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piezas móviles

Un modelo de las partes móviles de un motor. Las máquinas incluyen partes fijas y móviles . Las partes móviles tienen movimientos controlados y restringidos. [ 1 ] [ 2 ] El térm...

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Un modelo de las partes móviles de un motor.

Las máquinas incluyen partes fijas y móviles . Las partes móviles tienen movimientos controlados y restringidos. [ 1 ] [ 2 ]

El término excluye los fluidos que circulan por la máquina, como el combustible , el refrigerante o el fluido hidráulico , así como las piezas mecánicas (como cerraduras , interruptores , tuercas , tornillos y tapones de rosca para botellas) que se mueven únicamente para reconfigurar la máquina. Un sistema sin piezas móviles se denomina de "estado sólido".

Eficiencia mecánica y desgaste

La cantidad de piezas móviles en una máquina es un factor que influye en su eficiencia mecánica . Cuanto mayor sea el número de piezas móviles, mayor será la cantidad de energía que se pierde en forma de calor debido a la fricción entre ellas. [ 3 ] Por ejemplo, en un motor de automóvil moderno , aproximadamente el 7% de la potencia total obtenida al quemar el combustible se pierde por la fricción entre las piezas móviles del motor. [ 4 ]

Por el contrario, cuanto menor sea el número de piezas móviles, mayor será la eficiencia. Las máquinas sin piezas móviles pueden ser muy eficientes. Un transformador eléctrico , por ejemplo, no tiene piezas móviles y su eficiencia mecánica suele superar el 90 %. (Las pérdidas de potencia restantes en un transformador se deben a otras causas, como la pérdida por resistencia eléctrica en los devanados de cobre y las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo de hierro). [ 5 ]

Se utilizan dos métodos para superar las pérdidas de eficiencia causadas por la fricción entre las piezas móviles. Primero, se lubrican las piezas móviles . Segundo, se diseñan las piezas móviles de una máquina para que tengan un contacto mínimo entre sí. Este último método, a su vez, comprende dos enfoques. Se puede reducir el tamaño de la máquina, disminuyendo así las áreas de las piezas móviles que rozan entre sí; y se pueden modificar los diseños de los componentes individuales, cambiando sus formas y estructuras para reducir o evitar el contacto entre ellos. [ 4 ]

La lubricación también reduce el desgaste , al igual que el uso de materiales adecuados. A medida que las piezas móviles se desgastan, esto puede afectar la precisión de la máquina. Por lo tanto, los diseñadores deben diseñar las piezas móviles teniendo en cuenta este factor, asegurándose de que, si la precisión durante la vida útil de la máquina es primordial, se considere el desgaste y, de ser posible, se minimice. (Un ejemplo sencillo de esto es el diseño de una carretilla simple de una sola rueda . Un diseño donde el eje está fijo a los brazos de la carretilla y la rueda gira alrededor de él es propenso al desgaste, lo que provoca rápidamente oscilaciones, mientras que un eje giratorio que está unido a la rueda y que gira sobre cojinetes en los brazos no comienza a oscilar a medida que el eje se desgasta a través de los brazos). [ 6 ]

La disciplina científica y de ingeniería que se ocupa de la lubricación, la fricción y el desgaste de las piezas móviles es la tribología , un campo interdisciplinario que abarca la ciencia de los materiales , la ingeniería mecánica , la química y la mecánica . [ 7 ]

Falla

Como se mencionó, el desgaste es una preocupación para las piezas móviles en una máquina. Otras preocupaciones que conducen a fallas incluyen corrosión , erosión , estrés térmico y generación de calor, vibración , carga de fatiga , [ 8 ] y cavitación .

La fatiga está relacionada con grandes fuerzas de inercia y se ve afectada por el tipo de movimiento de la pieza móvil. Una pieza con rotación uniforme sufre menos fatiga que una que oscila. La vibración provoca fallos cuando la frecuencia de funcionamiento de la máquina coincide con la frecuencia de resonancia de una o más piezas móviles, como los ejes giratorios. Los diseñadores evitan estos problemas calculando las frecuencias naturales de las piezas durante la fase de diseño y modificándolas para limitar o eliminar dicha resonancia.

Otros factores que pueden provocar fallos en las piezas móviles incluyen fallos en los sistemas de refrigeración y lubricación de una máquina. [ 8 ]

Un último factor particular relacionado con la falla de las piezas móviles es la energía cinética. La liberación repentina de la energía cinética de las piezas móviles de una máquina provoca fallas por sobrecarga si una pieza móvil se ve impedida en su movimiento por un objeto extraño. Por ejemplo, considérese una piedra atascada en las aspas de un ventilador o hélice, o incluso el proverbial obstáculo inesperado . [ 8 ] (Véase el apartado de daños por objetos extraños para un análisis más detallado).

Energía cinética de las partes móviles de una máquina

La energía cinética de una máquina es la suma de las energías cinéticas de sus partes móviles individuales. Una máquina con partes móviles puede, matemáticamente, tratarse como un sistema conectado de cuerpos, cuyas energías cinéticas se suman simplemente. Las energías cinéticas individuales se determinan a partir de las energías cinéticas de las traslaciones y rotaciones de las partes móviles alrededor de sus ejes. [ 9 ]

La energía cinética de rotación de las partes móviles se puede determinar observando que todo sistema de partes móviles se puede reducir a una colección de cuerpos conectados que giran alrededor de un eje instantáneo, que forman un anillo o una porción de un anillo ideal, de radioa{\displaystyle a}girando ennorte{\displaystyle n}revoluciones por segundo . Este anillo ideal se conoce como volante equivalente , cuyo radio es el radio de giro . La integral de los cuadrados de los radios de todas las partes del anillo con respecto a su masa.∫a2dmetro{\displaystyle \int a^{2}dm}, también expresable si el anillo se modela como una colección de partículas discretas como la suma de los productos de esas masas y los cuadrados de sus radios∑k=0nortemetrok×ak2{\displaystyle \sum _{k=0}^{n}m_{k}\times a_{k}^{2}}es el momento de inercia del anillo , denotadoI{\displaystyle I}. La energía cinética rotacional de todo el sistema de partes móviles es12Iω2{\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}}, dóndeω{\displaystyle \omega } es la velocidad angular de las partes móviles alrededor del mismo eje que el momento de inercia. [ 9 ] [ 10 ]

La energía cinética de traslación de las partes móviles es12metrov2{\displaystyle {\frac {1}{2}}mv^{2}}, dóndemetro{\displaystyle m}es la masa total yv{\displaystyle v}es la magnitud de la velocidad . Esto da la fórmula para la energía cinética total de las partes móviles de una máquina como12Iω2+12metrov2{\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}+{\frac {1}{2}}mv^{2}}. [ 9 ] [ 10 ]

Este diagrama de ingeniería (que ilustra el principio en el diseño cinemático de que el uso de tipos/números incorrectos de enlaces mecánicos puede hacer que las partes fijas se tambaleen [ 6 ] ) muestra el movimiento de las partes tambaleantes con un contorno sólido de la parte móvil en una posición en un extremo de su movimiento y un contorno de línea fantasma de la parte en la posición en el otro extremo.

Representación de piezas móviles en diagramas de ingeniería

En el dibujo técnico , las partes móviles se designan, convencionalmente, dibujando el contorno sólido de la parte en su posición principal o inicial, con un contorno adicional de la parte en una posición secundaria, movida, dibujada con una línea fantasma (una línea compuesta por secuencias de "punto-punto-raya" de dos segmentos de línea cortos y uno largo). [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Estas convenciones están consagradas en varias normas del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos , incluida la ASME Y14.2M publicada en 1979. [ 14 ]

En las últimas décadas, el uso de la animación se ha vuelto más práctico y generalizado en diagramas técnicos y de ingeniería para ilustrar los movimientos de las piezas móviles. La animación representa las piezas móviles con mayor claridad y permite visualizarlas, junto con sus movimientos, con mayor facilidad. [ 15 ] Además, las herramientas de diseño asistido por computadora permiten simular los movimientos de las piezas móviles, lo que permite a los diseñadores de máquinas determinar, por ejemplo, si las piezas móviles de un diseño dado se obstruirían mutuamente o colisionarían mediante una simple inspección visual del modelo informático (animado), en lugar de que el diseñador realice un análisis numérico directamente. [ 16 ] [ 17 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ VB Bhandari (2001). Introducción al diseño de máquinas . Tata McGraw-Hill. pág.  1. ISBN 9780070434493.
  2. ↑ Thomas Minchin Goodeve (marzo de 2007). Los elementos del mecanismo (edición reimpresa de Read Books 2007 ). Londres: Longman, Green, Longman y Roberts. pág. 1. ISBN   9781406700497.
  3. ↑ Alden J. Balmer (2008). Doc Fizzix Mousetrap Racers: The Complete Builder's Manual . Fox Chapel Publishing. pág. 32. ISBN  9781565233591.
  4. 1 2 Steven T. Moeller (2002). Eficiencia energética: problemas y tendencias . Nova Publishers. pág. 57. ISBN  9781590332016.
  5. ↑ Trevor Linsley (2008). Trabajos avanzados de instalación eléctrica (5.ª ed.). Newnes. 216 págs . ISBN   9780750687522.
  6. 1 2 Edgar Bright Wilson (1952). Introducción a la investigación científica . Libros Dover que explican la ciencia (edición reimpresa de 1991 ). Courier Dover Publications. págs. 104–105 , 108. ISBN   9780486665450.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
  7. ↑ Wakelin, RJ (1974). "Tribología: La fricción, lubricación y desgaste de las piezas móviles". Annual Review of Materials Science . 4 : 221–253 . Bibcode : 1974AnRMS...4..221W . doi : 10.1146/annurev.ms.04.080174.001253 .
  8. 1 2 3 M. T. Todinov (2007). Análisis de fiabilidad basado en el riesgo y principios genéricos para la reducción del riesgo . Elsevier. págs. 208-209 . ISBN  9780080447285.
  9. 1 2 3 Russell C. Hibbeler (2009). Mecánica de la ingeniería: Dinámica (12.ª ed.). Prentice Hall. págs. 457–458 . ISBN   9780136077916.
  10. 1 2 James Henry Cotterill (1884). Mecánica aplicada. Una introducción general elemental a la teoría de estructuras y máquinas. Con diagramas, ilustraciones y ejemplos (edición reimpresa de Adegi Graphics LLC ). Londres: Macmillan & Co. págs. 212–215 . ISBN   9781421257013.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
  11. ↑ Jack Lo y David Pressman (2007). Cómo hacer dibujos de patentes: Una guía práctica para patentar (5.ª ed.). Nolo. 226 págs . ISBN   9781413306538.
  12. ↑ David A. Madsen (2001). Dibujo y diseño de ingeniería . Serie de dibujo técnico de Delmar (3.ª ed.). Cengage Learning. pág. 48. ISBN   9780766816343.
  13. ↑ Cecil Howard Jensen y Jay D. Helsel (1985). Fundamentos del dibujo técnico (2.ª ed.). Gregg Division, McGraw-Hill. 28 págs . ISBN   9780070325340.
  14. ↑ Paul H. Wright (2002). Introducción a la ingeniería . Serie Wiley Desktop Editions (3.ª ed.). John Wiley and Sons. págs. 155–156, 171. ISBN   9780471059202.
  15. ↑ David L. Goetsch; William Chalk; John A. Nelson (1999). Dibujo técnico . Serie de gráficos técnicos de Delmar (4.ª ed.). Cengage Learning. págs. 452, 456. ISBN   9780766805316.
  16. ↑ Peter P. Comninos (1989). «Gráficos por ordenador y animación para diseñadores de interiores e industriales». En John Lansdown; Rae A. Earnshaw (eds.). Ordenadores en el arte, el diseño y la animación . Springer. pp. 216-217 . ISBN  9780387968964.
  17. ↑ Philip Steadman (1989). «Asistencia informática al proceso de diseño». En John Lansdown; Rae A. Earnshaw (eds.). Ordenadores en el arte, el diseño y la animación . Springer. 158 págs . ISBN  9780387968964.

Lecturas adicionales