del fallo ocurrido en varios equipos.

Otro elemento a considerar es que se cataloga como "fallos" a varias de las acciones correctivas ejecutadas. Esta forma de reportar las incidencias, además de no ser correcta y de no emplearse un lenguaje uniforme para reportarlas, no apunta a las causas de los fallos, lo que hace más largo y difícil el camino para su solución.

Tipos de fallos registrados
1. Reemplazo de correas
2. Fuga de producto (alimentación)
3. Corrección de fuga (alimentación)
4. Fuga de producto (descarga)
5. Reparación de la máquina
6. Fuga de agua
7. Cambio de junta de expansión
8. Mantenimiento al motor
9. Corrección de tubería de agua

Figura 2. Distribución de fallos registrados en una de las máquinas

Las deslodadoras vienen presentando desde hace tiempo ciertos problemas que provocan vibraciones que subjetivamente se han considerado excesivas, lo cual motivó que se realizara la contratación de los servicios a una empresa especializada para realizar tales mediciones. Estas mediciones fueron realizadas sobre los rodamientos de la deslodadora y el motor (ver puntos de medición seleccionados en la Figura 1).

Como resultado de las mediciones realizadas se comprobó que los niveles totales de velocidad de la vibración tenían niveles normales en correspondencia con lo indicado por la norma ISO 10816-1. Por otra parte, los espectros registrados no mostraron evidencias de desbalance, desalineamiento o algún otro problema mecánico relevante.

IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES DE MEJORA

Con la información recabada y evaluada en relación con las actividades de mantenimiento que son ejecutadas, se observó que no existe una planificación de actividades proactivas específicas que permitan prevenir o predecir cualquier fallo funcional y garanticen la confiabilidad y disponibilidad requeridas para estos equipos. Además, la información sobre los fallos ocurridos no tiene un criterio unificado.

Es fundamental en toda empresa que las actividades de mantenimiento estén coordinadas bajo una unificación de criterios, ya que esto permite realizar evaluaciones de los fallos de una manera más rápida y efectiva para implementar programas de mejora en los equipos. Por eso, se trabajó en una propuesta que pretende incorporar mejoras en el programa de mantenimiento con actividades proactivas y unificar criterios sobre los modos de fallo para recabar una información más confiable y precisa, con la finalidad de mejorar la confiabilidad y la disponibilidad de las deslodadoras [4, 7].

Para la mejor realización y comprensión del análisis de modos de fallo y sus efectos, la máquina deslodadora, que es el sistema a analizar, fue dividida en los siguientes subsistemas:

1. Subsistema deslodador. Comprende el cuerpo principal de la máquina en el que se ejecuta la separación de partículas sólidas y agua del aceite.

2. Subsistema motriz. Comprende el motor eléctrico y la transmisión por correas.

3. Subsistema de control. Comprende todos los dispositivos de control, tanto luminosas como guarda motor que garantizan la operación segura.

4. Subsistema de alimentación. Comprende la composición requerida para la mezcla de entrada.

Un aspecto clave que se tuvo en cuenta para la propuesta del nuevo programa de mantenimiento es la necesidad de conocer explícitamente las funciones de los equipos que se pretende atender. Definir correctamente las funciones y la identificación de las posibles formas de fallar de dichas funciones son premisas para analizar las causas o modos de fallo [2]. Por eso, en este caso se ha realizado el análisis de los modos de fallo y sus efectos a partir de la definición de las funciones y los fallos funcionales, todo lo cual sirve a su vez como información para estimar la importancia que debe darse a la atención de cada modo de fallo. Como resultado de este análisis se elaboraron hojas de información para cada subsistema contentivas de los aspectos mencionados.

El análisis anteriormente comentado es el resultado de la aplicación parcial de un proceso lógico que se puede establecer para tratar de
determinar los requerimientos de mantenimiento de cualquier activo físico [11], es decir:

1. Se han precisado las funciones de las deslodadoras, el nivel de rendimiento deseado y el contexto operacional en el que estas funciones deben cumplirse.

2. Se han determinado las formas en las que las desldadoras pueden dejar de cumplir sus funciones, o sea, se han identificado los posibles fallos funcionales.

3. Se han registrado todos los eventos que tienen alguna posibilidad de causar fallos funcionales, es decir; se han establecidos los modos de fallo.

4. Se han descrito, con detalle que cada caso haya requerido los efectos que trae consigo la ocurrencia de cada modos de fallo.

La fase siguiente del análisis consistió en precisar y seleccionar las tareas de mantenimiento que garanticen la continuidad de las funciones. Para efectuar el proceso de selección de tareas, se tomaron en cuenta los criterios de factibilidad técnica y sostenibilidad requeridos [6].
Analizada toda la información recabada para los cuatro subsistemas en los cuales fue dividida la deslodadora, se determinaron las actividades proactivas necesarias para ser incorporadas en el plan, las que se presentan en forma resumida en la Tabla 1, en la que se puede apreciar que existe gran variedad de actividades proactivas que deben realizarse en diferentes períodos de funcionamiento para garantizar la confiabilidad y disponibilidad de las deslodadoras. Se observa además que algunas de las actividades deberán ser ejecutadas por los operadores, por lo que ellos deberán ser convenientemente capacitados para que puedan asumir las nuevas tareas que se les asignarán como resultado de la próxima aplicación del programa de mantenimiento propuesto [5, 10].

Tabla 1. Plan de mantenimiento propuesto

CONCLUSIONES

Como aspectos conclusivos relevantes se plantean los siguientes:

1. Se elaboró y presentó una propuesta de programa de mantenimiento que tuvo en cuenta las insuficiencias y limitaciones del programa de atención actual, en el que una proporción muy alta de intervenciones de mantenimiento tiene carácter reactivo. Se identificaron importantes oportunidades de mejora que permiten presentar un programa de tareas con un carácter marcadamente proactivo.

2. Todas las tareas incluidas en el programa propuesto deben producir resultados tangibles, con impacto en la disponibilidad y confiabilidad de las máquinas deslodadoras. Aunque la cuantificación real de la mejora en los índices de disponibilidad y confiabilidad se podrán conocer sólo luego de transcurrido un lapso de tiempo después de la implementación del programa propuesto, dada la eficacia que han presentado los enfoques de mantenimiento proactivos en máquinas rotatorias similares a las estudiadas en este trabajo, no hay dudas de que estos índices deben incrementarse apreciablemente [9].

3. La manera actual de reportar, registrar y atender los fallos es inadecuada y no contribuye a resolver definitivamente los problemas presentados, por cuanto no apuntan a las causas de los fallos. No se emplea un lenguaje único, lo que impide la identificación de recurrencias, dificultando además la gestión del proceso y la posible aplicación de otras herramientas de la Ingeniería de Mantenimiento.

4. A partir de la investigación realizada in situ con el personal de operación y mantenimiento, existe la percepción de que las máquinas sufren periódicamente de estados de desbalance, que son "corregidos" inadecuadamente sólo a partir de la búsqueda del punto pesado sin el auxilio de instrumentación alguna. Sin embargo, la realidad es que no se dispone de información experimental ni evidencia física suficiente para afirmar que la causa de los niveles de vibración excesivos que eventualmente presentan las máquinas es un estado de desbalance, lo que hace necesaria una investigación particular para atender este problema, que además no aparece reflejado, en ningún caso, en los reportes históricos consultados.

5. El procesamiento y análisis de la información relacionada con los fallos registrados evidenció un elevado por ciento de acciones de mantenimiento reactivas. Este análisis permitió establecer las principales limitaciones e insuficiencias de la estrategia de mantenimiento actualmente aplicada e identificar oportunidades de mejora que se reflejan en la nueva propuesta de programa.

6. La realización de un análisis de modos de fallo y sus efectos (FMEA), al que se le han incluido la definición de las funciones y los fallos funcionales, ha permitido disponer de una información actualizada sobre las máquinas y allanado el camino para identificar las tareas de mantenimiento necesarias.

7. Las tareas contenidas en la propuesta han sido seleccionadas a partir de criterios de factibilidad técnica y efectividad. Por otra parte, el hecho de que algunas de las tareas deban ser ejecutadas por los propios operadores incorpora elementos de mantenimiento autónomo característicos del Mantenimiento Productivo Total (TPM). La incorporación de estos aspectos a la estrategia propuesta permite afirmar que se están introduciendo técnicas que están en sintonía con las buenas prácticas de mantenimiento empleadas en la actualidad [8] y que resultan novedosas para el entorno de la empresa propietaria de las máquinas analizadas.

REFERENCIAS

1. AMARISTA, L. Revisión de operación y controles operativos de la centrifuga deslodadora AVM. Marzo ed. 2002. Manual de operación.

2. CABRERA GÓMEZ, J. Plataforma básica para un enfoque del mantenimiento centrado en la confiabilidad. Junio ed. CEIM-CUJAE, 2003. Monografía.

3. Catalogo de la máquina deslodadora. Industrias AVM LTDA, 1990.

4. DÍAZ M., A. Confiabilidad en mantenimiento. Caracas: Ediciones IESA, 1992. ISBN 980-271-068-2.

5. LEFLAR, J. A. "Practical TPM. The Method for Success at Agilent Technologies". January ed. 2001. [Consultado el: 30 de enero 2009].
Disponible en: http://www.tpmonline.com

6. MOUBRAY, J. M. RCM II Reliability-centred Maintenance. Second ed. Oxford, UK: Butterworth Heinemann, 1999. ISBN 0-7506-3358-1.

7. MURILLO ROCHA, G. Plan de Implantación General del RCM [Consultado el: 15 de marzo de 2009].
Disponible en: http://www.mantenimientomundial.com

8. PUENTE, G. Introducción al mantenimiento productivo total. 2005. [Consultado el: 4 de marzo de 2009].
Disponible en: http://www.tpmonline.com

9. SOTUYO, S. "Optimización integral de mantenimiento". Revista Club de Mantenimiento. 2002,vol 3, nº 11. [Consultado el: 22 de febrero de 2009]. Disponible en: http://www.mantenimientomundial.com

10. TPM for every operator. Japan Institute of Plant Maintenance, 1996. Shop floor Series. [Consultado el: 28 de enero 2009].
Disponible en: http://www.tpmonline.com

11. US Army Corps of Engineers, Reliability Centered Maintenance (RCM) Guide USACERL. Technical Report 99/41, 1999.
[Consultado el: 7 de octubre de 2008]. Disponible en: http://www.reliability.com

Recibido el 3 de julio de 2010
Aceptado el 7 de octubre de 2010 ^rND^sSOTUYO^nS.^rND^1A01^nAda Caridad^sCabrera - González^rND^1A01^nAda Caridad^sCabrera - González^rND^1A01^nAda Caridad^sCabrera - González

Artículo Original

Vínculo lenguaje-contexto y su importancia para la comunicación del futuro ingeniero

The relatonship between language and context and its importance for the communication of the future engineer

Ada Caridad Cabrera - González
Departamento de Idioma. Facultad de Arquitectura
Calle 114 #11901 e/119 y 127. Marianao. La Habana. CP 19390. Cuba.
Email: [e-mail]

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Resumen

El objetivo central que persigue el sistema educacional cubano es la formación de profesionales integrales. En esto, sin lugar a dudas, está implícito el propósito de lograr que sean además, competentes en el uso del lenguaje para que puedan satisfacer las exigencias, no solo del modelo del profesional diseñado para cada carrera de ciencias técnicas sino además, las del contexto donde se desenvuelven. El objetivo de este artículo, es demostrar el vínculo lenguaje-contexto y cómo a través de este se puede favorecer la comunicación, a partir de considerar al lenguaje como mediador esencial en los procesos de construcción de conocimientos en situaciones interactivas. Se utilizaron métodos del nivel teórico y empírico que permitieron abordar el objeto de estudio y aproximarlo a las posiciones actuales que tratan acerca de este particular. Como resultado de este trabajo se ofrecen algunos ejemplos que evidencian que el uso que se hace del lenguaje está relacionado con el contexto de comunicación y que en la medida en que el estudiante sepa operar con el lenguaje científico-técnico podrá desarrollar determinadas habilidades que favorecerán su desempeño profesional presente y futuro.

Palabras claves: comunicación, contexto, ingeniero, lenguaje.

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Abstract

The main objective followed by the Cuban educational system is the formation of whole professionals. The purpose to achieve competent professionals in the use of the language to meet the demands not only from the professional model designed for each career of technical science but also the ones from the context where they develop is implicit. The objective of this article is to show the language-context bond and how it can favour communication, considering language as an essential mediator in the construction processes of knowledge in interactive situations. Methods from a theoretical and empirical level were used. They allowed the author of this paper to approach the object of study, and draw them near to the up-to-date positions that deal with this object of study in particular. As a result, a few examples are given in this paper that evidence the use of the scientific-technical language. The student will develop definite abilities that will favour his present and future outcome in the same way he is able to operate with the language of science.

Key words: communication, context, engineer, language.

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INTRODUCCIÓN

El auge de la ciencia y la técnica en este siglo, supone exigencias cada vez mayores por parte de la sociedad. El hombre, como ser social y máximo exponente de este desarrollo, es el responsable de asumir los retos que se le imponen para ser consecuente con el momento sociohistórico en que vive y cumplir con su encargo social. La escuela, como principal fuente de desarrollo, se propone la formación integral de los individuos y en esto, juega un papel significativo la comunicación. Lograr que cada día se gradúen profesionales comunicativamente competentes, es uno de los retos de la Educación.

En el contexto de las ciencias, el término competencia comunicativa adquiere un grado de exigencia y complejidad mayor que el que se había puesto en práctica en la enseñanza precedente, y esto exige que las tareas a realizar por los estudiantes sean también complejas para que puedan satisfacer el encargo social que se declara en los modelos del profesional diseñados para cada carrera de ciencias técnicas, pero para esto es necesario que el estudiante conozca el contexto donde se desenvuelve para que actúe en consecuencia. El contexto es determinante, de él dependen determinados factores que intervienen en la comunicación como son: el tipo de texto, las situaciones comunicativas, el desarrollo de habilidades y valores, las relaciones interpersonales que se establecen para dar solución a los problemas que se presentan, entre otros. Si el estudiante es capaz de dominar las características del contexto, se favorece su actuación, y se promueve su desarrollo desde el punto de vista comunicativo.

El lenguaje es la herramienta lingüística más importante que tiene el estudiante para comunicarse en el contexto y el buen uso que haga de este redundará en beneficio de la comunicación. El lenguaje y la comunicación intervienen en el proceso cognoscitivo y en las formaciones psicológicas que se llevan a cabo dentro de este proceso. En la medida en que el sujeto activo interactúa en el medio social a través del lenguaje, va desarrollando capacidades cada vez más crecientes.

En este artículo se trata la relación lenguaje-contexto y cómo influye este vínculo en la comunicación del futuro ingeniero. Para esto, se precisarán diversos puntos de vista asumidos por varios autores con respecto a este tema que coinciden con la posición que asume la autora de este artículo. A partir de considerar al enfoque histórico-cultural uno de los referentes teóricos, los postulados acerca de la esencia del individuo y su personalidad como resultado de las relaciones que establece con los demás, resultaron muy útiles para trabajar el tema de la comunicación y la interpretación del lenguaje y la cultura como herramientas para la construcción del significado, donde la interacción comunicativa y el contexto tienen un lugar central.

El artículo aborda tres aspectos fundamentales. Primeramente, se presenta la importancia que tiene el conocimiento del contexto para propiciar una comunicación efectiva y eficaz. Posteriormente, se destaca la importancia del lenguaje como mediador en los procesos de comunicación. En este punto también se trata acerca del discurso científico-técnico como forma de uso del lenguaje. Por último, se ofrecen algunos ejemplos de tareas que además de mostrar el vínculo entre el lenguaje, el contexto y la comunicación, ilustran la manera en que este puede ser tratado para que el estudiante reconozca su importancia.

DESARROLLO

El conocimiento del contexto de comunicación

El contexto [1] involucra a todos los factores que rodean un acto de habla o emisión de un discurso: situación comunicativa, intención comunicativa, finalidad comunicativa, tarea comunicativa, estatus social de los participantes, entre otros. Implica, los factores espacio-temporales en los que tiene lugar la situación comunicativa.

La teoría del contexto formulada por Van Dijk explica cómo los participantes son capaces de adaptar la producción y la recepción/interpretación del discurso a la situación comunicativa-interpersonal-social. La comprensión de situaciones y eventos específicos se lleva a cabo a través de un modelo mental, que Van Dijk denomina modelo del contexto o simplemente contexto [2]. Estos modelos se usan para que los participantes tengan una idea del medio en el cual se desenvuelven y puedan controlar la producción e interpretación del discurso.

El contexto no es ajeno a los participantes, sino todo lo contrario, es algo que ellos construyen como parte de su representación mental; de ahí que tenga carácter dinámico, ya que cambia constantemente y se adecua y reconstruye según los cambios en la situación social o en la interpretación del discurso.

Una categoría esencial del modelo mental del contexto es el conocimiento que se tenga de los participantes que intervienen en las situaciones de comunicación, es decir, de los interlocutores o público al cual va dirigido el acto comunicativo y el conocimiento de lo que estos saben.

Los modelos del contexto también controlan la producción de las estructuras discursivas, estas varían según el contexto, es decir son sensibles a él. Dentro de estas estructuras se encuentran: la selección del tema, el estilo (el léxico, algunas estructuras sintácticas como el orden de las palabras, la complejidad de las oraciones, etc.), el formato general (la organización global), el sistema lingüístico que se emplea, las actitudes mutuas de los hablantes [3]. A estas se agregaría además, el tipo de texto o discurso, ya que el contexto es determinante para la estructura del texto. El texto es un elemento de interacción entre el lenguaje y el contexto o la realidad y para facilitar su comprensión y construcción es preciso conocer el contexto que le da vida a estos procesos sociales.

Otros autores [4] al enfatizar en la importancia del contexto consideran que para entender los sentidos del discurso es necesario que el enunciador y el destinatario tengan un conocimiento previo que les permita inferir los significados. Ese conocimiento no es más que conocer el contexto socio-histórico a que se refiere el texto como forma de expresión de esa realidad.

Al sintetizar los criterios asumidos por diferentes autores se considera indispensable que los estudiantes de ciencias técnicas se identifiquen con el contexto en el cual van a interactuar para que puedan incidir activamente en él e intercambiar significados. Es en el contexto en cuyo marco el alumno atribuye un sentido a lo que hace y construye significados, es decir, realiza unos aprendizajes con un determinado grado de significatividad [5]. Las exigencias del contexto marcan la relación entre lo que el sujeto quiere significar, la forma en que lo significa y la intención que persigue; si esta se ordena correctamente, podrá ser interpretada por el receptor y entonces, se habrá cumplido satisfactoriamente el acto de habla.

El contexto también determina el tipo de tarea a que debe enfrentarse el estudiante. El contexto de las ciencias técnicas exige situaciones de comunicación como son: analizar y comprender textos científicos, argumentar ideas, explicar procesos, ecuaciones, problemas, definir conceptos, redactar informes, artículos, ponencias, validar hipótesis, exponer juicios relacionados con temas científicos, describir instrumentos, y buscar soluciones ante determinados problemas enmarcados en un campo de acción concreto. En todas estas situaciones comunicativas interviene el lenguaje. De ahí la necesidad de dotar a los estudiantes de las herramientas lingüísticas necesarias para hacer uso del lenguaje en función de las exigencias del contexto.

El papel del lenguaje y su relación con el contexto

El lenguaje constituye una fuente de conocimientos, un medio para la comunicación y la acción donde se combinan de forma dinámica el saber, saber hacer, saber hacer con independencia y el saber ser, pilares fundamentales en la formación integral del estudiante y que en el contexto científico-técnico alcanzan una connotación importante ya que devienen de las exigencias del modelo del profesional [6].

No hay lenguaje sin contexto, pero se crea contexto con el lenguaje. El que habla, es un alguien, y como hablante habla a otro alguien sobre algo, en una situación determinada [7]. Entre el lenguaje y el contexto existe una relación armónica, ambos se necesitan y se complementan ya que forman parte de un sistema. Tanto el emisor como el perceptor utilizan el lenguaje para comunicarse en un contexto determinado, pero considerar el lenguaje como un acto de comunicación, supone que se tenga en cuenta la intención comunicativa del emisor y que además esta intención aflore en el objeto del mensaje lingüístico y este sea portador de dicha intención, para que el perceptor pueda descifrar el mensaje en función del código de que dispone, y así la comunicación pueda cumplir su propósito [8].

Vigotski, al abordar el tema del lenguaje y su vínculo con el pensamiento señaló que el lenguaje es un medio de comunicación entre el individuo y el entorno. [9]. Esto significa que el lenguaje no se desarrolla fuera de la sociedad, sino que se adquiere producto de la actividad, de las relaciones entre los seres humanos en el proceso de comunicación en un contexto determinado.

Al ser el lenguaje un sistema de signos que participa en la construcción del pensamiento en conceptos y en su exteriorización, se ponen de manifiesto dos de sus funciones esenciales: la noética, relacionada con la construcción del pensamiento verbal y la semiótica, referida a la exteriorización y transmisión de ese pensamiento. El notable lingüista cubano Max Figueroa Esteva puntualiza que toda noesis implica semiosis [10], es decir, que el proceso de construcción del pensamiento está íntimamente ligado al de su transmisión. A tales efectos Vigotski concibió el lenguaje como un mecanismo de mediación semiótica, de carácter social, que interviene decisivamente en los procesos de construcción del pensamiento y en los de socialización del individuo y debe ser considerado como una acción verbal incluida en la actividad humana productiva, cognitiva o de cualquier tipo y es al mismo tiempo, un medio y un instrumento del conocimiento, del reflejo de la realidad objetiva, de la formación del pensamiento y de la comunicación.

La relación pensamiento-lenguaje, Vigotski la representa como una unidad dialéctica que tiene como núcleo la significación. El sujeto las va desarrollando en los procesos cognitivos y comunicativos que establece en un espacio cultural concreto; los articula como procesos interrelacionados funcionalmente que dan lugar a una nueva expresión cualitativa de lo psíquico: el pensamiento.

En el proceso de interacción que realiza el individuo a través del lenguaje, entran en acción tanto sus conocimientos lingüísticos, como sus habilidades para comprender y construir significados en correspondencia con los contextos sociales y culturales donde lleva a cabo su comunicación. De ahí que se ponga de manifiesto el triángulo [11] discurso, cognición y sociedad, el que se aborda como elementos interrelacionados y se explica la importancia y la necesidad de cada uno de ellos. El discurso y la sociedad no están al margen de los procesos cognitivos, ni estos son procesos abstractos, sino que están en los seres sociales pertenecientes a la sociedad, tanto la cognición como la sociedad exigen del discurso.

El lenguaje interviene como mediador esencial en los procesos de construcción de conocimientos en situaciones interactivas originadas por el contexto de interacción. La aplicación de esta aseveración en el contexto particular de las ciencias técnicas, está dada por la intervención del lenguaje en los procesos de comprensión (auditiva y lectora) y construcción (oral y escrita) del discurso científico técnico, a partir de considerar ambos como procesos dinámicos en los que interactúan texto-lector-contexto [12] y en los que interviene la cultura de los que participan. La interrelación entre estos aspectos con el componente afectivo, promueve el desarrollo integral de los estudiantes.

La comprensión y construcción de significados dependen del conocimiento del contexto, lo que implica saber quién produce el texto, a qué grupo o clase social pertenece, cuál es su ideología, con qué intención lo hizo, en qué situación comunicativa, etc. El conocimiento de todos estos factores permite atribuir un significado al texto que, de no conocerlos, no sería posible su construcción. El emisor de un texto hace referencia a una realidad, es decir, alude a un referente; su conocimiento del referente surge de determinadas prácticas empíricas que le proporcionan una representación conceptual. Mediante prácticas teóricas de análisis-síntesis, inducción-deducción, etcétera, ha podido construir una configuración lógica de ese referente y mediante prácticas comunicativas llega a construir su propia configuración semántica. Puede entonces configurar sintácticamente la idea y expresarla mediante una determinada configuración fonológica (oral o escrita) [13].

El lenguaje (oral y escrito) alcanza una connotación importante en el contexto científico-técnico. La alta proporción que tiene el estudio de materiales escritos: informes de investigación, ponencias, artículos, monografías, el desarrollo y evaluación de métodos gráficos para la producción y representación lingüística, son algunos ejemplos de comunicación escrita. La comunicación oral también tiene diversas aplicaciones, entre ellas: las conferencias, documentales y videos que se ofrecen a los estudiantes y además, las explicaciones basadas en razonamientos, discusiones con aplicación de conocimientos a situaciones creadoras, intervenciones dirigidas a un público especializado, entre otras.

Estos aspectos, de manera general, marcan el desarrollo de la competencia comunicativa del futuro profesional porque las competencias también hay que estudiarlas con un carácter contextualizado, ya que responden a un modelo de actuación que ha sido socialmente conformado en un contexto histórico concreto, cada profesión, empleo o rol dicta determinados requerimientos en función de un contexto histórico concreto y ser competente se define por la respuesta que de el sujeto a este modelo de actuación [14].

El discurso científico-técnico como una forma de uso del lenguaje

El discurso aporta los fundamentos teóricos y metodológicos para emprender el uso del lenguaje en el habla y la escritura como formas de práctica social y dentro de ellas, reconocer la relación dialéctica entre el hecho discursivo en particular y las situaciones contextuales y sociales que lo enmarcan. El análisis del discurso es el análisis del lenguaje en su uso como proceso dinámico, en el que un hablante/escritor usa la lengua como un instrumento comunicativo en un contexto, para expresar significados y conseguir intenciones.

El discurso científico-técnico se ha dado a conocer en la literatura bajo diversas denominaciones: tecnodiscurso [15], discurso académico [16], discurso científico [17], lenguaje especializado [18], discurso especializado [19], [20], lenguaje para fines específicos [21].

En cualquiera de los casos los autores lo reconocen como la forma de uso del lenguaje que se utiliza en el campo de las ciencias técnicas. Por tanto su apropiación por parte de los estudiantes, se considera una importante dimensión en la construcción del conocimiento científico. [22]. Esto significa reconocer el papel del lenguaje y el dominio de la competencia comunicativa en la ciencia partiendo del criterio de que el conocimiento científico adquiere sentido cuando se sociabiliza y comparte. La actividad científica necesita de divulgación y la sociedad también necesita tener información sobre los avances científicos [23].

El discurso científico-técnico refleja la actividad cognoscitiva de quienes lo utilizan y el progreso que la ciencia y la técnica tienen a su haber, por tanto, posee las mismas características que identifican a estas como actividad humana (y a su correspondiente cuerpo de conocimientos). De ahí, que los autores coincidan en que la impersonalidad, la objetividad y la exactitud en el lenguaje sean las características que marcan su estilo; criterio que también comparte la autora de este trabajo, ya que no hay ciencia ni método científico sin ideas precisas, ni ideas precisas sin palabras exactas [24]. Este planteamiento también reafirma lo expresado por Halliday y Martín cuando afirman que aprender ciencias implica, aprender el lenguaje de la ciencia [25].

El estilo, según Van Dijk, es la huella textual del contexto, es decir, el significado de las reglas estilísticas depende del contexto en que se aplican. A pesar de que estas reglas puedan establecer instrucciones para su aplicación, el modo en que se aplican depende del uso constructivo del lenguaje. Las reglas no operan como guías mecánicas, sino como recursos para realizar tareas específicas de acuerdo con los propósitos que persigan los autores en una situación comunicativa dada.

Pero la apropiación del lenguaje científico-técnico por parte de los estudiantes, en la mayoría de los casos, no se hace de forma consciente y en esto la autora coincide con Cabré en que no se puede separar el lenguaje y las materias de especialidad, ni el conocimiento de su forma de expresión. Se trata de enfatizar que cuando el ingeniero aprende su materia, debe estar consciente del lenguaje que ha adquirido, del vocabulario científico-técnico del que se ha apropiado para que pueda aplicar estos conocimientos en la interacción con otros especialistas y la comunicación se lleve a cabo de forma efectiva.

Por tanto, se considera necesario que el estudiante de ciencias técnicas aprenda a operar con el lenguaje de la ciencia, pues esto constituye un requerimiento importante desde el punto de vista comunicativo, dado que el contexto donde se desenvuelve demanda toda una serie de exigencias que requieren hacer un uso adecuado del lenguaje para satisfacerlas y cumplir así con el encargo social que se declara en los modelos del profesional de las diferentes carreras de ciencias técnicas. Al ser el lenguaje científico-técnico una herramienta para la comunicación en el contexto, el uso apropiado que se haga de este tributará al logro de la competencia comunicativa, dentro de lo cual ocupa un lugar destacado el desarrollo de habilidades comunicativas encaminadas a utilizar la lógica del lenguaje en la formación de conceptos, juicios y razonamientos, trabajar con las operaciones lógicas del pensamiento, manejar adecuadamente la literatura científico-técnica, enfrentarse de forma independiente o grupal ante diferentes situaciones de comunicación. En fin, todas aquellas habilidades que le permitan al estudiante un desenvolvimiento exitoso en el contexto.

Ejemplos de tareas que demuestran la relación lenguaje-contexto de comunicación

A continuación se muestran algunos ejemplos de tareas donde se evidencia cómo el estudiante de ciencias técnicas puede operar con el lenguaje científico-técnico para satisfacer las demandas del contexto y desarrollar la competencia comunicativa necesaria para su formación profesional presente y futura.

Los ejemplos que se presentan ilustran tareas que de forma general pueden realizarse en cualquier especialidad de ciencias-técnicas y tareas enfocadas directamente hacia una determinada especialidad.

1- a)- Selecciona un texto de tu especialidad y analiza cómo se cumplen las características del texto científico-técnico estudiadas. (Trabajo en parejas por especialidades).

b)- Explica en cada caso.

c)- Valoración colectiva.

2- a)- Argumenta estas ideas: (Trabajo en equipos)

- La ciencia es algo más que la mera observación, es razonamiento de la realidad con una visión objetiva y reflexiva.

- El desarrollo de la técnica en la actualidad.

- La tecnología en función de solucionar problemas concretos.

- En el mundo moderno, sin ciencia no hay tecnología.

- El desarrollo de la sociedad está condicionado por el desarrollo científico-tecnológico.

b)- Selecciona ejemplos concretos de tu especialidad que pudieran evidenciar tus argumentos.

3-a)- Resume las ideas que plantea el texto. Para esto te sugerimos que hagas un cuadro sinóptico con dos columnas. En la primera columna, te refieres a las ideas que se plantean en el texto con relación a la ingeniería; en la segunda columna, a las relacionadas con el ingeniero. Si lo prefieres, puedes utilizar otro procedimiento sinóptico.

b)- Revisa el resumen con tu compañero.

c)- Si consideras que se pueda enriquecer con otras cuestiones, puedes anotarlas.

d)- Presenta, en el grupo, el resultado del resumen realizado.

4- a) Visita la biblioteca del centro. Allí vas a recibir la explicación de cada una de las fuentes de información científico-técnica que existen y cómo se utilizan.

b)- Toma nota de la explicación que te ofrezcan los especialistas.

c)- Verifica tus notas con las de tus compañeros a fin de que puedas enriquecer tus conocimientos sobre el tema y chequear si te faltó algo importante por anotar.

d)- Trae al aula el resultado de tus apuntes.

e)- Comparte tus notas con el grupo a fin de enriquecerlas.

5- Confecciona un glosario con los términos más utilizados en tu especialidad. Este glosario se irá enriqueciendo mientras consultes más fuentes de información científico-técnica.

6- Describe física y funcionalmente un instrumento de tu especialidad.

7- a) Lee y analiza los siguientes textos. (Los estudiantes de ingeniería mecánica trabajan con los textos "Tratamiento térmico para el endurecimiento de metales", "El motor de combustión interna", "Desventajas de las uniones soldadas para las vibraciones mecánicas".).

b)- Identifica los actos de habla que se han utilizado en ellos.

c)- Señala los marcadores lingüísticos que te permitieron identificarlos. Utiliza tu tarjeta de estudio en caso necesario.

d)- Explica otras características textuales y contextuales presentes en el texto.

8- Del siguiente resumen determina:

a)- El título del artículo.

b)- El objetivo que se plantea.

c)- Las palabras claves que pueden resumir su contenido.

En Cuba, debido a numerosos factores ambientales, se acelera más rápidamente el proceso de corrosión en los automóviles. Esto hace que la vida útil de los mismos se vea afectada y por tanto, se hace necesario buscar vías de solución a tan importante problema. En el artículo que se presenta a continuación, se presentan algunas alternativas que pueden ser usadas en beneficio de esta situación.

9- Analiza estas palabras claves y determina el título y el objetivo del artículo.

• Vehículos, contaminación ambiental.

10- Situación de comunicación

Cada año, PABEXPO abre sus puertas para recibir a innumerables empresarios que vienen a decir sí a la ciencia y la tecnología, con la presentación en el mercado de productos altamente novedosos.

a)- Has sido seleccionado por tu empresa para participar en esta gran feria. Vas a presentar un producto excepcional de tu especialidad en el mercado y vas a lograr su comercialización.

b)- Recuerda considerar las características del texto divulgativo para que tengas suerte.

11- a)-Redacta un artículo científico sobre un tema de tu especialidad.

b)- Comenta oralmente las ideas que desarrollaste en cada una de sus partes.

c)- Recuerda considerar las partes lógicas en que se divide este tipo de documento científico.

CONCLUSIONES

El contexto tiene un carácter dinámico y social. Conocer sus características favorece la interacción y el intercambio, aspectos que tributan a la efectividad de la comunicación. En este proceso juega un papel fundamental el lenguaje; este se encuentra unido al sujeto y al contexto. Es a través del lenguaje que el sujeto construye el pensamiento verbal y lo exterioriza, trasmite y comparte en la actividad social que lleva a cabo en un contexto determinado.

Una forma de uso del lenguaje en el contexto particular de las ciencias técnicas, la constituye el discurso científico-técnico. Su valor como mediador esencial en los procesos de construcción de conocimiento en situaciones interactivas es innegable. Este posee rasgos estilísticos que lo diferencian de otros tipos de discursos y se concretan en la exactitud, la objetividad y la impersonalidad. Considerar estas características en la comunicación tanto oral como escrita, constituye una necesidad para la formación del futuro ingeniero.

El análisis de la relación contexto-lenguaje resultaría insuficiente si no se tuviera en cuenta la significación (lo cognitivo). Los estudios sobre la cognición referidos al discurso científico-técnico han propiciado importantes aportes para la metodología en cuanto a la elaboración de resúmenes y textos científico-técnicos de diferente tipología.

REFERENCIAS

1. ROMÉU ESCOBAR, A., et al. El enfoque cognitivo, comunicativo y sociocultural en la enseñanza de la lengua y la literatura. La Habana. Cuba: Editorial Pueblo y Educación, 2006. p

2. SILVA V, O. "El análisis del discurso según Van Dijk y los estudios de la comunicación". Revista Razón y Palabra. 2002. nº 26.
Disponible en: http://www.razonypalabra.org.mx

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Recibido el 29 de julio de 2010
Aceptado el 17 de septiembre de 2010