Arqueologia Industrial. El Museu del Ferrocarril de Catalunya

PROJECTE FINAL DE CARRERA TÍTOL: Arqueologia Industrial. El Museu del Ferrocarril de Catalunya AUTORS: Admetlla Marimon, Oriol Escolà Fernández, Marc TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial Especialitat en Mecànica DIRECTOR: Manuel López Membrilla DEPARTAMENT: Expressió Gràfica DATA: 26 de Juny de 2013 TÍTOL: Arqueologia Industrial. Museu del Ferrocarril de Catalunya. COGNOMS: Admetlla Marimon NOM: Oriol Escolà Fernández Marc TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial ESPECIALITAT: Mecànica PLA: 1995 DIRECTOR: Manuel López Membrilla DEPARTAMENT: Expressió Gràfica QUALIFICACIÓ DEL PFC TRIBUNAL PRESIDENT SECRETARI VOCAL Juan José Aliau Pons Pedro Andrada Gascon Dolores López Membrilla DATA DE LECTURA: 9 de Juliol de 2013 a les 10:00 h Aquest Projecte té en compte aspectes mediambientals:  Sí No PROJECTE FI DE CARRERA RESUM (màxim 50 línies) Aquest projecte consisteix bàsicament en la realització d’un estudi d’arqueologia industrial de les instal·lacions ferroviàries i sobretot d’un pont giratori de principis del segle XX fabricat per l’empresa MZA (Madrid, Zaragoza, Alicante) que es troben ubicades al Museu del Ferrocarril de Catalunya, a Vilanova i la Geltrú. La funció principal d’aquest pont giratori era la de adreçar les locomotores, que venien diàriament al dipòsit de locomotores de Vilanova, a les diferents vies de la cotxera o taller, per poder realitzar les tasques de manteniment rutinàries. L’objectiu del projecte ha estat recopilar el màxim d’informació possible sobre aquestes instal·lacions i realitzar-ne un model tridimensional, analitzant i comprenent tots els seus mecanismes i el seu funcionament, i poder realitzar vàries simulacions i animacions del modelat. Paral·lelament a la realització dels diferents models tridimensionals, també s’ha realitzat una recerca de documentació històrica en diferents arxius per mirar d’entendre millor els mecanismes de l’època i els corresponents aspectes tècnics. Per poder il·lustrar millor el projecte s’han renderitzat alguns dels models obtinguts per donar una imatge més realista dels mecanismes que composen el pont i les altres instal·lacions estudiades, ja que molts d’aquests estan ocults i no poden ser fotografiats des de cap angle que mostri la seva complexitat. Una altre cosa que s’ha fet per entendre millor el funcionament dels mecanismes i la relació entre aquests han estat una sèrie de simulacions de moviment, en les que es pot veure perfectament la relació que hi ha entre els diferents components d’un mateix sistema. Finalment, també s’han realitzat alguns càlculs mecànics per verificar tant el moviment de la placa com la resistència dels components o les sol·licitacions a les que aquesta està sotmesa. Paraules clau (màxim 10) Pont giratori Rotonda Modelat 3D Transmissió Dipòsits ferroviaris d’aigua Arqueologia Industrial Patrimoni tècnic Simulacions Museu del Ferrocarril de Catalunya Mecanismes ferroviaris Index 1. Introducció ................................................................................................................................ 8 2. Objectius .................................................................................................................................... 9 3. Antecedents històrics .............................................................................................................. 10 3.1. Context històric ............................................................................................................... 10 ..................................................................... 10 ................................................................... 10 .............................................. 11 3.2. Instal·lacions del Museu .................................................................................................. 13 ............................................................................................................ 13 ........................................................ 14 ..................................................................................................... 14 3.3. La MZA: Madrid, Zaragoza y Alicante .............................................................................. 16 3.4. La Electricidad .................................................................................................................. 17 4. Situació geogràfica .................................................................................................................. 18 5. Descripció del pont giratori ..................................................................................................... 19 5.1. Classificació del pont giratori del MFC ............................................................................ 19 .................................................................................................. 19 ....................................................................................................... 20 .......................................................................................................... 21 5.2. Descripció dels components i les parts mecàniques ....................................................... 24 .................................................................................................................... 24 ................................................................................................ 24 ..................................................................................... 25 ..................................................................... 25 ............................................................................................................ 25 ............................................................................................................... 26 ............................................................................. 26 ................................................................................................. 27 .................................................................................... 27 5.3. Descripció de les parts elèctriques .................................................................................. 28 ............................................ 29 ...................................................................................... 31 5.4. Principi de funcionament ................................................................................................ 32 6. Justificació del model presentat .............................................................................................. 33 6.1. Primer contacte amb les estructures del projecte .......................................................... 33 6.2. Recerca documental ........................................................................................................ 34 6.3. Entrevista ......................................................................................................................... 35 6.4. Visites .............................................................................................................................. 36 ...................................................................................................................... 36 ......................................................................................................... 36 6.5. Patrimoni industrial. ........................................................................................................ 38 7. Eines per al modelat, animació i simulació ............................................................................. 41 7.1. Instruments de mesura ................................................................................................... 41 7.2. Eines CAD ......................................................................................................................... 44 ................................................................................................. 44 ...................................................................................................... 44 .............................................................................................. 45 8. Desenvolupament del model tridimensional i de l’animació dels conjunts ........................... 46 8.1. Obtenció de les mesures dimensionals ........................................................................... 46 8.2. Modelat dels diferents components ............................................................................... 48 ................................................................................................................ 48 ............................................................................................................ 52 ..................................................................................................................... 55 ............................................... 56 .................................................................................................................. 57 ..................................................................................................... 58 ................................................. 59 8.3. Renders ............................................................................................................................ 60 8.4. Animacions ...................................................................................................................... 65 9. Determinació del material del pont giratori............................................................................ 66 9.1. Obtenció de les mostres .................................................................................................. 66 9.2. Preparació de les mostres ............................................................................................... 67 9.3. Observació de les mostres............................................................................................... 69 9.4. Determinació del material ............................................................................................... 77 9.5. Conclusions de l’anàlisi dels materials ............................................................................ 78 10. Càlculs i simulacions ............................................................................................................ 79 10.1. Càlculs de la dinàmica del sistema .............................................................................. 79 ....................................................................... 80 .............................................. 82 10.2. Càlcul de sol·licitacions de la estructura del pont ....................................................... 84 ..................................................................................... 84 .......................................................................... 87 10.3. Càlculs de la cinemàtica dels engranatges i la relació de transmissió ........................ 90 .............................................................................. 90 ............................................................................... 91 ............................................................................................ 91 ............................................................ 92 ...................................................................................... 94 10.4. Càlculs del parell motor del sistema motriu ................................................................ 96 ................................................................................................... 96 ...................................................................................... 98 10.5. Dimensionament de l’eix central ............................................................................... 101 ...................................................................................................... 101 ................................................................................................................ 102 10.6. Simulació d’elements finits de l’eix central ............................................................... 103 .............................................................................................. 103 .............................................................................................. 105 ..................................................................................................... 107 11. Plànols 2D de les diferents instal·lacions i components modelats ................................... 108 12. Pressupost ......................................................................................................................... 109 13. Conclusions ........................................................................................................................ 112 14. Bibliografia ......................................................................................................................... 113 14.1. Publicacions escrites .................................................................................................. 113 14.2. Planes Web ................................................................................................................ 114 15. Agraïments ........................................................................................................................ 115 Annexes ......................................................................................................................................... 116 7 8 1. Introducció En aquest projecte es mostra una extensa recerca històrica sobre el Museu del Ferrocarril de Catalunya i les seves instal·lacions ferroviàries. Els elements que s’han estudiat són: el pont giratori ubicat al centre de la Rotonda, la cotxera o hangar que envolta el pont, i els dipòsits d’aigua, que es troben a la part posterior de la rotonda I que servien per a les tasques de manteniment diàries de les locomotores. Després d’estudiar aquests tres elements se n’ha realitzat un model tridimensional. Aquests models han desenvolupats a partir de mesures extretes directament sobre aquestes instal·lacions, per això podem dir que són uns models fidels a la realitat. En el cas del pont giratori, a part de realitzar el model tridimensional, també se li han realitzat anàlisis i simulacions, tant d’esforços com de moviment, per poder comprendre millor el funcionament dels mecanismes i la relació entre aquests. Per veure també el dimensionament de les peces i el components que el formen s’han realitzat alguns càlculs per verificar analíticament els resultats obtinguts. La realització d’un projecte final de carrera sempre ha de servir per poder utilitzar tot el coneixement adquirit durant el període d’estudis de la titulació. També serveix per poder desenvolupar una metodologia de treball i una planificació. En el cas d’aquest projecte apareixen molts dels coneixements adquirits en la titulació, la gran majoria en els càlculs desenvolupats durant el projecte, però també apareixen en l’anàlisis dels resultats, la recerca i recopilació d’informació i en la utilització d’eines de mesura. La realització d’aquest projecte és un elogi i una manera d’agrair l’enginyeria que es duia a terme fa més de cents anys, que sense els coneixements ni medis que hi ha avui en dia, es podien construir estructures i mecanismes que suposaven grans avenços i revolucionaven el mon sencer. 15 Se’n van posar tres degut al gran nombre de locomotores a les que se’ls havia de proporcionar aigua cada dia. Els dipòsits servien com a reserva d’aigua. Aquesta arribava de Santa Oliva mitjançant unes canonades destinades expressament a aquesta finalitat. Així dons servien per a garantir un volum d’aigua considerable en qualsevol moment, ja que de vegades l’aigua de la xarxa no era suficient per a abastir totes les necessitats. L’arribada d’aigua era constant, i per tan, els dipòsits sempre estaven plens. No hi havia cap mecanisme per omplir-los, sinó que s’omplien directament per gravetat, ja que el municipi d’on provenia estava situat a més alçada. Els dipòsits tenien dues sortides d’aigua, una que connectava amb el taller i l’altre amb l’estació de tren. A l’estació s’abastia un dipòsit que servia per omplir les calderes de les locomotores que hi feien parada. Al taller servia per a netejar l’interior de les calderes de les màquines mitjançant aigua a pressió amb la ajuda d’una bomba, i a través d’uns orificis específics de les calderes, treien les incrustacions de calç que s’havien format a l’interior. Després omplien la caldera amb una presa d’aigua que hi havia al mateix pati de la rotonda. Arran dels problemes de calcificació que donava l’aigua i de l’ebullició que es produïa a la caldera i que falcejava el nivell d’aigua, es va instal·lar una màquina de tractament de l’aigua a l’interior del peu del dipòsit central per a descalcificar l’aigua. Imatge 6 Dipòsits d'aigua del Museu del Ferrocarril 16 3.3. La MZA: Madrid, Zaragoza y Alicante Tan el pont giratori com els dipòsits d’aigua que es troben a les instal·lacions del Museu del Ferrocarril de Catalunya van ser encarregats a la empresa ferroviària Compañia de los Ferrocarriles de Madrid, Zaragoza y Alicante, coneguda com la MZA. Aquesta empresa va ser fundada al 31 de Desembre de l’any 1856 per José de Salamanca Mayol i no va parar de créixer fins a fer-se un de les majors empreses del sector ferroviari a España, rivalitzant amb la Compañia de los Caminos de Hierro del Norte de España. La empresa es dedicava a la fabricació de locomotores i a la gestió de les línies de ferrocarril però també construïa estacions de tren i les diferents estructures que es trobaven als tallers de reparació i manteniment com el de Vilanova i la Geltrú. A partir de l’any 1885, i un cop consolidada a la resta d’Espanya, es va començar a interessar en Catalunya, on veia la possibilitat de fusionar-se amb la Companyia dels ferrocarrils de Tarragona a Barcelona i França per unificar la línia de Barcelona a Saragossa amb la de Madrid a Saragossa i unificar les dues metròpolis més importants d’Espanya, fusió que finalment va aconseguir en detriment de la Compañia de los Caminos de Hierro del Norte de España. Amb la arribada de la Guerra Civil i el posterior estat franquista es va decretar la nacionalització de tots els ferrocarrils, i la empresa MZA va desaparèixer oficialment a l’1 de Juliol de l’any 1941, entrant a formar part de la recent creada RENFE. 10 anys abans, al Març de 1913, es va encarregar el disseny del pont giratori de 23 metres que es troba avui en dia al Museu de Vilanova fet a semblança del que ja hi havia a Girona. El projecte incloïa la construcció del pont juntament amb la ampliació de la rotonda, per tal de donar cobertura a la reparació de les locomotores de la línia de Barcelona a Tarragona i Mora tan per la línia que recorria el litoral com per la línia que passava per Martorell. La empresa també es va encarregar de la construcció dels dipòsits d’aigua, amb un disseny estàndard que es pot trobar a vàries instal·lacions d’arreu del país però de la qual no n’hem trobat cap tipus d’informació. Imatge 7 Plànols d'un pont giratori de 23 m de la MZA i encàrrec de la reconstrucció del dipòsit de Vilanova 17 3.4. La Electricidad Tant el comandament del pont giratori com el motor elèctric tenen plaques identificatives de La Electricidad Sabadell, i imaginem que la primera instal·lació elèctrica que va tenir el pont també la va fer la mateixa companyia. Joan Brujas Pellisser va ser un empresari del sector tèxtil d’aparells i acabats que va ser pioner de l'electricitat a Sabadell. L'any 1894 va construir una central elèctrica a la plaça del Duc de la Victòria (ara plaça del Gas), moment en què aconseguí un contracte amb l'Ajuntament de Sabadell per il·luminar els carrers del centre de la ciutat. Aquest primer enllumenat públic va conviure amb la il·luminació preexistent dels fanals de gas i de petroli. Joan Brujas Pellisser va ser un personatge molt reconegut en el món empresarial, social i financer sabadellenc: president del Gremi de Fabricants entre els anys 1897 i 1898, també fou president de l'Orfeó de Sabadell (1911-1913) i entre els anys 1912-1920 exercí el càrrec de director president de la Caixa d’Estalvis de Sabadell. El 1897 l’empresari tèxtil Joan Brujas Pellisser va fundar junt amb l’enginyer Emilio Fréne i amb E. Rafael Agazzi la empresa anomenada La Electricidad, que es dedicava a instal·lacions i maquinària elèctrica per als rams de l’enllumenat elèctric, la producció i la transmissió de força i telefonia. El 1977 treballaven a l'empresa uns 500 treballadors. El 2000 la fàbrica de Sabadell va deixar la seva activitat industrial. La nau que es conserva va ser construïda als anys 40 del segle XX i, en l'actualitat, acull la Fira de Sabadell. La Electricidad, des de la fundació fins al tancament definitiu quan va passar a formar part de l’actual corporació multinacional Asea Brown Boveri (ABB), l’any 2000, ha estat una de les empreses emblemàtiques més importants de producció de motors i maquinària elèctrics en l’àmbit local, català i espanyol. Imatge 8 Joan Brujas Pellisser Imatge 9 Fabrica de La Electricidad 18 4. Situació geogràfica El pont giratori i les instal·lacions estudiades estàn situades a les antigues instal·lacions del dipòsit de locomotores de Vilanova i la Geltrú, on actualment es troba el Museu del Ferrocarril de Catalunya. Aquest museu es troba a la Plaça Eduard Maristany de Vilanova i la Geltrú, a 75 metres de la estació de Renfe i de la Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Vilanova i la Geltrú. Museu del Ferrocarril de Catalunya Situació del Museu dins de Vilanova i la Geltrú Dins de les instal·lacions del museu, el pont giratori es troba a la zona exterior, al mig de la Rotonda que antigament servia com a dipòsit de locomotores per al seu manteniment i reparació. Rotonda Pont giratori Dipòsits d’aigua Vista en planta del Museu del Ferrocarril 19 5. Descripció del pont giratori 5.1. Classificació del pont giratori del MFC De mecanismes de gir de vehicles ferroviaris n’hi havia de tres tipus diferents, que són: les plaques giratòries, els ponts giratoris i els ponts placa. Cada tipus de mecanisme té les seves particularitats i característiques, així que abans d’entrar a definir el pont giratori de Vilanova s’han definit aquests tres mecanismes. 5.1.1. La placa giratòria Les plaques giratòries eren els mecanismes de gir més petits. La mida màxima que tenien aquests elements era de 6 metres i només servien per a girar vagons, ja sigui per a encarar-los cap a una via perpendicular que es dirigís per exemple a uns tallers com per invertir-ne la direcció. Estaven formats per una placa circular amb quatre rails entrecreuats formant dues vies perpendiculars. Aquesta placa era rígida i reposava sobre varis rails circulars concèntrics, repartits al llarg de la superfície d’aquesta per a repartir el pès que suportava. Com que es tractava d’elements bastant reduïts i recolzats en diferents punts de forma concèntrica, no es necessitava una estructura gaire robusta per a suportar el pès i per tan no es requeria de fossat, n’hi havia prou amb un forat de menys d’un metre de profunditat que quedava totalment cobert per la placa. En aquest cas l’accionament solia ser manual, i es realitzava directament aplicant una força als vagons o mitjançant un cabrestant que s’enganxava directament al vagó per un extrem i es feia girar. Tot i que aquests elements estaven dissenyats per a girar vagons i no locomotores, en països que es troben en un territori elevat com ara Suïssa, on hi neva freqüentment i amb abundància, aquest tipus de mecanismes es feien servir també per a girar les locomotores, ja que en cas d’una nevada intensa, un pont giratori podria quedar inutilitzat en cas que el fossat s’omplís de neu, en canvi, com que les plaques cobreixen totalment el forat on estan instal·lades, no hi ha aquesta possibilitat. En aquest cas, l’accionament era motoritzat. Imatge 10 Esquerra: Placa giratòria convencional. Dreta: Placa giratòria de grans dimensions de Suïssa per a vagons i locomotores 20 5.1.2. El pont giratori Els ponts giratoris es van construir amb la finalitat de girar locomotores, per tan, el seu diàmetre havia de ser major al de les plaques. De ponts giratoris se’n van construir de 15, 17 i 23 metres progressivament com a mides més esteses. Aquestes mides estaven regulades i estipulades per normativa, que establia una mida estàndard de diàmetre però no com es resolia el mecanisme, és a dir, el disseny del pont. Aquests elements estaven formats per una estructura formada principalment per dues monobigues rígides de perfil variable amb un únic punt de suport al centre de l’estructura. Aquest perfil augmentava a mesura que s’acostava al centre ja que és on es produeix la major sol·licitació de tensions degut al propi pes de al estructura i al de les locomotores. La raó de recolzar tota la estructura en un sol punt de suport és que es tractava de mecanismes d’accionament manual, i per tan, per a poder moure-la amb relativa facilitat, ja que els més grans arribaven a pesar unes 70 tones, s’aprofitava la llargada dels braços per a augmentar el moment de la força aplicada als extrems respecte de l’eix central o eix de rotació, és a dir, la llei de la palanca. D’aquesta manera, si el pont estava ben equilibrat i engrassat, amb 1 o 2 operaris es podia fer girar el pont i amb 6 o 8 es podia fer girar el pont amb una locomotora al damunt. Pràcticament tots els elements de la estructura estaven units de forma permanent mitjançant reblons, com la majoria d’unions que es realitzaven a l’època, tot i que quan es va restaurar, la majoria d’unions es van substituir per soldadures. Al tractar-se de bigues rígides, el pont requeria d’un fossat prou profund per a que el perfil de les bigues, que al centre podia arribar a fer més de 1,5 metres d’ànima, pogués girar sense trobar obstacles, així que els fossats s’acostumaven a construir amb una profunditat igual o major als 2 metres de profunditat. Als extrems dels ponts també s’hi instal·laven unes rodes que servien per a evitar que el pont s’inclinés massa quan hi entrava una locomotora o en el cas de que el pes d’aquesta no quedés ben repartit a l’estructura i no es recolzés únicament al centre. Juntament amb les rodes, també s’instal·lava un rail circular al llarg del perímetre del fossat per a que les rodes hi llisquessin si es donava el cas esmentat, tot i que en principi no hi havia d’haver cap tipus de contacte entre aquest i les rodes. Imatge 11 Plànol d'un pont giratori de 23 m de la companyia MZA 21 A la part central de la estructura, s’hi col·locava una peça circular massissa, que és l’element que recolzava la estructura sobre l’eix central. Aquesta anava unida amb vàries barres roscades que la unien amb la estructura del pont i que permetien elevar-lo o baixar-lo per tal d’equilibrar-lo o per a altres necessitats. La part que feia contacte amb l’eix que sosté el pont, variava segons el disseny d’aquest. Un dels més utilitzats eren la cassoleta, és a dir, l’eix tenia un forat a la part superior on s’hi encaixava la tapa. L’altre era al revés, es a dir, l’eix acabava amb un arrodoniment a la part superior i encaixava amb la tapa que tenia un forat amb el mateix arrodoniment. Aquest contacte no es feia directament entre les peces, sinó que s’hi col·locava una funda de bronze a cada peça que minimitzava el fregament. Tot i això, aquest contacte anava engrassat i lubricat per a evitar-ne el desgast i millorar el moviment relatiu entre les dues. A mesura que aquests elements van anar creixent, es van començar a motoritzar per a facilitar-ne l’ús. Així dons, es van acoblar diferents mecanismes, elèctrics o de vapor, a un dels extrems dels ponts que substituïen la força feta pels operaris però seguint el mateix principi de funcionament que en el cas d’actuació manual, pel que el motor no s’unia de forma fixa al pont sinó que es permetia que basculés per a que la roda motriu toqués al rail circular però les rodes dels extrems del pont continuessin elevades. La electrificació dels ponts motoritzats es feia o bé per sota la estructura, a través de l’eix, o bé per sobre, col·locant una estructura a la part superior que contactés amb una línia de corrent aèria. Per tal de permetre que el pont pogués girar sense cap obstacle, la connexió entre la presa de corrent i el pont es feia mitjançant tres anelles de coure que rebien el corrent elèctric de la xarxa i mitjançant tres elements que feien contacte amb aquestes anelles, es transmetia el corrent a través de la estructura del pont fins al motor, situat a un dels extrems. A aquest grup, és al que pertany el Pont Giratori del Museu del Ferrocarril de Catalunya, un pont giratori de 23 metres. 5.1.3. El pont placa Un cop les locomotores van superar la mida màxima per a poder girar en ponts de 23 metres, es va estipular la mida estàndard de 25 metres per a aquest tipus de mecanismes. Arran d’això es va dissenyar un nou tipus de mecanisme que combinava els dos anteriors, el pont placa. Imatge 12 Pont giratori del Museu del Ferrocarril de Vilanova i la Geltrú 22 Com que les tensions que havien de suportar eren més elevades elevades que en els ponts giratoris, es va decidir canviar la estructura rígida per una estructura flexible que es recolzés als extrems del pont, i d’aquesta manera es repartís el pes en diferents punts. Degut a aquest canvi, tots els ponts placa es van dissenyar per a funcionar amb tracció motoritzada, ja que es perdia el principi físic d’aplicació d’un moment a l’extrem d’una estructura recolzada per un únic punt central, i s’havia de fer una força molt més gran per a poder girar la estructura. Així dons, la estructura d’aquests mecanismes, esta formada per dues bigues de secció constant i més reduïda que en el cas dels pont giratoris ja que no patien tants esforços a flexió ni a tallant. Aquestes bigues però no són rígides, sinó que estan dividides en dues parts, cada una forma un braç del pont, i van unides a una peça central de tal manera que els braços puguin flexionar i recolzar-se sobre els extrems. Per tan, aquesta estructura esta recolzada per tres punts de suport, un a cada extrem i un altre a la part central, que també servia per a guiar el moviment giratori del mateix. A mesura que van anar creixent, se’ls hi van incorporar rodes en diferents trams de la longitud dels braços que es desplaçaven a través de rails concèntrics a l’exterior i que permetien recolzar la estructura en més punts. La tracció que li atorgava el moviment giratori es feia per un dels extrems del pont i de forma totalment motoritzada ja que es requeria fer molta més força que en el cas dels ponts giratoris degut a la pèrdua de l’efecte palanca. Imatge 13 Unió flexible entre la part central del pont placa i el braç Imatge 14 Pont placa amb varis punts de suport (en aquest cas 7: tres a cada braç i un a l’eix central) 23 Com a conseqüència de la reducció de la mida de les bigues de la estructura, també es va reduir la mida dels fossats que arribaven a un màxim de 1,55 metres de profunditat. A continuació es pot veure de forma gràfica les principals diferències pel que fa a dimensions entre els ponts giratoris i els ponts placa: - Mida dels perfils i dels fossats En la il·lustració següent, es pot veure la comparativa entre els perfils dels ponts giratoris i dels ponts placa així com la diferència entre els seus fossats. - Eix central Degut a que els ponts placa no recolzaven tot el pes a l’eix central, aquest es feia més petit, i tal i com es pot observar en les il·lustracions, també més sofisticat. Imatge 15 Pont placa amb presa de corrent aèria Imatge 16 Esquerra: pont giratori. Dreta: pont placa Imatge 17 Esquerra: eix central d'un pont giratori. Dreta: eix central d'un pont placa 24 5.2. Descripció dels components i les parts mecàniques El Pont giratori de Vilanova pertany als grup dels ponts giratoris motoritzats construïts per la MZA. A continuació es fa una descripció de les diferents parts i mecanismes característics d’aquest element en concret. 5.2.1. El Pont El pont es l’element central del pont giratori. Té una llargada de 23 metres de punta a punta i disposa d’un rail a la part superior per on hi circulen les locomotores. Es tracta d’un element format per una estructura que descansa sobre de un eix sobre el qual efectua el moviment giratori. Aquesta estructura consisteix en dues grans bigues rígides de perfil variable. Les bigues estan formades per tres xapes diferents, una situada de forma vertical que fa de ànima i dues més situades a la part superior i inferior d’aquesta, tot unit amb reblons. Aquestes bigues estan unides principalment per la part central, pels extrems i amb una successió de perfils entrecreuats units a les bigues al llarg d’aquestes. Sobre d’aquestes bigues s’hi troben els rails per on circulen les locomotores, i tota la estructura queda coberta per unes xapes soldades a la mateixa i a dos perfils en U que recorren els laterals per a poder deixar una plataforma als costats exteriors dels rails. A la part central, hi ha una tapa que és la que es recolza directament a sobre de l’eix central. Aquesta va unida a la estructura amb uns grans turmells que la uneixen a una peça situada a la part inferior. Aquesta turmells també s’utilitzen per a regular la alçada del pont, permetent regular-la per tal d’equilibrar el pont. 5.2.2. Les rodes del Pont Les rodes del pont estan situades als seus extrems, per la part exterior de les bigues. Les grans peces que les sustenten, disposen d’un encaix on hi van col·locats els coixinets, un a cada costat de la roda. Es tracta de coixinets de fricció fets de bronze, i estan formats per dues peces. Els coixinets disposen d’uns greixadors que permeten la constant lubricació de la part que fa contacte amb l’eix. Aquests greixadors estan formats per una caixa situada a la part superior dels coixinets. Al seu interior hi ha un petit orifici que comunica amb la part interior dels coixinets. El pas del lubrificant cap a l’eix es feia mitjançant un fil de cotó que s’unia a una vareta situada a dins del forat. Aquest fil absorbeix el lubricant i el va conduint de mica en mica cap a la vareta i d’aquesta manera entra al forat gota a gota. La cara superior del coixinet presenta una lleugera inclinació per on s’hi desplaça una falca. Mitjançant un sistema roscat, es pot regular la posició de la falca per tal de que el coixinet quedi més ajustat a l’eix o tingui més joc, per tal d’ajustar-lo segons convingui. 31 5.3.2. Parts del motor asíncron  Estator: debanat trifàsic distribuït en ranures de 120 °. Té tres debanats en l'estator. Aquests debanats estan desfasats sent “p” el nombre de parells de pols de la màquina.  Rotor: en aquest trobarem dos tipus bobinatge i Gàbia d'esquirol. En el cas del motor del museu és un rotor Bobinat: el debanat dels rotors són similars a l'estator amb el què està associat. El nombre de fases del rotor no té perquè ser el mateix que el de l'estator, el que si ha de ser igual és el nombre de pols. Els debanats del rotor estan connectats a anells lliscants muntats sobre el mateix eix del motor. Imatge 25 Esquerra: estator del motor. Dreta: Rotor amb anells fregants del motor Imatge 24 Esquema d'un motor elèctric asíncron 32 5.4. Principi de funcionament El funcionament del pont giratori, com s’ha mencionat anteriorment, es porta a terme mitjançant un motor elèctric que transmet el moviment a un sistema d’engranatges que finalment, transmeten aquest moviment a una roda que es desplaça pel carril circular del perímetre del fossat. Però aquest tipus de ponts estaven pensats per a poder ser accionats manualment, així que havien d’aconseguir que el pesat mecanisme es pogués moure de la manera més fàcil possible i sense necessitar grans forces. Aquí és on entra en joc la llei de la palanca. En aquest cas en concret, el que interessa és el moment de la palanca creat al aplicar una força en un punt allunyat del centre de rotació, ja que la força que el provoca és directament proporcional a la distància del punt d’aplicació de la força a l’eix de rotació. Aprofitant aquesta llei física, al reposar tota la estructura en un sol punt que, al ser simètric, coincideix amb el centre de masses, qualsevol força que s’apliqui a una certa distància d’aquest punt es multiplicarà per la distància que els separa, i d’aquesta manera, si el mecanisme es feia girar pels extrems del pont, amb pocs operaris es podia fer girar amb relativa facilitat. Com es pot observar en els plànols originals del pont, abans que es motoritzés, als extrems dels braços hi havia dues barres d’uns 2 metres de llargada que servien tan per a fixar el pont un cop estava encarat a les vies corresponents som per a fer-lo girar, augmentant encara més la distància respecte l’eix central. Després, un cop motoritzat, el pont es va modificar lleugerament i aquestes barres es van escurçar servint només per a fixar la posició del pont. Però tot i la motorització del pont, es va seguir aprofitant aquest fenomen del parell per a realitzar el moviment, de tal manera que la cabina anava unida al pont per un eix, d’aquesta manera la cabina estava en contacte amb el rail i no provocava que els extrems del pont toquessin, i per tan es requeria menys potència per a fer-lo girar. 33 6. Justificació del model presentat 6.1. Primer contacte amb les estructures del projecte Quan es va entrar al Museu del Ferrocarril de Catalunya per primer cop, el primer cop de vista sobre les instal·lacions que s’han estudiat en aquest projecte és que estaven molt ben conservades. Però un cop es va realitzar una inspecció més exhaustiva de les estructures es va poder observar clarament que la majoria dels elements metàl·lics s’havien rovellat degut als efectes que provoca el pas del temps i sobretot la proximitat geogràfica al mar. El primer objectiu va ser començar el projecte per el pont giratori, ja que aquest és el que més destacat del projecte i el que més components té. Al baixar al fossat on es troba aquest mecanisme, es va tenir una bona sensació al veure que feia poc s’havia realitzat un manteniment als principals elements que el formen, com ara les rodes, engreixadors i els coixinets. Aquests havien estat extrets, netejats i engreixats per facilitar la rodadura. El següent pas va ser comprendre el funcionament del pont giratori i dels seus components. En aquest punt es van trobar els punts més crítics de l’estat actual del pont. El pont no girava del tot bé ja que la roda tractora lliscava en certs punts i no hi havia gens de tracció, cosa que provocava que el pont quedés totalment encallat. Mica en mica es van anar solucionant alguns d’aquests problemes, tal i com s’explica en el punt de patrimoni industrial. Pel que fa a la resta d’instal·lacions, es va constatar que necessiten algun manteniment o restauració ja que des de la reutilització de l’espai com a museu del ferrocarril, no s’hi ha desenvolupat cap projecte important. Si que s’ha de dir que just al acabament d’aquest projecte ha començat la restauració de la Rotonda. 34 6.2. Recerca documental En aquest projecte s’ha dut a terme una gran investigació històrica sobre els ponts giratoris, les cotxeres i els dipòsits, ja que es tracta d’un projecte d’arqueologia industrial. Per aquest motiu, per a obtenir més informació abans de començar amb la presa sobre el terreny de les mesures de les diferents instal·lacions, es va decidir de realitzar una recerca d’informació històrica per conèixer millor les estructures que s’havien d’analitzar, per tal de veure si en aquesta informació se’n podia extreure alguna informació que ens facilités la tasca, sobretot pel que fa a la informació tècnica d’aquests elements i els seus components. El primer lloc on es va buscar informació va ser en el propi Museu del Ferrocarril, ja que aquest disposa d’un arxiu històric. Aquí es va fer evident una cosa sobre la història ferroviària, i es que hi ha moltíssima informació sobre les diferents màquines, vagons i fins i tot de les rutes i estacions de tren, però no hi ha pràcticament cap informació sobre les instal·lacions ferroviàries. Finalment el museu ens va aconseguir alguns arxius i documents molt importants, com ara els plànols d’un pont giratori de 23 metres de la companyia ferroviària MZA molt semblant al que hi ha al museu. Aquests plànols antics els podem trobar en l’Annex nº 1 d’aquest projecte. Però com que el de Vilanova i la Geltrú te algunes modificacions respecte el representat en els plànols, es va decidir agafar totes les mesures sobre el terreny. Per aconseguir obtenir més documentació sobre el museu i les seves instal·lacions, es va decidir en anar a fer una recerca a l’Arxiu comarcal del Garraf, ubicat al barri de la Geltrú, a Vilanova i la Geltrú. Allà es va trobar un projecte sobre una antiga remodelació de les instal·lacions, del que en vàrem fer copies d’alguns dels plànols per tenir algunes referencies dimensionals, en aquest cas dels dipòsits d’aigua. Aquests plànols també apareixen en l’Annex nº1 d’aquest projecte. Finalment també s’ha anat realitzant paral·lelament una recerca històrica per internet i en publicacions i revistes especialitzades en aquest camp. Imatge 26 Plànol en planta d'un pont giratori de 23 m de la companyia MZA Imatge 27 Plànols extrets de l'Arxiu Comarcal del Garraf 35 6.3. Entrevista Per a poder obtenir més informació sobre el funcionament i la utilització diària del pont giratori, es va entrevistar al senyor Pedro Jiménez Parra, el qual va explicar anècdotes i informacions sobre el seu pas pel dipòsit de locomotores durant els anys que va estar treballant en els tallers de la RENFE de Vilanova i la Geltrú, actual Museu del Ferrocarril de Catalunya. La entrevista va ser gravada amb una gravadora digital per a poder transcriure posteriorment les dades que consideràvem interessants per el desenvolupament del projecte. Pedro Jiménez Parra, va treballar als tallers de RENFE de Vilanova i la Geltrú des dels 18 anys fins als 33. Treballava unes 12 hores diàries, algunes vegades va arribar a treballar 24 hores seguides. Les condicions de treball eren molt dures, ja que treballaven a altes temperatures a l’estiu i a molt baixes a l’hivern, sobretot si et tocava fer reparacions a l’aire lliure o fent feines de reparació i manteniment en les naus, ja que només disposaven d’una única estufa. Una de les coses que més va sobtar sobre l’explicació del pont giratori va ser que una única persona era l’encarregada de fer girar el pont. Aquesta persona vivia en una caseta que estava ubicada just al costat del pont. Una curiositat que va explicar en Pedro és que quan aquest encarregat del pont no tenia feina, i algun dels treballadors li demanava, anava darrere de les cotxeres i tallava els cabells als seus companys. Com anècdota, en Pedro va explicar que durant els anys que ell va treballar, van succeir molts talls de llum a tota Vilanova i la Geltrú. Això suposava un greu inconvenient donat que era inadmissible parar les tasques que es duien a terme als tallers per culpa d’aquests talls de llum. Per aquest motiu, es van enginyar un sistema per a poder tenir corrent. El sistema consistia en l’ús d’una màquina de vapor situada al costat de la rotonda convenientment fixada per impedir el seu moviment. En una fossa ubicada a sota el tren van posar una roda, amb un eix connectat a un generador, que estava en contacte amb una de les rodes de la locomotora, i posant en marxa la locomotora generaven l’electricitat necessària per realitzar les tasques diàries. Per últim també va explicar que a la rotonda s’hi realitzaven les reparacions diàries i més senzilles. El maquinista arribava i explicava als mecànics els problemes que havia vist o sentit ell, tal i com s’explica en la contextualització històrica del projecte. 36 6.4. Visites Al llarg del projecte s’han realitzat dues visites a diferents instal·lacions ferroviàries per comprendre millor el funcionament d’aquestes instal·lacions i seguir recopilant la màxima informació possible sobre les infraestructures ferroviàries. 6.4.1. Lleida Aprofitant que un cop a l’any es realitza EXPOTREN, saló de l’oci ferroviari, i s’obren les portes de l’ARMF, Associació de Reconstrucció de Material Ferroviari, ubicada a l’estació del Pla de la Vilanoveta, a Lleida, es va fer una visita a aquestes instal·lacions. Tenien una gran quantitat de locomotores extraordinàries en plena restauració, però en quan a les instal·lacions no se’n va poder extreure massa informació. Tot i això, una de les coses per les que es va anar a Lleida va ser per veure un dels emblemes més importants del Museu del Ferrocarril de Catalunya, la Mataró, una reproducció del primer tren que va realitzar el trajecte Barcelona – Mataró, que va ser construïda l’any 1948 als tallers de la Maquinista Terrestre i Marítima de Barcelona. 6.4.2. Móra la Nova Buscant més informació es va trobar que al Centre d’Interpretació del Ferrocarril de Móra la Nova, administrat per APPFI - Amics del Ferrocarril de Móra la Nova, havien transportat i restaurat, feia relativament poc temps, un pont giratori de 23 metres de diàmetre provinent de Granada. Després de parlar amb el president, Jordi Sasplugas i Deu, van accedir a que s’hi fes una visita. El president del centre, Jordi Sasplugas, ha adquirit molts coneixements sobre plaques, ponts giratoris i ponts-plaques, ja que ha estat anys fen recerca del pont giratori adequat per a transportar al centre. Va proporcionar moltíssima informació tècnica sobre aquests elements que està reflexada en el desenvolupament d’aquest projecte, tan en document escrit com en les pròpies instal·lacions del museu. També es van posar en comú els problemes detectats en el pont giratori de Vilanova, i veient el pont de Móra, es van poder copsar i determinar els possibles problemes que el de Vilanova podria tenir i que impedien el seu correcte funcionament. Imatge 28 Edifici Principal del Centre d'Interpretació del Ferrocarril de Móra la Nova 37 El pont giratori de Móra la Nova està en perfectes condicions, ja que ha estat totalment restaurat fa relativament poc temps i s’hi realitza un manteniment constant. Es va poder observar que, a diferència del de Vilanova, les seves rodes no reposen sobre la via quan el pont esta en equilibri, i d’aquesta manera, tota l’estructura reposa sobre l’eix. Quan aquesta no està en funcionament s’accionen manualment uns frens que recolzen dues platines sobre la via per sostenir el pes de l’estructura i que així aquesta no pateixi les flexions del seu propi pes i les de les locomotores al entrar-hi. El pont giratori de Móra la Nova funciona extraordinàriament bé i tots els components estan perfectament ensamblats i lubricats. Una prova del seu bon funcionament és que dues persones espitjant les bigues de l’estructura del pont giratori van ser capaces de moure’l, i aquest, amb la inèrcia, va donar tota una volta abans l’aturar-se. En Jordi va comentar que això es possible bàsicament gràcies a que la estructura només es recolza en un punt central, i per tan, la força que s’aplica a un dels seus extrems, augmenta proporcionalment a la distància a la que s’aplica respecte del punt de suport. Actualment estan restaurant el sistema d’accionament del pont, que també estava motoritzat. En aquest cas però no disposava de cabina, sinó que simplement es tracta d’una estructura unida a un dels extrems del pont que sostenia el sistema motriu. Aquest pont giratori no és de MZA, sinó que és de Norte, una altre companyia de la època, però gracies a aquesta visita es van comprendre quins són els principis fonamentals de funcionament dels ponts giratoris. Imatge 29 Panoràmica del pont giratori de Móra la Nova Imatge 30 Bloqueig del pont giratori de Móra la Nova 38 6.5. Patrimoni industrial. Durant el desenvolupament del projecte es va detectar el principal problema que presentava el pont giratori, la seva dificultat a l’hora de girar. En aquell moment es va decidir intentar fer alguna millora per ajudar a que el pont funcionés millor, aplicant per una banda els nostres coneixements en mecànica, i per altre, la experiència de la visita al pont de Móra la Nova. Per intentar esbrinar el problema principal del seu mal funcionament es va parlar amb gent que havia treballat en el pont giratori, les seves explicacions eren que la via no estava ben anivellada i per això hi havia punts de la via en el que la roda motriu no traccionava bé. El problema real que tenia el pont giratori es va detectar arran de la visita al Museu de Móra la Nova. Allà es va comprovar que tot el pes del pont reposa sobre l’eix central. Les quatre rodes del pont de Móra estan alçades uns centímetres de la via, mentre que les de Vilanova reposen totalment sobre aquesta. Això representava que, mentre el pont de Móra pivota sobre l’eix central, el pont de Vilanova reposava gran part del seu pes o la seva totalitat sobre les rodes laterals. Aquestes rodes únicament haurien de tocar sobre el perfil de la via en el cas de carregar una locomotora molt pesada o que no estigués ben centrada a la estructura. Quan aquestes rodes suporten parcialment el pes de l’estructura significa que la llei de la palanca no intervé quan s’aplica la força per a moure la estructura, i per tan, no es capaç de girar. Si el pont es recolzés únicament per l’eix central, en un pont de 23 metres de diàmetre la força estaria aplicada a uns 11 metres del punt de suport. Això significa que la força exercida per la roda tractora per a vèncer el fregament en aquest punt es multiplicaria per 11, contribuint així a que sigui més fàcil desplaçar el pont. En canvi, quan el pont recolza el pes sobre les rodes, la llei de la palanca no existeix, ja que les rodes que sustenten el pont i la tractora es troben exactament en la mateixa trajectòria, i per tan, la força aplicada és la força directa que intenta moure el pont. Imatge 31 Comparativa de la separació entre la roda del pont i la via circular del fossat 39 Un cop detectat el problemes, es va determinar que hi havia dues possibilitats per a millorar el funcionament del pont giratori: la primera era la de utilitzar els turmells que es troben al voltant de l’eix central per a elevar tota la estructura mitjançant les femelles de la cúpula superior, fent que l’estructura es recolzés sobre l’eix central i no sobre les rodes, i la segona era la de intentar alçar d’alguna manera les rodes per a que no fessin contacte amb el rail. Es van analitzar les dues possibilitats veient els pros i els contres que tenien cadascuna de les opcions. Pros Contres Opció 1  Poder netejar, engreixar i veure l’estat de l’eix central.  Necessitat de maquinaria pesada per maniobrar i aixecar tota l’estructura, com ara una grua de grans dimensions.  Tenir durant un temps inoperatiu el pont i les instal·lacions que l’envolten degut a la restauració que es faria aprofitant el seu aixecament. Opció 2  El treball es pot realitzar en un sol dia.  Totalment gratuït. Només caldria sostenir una part del pes durant l’extracció de cada roda mitjançant un gat hidràulic. Taula 2 Comparativa de les dues opcions per a la millora del pont Després d’analitzar les dues opcions es va decidir optar per la segona, ja que era la més senzilla, econòmica i ràpida. A part es va sospitar que a l’hora de realitzar l’últim manteniment de les rodes i coixinets, aquests s’havien apretat massa amb unes falques incorporades al mecanisme i bloquejaven el gir de les rodes. Al extreure les primeres rodes ja es va veure que les falques estaven apretant els coixinets al màxim i fins i tot a alguna roda li costava girar. Imatge 32 Els coixinets, el calçador i les roda en el moment en el que s'estava modificant la posició del calçador 40 La roda que està connectada amb la cabina va ser la més difícil de treure degut a la corrosió dels cargols i a la dificultat per accedir-hi, ja que la cabina ho obstaculitzava. Per això es va tenir que tallar una de les xapes de la part superior del pont per fer-la més accessible. Per a poder extreure els cargols es van haver de picar amb un martell per treure gran part de la pintura que els cobria i es van tenir de escalfar amb un bufador per a que es dilatessin. Finalment es van haver d’afluixar amb una palanca connectada a la clau anglesa per exercir una major força en el eix. Un cop es van haver afluixat totes les falques i es van engreixar de nou tots els eixos i omplert els engreixadors es va comprovar que el funcionament del pont era molt més fluid i la tracció havia millorat força. El problema que es va detectar posteriorment és que els eixos vibraven molt quan es feia girar el pont, ja que les falques estaven massa fluixes. Per aquest motiu, per acabar la posada a punt del pont s’aconsella extreure el pont del fossat per poder examinar l’eix i engreixar-lo bé, apretar les femelles de la cúpula per intentar sostenir el màxim de pes sobre l’eix central i un cop elevada la estructura tornar a apretar les falques per a que els eixos no puguin vibrar. Imatge 33 Tall de la xapa per manipular el eix de la roda 47 Tots els models en 2D realitzats en Solid Edge ST2 es troben en el Annex nº 3 ,al final d’aquest projecte. Un cop obtingudes les mesures, es va procedir a realitzar el modelat en 3D, mitjançant, com ja hem mencionat el programa CATIA V5R20. Imatge 41 Mostra Plànol 2D Solid Edge ST2 48 8.2. Modelat dels diferents components Els diferents components del pont giratori es van fer amb el mòdul de sòlids com a Part Design. Aquests components es van fer fet un per un i després es van ensamblar per a formar els diferents mecanismes i estructures que conformen el pont. Finalment es van ensamblar tots els conjunts per a obtenir un modelat en 3 dimensions de tot el pont sencer i la cabina on hi ha el sistema motriu. 8.2.1. La cabina El modelat de la cabina es va realitzar en 5 etapes diferents. En cada etapa es va desenvolupar una part d’aquesta i finalment es va ensamblar per a obtenir la cabina sencera. Els passos que es van seguir són:  Estructura superior Primer de tot es va definir la estructura superior. Aquesta esta formada per un seguit de perfils units amb reblons i els tancaments que defineixen l’espai interior de la cabina: parets, portes i finestres.  Estructura inferior La estructura inferior forma la base on es recolza la estructura superior. Aquesta esta formada per dos grans perfils en U i dues grans caixes que contenen uns pesos per a que la roda faci més tracció. Units a aquests perfils també hi ha dos braços que serveixen per a unir la cabina amb el pont. 49  Sistema de fre El sistema de fre està format per un pedal i per un mecanisme d’eixos i palanques que transmeten el moviment del fre a una cinta amb uns tacs de fusta que pressionen una roda unida al sistema motriu. Aquest sistema disposa d’un pes que fa que torni a la posició inicial un cop es deixa de pitjar el pedal.  Sistema motriu El sistema motriu està format per un motor i un sistema d’engranatges que transmeten el moviment provinent del motor a una roda que llisca per sobre del rail circular del fossat. Aquest sistema d’engranatges proporciona una relació de transmissió de reducció, és a dir, alenteixen la velocitat angular proporcionada pel motor. Perspectives generals del sistema motriu: 50 Vistes principals del sistema motriu (superior i lateral): El sistema motriu esta format per engranatges rectes amb dents de perfil evolvent. Al tractarse d’un mecanisme de reducció de velocitat està format per uns engranatges petits que transmeten el moviment giratori a uns altres engranatges més grans, que giren a menor velocitat. Detall dels engranatges i les dents amb perfil evolvent i contacte entre els diàmetres primitius: 51  Ensamblatge final Finalment, unint tots els conjunts anteriors es va obtenir la cabina del pont giratori en 3 dimensions. Exterior de la cabina: Interior de la cabina 52 8.2.2. Pont giratori El pont giratori es va realitzar en 5 etapes diferents. En cada etapa es va desenvolupar realitzat una part d’aquest i finalment es van ensamblar per a obtenir el pont sencera. Els passos que es van seguir són:  Estructura Primer de tot es va realitzar el conjunt de la estructura que forma el pont giratori. Aquesta esta formada per dues bigues rígides i un seguit de perfils que es repeteixen al llarg de les bigues per tal d’unir-les i donar-li més resistència. Al mig de la estructura, també hi ha un tancament que conté els diferents elements que sostenen la estructura quan aquesta es recolza a sobre de l’eix central. 53  Rodes Les rodes estan formades per uns grans suports que van units als extrems de la estructura. A aquests suports s’hi munten uns coixinets amb un sistema de cunyes que sostenen les rodes. Aquests coixinets disposen d’uns greixadors que lubriquen el seu interior de forma constant mitjançant una metxa.  Sistema de bloqueig El sistema de bloqueig està format per un eix que transmet el moviment giratori a unes sabates que es desplacen linealment per unes guies i es falquen a unes peces situades al perímetre del fossat. Aquest sistema antigament s’accionava mitjançant maneta circular i un sistema de cargol sense fi, però com que no s’ha trobat cap informació, imatge o detall del mecanisme, no s’ha modelitzat. Mecanisme de bloqueig i peça de fixació: 54  Vies Les vies del pont estan formades per dos rails que recorren les dues bigues del mateix per la part superior. Aquests rails van fixats a la estructura amb unes peces unides a les bigues i amb uns fixadors que l’uneixen a aquestes.  Ensamblatge final Finalment, es van unit tots els conjunts per a formar el pont giratori complert. 55 8.2.3. Fossat El modelat del fossat es va realitzar en 3 etapes diferents. En cada etapa es va desenvolupar una part d’aquest i finalment es va ensamblar per a obtenir el fossat sencer. Els passos que es van seguir són:  Encofrat del fossat i via En una primera etapa, es va realitzar el fossat circular i la via que el recórrer al llarg del seu perímetre, per on hi circula la cabina que fa moure el pont. També s’hi van incorporar les vies que serveixen per entrar i sortir del pont.  Eix central L’eix central esta format per una peça massissa amb una base per a fixar-lo al fossat i un eix que serveix de recolzament per a la estructura. A la part superior té un arrodoniment per a que la estructura hi encaixi i s’hi desplaci de forma circular. 56  Ensamblatge final Finalment es va unir l’eix a l’encofrat per a obtenir el conjunt del fossat on hi descansarà la estructura del pont. 8.2.4. Conjunt de la cabina, el pont giratori i el fossat Un cop modelats els tres conjunts principals, es van unir per a formar les instal·lacions del pont giratori, situat al mig de la rotonda del museu. 63  Rotonda 64  Dipòsits d’aigua 65 8.4. Animacions Un cop modelats i ensamblats els diferents components del pont giratori, es van realitzar un seguit d’animacions de les principals parts mòbils del mecanisme per a poder observar-ne millor el funcionament. Els conjunts que es van animar són:  Pont giratori Per una banda, es va fer la animació del gir del pont giratori dins del fossat. Per a fer la animació es van tenir en compte els càlculs cinemàtics del temps que tardaria a fer una volta sencera per a definir la velocitat de gir. Un cop definida aquesta velocitat, es va simular el moviment.  Sistema motriu Per altre banda, també es va animar el moviment circular del sistema motriu, on es pot observar la relació de transmissió entre els diferents engranatges, es a dir, la reducció de la velocitat des del primer eix fins a l’últim.  Fre o bloqueig del pont Finalment també es va animar el moviment del bloqueig del pont giratori, per a poder observar com s’utilitza el moviment circular d’un eix per a desplaçar les dues sabates que fixen el pont quan està encarat a la via corresponent. 66 9. Determinació del material del pont giratori Com que pràcticament no hi ha informació relativa a aquest tipus d’instal·lacions, no es podia saber de quin material esta feta la estructura del pont i els seus principals elements. Com a primera aproximació, es va poder determinar que en l’època en la qual es va construir aquest element els materials més utilitzats per a aquest tipus de mecanismes i estructures eren els acers i les foses. Però per ser més precisos i determinar exactament de quin material estan fets els diferents components del pont giratori, es van extreure mostres de diferents elements i es van analitzar al laboratori del Centre Tecnològic per tal de determinar de quins materials està fet el pont giratori de Vilanova. 9.1. Obtenció de les mostres Les mostres es van obtindre mitjançant una serra manual, amb la qual es van extreure petites porcions dels principals components que conformen la estructura del pont giratori. Aquestes mostres es van extreure amb la ajuda de l’oficial de manteniment del museu, que ens va proporcionar les eines pertinents, i amb l’aprovació dels responsables del museu. Imatge 42 Diferents mostres obtingudes 67 9.2. Preparació de les mostres Primer de tot, un cop obtingudes les mostres, es van preparar per a poder ser observades al microscopi SEM (Scanning Electron Microscope). Aquest procés consisteix en preparar unes provetes fetes de Baquelita dins de les quals hi ha les mostres. Aquestes provetes es van fer amb la màquina: Struers LaboPress-3. Un cop obtingudes les provetes, es van desbastar i polir les superfícies de les mostres que quedaven exposades a l’exterior per tal de poder observar-les posteriorment al laboratori i veure’n la microestructura. Per a polir les superfícies, es va utilitzar una polidora pneumàtica Struers Rotopol 11. Imatge 43 Esquerra: Preparació de les mostres per a fer la proveta. Dreta: Màquina per a fer les provetes Imatge 44 Esquerra: Provetes inicials Dreta: provetes polides Imatge 45 Esquerra: col•locació de les provetes a la polidora. Dreta: Polidora 68 Aquest procés es va realitzar en 4 etapes diferents en les quals es va augmentat el temps de desbastat i la concentració de partícules del paper abrasiu. En concret el procediment que es va seguir és el següent: Primera etapa Concentració del paper abrasiu 180 Força aplicada (N) 20 Temps (min) 10 Velocitat de gir (r.p.m) 300 Segona etapa Concentració del paper abrasiu 500 Força aplicada (N) 20 Temps (min) 15 Velocitat de gir (r.p.m) 300 Tercera etapa Concentració del paper abrasiu 1200 Força aplicada (N) 20 Temps (min) 20 Velocitat de gir (r.p.m) 300 Quarta etapa Concentració del paper abrasiu 4000 Força aplicada (N) 20 Temps (min) 20 Velocitat de gir (r.p.m) 300 Un cop les mostres estaven polides, es van atacar amb un reactiu per a poder observar millor les diferents fases que conformen els materials de les mostres. Concretament es van atacar amb Nital, una solució diluïda d’àcid nítric i alcohol que s’utilitza especialment per a atacar acers al carboni. 69 9.3. Observació de les mostres Un cop atacades les mostres, es van observar i analitzar al laboratori del Centre Tecnològic. Aquesta observació es va realitzar en dues etapes i amb dos equips diferents. Els equips utilitzats són el Microscopi òptic Leica i el software de tractament i anàlisi d’imatges Lida per l’anàlisi visual de la microestructura i el Microscopi electrònic de rastreig JEOL SEM (Scanning Electron Microscope) per a l’anàlisi de la composició del material de les provetes. Primer es van observar les mostres amb el microscopi òptic per a observar la microestructura a nivell visual. Amb aquest mètode es van poder observar els diferents grans que conformen la microestructura de les mostres del pont així com les diferents fases que presenta i el percentatge aproximat de cadascuna d’elles. A continuació es mostren algunes de les captures d’imatges preses amb el software on es poden observar aquestes característiques:  Bigues del pont Observació: Grans de ferrita (blanc) i perlita (negre) deformats en la direcció de laminat. Imatge 46 Esquerra: Microscopi òptic. Dreta: Microscopi electrònic de rastreig 70  Tirants de la estructura Observació: Grans de ferrita (blanc) i perlita (negre).  Xapa superior Observació: Grans de ferrita (blanc) i perlita (negre) deformats en la direcció de laminat.  Eix central Observació: Grans d’austenita formada per ferrita i perlita (blancs) i plaques de grafit (negre) distribuïdes en forma de rosetes. 71  Reblons Observació: Grans de ferrita (blanc) i perlita (negre).  Cargol + femella Observació: diferència de carboni entre la microestructura de la femella (més clara) i la del cargol (més fosca).  Femella Observació: Grans de ferrita (blanc) i perlita (negre). 72  Cargol Observació: Grans de ferrita (blanc) i perlita (negre). En la observació de les imatges del microscopi òptic es poden apreciar les diferents fases i cristalls que formen la microestructura de cada mostra. En els diferents casos, es poden apreciar les dues fases que formen aquesta microestructura, la ferrita i la perlita. Per tan podem determinar que es tracta d’Acers hipoeutectoides, és a dir, amb un contingut de Carboni inferior al 0.8%. En cada cas la ferrita és la part més clara de les imatges, i la perlita són les taques més fosques, formades per làmines de ferrita i cementita. També es poden apreciar les diferències entre el contingut de carboni entre cada mostra, ja que aquest influeix directament en la quantitat de perlita que conté. Així dons, com més perlita s’observa, més contingut de Carboni presenta la mostra. Per altre banda, una de les mostres presenta una microestructura diferent a la resta, la de l’eix central. Aquesta presenta una microestructura austenítica amb unes plaques de grafit degut a la precipitació del Carboni, que es troba en un contingut més elevat que en la resta de mostres. Un cop observada la microestructura es va realitzar una segona etapa d’anàlisi de les provetes mitjançant un microscopi electrònic de rastreig. Aquest aparell, es basa en la energia necessària per a separar les diferents partícules del material per a determinar-ne la seva composició, ja que cada component té una energia específica. Mitjançant un feix d’electrons que s’emet termoiònicament s’obté un espectre d’energia de la composició del material així com els percentatges de cadascun dels seus components. Els resultats obtinguts són els següents: 79 10. Càlculs i simulacions 10.1. Càlculs de la dinàmica del sistema Per a fer l’estudi de la dinàmica, es imprescindible conèixer les dades físiques del pont com ara el pes de tota la estructura o els diferents materials que el conformen, per tal de poder conèixer quins materials estan en contacte en cada punt. Per les dades que s’han obtingut de les diferents fonts d’informació que hem tingut, el pes total de l’estructura és de 70.000 kg, és a dir, unes 70 Tn. A partir d’aquí, veient el volum de la cabina en comparació amb el del pont i els seus components, es va deduir que aquesta devia pesar aproximadament uns 8.000 Kilograms, és a dir, unes 8 Tn. Però un cop fet el modelat i després d’haver assignat el material a cadascun dels components, el software va calcular que el pes total del pont és de 28.140 kg, dels quals nosaltres considerarem un pes de 30.000 kg per compensar algun possible error en les mesures dels components o la omissió d’algun d’aquests. Per altre banda, el pes de la cabina va calcular que és d’uns 3.094 Kg. Per tant , a continuació es mostren els càlculs sobre les forces necessàries per a poder moure tota l’estructura amb les dues dades de les que disposem, per tal de fer una comparativa i veure quin és el resultat més coherent. S’ha de tenir en compte que per poder calcular la força necessària per moure l’estructura haurem de calcular la força de fregament tenint en compte el fregament estàtic, ja que sempre és major que el dinàmic. Per a fer l’estudi s’han fet dues hipòtesis tenint en compte dues condicions de contorn segons l’estat o configuració de la estructura respecte es seu recolzament. Per una banda hem fet l’estudi en condicions òptimes, és a dir, quan el pont només es recolza per la part central, directament sobre de l’eix. Per altre banda, també s’ha fet l’estudi en les condiciona més desfavorables, és a dir, que el pont es recolzi sobre les rodes situades als extrems del pont. També cal apuntar que en els diferents càlculs s’ha considerat una gravetat de 10 m/s2, per a simplificar els càlculs i sobredimensionar-los ja que aquests estudis sempre es porten a terme considerant unes condicions òptimes, cosa que a la realitat mai es dóna. Imatge 47 Gràfic dels coeficients de fregament respecta la força aplicada 80 10.1.1. Càlculs en condicions òptimes Considerem condicions optimes del pont giratori quan l’estructura reposa totalment sobre l’eix central. Amb aquesta repartició del pes, la força necessària per poder moure tota l’estructura és la mínima, ja que s’aprofita la llargada del pont per a exercir el màxim moment a la estructura amb la mínima força possible tenint en compte que s’aplica a una certa distància de l’eix de gir (llei de la palanca).  Càlculs amb el pes deduït (70.000 kg): El primer pas que cal fer és calcular la força de fregament que hi ha en la part superior del eix en contacte amb la estructura del pont, ja que és la força que cal vèncer per poder fer-lo girar. Les dues superfícies que estan en contacte en el punt on pivota la estructura són de bronze així que s’ha buscat el coeficient de fricció d’aquest material en estàtica, el qual és de 0,35. Però no és aquest el coeficient que s’aplicarà, ja que aquests components estan totalment lubricats per disminuir el fregament i reduir el desgast de les peces. El coeficient de fregament de dues peces en contacte totalment lubricades és de 0,03. Per tan: Ff = N · µe N = Pes de l’estructura = 70.000 Kg = 700.000 N µe = 0,03 Ff = N · µe = 700.000 N · 0,03 = 21 KN On: Ff = Força de fregament (N) N = Força normal, és a dir, la que exerceix la estructura sobre la superfície de recolzament (N) µe =Coeficient de fregament estàtic Un cop s’obté la força que s’ha de vèncer es calcula la força que s’ha d’exercir des de la cabina o més concretament, des del sistema motriu. Aquesta força es veu afavorida ja que s’exerceix a una certa distancia del punt de contacte on es troba la Ff i per tan s’aprofita la llei de la palanca. FSM · L ≥ Ff L = 11,1 m FSM ≥ = = 1,892 KN 81 On: FSM = Força exercida pel sistema motriu (N) L = Distància entre el punt d’aplicació de la força i l’eix de rotació (m) La força necessària que hauria d’exercir el sistema motriu per a poder fer rotar el pont hauria de ser superior a 1.892 N, és a dir, 189,2 kg.  Càlculs amb el pes obtingut amb el Catia (30.000 kg): Igual que en el càlcul anterior, el primer pas que hem de realitzar és calcular la força de fregament en l’extrem de l’eix, tenint en compte el coeficient de fregament estàtic entre dues peces lubricades, que és de 0,03. F = N · µe N = Pes de l’estructura = 30.000 Kg = 300.000 N µe = 0,03 F = N · µe = 300.000 N · 0,03 = 9 KN Un cop s’obté la força que s’ha de vèncer es calcula la força que s’ha d’exercir des de la cabina o més concretament, des del sistema motriu. FTractora · L ≥ F L = 11,1m FTractora ≥ = = 0,811 KN La força necessària per poder fer rotar el pont haurà de ser superior a 811 N o el que és el mateix 81,1 Kg. 82 10.1.2. Càlculs en les condicions més desfavorables Considerem les condicions més desfavorables quan la estructura no reposa sobre de l’eix sinó que ho fa sobre les rodes situades als extrems del pont, que es desplacen per un carril circular. Amb aquest repartiment del pes es perd la aplicació de la palanca ja que la força s’exerceix directament en el punt de fregament. Per fer les condicions del càlcul encara més desfavorables es calcularà amb el fregament existent entre el coixinet i les rodes sense greix i desprès amb greix, per veure la diferencia que hi ha entre tots dos.  Càlculs amb el pes deduït (70.000 kg): El primer pas, en condicions desfavorables, serà calcular la força de fregament que es pateix en cadascuna de les rodes. Es considera que el pes total del pont reposa en una part proporcional en cadascuna de les rodes, i el fregament entre el coixinet de les rodes de bronze i les rodes de ferro és de 0,18. Per tant en cadascuna de les rodes obtindríem el següent fregament: El primer pas que cal fer és calcular la força de fregament que hi ha en la part superior del eix en contacte amb la estructura del pont, ja que és la força que cal vèncer per poder fer-lo girar. Les dues superfícies que estan en contacte en el punt on pivota la estructura són de bronze així que s’ha buscat el coeficient de fricció d’aquest material en estàtica, el qual és de 0,35. Però no és aquest el coeficient que s’aplicarà, ja que aquests components estan totalment lubricats per disminuir el fregament i reduir el desgast de les peces. El coeficient de fregament de dues peces en contacte totalment lubricades és de 0,03. Per tan: Ff = N · µ N = = = 175.000N µ = 0,18 Ff = N · µ = 175.000N · 0,18 = 31.500N Per tant, per poder moure una sola roda és necessària una força de 31.500N. Al ser quatre les rodes, el la força necessària per poder moure-les totes és de 126 KN. La força que ha d’exercir la roda tractora és de 126KN, ja que aquesta circula a la mateixa distancia de l’eix que les rodes de repòs, per tant no hi apareix la llei de la palanca que disminueixi la força a exercir en el punt.  Càlculs amb el pes obtingut amb el Catia (30.000 Kg.): El primer pas en els càlculs, en condicions desfavorables, serà el de la força de fregament que es sofreix en cadascuna de les rodes. Es considera que el pes total del pont reposa en una part proporcional en cadascuna de les rodes, i el fregament entre el coixinet de les rodes de bronze i 83 les rodes de ferro és de 0,18. Per tant en cadascuna de les rodes obtindríem el següent fregament: Ff = N · µ N = = = 75.000N µ = 0,18 Ff = N · µ = 75.000N · 0,18 = 13.500N Per tant, per poder moure una sola roda és necessària una força de 13.500N. Al ser quatre les rodes, el la força necessària per poder moure-les totes és de 54 KN. La força que ha d’exercir la roda tractora és de 54KN, ja que aquesta circula a la mateixa distancia de l’eix que les rodes de repòs, per tant no hi apareix la llei de la palanca que disminueixi la força a exercir en el punt.  Càlculs amb els coixinets engreixats (µ = 0,03) : Amb 70.000 Kg: Ff = N · µ = ( · 0,03 ) · 4 rodes = 21.000 N Amb 30.000 Kg: Ff = N · µ = ( · 0,03 ) · 4 rodes = 9.000 N 84 10.2. Càlcul de sol·licitacions de la estructura del pont En aquest apartat es calculen les sol·licitacions que tindrà l’estructura del pont. Per poder calcular les sol·licitacions es considera que l’estructura en una única biga. Com en l’apartat anterior, hem considerat dues hipòtesis tenint en compte dues condicions de contorn segons l’estat o configuració de la estructura respecte el seu recolzament. Per una banda hem fet l’estudi en condicions òptimes, que és quan tot el pes d’aquest reposa sobre l’eix central. Per altre banda, també s’ha fet l’estudi en les condicions més desfavorables, que és quan la estructura es recolza per els seus extrems sobre les rodes. 10.2.1. En condicions optimes Per un costat tenim la carrega repartida (q) que és el pes de la pròpia estructura i per un altre tenim una possible repartició de pesos d’una maquina de vapor. Per calcular les sol·licitacions d’aquesta estructura s’ha considerat la meitat de la biga com una biga encastada, d’aquesta manera es podran veure les màximes sol·licitacions que tindrà. S’ha col·locat el possible pes d’una màquina (una part d’ell tenint en compte que un costat és més pesat que l’altre i per tan, s’ha estimat que el pes es repartiria més o menys amb 40.000 kg a la part posterior i 65.000 kg a la part del davant. Per els càlculs s’ha agafat el cas més desfavorable) en l’extrem per calcular la situació més desfavorable. Pes aproximat de les locomotores més pesades = 105.000 kg Pm = 65.000 Kg = 650.000 N q = = 30.435 N/m l =11,5 m On: Pm = És una part del pes de la locomotora q = càrrega repartida al llarg de la estructura deguda al propi pes d’aquesta l = longitud des de l’eix central a un dels extrems del pont 85  Càlcul de reaccions: Σ Fy = 0 -q · L – Pm + Ra = 0 Ra = q · L + Pm = 30.435 · 11,5 + 650.000 Ra = 1 ·106 N Σ Ma = 0 q · L · + Pm · L – Ma = 0 Ma = q · L · + Pm · L= 30.435 · + 650.000 · 11,5 Ma = 11,5 ·106 N·m On: Ra = Reacció vertical (força) exercida per Pm i q a l’encastament Ma = Moment exercit per Pm i q a l’encastament S’ha de tenir en compte que en l’estructura el tallant i el moment màxim es donaran en el punt central del pont. Al representar-ho com una biga encastada (que representa la meitat del pont) obtenim les sol·licitacions de la meitat de la estructura en aquest punt, per tant les veritables reaccions que hi apareixeran en aquet punt seran en doble: RT = 2 · Ra = 2 ·106 N = 2.000 KN MT = 2 · Ma = 23 ·106 N·m = 23.000 kN·m On: RT = Reaccions totals en el centre de la estructura sencera MT = Moment total exercit en el centre de la estructura sencera 86  Càlcul de tallants i flectors: Σ Fy = 0 -q · x – Pm – Vx = 0 Vx = - q · x - Pm = - q · x - 650.000 Σ M = 0 - q · x · - Pm · x – Mx = 0 Mx = - q · - Pm · x  Gràfic de tallants i flectors: Diagrama de tallants: Vx = - q · x – Pm Diagrama de flectors: Mx = - q · - Pm · x 87 10.2.2. En condicions desfavorables Per un costat tenim la carrega repartida (q) que és el pes de la pròpia estructura i per un altre tenim una possible repartició de pesos d’una maquina de vapor. Pes aproximat de les locomotores més pesades = 105.000 Kg En aquest cas, la repartició no és igualitària, ja que la part frontal d’una maquina pesa més que la posterior. Per aquest motiu, en un del punts aplicarem 65.000 Kg i en l’altre 40.000 Kg. q = = 30.435 N/m  Càlcul de reaccions: Σ Fy = 0 -q · L – P1 – P2 + RA + RB = 0 RA + RB = q · L + P1 + P2 RA + RB = 30.435 · 23 + 650.000 + 400.000 = 1.750.000 N Σ MA = 0 q · L · + P1 · 5,5 + P2 · 17,5 – RB · 23 = 0 RB · 23 = 30.435 · + 400.000 · 5,5 + 650.000 · 17,5 RB = 940.220 N RA = 1.750.000 – RB = 809.780 N 88  Càlcul de tallants i flectors: 1. ( Vx3 , Mx3 ) ( 0 ≤ X3 ≤ 5,5 ) RA – q · X3 – Vx3 = 0 Vx3 = RA – q · X3 -RA · X3 + q · + Mx3 = 0 Mx3 = RA · X3 - q · X3 = 0 - Mx3 = 0 X3 = 5,5 - Mx3 = 3.993.460 N·m 2. ( Vx2 , Mx2 ) ( 0 ≤ X2 ≤ 12 ) RA – q · X2 – q · 5,5 – P1 – Vx2 = 0 Vx2 = RA – q · X2 – q · 5,5 – P1 -RA · (X2 + 5,5) + q · + P1 · X2 + Mx3 = 0 Mx2 = RA · (X2 + 5,5) - q · - P1 · X2 X2 = 0 - Mx2 = 3.993.460 N·m X2 = 12 - Mx2 = 6.719.500 N·m 95 Espot observar que els valors són lleugerament diferents als mesurats. Es va decidir utilitzar els valors experimentals per a fer els càlculs per no arrossegar l’error durant tots els càlculs i fer-ho més real. Finalment tenim que després de la transmissió dels engranatges la velocitat angular de la roda de tracció realment és aproximadament de 110 rpm. Amb el diàmetre de la roda de tracció ara podem tornar a calcular la velocitat lineal que proporciona aquesta en el pont giratori. d = 660mm = 0,66m r = 330mm = 0,33m w = 110 · · = 11,52 rad/s v = 11,52 rad/s · 0,33m = 3,8 m/s ≈ 13,7 Km/h Finalment podem calcular la velocitat angular que tindrà el pont giratori. Per calcular la velocitat angular la calcularem altre cop el perímetre de la via per calcular el temps que tarda en donar tota una volta completa. r = 10,7m p = 2 · π · R = 2 · π · 10,7 m = 67,23 m w = 3,8 · · = 3,39 rpm = 0,355 rad/s T/volta = · = 17,7 segons ≈ 18 segons. Finalment es pot concloure que en condicions perfectes tant de tracció com de transmissió, tenint un engranatge perfecte i lliure de fricció en els eixos, el pont giratori podria donar tota una volta completa en 18 segons. Tot i això, el temps real és més elevat ja que no es té en compte la càrrega que ha de moure ni les pèrdues pel fregament dels diferents components. 96 10.4. Càlculs del parell motor del sistema motriu Per a fer l’estudi de la força exercida per el sistema motriu, s’ha de calcular el parell motor que transmet el motor elèctric i el parell que s’exerceix a la roda motriu per a que aquesta avanci per la via circular del fossat. Per poder conèixer el parell motor que està transmetent el motor elèctric asíncron al sistema de transmissió s’ha de calcular la potència del motor i la velocitat angular a la que gira. P = M · w On: P = Potència (W) M = Parell motor (N·m) W = Velocitat angular (rad/s) Aquest estudi s’ha realitzat amb les dades proporcionades pel fabricant del motor mitjançant càlculs teòrics i mitjançant càlculs experimentals, amb dades mesurades directament del sistema motriu. 10.4.1. Càlculs teòrics Gràcies a la informació obtinguda de la placa del motor, en el que apareixen les característiques tècniques del motor, tenim que: Av = 210 V I = 32 A w = 6526 rpm = 683,4 rad/s P = Av · I = 210 · 32 = 6.720 W ≈ 9,13 cv M = = = 9,83 N·m On: Av = Voltatge nominal de la xarxa elèctrica (v) I = Intensitat de corrent consumida pel motor (A) w = velocitat angular (r.p.m.) 97 P = Potència (W)/(cv) M = Parell motor (N·m) Per tant el parell motor que obtenim del motor asíncron és de 9,83 N·m. Aquest està connectat directament a la transmissió reductora formada per un tren d’engranatges, la funció del qual és rebaixar la velocitat angular i augmentar el parell motor. Primer de tot es calcularà el coeficient de reducció del sistema de transmissió: C = · · = · · = 0,0246 Un cop tenim el coeficient de reducció, aquest l’apliquem al parell motor inicial per obtenir el moment que obtenim en la roda tractora. A continuació dividim el parell motor que tenim en l’eix de la roda per el radi d’aquesta, que són 0,33m i obtenim la força exercida entre la superfície de la roda i el rail. Mf = = = 399,6 N·m FSM = = = 1.210,9 N On: Mi = Parell motor exercit pel motor al primer eix del sistema Mf = Parell motor final exercit sobre la roda motriu FSM = Força exercida pel sistema motriu sobre la roda tractora (la que fa moure la cabina i el pont) Per veure el grip que hi ha entre la roda tractora i la via circular i així comprovar que aquesta no llisca amb el parell exercit, calcularem el fregament que existeix entre aquests dos components amb el coeficient de fregament de ferro contra ferro: µe = 1 Ff = N · µ ≥ 1.210,9 N 98 Com que no se sap el pes real de la cabina, es calcularà el pes mínim que hauria de tenir per a que la roda tractora no llisqui i tingui suficient tracció per a rodar: N = Pes de la cabina N ≥ = = 1.210,9 N On: N = Força normal que exerceix la cabina sobre el rail El resultat és que la cabina necessita un pes mínim de 121,1 Kg per a no lliscar ella sola sobre la via circular del fossat. 10.4.2. Càlculs experimentals Un cop s’han obtingut els resultats dels càlculs teòrics, ara es realitzaran els càlculs amb les dades que s’han obtingut experimentalment. S’ha mesurat la intensitat que consumeix el motor amb un amperímetre, la velocitat angular de l‘eix motor amb un tacòmetre i donem per suposada la tensió nominal de la xarxa, que és de 230 V. Per tant, s’ha de calcular el parell motor: Av = 230 V IEstator = 21 A IRotor = 15,5 A ITotal = IRotor + IEstator = 36,5 A w = 4900 rpm = 513,13 rad/s P = Av · I = 230 · 36,5 = 8.395 W ≈ 11,4 cv M = = = 16,36N·m On: Av = tensió nominal de la xarxa elèctrica (v) IEstator = Intensitat que consumeix l’estator (A) IRotor = Intensitat que consumeix el rotor 99 ITotal = Intensitat total consumida pel motor w = velocitat angular (r.p.m.) P = Potència del motor (W) M = Parell motor (N·m) Per tant el parell motor que s’obté experimentalment amb el motor d’inducció asíncron és de 16,36 N·m. El coeficient de reducció s’aplicarà al parell motor inicial per obtenir el parell motor que tenim en la roda tractora. Finalment, dividint el moment flector que obtinguem en l’eix de la roda amb el radi d’aquesta, que són 0,33m, obtindrem la força que exercirà la roda sobre la via circular: C = 0,0246 Mf = = = 665,06N·m FSM = = = 2015,32 N On: C = Coeficient de reducció del sistema motriu Mi = Parell motor exercit pel motor al primer eix del sistema Mf = Parell motor exercit sobre la roda tractora FSM = Força exercida pel sistema motriu sobre la roda tractora Per veure el grip que hi ha entre la roda tractora i al via circular i així comprovar que aquesta no llisca amb el nou parell calculat, calcularem el fregament que existeix entre aquests dos components amb el coeficient de fregament de ferro contra ferro: µe = 1 Ff = N · µe ≥ 2015,32 N Com que no se sap el pes exacte de la cabina, es calcularà el pes necessari d’aquesta, per a que la roda tractora no llisqui: 100 N = Pes de la cabina N ≥ = =2015,32 N On: N = Força normal que exerceix la cabina sobre el rail El resultat és que la cabina necessita un pes mínim de 201,5 Kg per a no lliscar ella sola sobre la via circular. Finalment, per poder saber el pes aproximat que poden tenir tant el pont com la cabina s’ha utilitzat el programa de disseny dels components en 3D. Segons el Catia, després d’haver assignat el material a cadascun dels components, s’ha obtingut que el pes de la cabina és de 3.094 kg. Per tan, podem assegurar que en els dos casos, la roda no lliscaria 101 10.5. Dimensionament de l’eix central En aquest apartat s’ha dimensionat l’eix central, que és l’element estructural que està sotmès a les majors sol·licitacions, ja que és on es recolza tota la estructura del pont. Per a fer aquest dimensionament, s’ha considerat que aquest esta sotmès a esforços torsió, deguts al fregament ocasionat al girar la estructura del pont i a compressió, deguts al propi pes del pont. 10.5.1. Compressió L’esforç a compressió és l’esforç que pateix l’eix central, ja que com a mínim ha de suportar les 30 Tn del pes del pont. En aquest, cas a més del pes del pont, li sumarem el cas més desfavorable, que dues maquines estiguessin sobre del pont, incrementant així 230 tones. Per tant es calcularà l’esforç a compressió que ha de suportar un eix de 300mm de diàmetre de fossa gris FG 35 (UNE 36.111) amb una resistència a la compressió de 965Mpa, en el que hi reposa un total de 300 Tn. Ƭmàx = 965 MPa F = 3.000.000 N R= 300 mm Ƭmàx = A = π · R2 - π · r2 = π · 3002 - π · r2 = (90.000 - r2 ) · π A = (90.000 - r2 ) · π = 90.000 - r2 = r2 = 90.000 - = 3031.6 = 89.010 mm r = √ = 298 mm gruix = = 1 mm Per tant, amb un gruix lleugerament superior a 1mm hauria de ser suficient per poder sostenir tota l’estructura i la locomotora. 102 10.5.2. Torsió L’esforç de torsió apareixerà en l’eix central degut al fregament entre l’eix i la tapa superior del pont. En condicions idònies l’eix estarà engreixat i el seu coeficient de fregament serà de 0,03, però nosaltres farem el càlcul en les condicions més desfavorables. Per tant es considerarà que el ferro i el coure estan en contacte sense cap capa lubricant que propici el lliscament entre les dues superfícies. El coeficient de fregament entre ferro i coure és del 0,35. F = N · µe N = Pes = 300.000 Kg = 3.000.000 N µe = 0,35 F = N · µe = 3.000.000 N · 0,35 = 1.050 KN Aquesta força de 1.050 KN s’exerceix en un eix, el radi del qual és de 150 mm, per tant podem calcular el parell que s’aplicarà en l’extrem de l’eix. M = F · R = 1.050 · 0,3 = 315 kN·m = 315 · 106 N·mm Ƭmàx = 515 MPa Ƭmàx = · R Io = · d4 = · 3004 = 795,22 · 106 mm4 Ƭmàx = · 150 = 59,4 MPa La màxima sol·licitació que rebrà a torsió l’eix és de 59,4 MPa, mentre que el seu límit està molt lluny d’aquesta xifra, a 515 MPa. Ara calcularem amb quin radi d’eix seria suficient per poder resistir la torsió de l’eix: d3 = = = 3,115 · 106 d = 146mm Amb un eix de diàmetre de 146 mm seria suficient per aguantar les sol·licitacions a torsió esmentades. 103 10.6. Simulació d’elements finits de l’eix central Per a complementar els càlculs de l’eix central, s’ha realitzat una simulació d’elements finits amb el software Catia. Aquesta simulació, permet aplicar els esforços i sol·licitacions a la que està sotmès el component per a veure com reacciona a nivell de tensions i deformacions i poder observar quins són els punts més crítics. A continuació es mostren tots els passos seguits per a realitzar la simulació: Primer de tot s’ha d’aplicar el material a l’element a analitzar. En aquest cas es tracta d’una fosa gris. Degut a que el programa no disposava d’aquest material, es van buscar les seves propietats i es va crear el material. A continuació s’han de definir les condicions de contorn. A partir d’aquí es van suposar dues hipòtesis per a determinar la càrrega aplicada a l’eix: - 1a hipòtesi: suposant només la càrrega del pont - 2a hipòtesi: suposant el pes de dues locomotores a dalt del pont (el cas més desfavorable). 10.6.1. Primera hipòtesi - S’ha considerat que l’eix està encastat per la seva base - S’ha considerat una força aplicada a la part superior i repartida en la seva superfície de 300000 N - S’ha considerat un moment torçor degut a la força de fregament del contacte entre l’eix i la estructura de 21000 N Per a poder realitzar la simulació i observar bé els resultats s’ha d’escollir la mida del mallat adequada per a obtenir una bona precisió. En aquest cas s’ha escolli el mallat amb els paràmetres següents: Size 62.5 mm Absolute sag 10 mm 104 Un cop definides les condicions de contorn i el mallat corresponent, el programa fa els càlculs pertinents i dóna el resultat de la simulació en diferents paràmetres. A aquests resultats se'ls hi aplica un factor d’escala per a poder apreciar-los més fàcilment, ja que en general, acostumen a ser imperceptibles a simple vista. En el nostre cas, s’ha aplicat un factor d’escala de 500:1. Els resultats obtinguts són els següents: - Deformació En aquest cas, la simulació ens mostra, a nivell visual, com es produirà la deformació de l’element un cop aplicades les sol·licitacions corresponents: - Tensions de Von Mises Aquest resultat ens mostra les tensions que pateix el material en tota la seva estructura un cop aplicades les sol·licitacions corresponents. Com es pot observar, el punt més crític es troba a la part superior de l’eix, que és la part que rep directament les sol·licitacions. La tensió màxima produïda en l’eix central és de: 2.89 · 107 N/m2 = 28.9 MPa 111 En els preus del CDAL s’han hagut de fragmentar en diferents apartats, ja que la generació i preparació de les provetes te un preu, els dos anàlisis realitzats a les mostres obtingudes tenen també preus diferents. També cal destacar que és necessari una persona especialitzada per realitzar els anàlisis de les provetes en el SEM. Sobre el preu obtingut s’ha sumat l’amortització, que és del 10% sobre el preu de les accions o objectes que han sofert un desgast durant la realització d’aquest. També s’ha sumat l’IVA del 21% en el preu final. Finalment la suma dels costos del projecte ascendeix a la quantitat total de 21.402,83 € amb l’IVA inclòs. 112 13. Conclusions Un cop finalitzat el projecte de final de carrera el primer que hem de fer és un anàlisi sobre si s’han assolit els objectius que ens havíem plantejat des d’un inici. Els objectius del projecte consistien en el modelat tridimensional del pont, la cotxera i el dipòsit, els quals han estat assolits. També s’han realitzat la resta de les tasques que s’havien nombrat en els objectius del projecte. Per tant es pot certificar que s’han realitzat tots els objectius que des d’un inici s’havien plantejat en el projecte. A més s’han realitzat apartats que inicialment no s’havien pensat, però que s’ha trobat interessant investigar, com el sistema elèctric que envolta el motor asíncron d’anelles fregants o la determinació dels materials que composen el pont, que han estat analitzats per especialistes. Un altre punt del projecte que ha estat el més gratificant ha estat en el que s’ha aplicat enginyeria sobre l’estructura per aconseguir que aquesta funcionés millor, ja que aquesta lliscava. Desprès de fer una petita modificació sobre una estructura de 70 tones i acabar amb greix centenari fins els colzes, veure que el funcionament del pont havia millorat va ser molt gratificant. No tan sols això, sinó que a les poques setmanes es va utilitzar per moure una gran quantitat de locomotores, que degut al seu mal funcionament s’havia plantejat que provablement es tardaria força en poder fer tots els moviments, però en un sol matí es va poder dur a terme. La realització d’aquest projecte de forma altruista comporta dotar al Museu del Ferrocarril de Catalunya, de Vilanova i la Geltrú, de nou material que complementarà el existent i aportarà de nou a un dels camps on no s’hi destinen molts fons, com és l’àmbit de la conservació de patrimoni històric. Ara el Museu disposarà d’aquesta informació digital que sempre podrà ser consultada per qualsevol problema que pugui sorgir o utilitzar-la com a material didàctic. Una cosa que també quedarà d’aquest projecte són tots els plànols realitzats amb les diferents peces que composen el pont, que estan acotades per si alguna vegada fes falta demanar una peça en concret, tenir totes les dades disponibles. També els plànols del conjunt del pont, ja que al llarg d’aquest projecte s’ha trobat un plànol del pont genèric de 23 metres que instal·lava la MZA, però aquest, igual que altres, va ser modificat per fer-lo més còmode a les instal·lacions, i ara es tenen uns plànols que són del pont giratori de Vilanova i la Geltrú. Durant el transcurs del projecte s’han utilitzat molts dels coneixements adquirits al llarg dels anys que s’han cursat els estudis universitaris, aquests han estat constatats en els diferents càlculs i justificacions que apareixen al llarg del projecte. Tot i que s’han anat preguntant puntualment alguns dubtes als professors més especialitzats en cadascun dels àmbits. El projecte ha anat evolucionant al llarg del temps gracies sobretot a alguns professors que volien aprofundir més en les seves especialitats, han estat els casos d’electricitat i materials, en els que els professors van animar i ajudar per aprofundir en les seves especialitats. Finalment es vol deixar constància de que el fet de realitzar un projecte sobre unes grans estructures, que han estat palpables des d’un inici i que tothom qui ha pogut ha participat i ens ha ofert un temps per ajudar en el desenvolupament del projecte i que han escotat i valorat cadascuna de les propostes proposades ha estat una gran experiència per finalitzar uns estudis tant analítics com han estat els de Enginyeria Tècnica Industrial Mecànica. 113 14. Bibliografia 14.1. Publicacions escrites  Recerca històrica i documental - Revista de história ferroviaria: El inventario de puentes giratorios de Renfe de 1946. Pedro Pintado Quintana. Editorial Trea S.A, 2004. - Revista de obras públicas: La Industria ferroviària. Asosiación de ingenieros de caminos. - Revista de obras públicas: Nuevo tipo de Puente giratorio. Asosiación de ingenieros de caminos. - Revista de obras públicas: Un nuevo tipo de rotonda para depósito de máquinas. Asosiación de ingenieros de caminos. - La tracción por vapor en los ferrocarriles: Placas y puentes giratorios. Silvio Rahola, Enginyer Industrial. Libreria internacional de Romo, 1993. Madrid - Arquitectura y Arqueologia Industrial de la Estación de Madrid-Delicias. Nuria Torres Ballesteros. Museo del Ferrocarril de Madrid, Juny del 1983. - Projecte d’enginyeria: Projecte de Museu Ferroviari a Vilanova I la Geltrú. Primera fase. Ricard Gili, Jordi Cuadrat, Josep Llinàs, Arquitectes. Arxiu Comarcal del Garraf, Juny del 1983. - Viatges de la memòria: entre fum i carbó. Joan Alberich González, Anna Punyet León, Pilar Garcia Fuertes i Judith barbacil i Mestres. Gràfiques el campanar, Abril de 2009.  Informació tècnica - Timoshenko: Resistencia de materiales. James M. Gere. Editorial Thomson Paraninfo. - Sistemas Automaticos de Producción Alimentaria. I.E.S. Andrés de Vandelvira, Departamento de SAP. - Disseny de màquines IV. Selecció de materials I; Metalls: Acers i Foses. C. Riba I Romeva. Edicions UPC 1998. 114 14.2. Planes Web  Recerca històrica i documental - Blog del museu del Ferrocarril de Vilanova I la Geltrú. http://museuferrocarrilblog.com - Informació sobre el Centre d’Interpretació del Ferrocarril de Móra la Nova www.appfi.net  Informació tècnica - Matweb: Informació tècnica somber materials. www.matweb.com 115 15. Agraïments  Museu del ferrocarril de Vilanova i la Geltrú. o Pilar. Directora del Museu del Ferrocarril de Catalunya. o Jordi. Cap de manteniment del Museu del Ferrocarril de Catalunya. o Fernando. Cap del arxiu documental del Museu del Ferrocarril de Catalunya. o Juan. Oficial de manteniment del Museu del Ferrocarril de Catalunya.  Pedro Jiménez Parra. Informador i ex treballador del taller RENFE de Vilanova i la Geltrú.  Jordi Sasplugas i Deu. President de APPFI (Amics del Ferrocarril de Móra la Nova).  Manuel López Membrilla. Director i tutor del projecte.  Alejandro Arbós. Professor de la UPC i expert en CATIA V5.  Enric Martín i Fuentes i al CDAL (Centre de disseny d’aliatges lleugers i tractaments de superfícies). Departament de materials del Centre tecnològic de l’EPSEVG.  Manuel Liebanas Cruz. STL (Tècnic de Laboratori)  Juan José Vázquez Solsona. Director titulació ETIM.  Carles Fisac Fuentes. ETIM (Enginyer Tècnic Industrial en Mecànica) especialitzat en CATIA V5. 116 Annexes Contingut Annex 1 – Plànols de la recerca històrica Annex 2 – Croquis del procés de modelat Annex 3 – Plànols 2D dels croquis en Solid Edge Annex 4 – Dades extretes de l’anàlisi dels Materials amb el SEM i amb el Matweb