DISEÑO Y SIMULACIÓN DE LA BANCADA DE UN BANCO DE ENSAYOS PARA BOMBAS HIDRÁULICAS

Merino Llorente, M.^2p; Lara Feria, A.¹; Montero Prieto, A.⁵; Pérez Rueda A.³; Calvo Fernández, A.⁴.

RESUMEN

Ante la competencia existente en el mercado de las bombas hidráulicas, se proyecta la construcción de un nuevo banco de ensayos de bombas hidráulicas, imprescindible tanto para el desarrollo del producto como para las preceptivas pruebas de recepción por parte del cliente. Este banco dispondrá de potencia, capacidad y equipamiento necesarios para abordar pruebas de recepción de modelos de bombas con más prestaciones, satisfaciendo así las especificaciones de las normas actuales. Este nuevo banco requiere una nueva bancada para las bombas de eje horizontal que permita el acoplamiento de las máquinas al circuito hidráulico, a los servicios auxiliares, a la instrumentación, y a los motores en las condiciones de robustez y rigidez necesarias.

El objetivo del presente trabajo ha sido realizar un análisis estático de esta bancada mediante el uso de un programa de diseño y simulación I-DEAS (Integrated Design Engineering Analysis Software). Este trabajo ha consistido en el modelado, simulación y cálculo de la bancada para dicho banco de ensayos. A partir de la geometría y propiedades de las diferentes piezas de las que consta, se procede al modelado y mallado. Con la descripción de las cargas y condiciones de contorno, se efectúa la solución de los distintos modelos considerados mediante el método de elementos finitos, cuyos resultados son las deformaciones y tensiones que aparecen en la bancada. Y por último, se lleva a cabo la comparación de los resultados obtenidos con los criterios de fallo para materiales dúctiles impuestos en el diseño, para evaluar la posibilidad de fallo mecánico por rotura frente a cargas estáticas a partir del cálculo de los coeficientes de seguridad.

El proyecto global es de gran importancia, puesto que en España no existen bancos de estas características. Los resultados conseguidos se utilizarán en la construcción real del banco de ensayos en una empresa española.

1. INTRODUCCIÓN.

Las bombas hidráulicas representan, en el conjunto de bienes de equipo, uno de los productos de uso más frecuente a nivel mundial. A medida que las bombas son de mayor tamaño y para usos más críticos, su selección y recepción se hace más tecnificada interviniendo no sólo el precio sino el buen rendimiento, la estabilidad de la curva característica, el comportamiento mecánico, la calidad de fabricación, etc., que se desarrolla a partir de estudios técnicos y ensayo en banco de pruebas y, una vez ofertado, se recepciona por parte del cliente también en banco.

Dada la competencia en este mercado, se ha proyectado la construcción de un nuevo banco de ensayos de bombas hidráulicas en una empresa española que oferta bombas volumétricas alternativas y bombas centrífugas de cámara partida. El nuevo banco de ensayos se hace imprescindible tanto para el desarrollo del producto como para las preceptivas pruebas de recepción por parte del cliente. Dicho banco dispondrá de la potencia, capacidad y equipamiento necesarios para abordar las pruebas de recepción de modelos de bombas con más prestaciones, satisfaciendo así las especificaciones más estrictas de las normas actuales: DIN, ISO, clase B y C, y las normas API. El banco estará preparado para dar cabida a diferentes tamaños de bombas y a motores de varias potencias y en él se tendrá la posibilidad de realizar ensayos de bombas a velocidad real.

En España no existen bancos de estas características, siendo necesario acudir a otras empresas en el exterior para poder llevar a cabo los ensayos exigidos tanto por las normas como por los clientes, lo cual encarece enormemente el proceso.

El nuevo banco requerirá una nueva bancada para las bombas de eje horizontal que permita el acoplamiento de las máquinas al circuito hidráulico, a los servicios auxiliares, a la instrumentación, y a los motores en las condiciones de robustez y rigidez necesarias. En el diseño de la bancada es necesario un estudio preliminar de su resistencia mecánica, con el fin de evitar posibles accidentes y averías. Para ello se llevará a cabo un estudio de las tensiones y los desplazamientos que aparecen en la misma realizándose una simulación mediante un programa informático.

En este trabajo se ha llevado a cabo un análisis estático de la bancada que servirá de base a las bombas hidráulicas de eje horizontal que se van a ensayar y a los motores acoplados a las mismas. Para este análisis se ha procedido al modelado, simulación y cálculo de la bancada, utilizando para ello el programa de diseño y simulación I-DEAS, con el cual se ha efectuado el modelado de la bancada, y el cálculo de tensiones y deformaciones mediante el método de los elementos finitos.

2. CONTENIDO DEL TRABAJO.

Partiendo tanto de las características de funcionamiento de la bancada como de las necesidades de la misma, se ha llevado a cabo el modelado de la bancada dibujando todas y cada una de las piezas que la componen. Posteriormente se han ensamblado las piezas y se ha creado un modelo de elementos finitos, según:

• Pre-procesado: geometría y propiedades físicas de la pieza, mallado, descripción de cargas y condiciones de contorno.
• Resolución: solución del modelo de elementos finitos.

• Post-procesado: estudio de los desplazamientos y las tensiones que aparecen, y comparación de los resultados con los criterios de fallo impuestos en el diseño.

Se han considerado como condiciones del análisis aquellas en las que la bancada esté sometida a las mayores solicitaciones posibles, es decir, a las máximas cargas sobre la bancada durante un ensayo: pesos máximos de los motores y las bombas a ensayar, y máximas cargas admisibles en la aspiración y la impulsión.

Bajo estas solicitaciones se han considerado distintos modelos que se han simulado su comportamiento ante dichas cargas, y mediante el uso del método de los elementos finitos se han calculado tensiones, deformaciones y desplazamientos, para poder llevar a cabo el análisis estático en cada uno de los modelos.

Por último, se han evaluado y se han analizado los resultados obtenidos, para comprobar si las tensiones y los desplazamientos obtenidos son admisibles para asegurar el buen funcionamiento de la bancada en las condiciones de trabajo.

Partiendo de las distintas teorías de fallo existentes para materiales dúctiles (esfuerzo normal máximo, deformación normal máxima, esfuerzo cortante máximo y teoría de Von Mises), se ha evaluado la posibilidad de fallo mecánico por rotura frente a cargas estáticas a partir del cálculo de los coeficientes de seguridad.

3. MODELADO DE LA BANCADA.

Un primer paso en el análisis de una pieza es realizar el modelado geométrico. El material elegido para el modelado de la bancada y su posterior construcción es el acero ASTM A36, por sus buenas propiedades mecánicas. Es un acero al carbón soldable muy común en aplicaciones estructurales. Casi todas estas piezas se han generado por extrusión a partir de una superficie plana. Una vez dibujadas todas mediante la aplicación de diseño del programa I-DEAS, se procede a la unión de las mismas para obtener el modelo final (Figura 1).

Figura 1 - Bancada completa.

En la parte de la izquierda de la bancada irá colocada la bomba a ensayar y en la derecha se situará el motor, y uniendo bomba y motor irá colocado el acoplamiento.

Todo el entramado de vigas, columnas, chapas, etc., que sirven de base para el motor, constituye una plataforma que se ha denominado base del motor. Esta base del motor existe para que los ejes de bomba y motor se encuentren a la misma altura y estén alineados. Para la construcción de la base del motor (Figura 2) se han dispuesto unas vigas y unas columnas formando una estructura, de perfiles U-100 y L-120. Esta estructura se completa con unas chapas alrededor de ella que transmitirán el peso del motor a la base, y con dos placas de apoyo al motor.

La bancada propiamente dicha, sobre la que se ha realizado el análisis de tensiones por el método de los elementos finitos, la componen la base común de la bomba y motor. En dicho análisis, el efecto de la base del motor sobre la bancada es considerado como una carga distribuida más.

Los elementos constructivos que componen la bancada son: dos vigas longitudinales formadas a partir del perfil U-220, ocho vigas transversales a partir del perfil U-220, chapa rectangular colocada sobre las vigas, borde inferior a lo largo de todo el perímetro de la bancada con 10 agujeros roscados M16 para los tornillos de nivelación y dos placas rectangulares donde se apoyará la bomba a ensayar. El aspecto de la bancada, unidos todos los elementos, se representa en la figura 3.

Tras el modelado de la bancada, se efectúa el análisis de tensiones sobre la bancada. Para ello es necesario realizar el mallado de la bancada, proceso de discretización o generación de la malla, que consiste en descomponer el sistema en elementos.

Figura 2 - Base del motor.

Figura 3 - Bancada.

Hay zonas malladas de forma automática y otras semiautomática, previamente delimitadas. Además, también hay que delimitar las regiones que, aún llevando un mallado automático, se mallan con tamaños de elementos distintos. Para dividir las piezas en regiones con mallados diferentes se realizan lo que se denomina particiones. Estas particiones también puede ser necesario realizarlas para delimitar las superficies sobre las que se aplican las cargas. Habiendo efectuado las particiones, se procede a mallar el modelo. El mallado de forma semiautomática ha sido el de aquellas zonas de perfiles que no se "cruzan" con otro perfil perpendicular a ellos. Estos mallados se han generado por extrusión a partir de mallados superficiales. Tras la extrusión se forman prismas rectos o triangulares a partir de los cuadrados o triángulos del mallado superficial. Tras la generación de toda la malla de la bancada se obtuvo el mallado de la figura 5.

Figura 5 - Mallado de la bancada.

Una vez mallada toda la pieza y con las particiones apropiadas para la aplicación de las cargas, se aplican las solicitaciones a las que va ser sometida.

4. SIMULACIÓN Y RESULTADOS OBTENIDOS.

El paso siguiente es la aplicación sobre el modelo de las cargas y restricciones que actúan sobre la bancada. Las condiciones de contorno hacen referencia a la restricción del suelo de la bancada y a las diversas cargas aplicadas. Un primer grupo de cargas aplicadas sobre la bancada serán aquellas debidas al peso de cada componente colocado sobre la misma (bomba, acoplamiento, motor y base del motor). La distribución de éstas se representa en la figura 6.

Figura 6 - Cargas sobre la bancada.

Existe un segundo grupo de cargas que hacen referencia a las máximas cargas admisibles en las bocas de aspiración y de impulsión de la bomba a ensayar. Estas cargas, fuerzas y momentos, se van a transmitir a la bancada a través de la bomba, de forma que esas cargas actúan en las placas de apoyo de las bombas. Se han considerado los casos extremos en los que las fuerzas y momentos en la aspiración y en la impulsión son máximos. Con esto se consiguen una serie de casos extremos a simular (ocho en total), en los que podrían producirse las tensiones más elevadas. Con ello se aseguraría que en caso de que las cargas en aspiración e impulsión fueran inferiores a las máximas admisibles, la bancada no estaría sometida a unas solicitaciones tan elevadas como en los casos ensayados.

Una vez aplicadas las condiciones de contorno, se resuelve el modelo para obtener así tensiones, deformaciones, desplazamientos, etc., que aparecen en la bancada. Los resultados se representan en mapas de colores, donde se aprecian las zonas donde se producen los máximos valores. En la figura 7 se muestra un mapa de desplazamientos para un estado de cargas determinado y en la figura 8 se representa un mapa de colores de las tensiones. En la zona donde se cruzan los perfiles se producen las tensiones más elevadas en los distintos modelos considerados (Figura 9).

Figura 7 - Mapa de desplazamientos.

Figura 8 - Distribución de tensiones en la bancada.

Figura 9 - Detalle de la zona de máximas tensiones.

A partir de las tensiones obtenidas y de los diferentes criterios de fallo para materiales dúctiles se obtienen los factores de seguridad.

5. CONCLUSIONES

Las principales conclusiones extraídas tras el análisis estático de la bancada son:

• Cualquier estado de cargas que aparezca en la misma, en condiciones normales de funcionamiento de las bombas, producirá tensiones inferiores a las obtenidas en la simulación, con lo cual se garantiza la seguridad de la bancada.

• El análisis estático revela que la bancada es segura frente a rotura, obteniéndose a partir de las tensiones unos coeficientes de seguridad superiores a 3.

• Debido al buen diseño de la bancada, las deformaciones que sufre son mínimas, por lo que no existirá peligro de desalineación entre bomba y motor.

Por todo ello, el modelo de bancada empleado en este trabajo constituye una solución satisfactoria y admisible para su implementación en el nuevo banco.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

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[14] Exploring I-DEASÔ Simulation: Finite Element Modeling, Model Solution and Optimization. Structural Dynamics Research Corporation, 1998.

7. CORRESPONDENCIA.

Merino Llorente, Marta

Depto de Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Materiales. Universidad de Valladolid.

E.T.S. de Ingenieros Industriales. Paseo del cauce s/n. 47011 Valladolid

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