Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART”

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Aeronáutica Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Autor: Pablo Fernández Moraga Tutor: Rafael Ortiz Marín Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 iii Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Aeronáutica Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Autor: Pablo Fernández Moraga Tutor: Rafael Ortiz Marín Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 v Proyecto Fin de Carrera: Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Autor: Pablo Fernández Moraga Tutor: Rafael Ortiz Marín El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2025 El Secretario del Tribunal vii Dedicado a la persona que ha hecho posible que yo haya llegado hasta aquí, mi madre. ix Agradecimientos A mi familia, por su apoyo incondicional en todas y cada una de las decisiones que he tomado a lo largo de mi vida. 4.54 BRAZIL-4-15-CLACK VALVE 75 4.55 BRAZIL-4-16-REGULATOR VALVE 75 4.56 BRAZIL-4-17-BLOWER VALVE 76 4.57 BRAZIL-4-18-BLOWER VALVE PIPING 76 4.58 BRAZIL-4-19-BACKHEAD FIRE DOOR 78 4.59 BRAZIL-4-20-STEAM SUPPLY PIPE 78 4.60 BRAZIL-4-21-STEAM SUPPLY MANIFOLD 78 4.61 BRAZIL-4-23-PRESSURE GAUGE 79 4.62 BRAZIL-5-01-SADDLE TANK SHELL 80 4.63 BRAZIL-5-02-SADDLE TANK FILLER CAP 82 4.64 BRAZIL-5-03-SADDLE TANK BALANCING PIPE 82 4.65 BRAZIL-5-04-SADDLE TANK STOP NUT 82 4.66 BRAZIL-5-05-DRIVERS CAB SIDE FRAME 83 4.67 BRAZIL-5-06-DRIVERS CAB BUNKER 83 4.68 BRAZIL-5-07-DRIVERS CAB FRONT PLATE 84 4.69 BRAZIL-5-08-DRIVERS CAB REAR FRAME 84 4.70 BRAZIL-5-09-DRIVERS CAB ROOF 85 4.71 BRAZIL-89mm-RAIL 86 4.72 Diseños propios: Foco delantero y Mecanismo silbato 87 4.72.1 BRAZIL-6-01-FOCUS 87 4.72.2 BRAZIL-6-02-WHISTLE 89 5 Ensamble y renderizado 93 5.1 Proceso Ensamblaje 93 5.2 Proceso Renderizado 95 5.3 Ensamblajes 96 5.3.1 SA-1-101 97 5.3.2 SA-1-102 97 5.3.3 SA-1-105 98 5.3.4 SA-2-201 99 5.3.5 SA-2-202 99 5.3.6 SA-2-203 99 5.3.7 SA-2-205 100 5.3.8 SA-3-301 101 5.3.9 SA-3-302 101 5.3.10 SA-3-303 102 5.3.11 SA-3-304 102 5.3.12 SA-3-305 103 5.3.13 SA-3-310 104 5.3.14 SA-4-401 105 5.3.15 SA-4-402 106 5.3.16 SA-4-405 107 5.3.17 SA-4-410 108 5.3.18 SA-5-501 108 5.3.19 SA-5-502 109 5.3.20 SA-5-505 109 5.3.21 Ensamblaje extra 110 5.4 Renderizado 111 6 Animación 113 6.1 Proceso de Animación 113 7 Estudio térmico 121 7.1 Metodología 121 7.2 Estudio térmico 3D 122 7.2.1 Creación del modelo en Catia V5 122 xvii 7.2.2 Creación del proyecto y módulo Geometry 124 7.2.3 Módulo Mesh 126 7.2.4 Módulo Fluent 132 7.3 Estudio térmico 2D 141 7.3.1 Creación del modelo 142 7.3.2 Módulo Mesh 144 7.3.3 Módulo Fluent 146 7.4 Resultados obtenidos 149 7.5 Análisis de los resultados obtenidos 152 8 Conclusiones y desarrollos futuros 154 Referencias 156 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Subconjuntos del modelo 27 Tabla 2. Recuentos 28 Tabla 3. Valores tabulados de gases a 773K 135 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Esquema de los componentes de una máquina de vapor [7] 4 Figura 2. Eolípila de Herón de Alejandría [11] 5 Figura 3. Motor para elevar el agua mediante el fuego de Thomas Savery [15] 6 Figura 4. Máquina de vapor de Newcomen [17] 7 Figura 5. Máquina de vapor de James Watt [20] 8 Figura 6. Locomotora Rocket de George Stephenson [26] 9 Figura 7. Kerr-Stuart Brazil Class 0-4-2ST [32] 12 Figura 8. Logo del software CATIA V5 [50] 19 Figura 9. Logo del software AutoCAD [53] 21 Figura 10. Logo del software SolidWorks [55] 22 Figura 11. Logo del software Inventor [57] 22 Figura 12. Logo del software Creo Parametric [59] 22 Figura 13. Logo del software Solid Edge [61] 22 Figura 14. Logo del software OpenFOAM [65] 24 Figura 15. Logo del software COMSOL Multiphysics [67] 24 Figura 16. Logo del software STAR-CCM+ [69] 24 Figura 17. Logo del software Autodesk CFD [71] 25 Figura 18. Esquema general de los componentes del Under Frame [1] 28 Figura 19. Proceso de modelado de la pieza 1-01.1 29 Figura 20. Proceso de modelado de la pieza 1-01.2 29 Figura 21. Proceso de modelado de una escuadra 30 Figura 22. Proceso de modelado de la pieza 1-01.16 30 Figura 23 Proceso de modelado de la pieza 1-01.12 31 Figura 24. Under Frame modelado en Catia V5 31 Figura 25. Esquema general de los componentes del Wheel Axle Bearing [1] 32 Figura 26. Proceso de modelado del Wheel Axle Bearing 32 Figura 27. Esquema de los componentes del Cylinder [1] 33 Figura 28. Proceso de modelado de la pieza 1-03.1 34 xxi Figura 29. Proceso de modelado de la pieza 1-03.4 34 Figura 30. Cylinder modelado en Catia V5 35 Figura 31. Esquema de la slide valve spindle gland nut [1] 35 Figura 32. Proceso de modelado de la slide valve spindle gland nut 36 Figura 33. Esquema de la cylinder front cover [1] 36 Figura 34. Cylinder front cover odelada en CATIA V5 37 Figura 35. Esquema de los componentes de la cylinder rear cover [1] 37 Figura 36. Proceso de modelado de la pieza 1-06.1 38 Figura 37. Cylinder rear cover modelada en CATIA V5 38 Figura 38. Esquema de los componentes de la Steam inlet tee + pipes [1] 38 Figura 39. Pieza 1-07.1 modelada 39 Figura 40. Steam inlet tee + pipes modelado en CATIA V5 39 Figura 41. Esquema de los componentes de steam exhaust tee + pipes [1] 40 Figura 42. Steam exhaust tee + pipes modelado en CATIA V5 40 Figura 43. Esquema de la crosshead guide bar [1] 41 Figura 44. Crosshead guide bar modelado en CATIA V5 41 Figura 45. Esquema [1] y modelado en CATIA V5 de la crosshead guide bar bracket 42 Figura 46. Esquema del Lubricator [1] 42 Figura 47. Proceso de modelado de la pieza 1-11.7 en CATIA V5 43 Figura 48. Lubricator modelado en CATIA V5 43 Figura 49. Esquema del sump + burner [1] 44 Figura 50. Creación de plano tangente para realizar las perforaciones sobre los depósitos 44 Figura 51. Poceso de modelado del sump en CATIA V5 45 Figura 52. Sump + burner modelado y ensamblado en CATIA V5 46 Figura 53. Esquema [1] y modelado en CATIA V5 del trunnion block 46 Figura 54. Esquema [1] y modelado en CATIA V5 del buffer 46 Figura 55. Esquema del front wheel set [1] 47 Figura 56. Proceso de modelado de la pieza 2-01.2 47 Figura 57. Front wheel set modelado en CATIA V5 48 Figura 58. Esquema [1] y modelado en CATIA V5 del front wheel set 48 Figura 59. Esquema del trailing wheel bogie [1] 49 Figura 60. Porceso de modelado de la pieza 2-03.1 49 Figura 61. Modelado de la pieza 2-03.3 50 Figura 62. Trailing wheel bogie modelado en CATIA V5 50 Figura 63. Esquema [1] y modelado del trailing wheel set en CATIA V5 51 Figura 64. Esquema [1] y modelado del coupling rod en CATIA V5 51 Figura 65. Esquema [1] y modelado del piston + crosshead en CATIA V5 52 Figura 66. Modelado de la pieza 2-06.2 52 Figura 67. Proceso de modelado de la pieza 2-06.4 53 Figura 68. Esquema [1] y modelado del con-rod en CATIA V5 54 Figura 69. Modelado de la pieza 2-07.2 54 Figura 70. Esquema [1] y modelado del slide valve" en CATIA V5 55 Figura 71. Proceso de modelado de la pieza 2-08.1 55 Figura 72. Esquema [1] y modelado del expansion link en CATIA V5 56 Figura 73. Esquema [1] y modelado del die block en CATIA V5 56 Figura 74. Esquema [1] y modelado de la radius bar en CATIA V5 57 Figura 75. Esquema [1] y modelado de la slide valve con-rod en CATIA V5 57 Figura 76. Esquema [1] y modelado de la front end foot plate en CATIA V5 58 Figura 77. Esquema [1] y modelado de la smokebox shell en CATIA V5 58 Figura 78. Esquema [1] y modelado de la smokebox door en CATIA V5 59 Figura 79. Modelado de la pieza 3-03.1 en CATIA V5 59 Figura 80. Esquema [1] y modelado de la smoke stack en CATIA V5 60 Figura 81. Modelado de la pieza 3-04.1 en CATIA V5 60 Figura 82. Esquema [1] y modelado de la petticoat pipe en CATIA V5 61 Figura 83. Esquema [1] y modelado de la rear end foot plate en CATIA V5 61 Figura 84. Esquema [1] y modelado de la rear step en CATIA V5 62 Figura 85. Esquema [1] y modelado del fuel tank en CATIA V5 62 Figura 86. Esquema [1] y modelado de la tank control valve en CATIA V5 63 Figura 87. Proceso de modlado de la pieza 3-09.3 en CATIA V5 64 Figura 88. Esquema [1] y modelado del reversing lever stand en CATIA V5 64 Figura 89. Esquema [1] y modelado de la reversing lever en CATIA V5. 65 Figura 90. Esquema [1] y modelado del reversing lever spring en CATIA V5 65 Figura 91. Esquema [1] y modelado de la reach rod en CATIA V5 66 Figura 92. Esquema de la boiler shell [1] 66 Figura 93. Modelado de la pieza 4-01.1 en CATIA V5 67 Figura 94. Modelado de la boler shell en CATIA V5 67 Figura 95. Esquema [1] y modelado de la boiler flue pipe en CATIA V5 68 Figura 96. Esquema [1] y modelado de la boiler flue pipe-type-2 en CATIA V5 68 Figura 97. Esquema [1] y modelado de la Boiler Bush-Type-1 en CATIA V5 69 Figura 98. Esquema [1] y modelado de la Boiler Bush-Type-2 en CATIA V5 69 Figura 99. Esquema [1] y modelado de la Stay-Blower Pipe en CATIA V5 69 Figura 100. Esquema [1] y modelado de la water-pressure gauge top fitting en CATIA V5 70 Figura 101. Modelado de la pieza 4-07.1 en CATIA V5 70 Figura 102. Esquema [1] y modelado de la water gauge bottom fitting en CATIA V5 71 Figura 103. Esquema [1] y modelado de la safety valve en CATIA V5 71 Figura 104. Esquema [1] y modelado de la safety valve dome en CATIA V5 72 Figura 105. Esquema [1] y modelado de ls water gauge en CATIA V5 72 Figura 106. Esquema [1] y modelado de la water gauge pipe nut en CATIA V5 73 xxiii Figura 107. Esquema [1] y modelado de la Fire box en CATIA V5 73 Figura 108. Proceso de modelado de la Fire box en CATIA V5 74 Figura 109. Esquema [1] y modelado de la dry backhead en CATIA V5 74 Figura 110. Esquema [1] y modelado de la clack valve en CATIA V5 75 Figura 111. Esquema [1] y modelado de la regulator valve en CATIA V5 75 Figura 112. Esquema [1] y modelado de la blower valve en CATIA V5 76 Figura 113. Proceso de modelado de la pieza 4-17.6 en CATIA V5 76 Figura 114. Esquema [1] y modelado de la blower valve piping en CATIA V5 77 Figura 115. Proceso de moleado de la pieza 4-18.1 en CATIA V5 77 Figura 116. Esquema [1] y modelado de la backhead fire door en CATIA V5 78 Figura 117. Esquema [1] y modelado de la steam supply pipe en CATIA V5 78 Figura 118. Esquema [1] y modelado de la steam supply manifold en CATIA V5 79 Figura 119. Esquema [1] y modelado de la pressure gauge en CATIA V5 79 Figura 120. Esquema de la saddle tank shell [1] 80 Figura 121. Proceso de modelado de la pieza 5-01.4 en CATIA V5 81 Figura 122. Modelado de la saddle tank shell en CATIA V5 81 Figura 123. Esquema [1] y modelado de la saddle tank filler cap en CATIA V5 82 Figura 124. Esquema [1] y modelado de la saddle tank balancing pipe en CATIA V5 82 Figura 125. Esquema [1] y modelado de la saddle tank stop nut en CATIA V5 83 Figura 126. Esquema [1] y modelado del drivers cab side frame en CATIA V5 83 Figura 127. Esquema [1] y modelado del drivers cab bunker en CATIA V5 84 Figura 128. Esquema [1] y modelado del drivers cab front plate en CATIA V5 84 Figura 129. Esquema [1] y modelado del drivers cab rear frame en CATIA V5 85 Figura 130. Esquema [1] y modelado del drivers cab roof en CATIA V5 85 Figura 131. Proceso de modelado del drivers cab roof en CATIA V5 86 Figura 132. Porceso de modelado de la vía en CATIA V5 86 Figura 133. Pieza 6-01.1 modelada 87 Figura 134. Pieza 6-01.2 modelada 87 Figura 135. Pieza 6-01.3 modelada 88 Figura 136. Pieza 6-01.4 modelada 88 Figura 137. Pieza 6-01.5 modelada 88 Figura 138. Foco modelado y ensamblado en CATIA V5 89 Figura 139. Pieza 6-02.1 modelada 89 Figura 140. Pieza 6-02.2 modelada 89 Figura 141. Pieza 6-02.3 modelada 90 Figura 142. Pieza 6-02.4 modelada 90 Figura 143. Pieza 6-02.5 modelada 90 Figura 144. Pieza 6-02.6 modelada 91 Figura 145. Pieza 6-02.7 modelada 91 Figura 146. Pieza 6-02.8 modelada 91 Figura 147. Pieza 6-02.9 modelada 92 Figura 148. Pieza 6-02.10 modelada 92 Figura 149. Mecanismo silbato modelado y ensamblado en CATIA V5 92 Figura 150. Ubicación de Assembly Design en la interfaz de usuario 93 Figura 151. Panel Constraints 94 Figura 152. Panel Manipulation 94 Figura 153. Panel Update 94 Figura 154. Panel Photo Studio Easy Tools 95 Figura 155. Panel de control de fondo, iluminación y sombreado 95 Figura 156. Panel de configuración de renderizado 95 Figura 157. Opción para delimitación de área 96 Figura 158. Opción renderizar 96 Figura 159. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-1-101 97 Figura 160. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-1-102 97 Figura 161. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-1-105 98 Figura 162. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-2-201 99 Figura 163. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-2-202 99 Figura 164. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-2-203 99 Figura 165. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-2-205 100 Figura 166. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-301 101 Figura 167. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-302 101 Figura 168. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-303 102 Figura 169. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-304 102 Figura 170. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-305 103 Figura 171. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-310 104 Figura 172. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-4-401 105 Figura 173. Imagen renderizada del interior del conjunto SA-4-401 106 Figura 174. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-4-402 106 Figura 175. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-4-405 107 Figura 176. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-4-410 108 Figura 177. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-5-501 108 Figura 178. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-5-502 109 Figura 179. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-5-505 109 Figura 180. Imágenes del foco y del mecanismo silbato renderizados 110 Figura 181. Imagen renderizada de la vista frontal y trasera de la locomotora. 111 Figura 182. Imagen renderizada de la vista en planta de la locomotora. 111 Figura 183. Imagen renderizada de la vista lateral de la locomotora. 112 Figura 184. Imagen renderizada de la vista general de la locomotora. 112 xxv Figura 185. Acceso al módulo DMU Kinematics 113 Figura 186. Creación del mecanismo “ANIMACIÓN” 114 Figura 187. Mecanismos del modelo 114 Figura 188. Panel Kinematics Joints 114 Figura 189. Restricción de fijación (Fix Part) en el chasis (ensamblaje SA-1-105) 115 Figura 190. Restricción conducida de revolución (Revolute Joint) en rueda 115 Figura 191. Restricción de deslizamiento (Prismatic Joint) en guiado de pistón 116 Figura 192. Restricción de deslizamiento (Prismatic Joint) entre el Expansion Link y el Die Block 116 Figura 193. Restricción conducida de revolución (Revolute Joint) entre el Expansion Link y el chasis 116 Figura 194. Restricción planar (Planar Joint) entre la válcula deslizante y su compartimento 117 Figura 195. Restricción de conexión (Rigid Joint) entre el chasis y el reversing lever stand 117 Figura 196. Restricción de revolución (Revolute Joint) entre el reversing lever y su accionador 117 Figura 197. Restricción conducida de revolución (Revolute Joint) en el mecanismo silbato 118 Figura 198. Restricción de deslizamiento (Prismatic Joint) en el mecanismo silbato 118 Figura 199. Creación de las simulaciones 119 Figura 200. Interfaz de creación de las secuencias 119 Figura 201. Modelo del tanque y tuberías en CATIA V5 122 Figura 202. Detalle interior del tanque y tuberías 122 Figura 203. Representación del gas caliente en el modelo 123 Figura 204. Representación del agua en el modelo 123 Figura 205. Modelo ensamblado en CATIA V5 123 Figura 206. Vista interior del modelo ensamblado 124 Figura 207. Aplicación de la rotación de 90° en ANSYS 125 Figura 208. Creación de única entidad con Form New Part 125 Figura 209. Definición de las regiones fluidas y sólidas en ANSYS 126 Figura 210. Conexión del módulo Mesh 126 Figura 211. Configuración del mallado 127 Figura 212. Sizing en el borde del dominio del agua 127 Figura 213. Sizing en el borde del dominio del tanque 128 Figura 214. Sizing en el borde del dominio del gas caliente 128 Figura 215. Modelo completo mallado 129 Figura 216. Modelo completo mallado (detalle) 129 Figura 217. Modelo fluido mallado 130 Figura 218. Modelo fluido mallado (detalle) 130 Figura 219. Comprobación de Statistics 130 Figura 220. Element Quality 131 Figura 221. Aspect Ratio 131 Figura 222. Skewness 131 Figura 223. Orthogonal Quality 131 La máquina de vapor 4 - Mecanismo de distribución de vapor (a menudo una válvula deslizante o válvula de corredera): También conocido como inversor de marcha (Reversing Gear) o enlace de Stepherson, es un mecanismo compuesto por un sistema de varillas y enlaces que acortan o prolongan la carrera de la válvula deslizante al mover una palanca situada en la cabina. De esta manera se puede controlar el tiempo en el que el cilindro está recibiendo vapor [6]. En el arranque, la posición de la palanca determina la dirección del movimiento, ya que permite controlar si el vapor entra en el cilindro desde un lado u otro del pistón. Una vez la locomotora ha arrancado y se ha vencido la inercia, la palanca de cambio puede moverse a varias posiciones intermedias, lo que también permite un control fino de la velocidad, así como limitar la cantidad de vapor que entra a los cilindros, economizando el vapor y, lógicamente, el agua y el carbón [6]. Figura 1. Esquema de los componentes de una máquina de vapor [7] 2.2 Estado del arte Las máquinas de vapor, tal como las conocemos hoy, son el resultado de siglos de innovación y desarrollo. Sin embargo, sus principios básicos pueden rastrearse hasta el siglo I d.C., cuando Herón de Alejandría, un ingeniero y matemático griego, hizo algunas de las primeras contribuciones documentadas en el uso del vapor como fuente de energía. Este apartado analiza el desarrollo de las máquinas de vapor y la evolución de esta tecnología. 2.2.1 El origen de las máquinas de vapor con Herón de Alejandría en el Siglo I d.C Herón fue un ingeniero y matemático helenístico [8] que vivió en Alejandría, Egipto, y es conocido por su obra Pneumatica (Neumática), donde describe varias máquinas que funcionan con la presión del aire, el agua y el vapor [9]. Entre estos dispositivos, destaca especialmente la eolípila, considerado por muchos como la primera máquina de vapor de la historia [10]. El eolípila consistía en una esfera hueca montada sobre un pivote, que al calentarse y liberar vapor a través de boquillas orientadas en direcciones opuestas, generaba un movimiento rotatorio de más de 1.000 revoluciones por minuto. Este aparato no tenía utilidad, ya que giraba demasiado rápido y no aprovechaba el vapor de escape, por lo que su función era entretener o asombrar a la gente [10]. 5 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 2. Eolípila de Herón de Alejandría [11] Aunque la tecnología del vapor no se desarrolló inmediatamente después de Herón, su trabajo fue fundamental para el futuro de la ingeniería. Algunos de sus tratados fueron traducidos al árabe durante la Edad Media y luego al latín [8], lo que permitió que sus ideas sobrevivieran y se difundieran en el mundo islámico y posteriormente en Europa durante el Renacimiento. 2.2.2 Thomas Savery y el primer motor de vapor comercial Después de los primeros principios establecidos por Herón de Alejandría en el siglo I d.C., el camino hacia el desarrollo de las máquinas de vapor experimentó un prolongado período de estancamiento. Sin embargo, con la llegada de la Revolución Científica y la Revolución Industrial, el interés en aprovechar el poder del vapor resurgió con fuerza. A finales del siglo XVII, la industria minera enfrentaba graves problemas debido a la acumulación de agua en las minas subterráneas. El desagüe de estas minas era un desafío crítico, ya que las bombas existentes no eran capaces de desarrollar una potencia suficiente para extraer el agua desde las profundidades de la mina [12]. En 1698, Thomas Savery obtuvo la patente de su "Motor para elevar el agua mediante el fuego" [13]. Este dispositivo, aunque rudimentario en comparación con los desarrollos posteriores, representó un avance significativo en la tecnología de su tiempo. La máquina de Savery utilizaba vapor para crear un vacío que, a su vez, aspiraba agua desde un pozo. El funcionamiento básico del dispositivo [12] era el siguiente: 1. Generación de vapor: Se calentaba agua en una caldera, produciendo vapor que se canalizaba hacia un contenedor cerrado (la cámara de vapor). La máquina de vapor 6 Figura 3. Motor para elevar el agua mediante el fuego de Thomas Savery [15] 2. Creación del vacío: Al rociar agua fría sobre la cámara de vapor, el vapor se condensaba rápidamente, creando un vacío parcial dentro de la cámara. 3. Succión de agua: La presión atmosférica forzaba el agua a subir por una tubería y llenar la cámara de vapor, debido al vacío creado. 4. Expulsión del agua: Una vez llena, la cámara se cerraba y se volvía a introducir vapor, forzando el agua hacia arriba y fuera del sistema a través de otra tubería, alcanzando niveles más altos. A pesar de su ingenio, la máquina de Savery presentaba varias limitaciones importantes. En primer lugar, la máquina era incapaz de levantar agua desde grandes profundidades [14], limitando su eficacia a aplicaciones superficiales. Además, los materiales y la tecnología de la época no podían soportar las altas presiones de vapor necesarias para operaciones más eficientes, lo que incrementaba el riesgo de explosiones [13]. La máquina de Savery, aunque limitada, representó un hito en la historia de las máquinas de vapor. Su invención demostró la viabilidad de utilizar vapor para realizar trabajo mecánico y allanó el camino para futuros desarrollos en tecnología de motores de vapor. Savery también publicó un libro titulado "El amigo del minero" [12] , donde detallaba el funcionamiento y las ventajas de su invento, ayudando a difundir sus ideas y conocimientos. 2.2.3 Thomas Newcomen y el avance del motor de vapor Tras los primeros experimentos de Thomas Savery, la evolución de las máquinas de vapor continuó con mejoras significativas introducidas por Thomas Newcomen a principios del siglo XVIII. Newcomen, un herrero y comerciante inglés, hizo avances cruciales en el diseño de motores de vapor, solucionando muchos de los problemas inherentes a las máquinas de Savery. Su motor de vapor, desarrollado en 1712, se considera el primer gran paso de la Revolución Industrial [16]. Trabajando en colaboración con John Calley, desarrolló un motor de vapor que mejoró considerablemente la eficiencia y la practicidad de las máquinas de vapor. A diferencia de la de Savery en la que el propio vacío del depósito era el que absorbía el agua de la mina, en la máquina de Newcomen el vacío se creaba en un cilindro que, conectado a una viga dispuesta en modo balancín, tiraba de la misma hacia abajo [16]. Seguidamente, se llenaba el cilindro con vapor eliminando así el vacío y permitiendo a la viga subir. De este modo, se accionaba una bomba alternativa que extraía el agua de la mina [16]. Este concepto de funcionamiento fue revolucionario en su tiempo. 7 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 4. Máquina de vapor de Newcomen [17] El diseño de Newcomen también estableció principios fundamentales que influirían en inventores posteriores. En particular, el trabajo de Newcomen inspiró a James Watt, quien en 1769 introdujo mejoras adicionales que revolucionaron aún más la tecnología de las máquinas de vapor, como hacer que el vapor condensara en una cámara diferente a la del pistón [18]. 2.2.4 James Watt y la revolución de las Máquinas de Vapor (1765) James Watt, un ingeniero mecánico y químico escocés [18], influenciado por el motor de Newcomen, desarrolló una serie de mejoras que permitieron ahorrar mucho combustible [19], aumentaron significativamente la eficiencia y versatilidad de las máquinas de vapor, con la ayuda de Matthew Boulton. Watt comenzó a trabajar con las máquinas de vapor de Newcomen en la década de 1763, cuando fue encargado de reparar un modelo en la Universidad de Glasgow. Durante su trabajo, Watt identificó un problema crítico: se perdía parte del potencial del vapor debido a la repetida condensación del mismo dentro del cilindro [19]. En 1765, Watt concibió la idea de un condensador separado [19], que se convertiría en su innovación más famosa y transformadora. Esta modificación esencialmente separaba el proceso de generación de vapor y su condensación en dos componentes distintos: 1. Cilindro de vapor: Donde el vapor movía el pistón. 2. Condensador: Una cámara separada donde el vapor se condensaba sin enfriar el cilindro principal. Este diseño permitió que el cilindro de vapor permaneciera a una temperatura constante, mejorando significativamente la eficiencia del motor y reduciendo el consumo de combustible. La máquina de vapor 8 Figura 5. Máquina de vapor de James Watt [20] Watt, junto con su socio Matthew Boulton, fundó la empresa Boulton & Watt en 1775 para comercializar sus motores de vapor mejorados [18]. A lo largo de las siguientes décadas, Watt introdujo varias mejoras adicionales que optimizaron aún más la eficiencia y funcionalidad de sus motores: • Movimiento rotativo: En 1781, Watt desarrolló un mecanismo para convertir el movimiento alternativo del pistón en un movimiento rotatorio, que denominó “Engranaje Sol y planeta” [19], lo que permitió el uso del motor de vapor en una amplia variedad de aplicaciones industriales, más allá del simple bombeo de agua. • Regulador de velocidad centrífugo: Este dispositivo permitía controlar automáticamente la velocidad del motor, proporcionando una operación más estable y fiable. Empleó uno de los que se utilizaban para controlar automáticamente la velocidad de los molinos de viento [19]. • Indicador de Watt: Permitía a los operadores monitorear y ajustar la presión del vapor dentro del cilindro en función de la posición del pistón [19], mejorando la seguridad y la eficiencia del motor. Las mejoras de James Watt no solo hicieron que los motores de vapor fueran más eficientes y económicos, sino que también ampliaron significativamente su aplicabilidad industrial. Sus motores reemplazaron las ruedas hidráulicas y los caballos de tiro como principales fuentes de energía [19], convirtiéndose en la fuerza impulsora detrás de fábricas, molinos y sistemas de transporte, incluyendo barcos y trenes, lo que facilitó el crecimiento económico y la expansión de la Revolución Industrial. Watt también introdujo el concepto de "caballo de fuerza" (horsepower) como una unidad de medida para comparar la potencia de sus motores con la de los caballos [21], una referencia común en la época. 2.2.5 George Stephenson y el desarrollo de la Locomotora de Vapor George Stephenson, conocido como el "Padre de los ferrocarriles", fue un ingeniero civil e inventor británico que contribuyó al desarrollo de la locomotora de vapor y las primeras líneas ferroviarias comerciales [22]. Su trabajo no solo revolucionó el transporte terrestre, sino que también tuvo un impacto profundo en la economía y la sociedad del siglo XIX. A principios del siglo XIX, el transporte terrestre en Inglaterra y en otras partes del mundo industrializado dependía principalmente de caballos y caminos precarios. La locomotora de vapor emergió como una solución prometedora gracias a los avances en la tecnología de vapor, especialmente los desarrollos realizados por 9 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” pioneros como James Watt. George Stephenson nació en 1781 en Wylam, Northumberland, Inglaterra. A pesar de sus humildes orígenes y falta de educación formal, Stephenson mostró una gran aptitud para la mecánica. Trabajó como ingeniero de minas y se familiarizó con las primeras máquinas de vapor utilizadas para bombear agua de las minas [23]. En 1814, Stephenson construyó su primera locomotora, llamada Blücher, que podía transportar 30 toneladas de carbón a una velocidad de 6,4 kilómetros por hora en las minas de Killingworth [24]. Aunque rudimentaria, esta locomotora demostró la viabilidad del transporte ferroviario con máquinas de vapor. 2.2.5.1 La Locomotora Rocket y la línea de Stockton y Darlington El verdadero avance de Stephenson vino con su diseño de la locomotora Rocket, la cual fue creada para competir en las pruebas de Rainhill, organizadas para seleccionar la mejor locomotora para la nueva línea ferroviaria Liverpool y Manchester. La condiciones de la competición indicaban que debía arrastrar el triple de su peso a una velocidad de 10 millas inglesas por hora y sin producir humo, y salió vencedora al remolcar el quíntuple de su peso a la velocidad de 14 hasta 20 millas por hora [25]. Las especificaciones de la Rocket incluyeron varias innovaciones clave [26] : 1. Caldera tubular: Mejoraba la transferencia de calor y la producción de vapor, aumentando la eficiencia del motor. 2. Cilindros cercanos a la horizontal: Evitando el movimiento oscilante irregular a medida que se avanzaba, característico de los alineados verticalmente. 3. Tiro de escape de vapor: Consistía en proporcinar vapor de escape en la base de la chimenea, lo que permitía inducir un vacío parcial y extraer aire a través del fuego. Figura 6. Locomotora Rocket de George Stephenson [26] 2.2.5.2 La línea de Liverpool y Manchester En 1825, Stephenson fue nombrado ingeniero principal del proyecto para construir la línea ferroviaria de Stockton y Darlington, la primera línea ferroviaria pública en el mundo en utilizar locomotoras de vapor. Sin embargo, su logro más significativo fue la línea Liverpool y Manchester, inaugurada en 1830 [27]. Esta fue la primera línea ferroviaria en ofrecer un servicio regular, programado y confiable para el transporte de pasajeros y mercancías. La construcción de esta línea involucró numerosos desafíos de ingeniería, incluidos puentes, La máquina de vapor 10 túneles y viaductos, todos los cuales fueron superados bajo la dirección de Stephenson [27]. En el ámbito del transporte terrestre, la llegada de los trenes afectó notablemente a los operadores de diligencias y carruajes de correo, a las posadas ubicadas en las rutas, a las carreteras y a quienes criaban y cuidaban caballos. Un ejemplo claro de este declive es que, antes del ferrocarril, había 29 diligencias que viajaban diariamente entre Manchester y Liverpool, pero después de la introducción de los trenes, solo quedaron dos en funcionamiento para ese trayecto [28]. También jugó un papel crucial en la estandarización del ancho de vía, adoptando un ancho de 4 pies 8 1/2 pulgadas (1435 mm), conocido como "ancho de vía estándar" [27], que sigue siendo el estándar internacional hoy en día. El trabajo de Stephenson sentó las bases para la expansión global de los ferrocarriles. Sus diseños e innovaciones fueron adoptados y mejorados por ingenieros en todo el mundo, llevando al desarrollo de redes ferroviarias en otros lugares, como Europa [27]. 2.2.6 Expansión global de las locomotoras de vapor La invención y perfeccionamiento de las locomotoras de vapor transformaron radicalmente el transporte en el siglo XIX y principios del XX, facilitando una expansión global. La capacidad de transportar grandes volúmenes de mercancías y personas a largas distancias de manera rápida y eficiente tuvo un impacto profundo en el comercio, la comunicación y la industrialización en todo el mundo. Después de los éxitos iniciales de George Stephenson y la apertura de la línea Liverpool y Manchester en 1830, la tecnología de las locomotoras de vapor se difundió rápidamente por Europa . Por ejemplo, en 1835 en Bélgica, se construyó una línea ferroviaría para unir Bruselas y Malinas, siendo la primera de Europa continental [28], facilitando el transporte de materias primas, productos manufacturados y pasajeros, lo que tuvo un impacto profundo en el comercio y la industria: - Una revolución en el transporte de productos: Desde que en 1825 comenzó a funcionar el primer tren a vapor para el público, el transporte de mercancías cambió por completo. Los trenes ofrecían una manera rápida y barata de mover grandes cantidades de productos de manera terrestre, lo que bajó mucho los costos y acortó el tiempo de entrega. Esto permitió distribuir productos como el carbón, el acero y la comida a una escala nunca vista. Además, ayudó a conectar fábricas con mercados lejanos, lo que impulsó la producción y facilitó el comercio entre diferentes países [29]. - Desarrollo de nuevas industrias: La construcción y operación de ferrocarriles generaron nuevas industrias, como la producción de acero y maquinaria, así como la creación de empleo en la construcción, mantenimiento de infraestructuras ferroviarias, maquinistas, conductores, jefes de estación y cobradores de billetes; también se requirió personal en las estaciones, como porteros, encargados de limpieza y empleados para atender las salas de refrescos [28]. - Uniendo los mercados: Los ferrocarriles también ayudaron a unir los mercados tanto dentro de un mismo país como a nivel internacional. Con los trenes, las empresas podían coordinar mejor la producción y el consumo, lo que estabilizó precios y garantizó que las regiones estuvieran abastecidas. Esta conexión hizo que la economía fuera más sólida y flexible, capaz de responder a las necesidades de diferentes lugares en todo el mundo [29]. - Avances en logística: El ferrocarril dio lugar a muchas de las ideas que hoy forman parte de la logística moderna. La necesidad de planificar los horarios de los trenes y de transportar cargas de forma eficiente fue lo que impulsó los primeros sistemas para organizar el transporte [29]. - Impacto en la sociedad y la cultura: Más allá de la economía y la logística, los trenes también causaron un gran cambio social y cultural. Hicieron que viajar fuera más accesible para mucha gente, lo que facilitó la mezcla de culturas y la difusión de ideas. Además, los trenes se convirtieron en un símbolo de progreso y aventura en la literatura y el arte, apareciendo en numerosas obras que reflejan su importancia en la vida de las personas [29]. 11 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 2.2.7 Declive y legado de las locomotoras de vapor 2.2.7.1 Transición a Motores de Combustion Interna A pesar de que a finales del siglo XIX, el ingeniero alemán Nikolaus Otto, desarrolló del motor de explosión a gasolina, no fue hasta principios del siglo XX cuando las locomotoras de vapor, que habían sido la columna vertebral del transporte ferroviario durante más de un siglo, comenzaron a ser gradualmente reemplazadas por tecnologías más avanzadas y eficientes, como son los motores diésel, desarrollados por figuras como Rudolf Diesel [30]. Motores Diésel Ofrecían varias ventajas significativas sobre las locomotoras de vapor: - Eficiencia de combustible: Los motores diésel eran mucho más eficientes en términos de consumo de combustible. Mientras que las locomotoras de vapor necesitaban grandes cantidades de carbón y agua, los motores diésel podían operar con mucho menos combustible. - Mantenimiento reducido: Las locomotoras diésel requerían menos mantenimiento comparado con las de vapor. Las complejas calderas de las locomotoras de vapor necesitaban constantes inspecciones y reparaciones, mientras que los motores diésel eran más fáciles y económicos de mantener. - Operación simplificada: Con motores diésel, se eliminaba la necesidad de manejar el fuego y controlar la producción de vapor, simplificando la operación del tren. Paralelamente, los trenes eléctricos comenzaron a emerger como una alternativa viable Motores Eléctricos La electrificación de las líneas ferroviarias ofrecía aún más ventajas: - Potencia y velocidad: Las locomotoras eléctricas podían proporcionar una mayor potencia y velocidad constante, especialmente útil en líneas de alta demanda y rutas de largo recorrido. - Eficiencia energética: La electricidad permitía una transferencia de energía más eficiente y limpia, especialmente en regiones donde la electricidad podía generarse de fuentes renovables. - Menor impacto ambiental: A diferencia de las locomotoras de vapor que emitían grandes cantidades de humo y hollín, las locomotoras eléctricas no producían emisiones directas, contribuyendo a la reducción de la contaminación ambiental. - Operación silenciosa: Las locomotoras eléctricas son significativamente más silenciosas [31]. Hacia la segunda mitad del siglo XX, la mayoría de los sistemas ferroviarios en el mundo habían adoptado estas nuevas tecnologías, relegando las locomotoras de vapor a un uso muy limitado. A pesar de su declive en el uso comercial, las locomotoras de vapor no han desaparecido del todo. Su legado perdura a través de esfuerzos dedicados a su preservación y el interés nostálgico que evocan. La máquina de vapor 12 2.3 La Locomotora Kerr-Stuart Brazil Class 0-4-2ST Para este proyecto, se ha seleccionado el modelo de locomotora Kerr-Stuart Brazil Class 0-4-2ST. Este modelo es representativo de la ingeniería y el diseño de locomotoras industriales a principios del siglo XX, y su elección permite una exploración detallada de las características técnicas y operativas de las máquinas de vapor. 2.3.1 Historia de la Kerr-Stuart Brazil Class 0-4-2ST Kerr, Stuart and Company fue una firma británica de fabricación de locomotoras fundada en 1881 y ubicada en Stoke-on-Trent, Inglaterra [32]. La compañía se especializó en la producción de locomotoras industriales y de vía estrecha, que eran ampliamente utilizadas en minas, canteras y plantaciones. La Brazil Class fue una de las series de locomotoras más exitosas producidas por Kerr-Stuart. Diseñada para trabajos ligeros y medianos, esta clase se caracterizaba por tener un solo bogie trasero que permitía situar una caja de fuego de gran tamaño detrás de las ruedas motrices [32]. También destaca por su configuración de ruedas 0-4-2. Esta codificación indica que es una locomotora sin ruedas delanteras, con cuatro ruedas motrices accionadas por dos ejes y con dos ruedas en el bogie trasero en un eje [33]. Por otro lado, la codificación contiene una serie de letras tras los números, indicando que es una locomotora de tanque [33]. Las letras o sufijos, empleados son: • ST, para locomotoras con tanque tipo silla. • T, para locomotoras de tanque lateral. • WT, para locomotoras de tanque de pozo. • RT, para locomotoras de tanque equipada con bastidor. Figura 7. Kerr-Stuart Brazil Class 0-4-2ST [32] Los motivos que han llevado a escoger este modelo para la realización de este TFM han sido: 1. Representatividad histórica: Este modelo encapsula las características de las locomotoras industriales del período, ofreciendo una excelente oportunidad para estudiar la ingeniería y el diseño de la época. 2. Disponibilidad de datos: La disponibilidad de los planos detallados [1] en internet, proporciona una base sólida para el modelado preciso y la simulación virtual de la locomotora, lo que facilita en gran medida el proceso de investigación y análisis. 13 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 2.3.2 Especificaciones Técnicas ▪ Configuración de ruedas: 0-4-2ST [32], lo que le daba una buena tracción y estabilidad en vías industriales de calidad variable. ▪ Peso en servicio: 10,6 toneladas vacía y 13,6 toneladas en funcionamiento [32]. ▪ Diámetro de las ruedas motrices: 32 pulgadas [1]. ▪ Capacidad del tanque de agua: 1900 litros, aproximadamente. ▪ Presión de la caldera: 11 bares, aproximadamente, lo que permitía una buena eficiencia en la generación de vapor. ▪ Fuerza de tracción: Adaptada para tareas industriales, ofreciendo una fuerza de tracción considerable para su tamaño. 2.3.3 Aplicaciones y Uso Las locomotoras de la clase Brazil fueron utilizadas principalmente en contextos industriales, como: - Minas y canteras: Transportando mineral y materiales dentro y fuera de las minas. - Plantaciones: Movilizando caña de azúcar, tabaco y otros productos agrícolas en plantaciones grandes. - Ferrocarriles industriales y portuarios: Facilitando la carga y descarga de mercancías en puertos y fábricas. Estas locomotoras eran apreciadas por su robustez, facilidad de mantenimiento y capacidad para operar en las difíciles condiciones de las vías industriales. Su diseño compacto y eficiente las hacía ideales para maniobras en espacios reducidos y para el transporte de cargas relativamente pesadas en distancias cortas. 2.3.4 Partes principales En este apartado, se describe de manera resumida los diferentes elementos que la componen: Chasis y ruedas El chasis de acero constituye la base estructural de la locomotora y soporta todos los componentes críticos. Alberga las cuatro ruedas motrices que proporcionan tracción, junto con un bogie trasero que contiene dos ruedas adicionales, mejorando la estabilidad en las curvas [34]. También incluye un depósito que puede utilizarse para distintos combustibles, y tres contenedores cilíndricos para el material inflamable, que alimentan la caldera [35]. Además, en la parte delantera, el chasis contine un sistema de lubricación, el cual asegura un funcionamiento suave de los cilindros y pistones mediante la adición de aceite en los mismos durante la marcha [36]. Sistema de vapor El corazón del sistema de propulsión son los dos cilindros, que cuentan con sus respectivas válvulas deslizantes y un sistema de bielas y manivelas [35]. Estos componentes son responsables de transformar la energía del vapor en movimiento mecánico, impulsando las ruedas motrices de la locomotora. Además, la locomotora está equipada con un sistema de inversión de marcha, lo que permite al maquinista cambiar la dirección del desplazamiento y ajustar de manera precisa la velocidad. Componentes superiores En la parte frontal de la locomotora se encuentra una cámara de humos que recoge los gases de escape y los Softwares 20 3.1.2 Aplicaciones específicas en el proyecto Durante el desarrollo del TFM, CATIA V5 se utilizará para varias tareas específicas que destacan sus capacidades: - Modelado detallado de la locomotora: Creación de un modelo 3D preciso de la Kerr-Stuart Brazil Class 0-4-2ST, incluyendo todos sus componentes principales. - Animaciones de funcionamiento: Creación de animaciones que demuestren el funcionamiento interno de la locomotora, utilizadas para fines educativos y de divulgación. - Renderizado y visualización: Creación de imágenes fotorrealistas y vídeos para presentación y divulgación. 3.1.3 Módulos empleados 3.1.3.1 Mechanical Design El módulo Mechanical Design se usa para crear y desarrollar piezas y ensamblajes mecánicos en 3D. Proporciona herramientas para diseñar, modificar y analizar componentes, ayudando a los ingenieros a asegurar que sus diseños sean precisos y eficientes desde la idea inicial hasta la producción final. Part Design En CATIA V5, el módulo Part Design se utiliza para crear modelos 3D de piezas individuales. Las principales opciones y sus funciones son: ▪ Sketcher: Permite dibujar perfiles en 2D que sirven como base para crear formas 3D. ▪ Pad: Extruye un perfil 2D a lo largo de una dirección para crear un sólido. ▪ Shaft: Permite crear sólidos por revolución. ▪ Pocket: Remueve material linealmente de un sólido siguiendo el perfil 2D seleccionado. ▪ Groove: Remueve material circularmente de un sólido siguiendo el perfil 2D seleccionado. ▪ Hole: Crea agujeros en una pieza, con opciones para diferentes tipos de agujeros y sus parámetros. ▪ Fillet: Redondea las aristas de una pieza para suavizar las transiciones. ▪ Chamfer: Bisela aristas de una pieza para crear bordes angulados. ▪ Translate: Desplaza objetos geométricos o cuerpos en el espacio según una dirección y distancia especificadas. Estas herramientas permiten a los diseñadores construir y refinar componentes detallados, asegurando precisión y funcionalidad en los diseños finales. Assembly Design El sub-módulo Assembly Design permite el diseño de ensamblajes y uniones de diferentes piezas individuales para formar conjuntos, subconjuntos o mecanismos. Los diferentes componentes de un conjunto se ensamblan mediante la aplicación de restricciones paramétricas. Las herramientas más frecuentemente utilizadas del módulo Assembly Design se listan a continuación, junto a una breve descripción de cada una de ellas. ▪ Existing Component: Permite introducir una nueva pieza, previamente creada, en el conjunto. ▪ Manipulation: Permite mover uno o varios elementos en el espacio tridimensional. ▪ Coincidence Constraint: Introduce una restricción de coincidencia de ejes. 21 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” ▪ Contact Constraint: Introduce una restricción de contacto entre dos superficies. ▪ Offset Constraint: Introduce una restricción de separación entre superficies, ejes o líneas. ▪ Angle Constraint: Introduce una restricción de ángulo entre superficies, ejes o líneas. ▪ Fix Component: Fija la ubicación de uno o varios elementos en el espacio tridimensional. 3.1.3.2 Digital Mockup El módulo Digital Mockup permite la caracterización de un modelo tridimensional durante todo su ciclo de vida, permitiendo el diseño y configuración de productos complejos sin necesidad de construir modelos físicos. DMU Kinematics El sub-módulo DMU Kinematics está dedicado a la simulación de movimientos en un ensamblaje. Así, permite caracterizar cinemáticamente un conjunto formado por varias piezas interactuando entre sí, pudiendo así simular el comportamiento mecánico y dinámico de un diseño. Sus herramientas principales se describen a continuación: ▪ Revolute Joint: Permite el giro entre dos piezas. ▪ Prismatic Joint: Permite el movimiento rectilíneo entre dos piezas, actuando una de ellas como guía o carril. ▪ Rigid Joint: Permite unir dos piezas entre sí, de forma que ambas se muevan como un conjunto. ▪ Cylindrical Joint: Permite la rotación y/o traslación entre dos piezas, alrededor de un eje. ▪ Simulation: Permite simular el mecanismo de estudio dentro de los rangos definidos para los grados de libertad del mismo. ▪ Compile Simulation: Permite compilar y almacenar la simulación del mecanismo de estudio, bien para su reproducción dentro del módulo o para su exportación como archivo de vídeo. ▪ Simulation Player: Permite reproducir, dentro del módulo DMU Kinematics, una simulación previamente creada y compilada. 3.2 Otras opciones CAD Además de CATIA V5, el software CAD utilizado en la industria ofrece una variedad de opciones que se adaptan a diferentes necesidades y presupuestos. A continuación se mencionan algunas de las alternativas más conocidas: 1. AutoCAD: AutoCAD, desarrollado por Autodesk, es un software internacionalmente reconocido por su amplia gama de herramientas de edición, que permiten crear planos digitales detallados de edificaciones y maquinarias, así como modelos tridimensionales a partir de dibujos en 3D [53]. Este programa ofrece una interfaz intuitiva junto con herramientas avanzadas para el diseño. Figura 9. Logo del software AutoCAD [53] 2. SolidWorks: Desarrollado actualmente por SolidWorks Corp., una filial de Dassault Systèmes, este Softwares 22 software es conocido por su facilidad para modelar tanto piezas individuales como ensamblajes, permitiendo además la generación de planos técnicos y otros datos esenciales para el proceso de fabricación [54]. Figura 10. Logo del software SolidWorks [55] 3. Inventor: Otra solución de Autodesk, es un software de diseño asistido por computadora que se especializa en el modelado mecánico en 3D. Permite a los usuarios realizar simulaciones, visualizaciones y generar documentación técnica de manera eficiente [56]. Figura 11. Logo del software Inventor [57] 4. Creo Parametric: Ofrece todas las ventajas esperadas de un software de modelado 3D de un líder en la industria, además de características innovadoras como fabricación aditiva, Model-Based Definition (MBD), diseño generativo, realidad aumentada, y diseño inteligente y conectado. Su interfaz de usuario es intuitiva y sus flujos de trabajo están optimizados, lo que enriquece la experiencia del usuario y mejora la eficiencia en el proceso de diseño [58]. Figura 12. Logo del software Creo Parametric [59] 5. Solid Edge: Desarrollado y propiedad de SIEMENS, es un software de diseño asistido por computadora (CAD) que permite el modelado paramétrico de piezas en 3D. Este programa facilita la creación de modelos a partir de diversos materiales, así como el doblado de chapas, ensamblajes de conjuntos y funciones de soldadura. También ofrece herramientas de dibujo en plano, dirigido a ingenieros, diseñadores y proyectistas [60]. Figura 13. Logo del software Solid Edge [61] 23 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Estas herramientas CAD son utilizadas en una variedad de industrias para facilitar el diseño, análisis y fabricación de productos. Cada una ofrece características únicas que las hacen adecuadas para diferentes tipos de proyectos y requisitos específicos de la industria. La elección del software CAD adecuado depende de factores como el tipo de diseño, la complejidad del proyecto, las necesidades de colaboración y la integración con otros sistemas de la empresa. 3.3 ¿Qué es ANSYS? ANSYS es un software líder en simulación CAE multifísico para análisis y simulación por elementos finitos (FEA). Permite abarcar las fases de pre-proceso, resolución y post-proceso en un único entorno de trabajo. Este software se utiliza para realizar análisis de componentes o conjuntos en ingeniería y diseño mecánico, evaluando su comportamiento bajo diferentes fenómenos físicos, ya sea de manera individual o simultánea. Ansys permite simular una variedad de condiciones, lo que facilita la optimización del diseño y la verificación de la integridad de los materiales en diversas aplicaciones [62]. Entre las características principales de ANSYS se encuentran: 1. Análisis multiphysics: Integra las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y fluido-mecánicas en una única interfaz, lo que permite a los usuarios realizar proyectos completos que abarcan desde el diseño inicial hasta la simulación final [63]. 2. Amplia biblioteca de elementos: Proporciona una amplia gama de elementos finitos y volúmenes finitos para modelar geometrías complejas y variadas condiciones de carga y frontera. 3. Interfaz gráfica intuitiva: Cuenta con una interfaz gráfica intuitiva que facilita la creación de modelos, la configuración de simulaciones y la visualización de resultados. 4. Herramientas de post-procesamiento avanzadas: Permite analizar y visualizar los resultados de las simulaciones de manera detallada, incluyendo gráficos, animaciones y tablas de datos. En resumen, ANSYS es una herramienta poderosa y versátil que permite a los ingenieros y científicos realizar simulaciones virtuales precisas y detalladas de una amplia variedad de sistemas y fenómenos físicos, lo que contribuye significativamente al diseño, la optimización y la comprensión de sistemas ingenieriles en diversos campos de aplicación. 3.3.1 Razones para elegir ANSYS ANSYS es una opción destacada para realizar estudios térmicos debido a sus capacidades avanzadas y versatilidad en la simulación. Algunas de las razones para escogerla son: 1. Precisión y fiabilidad: Utiliza métodos de elementos finitos (FEM) altamente avanzados para proporcionar resultados precisos y confiables en estudios térmicos. 2. Amplia gama de materiales y condiciones: El software incluye una extensa biblioteca de propiedades de materiales y permite definir condiciones de frontera y cargas térmicas complejas. 3. Interfaz intuitiva: Ofrece una interfaz de usuario intuitiva y herramientas de visualización avanzadas, facilitando la configuración de modelos y la interpretación de resultados. 4. Soporte y comunidad: Cuenta con una sólida red de soporte y una comunidad global de usuarios, lo que facilita el acceso a recursos y soluciones a problemas específicos. 3.3.2 Otras opciones CFD Además de ANSYS, el software CFD utilizado en la industria ofrece una variedad de opciones que se adaptan a diferentes necesidades y presupuestos. A continuación se mencionan algunas de las alternativas más conocidas: Softwares 24 1. OpenFOAM: Es un software de código abierto diseñado para analizar el comportamiento de los fluidos. Este programa tiene diversas aplicaciones para abordar problemas relacionados con la dinámica de fluidos, incluyendo reacciones químicas, turbulencias, transferencia de calor y electromagnetismo. Es una herramienta para resolver ecuaciones diferenciales parciales, en lugar de ser únicamente un paquete de CFD en el sentido tradicional [64]. Figura 14. Logo del software OpenFOAM [65] 2. COMSOL Multiphysics: Anteriormente conocido como FEMLAB, es un software de análisis que utiliza el método de elementos finitos para resolver una variedad de problemas físicos y de ingeniería, especialmente aquellos que involucran fenómenos acoplados. Ofrece una interfaz robusta con MATLAB y sus toolboxes, lo que permite una programación flexible y un manejo eficiente de datos. Permite la entrada de sistemas de ecuaciones en derivadas parciales, pudiendo hacerse de forma directa o a través de la formulación débil [66]. Figura 15. Logo del software COMSOL Multiphysics [67] 3. STAR-CCM+: Es un software de simulación comercial desarrollado por CD-adapco y Siemens Digital Industries Software, centrado en la dinámica de fluidos computacional (CFD). Permite modelar y analizar diversos problemas de ingeniería relacionados con el flujo de fluidos, la transferencia de calor, el estrés, el flujo de partículas y el electromagnetismo, entre otros fenómenos [68]. Figura 16. Logo del software STAR-CCM+ [69] 4. Autodesk CFD: Es una herramienta de dinámica de fluidos computacional diseñada para simular el comportamiento de fluidos en diversos escenarios. En este contexto, el software permite a los usuarios modelar y analizar flujos de fluidos complejos y fenómenos térmicos asociados, tales como la conducción, convección y radiación [70]. Esta capacidad de simulación CFD es útil en aplicaciones que requieren un análisis detallado de los movimientos y las interacciones de los fluidos, como en los estudios de aerodinámica, ventilación y sistemas de refrigeración. 25 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 17. Logo del software Autodesk CFD [71] Este tipo de sofware permite optimizar el diseño de productos y componentes para mejorar el rendimiento aerodinámico, la eficiencia térmica, y la eficacia de los sistemas de flujo de fluidos como turbinas, automóviles, aviones, y dispositivos médicos. 3.4 Conclusiones La elección de CATIA V5 se justifica por sus capacidades avanzadas de modelado, análisis y simulación, así como por sus herramientas de documentación y presentación. Estas características la hacen una herramienta indispensable para el estudio detallado y la preservación del conocimiento técnico de las máquinas de vapor históricas, proporcionando valiosas lecciones y aplicaciones para el diseño moderno de sistemas mecánicos. Por otro lado, la elección de ANSYS para el estudio térmico se justifica por sus capacidades avanzadas, su reputación en la industria y su fiabilidad probada. Al aprovechar sus herramientas y funcionalidades, se espera obtener resultados precisos y significativos que contribuyan al estudio y la comprensión del comportamiento térmico del sistema de precalentamiento de la locomotora. Softwares 26 27 4 COMPONENTES Y MODELADO DE PIEZAS n este capítulo, se abordará el proceso detallado de creación de modelos tridimensionales de los componentes individuales de la locomotora utilizando el software CATIA V5. El objetivo de este capítulo es proporcionar una visión completa y sistemática del proceso de modelado, destacando los métodos y técnicas utilizados para lograr una representación precisa y detallada de las piezas. La siguiente tabla presenta una lista detallada de los subconjuntos que conforman la locomotora, indicando la cantidad requerida de cada uno (Columna 1 - QTY), sus respectivos part numbers (Columna 2 – P.N.), el nombre (Columna 3 - NAME) y la cantidad de piezas individuales que conforman cada subconjunto (Columna 4 - PCS). QTY P.N. NAME PCS QTY P.N. NAME PCS 1 1-01 UNDER FRAME 26 1 3-12 REVERSING LEVER SPRING 1 4 1-02 WHEEL AXLE BEARING 1 1 3-13 REACH ROD 1 2 1-03 CYLINDER 7 1 4-01 BOILER SHELL 9 2 1-04 SLIDE VALVE SPINDLE GLAND NUT 1 1 4-02 BOILER FLUE PIPE-TYPE-1 1 2 1-05 CYLINDER FRONT COVER 1 2 4-03 BOILER FLUE PIPE-TYPE-2 1 2 1-06 CYLINDER REAR COVER 4 1 4-04 BOILER BUSH-TYPE-1 1 1 1-07 STEAM INLET TEE+PIPES 8 3 4-05 BOILER BUSH-TYPE-2 1 1 1-08 STEAM EXHAUST TEE+PIPES 9 1 4-06 STAY-BLOWER PIPE 4 2 1-09 CROSSHEAD GUIDE BAR 1 1 4-07 WATER-PRESSURE GAUGE TOP FITTING 5 2 1-10 CROSSHEAD GUIDE BAR BRACKET 1 1 4-08 WATER GAUGE BOTTON FITTING 2 1 1-11 LUBRICATOR 9 1 4-09 SAFETY VALVE 6 1 1-12 SUMP+BURNER 15 1 4-10 SAFETY VALVE DOME 1 2 1-13 TRUNNION BLOCK 2 1 4-11 WATER GAUGE 9 2 1-14 BUFFER 2 4 4-12 WATER GAUGE PIPE NUT 1 1 2-01 FRONT WHEEL SET 11 1 4-13 FIRE BOX 1 1 2-02 REAR WHEEL SET 11 1 4-14 DRY BACKHEAD 3 1 2-03 TRAILING WHEEL BOGIE 11 1 4-15 CLACK VALVE 3 1 2-04 TRAILNG WHEEL SET 5 1 4-16 REGULATOR VALVE 6 2 2-05 COUPLING ROD 5 1 4-17 BLOWER VALVE 6 2 2-06 PISTON+CROSSHEAD 4 1 4-18 BLOWER VALVE PIPING 2 2 2-07 CONROD 4 1 4-19 BACKHEAD FIRE DOOR 3 2 2-08 SLIDE VALVE 5 1 4-20 STEAM SUPPLY PIPE 1 1 2-09 EXPANSION LINK+SHAFT 10 1 4-21 STEAM SUPPLY MANIFOLD 3 2 2-10 DIE BLOCK 2 1 4-22 BLOWER EXTENTION PIPE 1 2 2-11 RADIUS BAR 2 1 4-23 PRESSURE GAUGE 5 2 2-12 SLIDE VALVE CON-ROD 2 1 5-01 SADDLE TANK SHELL 18 1 3-01 FRONT END FOOT PLATE 5 1 5-02 SADDLE TANK FILLER CAP 3 1 3-02 SMOKEBOX SHELL 10 1 5-03 SADDLE TANK BALANCING PIPE 3 1 3-03 SMOKEBOX DOOR 3 2 5-04 SADDLE TANK STOP NUT 1 1 3-04 SMOKE STACK 3 1 5-05 DRIVERS CAB SIDE FRAME 3 1 3-05 PETTICOAT PIPE 2 1 5-06 DRIVERS CAB BUNKER 1 1 3-06 REAR END FOOT PLATE 1 1 5-07 DRIVERS CAB FRONT PLATE 1 2 3-07 REAR STEP 1 1 5-08 DRIVERS CAB REAR FRAME 2 1 3-08 FUEL TANK 8 1 5-09 DRIVERS CAB ROOF 1 1 3-09 FUEL TANK CONTROL VALVE 5 1 BRAZIL-89mm RAIL 2 1 3-10 REVERSING LEVER STAND 6 1 6-01 FOCUS 5 1 3-11 REVERSING LEVER 6 1 6-02 WHISTLE 8 Tabla 1. Subconjuntos del modelo Cabe destacar que, los dos últimos subconjuntos, focus (foco) y whistle (silbato), no vienen en los planos del modelo [1]. Se han diseñado desde cero para cumplimentar la locomotora y acercar el prototipo digital a la realidad lo máximo posible. El diseño de los mismos, tal y como se comentará en el capítulo del modelado, se E Componentes y modelado de piezas 28 ha llevado a cabo mediante la análisis de imágenes reales de la locomotora de estudio, respetando en todo momento los sistemas de fijación del modelo, es decir, no se ha requerido modificar ninguna perforacion, ni aumentar o disminuir la cantidad de las mismas. En la siguiente tabla, se muestra los recuentos totales. En la primera columna se encuentra el recuento de la cantidad de subconjuntos que componen la locomotora, y en la segunda el recuento de la cantidad de piezas. TOTAL QTY TOTAL PCS 100 388 Tabla 2. Recuentos Por otro lado, han sido necesario elementos de unión para ensamblarlos. Dichos elementos (tornillos, tuercas y pines) se han escogido de la librería de CATIA teniendo en cuenta las especificaciones de cada perforación. Sumando los sistemas de unión, la cifra asciende hasta las 806 piezas. A continuación, cada subconjunto característico encuentra su representación en un apartado específico. Dentro de estos apartados, se desglosan las piezas individuales que las conforman, destacando aquellas de mayor relevancia o complejidad en su diseño y función, ya que la mayoría de las piezas se caracterizan por su fabricación simple y directa. Este rasgo es resultado de la ingeniería eficiente y funcional que define a estas máquinas. La simplicidad en la fabricación se deriva del hecho de que muchas de estas piezas cumplen funciones esenciales, pero relativamente básicas dentro de cada subconjunto de la máquina. Además, la naturaleza histórica de las máquinas de vapor, que emergieron en una época en la que la fabricación industrial aún estaba en desarrollo, influyó en la concepción y diseño de estas piezas. Los materiales disponibles y las técnicas de fabricación de la época requerían soluciones simples y fácilmente replicables. Es importante destacar que, este enfoque selectivo se ha implementado para evitar extender el documento de manera innecesaria. Dado que el proceso de modelado de piezas sigue un método común y homogéneo en la mayoría de los casos, centrarnos en explicar los procesos más importantes o complejos nos permite ofrecer una comprensión clara y concisa del proceso de fabricación de estas piezas. 4.1 BRAZIL-1-01-UNDER FRAME El "under frame" es el marco inferior de la locomotora de vapor. Sostiene todo el peso de la locomotora y proporciona la base sobre la cual se montan los demás componentes, como la caldera, los cilindros, el sistema de suspensión y las ruedas motrices. Figura 18. Esquema general de los componentes del Under Frame [1] 29 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 1-01.1 Esta pieza se corresponde con las paredes longitudinales de la estructura. La principal complejidad, que ha sido el motivo por el que se ha elegido para explicar el proceso de modelado, radica en la cantidad de perforaciones que contiene. Además, es la primera pieza que el usuario se encuentra en la documentación del modelo. Por ello, a pesar de ser un proceso simple, la explicación del proceso servirá para aquellas piezas con características constructivas similares. El proceso de modelado ha sido el siguiente: 1. Seleccionar un plano del espacio tridimensional y crear un nuevo Sketch. 2. Dibujar con las herramientas disponibles el boceto de la misma, con ayuda del plano. 3. Extruir el boceto con la herramienta “Pad”, según el grosor de la placa. Se requieren dos piezas, una para cada lado de la estructura. Figura 19. Proceso de modelado de la pieza 1-01.1 1-01.2 En este caso, la pieza se corresponde con la pared frontal, aunque la trasera es prácticamente igual, cambiando el número de perforaciones. El proceso de fabricación es exactamente igual que en el caso anterior, pero en este caso además se hace uso de la herramienta “Fillet”, para redondear ciertas aristas. Figura 20. Proceso de modelado de la pieza 1-01.2 Componentes y modelado de piezas 36 pieza mediante circunferencias. 4. Extraer el material hasta la distancia indicada en los planos con Pocket. Figura 32. Proceso de modelado de la slide valve spindle gland nut El modelo de la máquina de vapor emplea numerosas tuercas similares, cambiando las dimensiones de las mismas. El proceso de modelación de todas ellas ha sido siempre el comentado en este apartado. 4.5 BRAZIL-1-05-CYLINDER FRONT COVER La "cylinder front cover" es la cubierta frontal del cilindro. Su función principal es sellar y proteger la parte delantera del cilindro, donde se encuentra el pistón y donde se produce la acción de expansión del vapor. Esta cubierta está diseñada para soportar las altas temperaturas y presiones, mientras proporciona acceso para el mantenimiento y la inspección del cilindro y el pistón. Generalmente, está fabricada en acero para garantizar su resistencia y durabilidad en condiciones de operación exigentes. Figura 33. Esquema de la cylinder front cover [1] El proceso de modelado ha sido el siguiente: 1. Sobre un plano, dibujar el boceto de una circunferencia que contiene otras 6, correspondiéndose estas con las perforaciones de la cubierta. 2. Extruir el boceto con Pad indicando el grosor de la misma. 3. Sobre una de las caras, añadir un boceto con una nueva circunferencia. 4. De nuevo, extruir el boceto a la medida necesaria. 5. Con Fillet, redondear el borde exterior de la cubierta. 37 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 34. Cylinder front cover odelada en CATIA V5 4.6 BRAZIL-1-06-CYLINDER REAR COVER La "cylinder rear cover" es la cubierta trasera del cilindro. Esta pieza tiene la función de sellar y proteger la parte posterior del mismo, donde se encuentra el extremo opuesto al pistón. Al igual que la cubierta frontal, la cubierta trasera está diseñada para soportar las altas temperaturas y presiones del vapor. Además, proporciona acceso para el mantenimiento y la inspección del cilindro. Por lo general, está fabricada en hierro fundido o acero para garantizar su resistencia y durabilidad en condiciones de operación exigentes. Figura 35. Esquema de los componentes de la cylinder rear cover [1] 1-06.1 El proceso de modelado es exactamente igual que en el caso de la cylinder front cover, añadiendo además lo expuesto a continuación: 1. En este caso, se realiza la perforación superior con la herramienta Hole, añadiendo el avellanado correspondiente. 2. En la cara frontal de la pieza, realizar un nuevo boceto para añadir el saliente semicircular que se puede observar en la Figura 36. Este boceto se basa en un semicirculo y un cuadrado unidos, por lo que el diámetro del semicirculo debe ser igual a la longitud del lado del cuadrado. 3. Extruir con Pad este último boceto. 4. Añadir las perforaciones necesarias mediante el proceso basado en realizar bocetos de circunferencias sobre las superficies perforadas y extraer el material con Pocket. Componentes y modelado de piezas 38 Figura 36. Proceso de modelado de la pieza 1-06.1 Finalmente, se muestra la cylinder rear cover modelada al completo: Figura 37. Cylinder rear cover modelada en CATIA V5 4.7 BRAZIL-1-07-STEAM INLET TEE+PIPES El conjunto "steam inlet tee + pipes" es parte del sistema de distribución de vapor. Consiste en una conexión en forma de T (tee) y los conductos (pipes) que dirigen el vapor desde la caldera hacia los cilindros. Esta configuración es crucial para transferir la energía del vapor a los pistones y generar movimiento en la locomotora. Por lo general, estas piezas están fabricadas con acero para resistir el calor y la presión del vapor, aunque para el modelo del presente proyecto se usa latón. Figura 38. Esquema de los componentes de la Steam inlet tee + pipes [1] 39 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 1-07.1 Esta pieza es la ya nombrada T (tee). Sirve para distribuir el vapor procedente de los conductos de la caldera hacia los cilindros y hacia el lubricador de la locomotora. El proceso de modelado es el siguiente: 1. Realizar en un plano un sketch el boceto de una corona circular, lo que servirá para constuir el cuerpo base de la pieza. 2. Extruir el boceto anterior con Pad. 3. En cada una de las caras circulares de tubo generado, realizar un boceto similar al primero pero con las medidas reducidas para crear la superficie donde se situarían las roscas macho en el modelo real. 4. Extruir ambos bocetos. 5. De manera similar, crear los tubos de entrada de vapor y de salida en planos perpendiculares al plano escogido inicialmente. Figura 39. Pieza 1-07.1 modelada A continuación, se muestra el steam inlet tee + pipes modelado al completo: Figura 40. Steam inlet tee + pipes modelado en CATIA V5 4.8 BRAZIL-1-08-STEAM EXHAUST TEE+PIPES El conjunto "steam exhaust tee + pipes" forma parte del sistema de escape de vapor en una locomotora de vapor. Incluye una conexión en forma de T (tee) y conductos (pipes) que permiten que el vapor ya usado en Componentes y modelado de piezas 40 los cilindros se expulse fuera de la locomotora. Estas piezas son cruciales para un funcionamiento eficiente de la locomotora, garantizando la liberación controlada del vapor usado. Por lo general, están fabricadas con materiales resistentes al calor y la corrosión, por lo que en este proyecto se ha utilizado latón y bronce, siendo este último el material característico de la mayoría de las tuberías del modelo. El proceso de modelado es semejante al del sistema steam inlet tee + pipes. Figura 41. Esquema de los componentes de steam exhaust tee + pipes [1] A continuación, se muestra dicho sistema modelado: Figura 42. Steam exhaust tee + pipes modelado en CATIA V5 41 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 4.9 BRAZIL-1-09-CROSSHEAD GUIDE BAR La "crosshead guide bar" es una barra que guía el movimiento del pistón en una locomotora de vapor, convirtiendo el movimiento lineal en rotativo. Está hecha de acero o hierro fundido y es crucial para un funcionamiento eficiente de la locomotora. Figura 43. Esquema de la crosshead guide bar [1] El proceso de modelado es el siguiente: 1. Se define un boceto 2D, representando la sección transversal de la barra. Para ello, se dibuja un cuadrado aplicando restricciones dimensionales para fijar las medidas exactas de la sección. 2. Con el boceto de la sección cuadrada listo, se utiliza la herramienta Pad para extruir el perfil a lo largo de la longitud de la barra. 3. Para redondear los bordes de la barra, se seleccionan los cuatro bordes longitudinales de la extrusión y se aplica la herramienta Fillet. 4. A continuación, se crean los agujeros en los extremos de la barra. Para ello, se selecciona uno de los planos longitudinales y se dibujan dos círculos en el boceto, uno en cada extremo, utilizando la herramienta Circle. 5. Después, con las posiciones de los círculos definidas, se usa la herramienta Pocket para perforar los agujeros a través de la barra. La profundidad del corte se establece para atravesar completamente la sección. Figura 44. Crosshead guide bar modelado en CATIA V5 4.10 BRAZIL-1-10-CROSSHEAD GUIDE BAR BRACKET El "crosshead guide bar bracket" es un soporte que asegura la crosshead guide bar al chasis de la locomotora. Está hecho de acero o hierro fundido y es crucial para garantizar un movimiento suave y preciso del pistón. El proceso de modelado ha sido el siguiente: 1. Se comienza creando un boceto que define la base de la placa, la cual tiene forma rectangular pero con un cuarto de cirucilo centrado en una de sus esquinas. Componentes y modelado de piezas 42 2. Después de completar el boceto, se realiza una extrusión de la placa para darle el espesor correspondiente. 3. Para crear las láminas perpendiculares, se dibujan dos perfiles rectangulares en los planos laterales. Estos perfiles se extruyen para formar las láminas de fijación. 4. Se crean perforaciones en las láminas perpendiculares dibujando círculos en las posiciones indicadas en los planos. Luego, se utiliza la herramienta Pocket para perforar los agujeros que atraviesan las láminas, permitiendo la fijación con tornillos o pernos. Figura 45. Esquema [1] y modelado en CATIA V5 de la crosshead guide bar bracket 4.11 BRAZIL-1-11-LUBRICATOR El "lubricator" es un dispositivo en locomotoras de vapor que suministra lubricante a partes móviles para reducir la fricción y el desgaste, manteniendo así un funcionamiento suave y eficiente. Funciona aprovechando la presión del vapor, que lleva pequeñas cantidades de lubricante a las partes móviles a través de tuberías y válvulas. Figura 46. Esquema del Lubricator [1] 43 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 1-11.7 Esta pieza se corresponde con el conducto que lleva el vapor desde las tuberías de distribución hasta el lubricador. El proceso de modelado es el siguiente: 1. Se inicia dibujando un boceto que representa el perfil de la tubería en forma de "S". Este boceto se realiza utilizando la herramienta Line y Arc para definir la forma curva de la "S", aplicando restricciones para asegurar que la forma se ajuste a las dimensiones y ángulos necesarios. 2. A continuación, en un plano perpendicular a la sección anterior, se dibuja la sección 2D de la tubería circular. 3. Con el perfil 2D definido, se aplica la herramienta Rib seleccionando la sección y el perfil, generando una forma tubular a lo largo de la trayectoria definida por el perfil, creando así la tubería en forma de "S". 4. Para garantizar el sellado de la unión en uno de los extremos de la tubería, se crea un reborde adicional. Se comienza dibujando un boceto en el extremo de la tubería donde se desea el reborde. Este boceto incluye un perfil de reborde. Se utiliza la herramienta Shaft para girar el perfil del reborde alrededor del eje de la tubería, formando así el reborde. Este reborde asegura una mejor unión y sellado en la conexión. Figura 47. Proceso de modelado de la pieza 1-11.7 en CATIA V5 Finalmente, se muestra el suministrador de lubricante modelado al completo y ensamblado: Figura 48. Lubricator modelado en CATIA V5 Componentes y modelado de piezas 44 4.12 BRAZIL-1-12-SUMP+BURNER El "sump + burner" es un conjunto utilizado en locomotoras de vapor para calentar agua y generar vapor. El burner quema combustible, como carbón o aceite, para calentar el agua en el sump y producir vapor. Este vapor se utiliza luego para impulsar los cilindros y las ruedas de la locomotora. Figura 49. Esquema del sump + burner [1] 1-12.1 Consiste en tres recipientes tubulares dispuestos verticalmente, diseñados para contener material inflamable. El proceso de modelado es semejante a piezas vistas anteriormente: 1. Sobre un plano, dibujar la forma de la placa base. Esta se puede asemejar a un triángulo con los vértices redondeados y una circunferencia en el centro. 2. Seguidamente se extruye el boceto dándole el grosor correspondiente a la base. 3. Sobre la cara superior de la base, se realiza el boceto de la base de los tres depósitos tubulares según las medidas indicadas en los planos. 4. De igual manera, se extruye dicho boceto hasta la altura indicada. 5. Finalmente, se realizan las perforaciones para poder conectar los tubos por los que fluye el aceite. Para ello, se coloca un punto de referencia entre los dos depósitos sobre los que se quiere realizar la perforación y, usando este punto de referencia, se crea un plano tangente a la superficie de ambos depósitos con la herramienta Plane. A continuación, se realizan los bocetos de las perforaciones correspondientes sobre dichos planos y posteriormente se emplea la herramienta Pocket para extraer el material, extendiendo dicha extracción hasta ambos depósitos. Figura 50. Creación de plano tangente para realizar las perforaciones sobre los depósitos 45 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 1-12.4 El Sump es un componente rectangular que sirve para almacenar y distribuir lubricante en la locomotora. Está compuesto por una placa de sujeción con perforaciones para su fijación al chasis, y el propio depósito hueco construido sobre la placa. El proceso de modelado es el siguiente: 1. Se comienza dibujando un boceto en cualquier plano para la placa de sujeción. Este boceto tiene forma rectangular, con las dimensiones necesarias para sujetarlo al chasis. 2. En este boceto, se añaden dos perforaciones usando la herramienta Circle en las posiciones adecuadas para la fijación. 3. Después de dibujar el perfil, se utiliza la herramienta Pad para extruir la placa y darle el espesor necesario. 4. Sobre una de las caras de la placa de sujeción, se dibuja el boceto que representa el fondo del depósito, con un perfil rectangular centrado en la placa. Este perfil define las dimensiones exteriores del depósito. 5. Se extruye el perfil hasta la anchura del depósito utilizando la herramienta Pad para crear un bloque macizo sobre la placa de sujeción. 6. Para hacerlo hueco, se dibuja un segundo boceto en la cara frontal del bloque. Este boceto tiene forma rectangular, pero con dimensiones ligeramente menores que las del perfil exterior, definiendo el grosor de las paredes del depósito. 7. A continuación, se utiliza la herramienta Pocket para extraer el material interno del bloque, creando así el espacio hueco del depósito. La profundidad de esta operación se ajusta para no perforar el fondo, dejando un grosor adecuado en las paredes y el fondo del depósito. 8. En las superficies adecuadas del depósito, se dibujan bocetos adicionales para agregar los agujeros necesarios. Estos son para la conexión de tuberías o accesorios. 9. Se utiliza nuevamente la herramienta Pocket para realizar las perforaciones en las ubicaciones correctas, definiendo la profundidad requerida para ello. 10. Finalmente, se aplica la herramienta Fillet para redondear los bordes externos del depósito. Este paso da un acabado más estético y funcional al depósito. Figura 51. Poceso de modelado del sump en CATIA V5 Finalmente, en la Figura 52 se muestra el sump + burner modelado y ensamblado. Componentes y modelado de piezas 52 Figura 65. Esquema [1] y modelado del piston + crosshead en CATIA V5 A continuación, se describe el proceso seguido para modelar las piezas más características del conjunto: 2-06.2 Esta pieza es el pistón propiamente dicho. El proceso de modelado ha sido el sigueinte: 1. En el plano ZX, se dibuja media sección del pistón, representando su perfil longitudinal. Esto incluye tanto las dimensiones exteriores del pistón como la ranura superior y los detalles internos de los agujeros. Se sigue el contorno mostrado en la imagen, con las dimensiones correspondientes. 2. Una vez completada la media sección, se utiliza la herramienta Shaft para generar el sólido por revolución. El perfil se gira alrededor del eje vertical que representa el centro del pistón, creando un sólido cilíndrico completo. Figura 66. Modelado de la pieza 2-06.2 2-06.4 En este caso, se trata del crosshead. Este asegura la correcta transmisión de fuerza y el buen funcionamiento del sistema de movimiento de la locomotora, guiando el vástago del pistón y previniendo desgastes o desalineamientos. Para modelarlo, se han seguido los siguiente pasos: 1. Se comienza dibujando la sección frontal de la pieza en cualquier plano. Para ello, se traza el perfil de la parte semicircular inferior y el rectángulo superior, tal como se muestra en la primera imagen de la Figura 67. 2. Se utiliza la herramienta Pad para extruir este perfil, creando el cuerpo principal de la pieza. 3. En la parte superior de la pieza, se dibujan dos rectángulos, uno dentro de otro, para crear el que será 53 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” el hueco rectangular. 4. De nuevo, con la herramienta Pad, se extruye dicho boceto para formar en el cuerpo superior. 5. Se dibuja un círculo en la parte superior del rectángulo y se utiliza la herramienta Pocket para perforar el agujero central en la cara superior, como se observa en la vista detallada. 6. En la cara lateral de la pieza, se dibuja un círculo para el cilindro (mango o soporte unión a biela) y con la herramienta Pad, se extruye ese perfil para crear el cilindro sólido que se proyecta hacia afuera de la pieza. 7. Finalmente, en la cara vista del cilindro, se dibuja un círculo que representa el agujero que atraviesa este componente. Utilizando la herramienta Pocket, se perfora el cilindro lateral, creando el paso para la “biela”. Figura 67. Proceso de modelado de la pieza 2-06.4 4.21 BRAZIL-2-07-CONROD La "con-rod" conecta el pistón con la crosshead y el crankpin en el driving wheel set (conjunto de ruedas motrices), transmitiendo el movimiento lineal del pistón al movimiento rotativo de las ruedas motrices. Fabricada típicamente en acero o hierro fundido. El "crankpin" es un pasador o pivote que se encuentra en el driving wheel set. Su función es convertir el movimiento lineal de la biela en movimiento rotativo de la rueda motriz. Componentes y modelado de piezas 54 Figura 68. Esquema [1] y modelado del con-rod en CATIA V5 2-07.2 Esta pieza es un pasador que permite conectar el con-rod al crosshead. Se modela en acero, como la mayotía de las piezas de los mecanismos, siguiendo el siguente proceso: - En el plano YZ, se dibuja la media sección del perfil longitudinal del tornillo, como se muestra en la primera imagen de la izquierda. Este perfil incluye el cuerpo cilíndrico y la cabeza del tornillo. - Utilizando la herramienta Shaft (revolución), se gira el perfil alrededor de su eje vertical, generando el cuerpo cilíndrico del tornillo. - En la cara superior de la cabeza del tornillo, se dibuja un rectángulo que representa la ranura para el destornillador. - Se usa la herramienta Pocket para crear la ranura, extrayendo el material de la cabeza en forma de una abertura rectangular. - Para redondear los bordes de la cabeza del tornillo y suavizar su transición, se aplica un Fillet superiores. Figura 69. Modelado de la pieza 2-07.2 4.22 BRAZIL-2-08-SLIDE VALVE La "slide valve" es una válvula deslizante que controla el flujo de vapor de los cilindros de la locomotora. Regula la entrada y salida de vapor, lo que dirige el movimiento del pistón. Se modela con materiales resistentes al calor y la presión. 55 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 70. Esquema [1] y modelado del slide valve" en CATIA V5 2-08.1 Esta pieza es la "cabeza" de la válvula deslizante y actúa como una tapa móvil dentro del cuerpo de la válvula. Se desliza dentro de un espacio ajustado para abrir y cerrar los puertos por donde el vapor entra y sale del cilindro. Las ranuras y formas particulares que tiene ayudan a sellar la válvula, permitiendo que el vapor se distribuya eficientemente y evitando fugas. El proceso de modelado contiene los siguientes pasos: 1. Dibujar un círculo en el plano XY para la base de la válvula. 2. Usa la herramienta Pad para extruir el perfil circular, creando un cilindro sólido con la altura adecuada. 3. Dibujar un segundo círculo concéntrico de menor diámetro en la parte superior del cilindro. 4. Utilizar la herramienta Pad para extruir este círculo y crear un escalón en la parte superior del cilindro. 5. Dibujar el perfil de las ranuras internas en la parte superior del cilindro. Usa Pocket para cortar material y formar las ranuras internas. 6. De nuevo, en el pano XY. Dibujar dos rectángulos que corten la el cilindro base de manera simétrica, para achatar esta zona del sólido. 7. Usar la herramienta Pocket para quitar dicho material. Figura 71. Proceso de modelado de la pieza 2-08.1 4.23 BRAZIL-2-09-EXPANSION LINK+SHAFT El “expansion link + shaft” es un componente vital en la regulación del vapor. El expansion link controla la cantidad de vapor que se suministra a los cilindros, influyendo en la velocidad y el esfuerzo de tracción. Este mecanismo se ajusta mediante el shaft, que es el eje sobre el cual el expansion link puede moverse para variar la distribución del vapor. Componentes y modelado de piezas 56 Figura 72. Esquema [1] y modelado del expansion link en CATIA V5 El modelado de cada una de las piezas que conforman este elemento se ha llevado a cabo mediante las herramientas Pad, Pocket y Shaft. Se han modelado en acero y latón. 4.24 BRAZIL-2-10-DIE BLOCK El "die block" es un componente esencial que actúa como punto de conexión entre el sistema móvil de transmisión y el sistema de inversión de marcha. Al deslizarse sobre los extremos de la shaft, permite una transmisión efectiva del movimiento entre ambos sistemas. Esta función es crucial para facilitar el cambio de dirección de la locomotora de manera suave y controlada, garantizando así su operación segura y eficiente en diversas condiciones. Figura 73. Esquema [1] y modelado del die block en CATIA V5 El modelado de esta pieza se ha llevado a cabo mediante las herramientas Pad y Pocket. 4.25 BRAZIL-2-11-RADIUS BAR La "radius bar" conecta las ruedas con el sistema de dirección. Esta conexión asegura que el movimiento de las ruedas afecte al funcionamiento del die block y, por ende, al control de la válvula deslizante. El modelado de este elemento se realiza de manera sencilla con las herramientas Pad, Pocket y Shaft, siendo esta última esencial para construir el elemento de unión 2-11.2. 57 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 74. Esquema [1] y modelado de la radius bar en CATIA V5 4.26 BRAZIL-2-12-SLIDE VALVE CON-ROD La "slide valve con-rod" conecta la slide valve con el radius bar. De esta manera, la posición del este influye en el rango de deslizamiento de la slide valve, lo que a su vez modifica la marcha de la locomotora. Esta conexión es esencial para controlar y ajustar el funcionamiento del mecanismo de dirección y la marcha de la locomotora de vapor. Figura 75. Esquema [1] y modelado de la slide valve con-rod en CATIA V5 Al igual que en el caso de la radius bar, el modelado de este elemento se realiza de manera sencilla con las herramientas Pad, Pocket y Shaft, siendo esta última esencial para construir el elemento de unión 2-11.2. 4.27 BRAZIL-3-01-FRONT END FOOT PLATE La "front end foot plate" es una placa ubicada en la parte frontal de la locomotora de vapor. Sirve como plataforma de apoyo para los operarios durante tareas de mantenimiento, inspección y operación. Suele estar fabricada en acero resistente. Componentes y modelado de piezas 58 Figura 76. Esquema [1] y modelado de la front end foot plate en CATIA V5 Está compuesto por tres piezas del mismo material. Estas son la placa base en forma de T con sus correspondientes perforaciones que permiten la unión, una pequeña tapa para facilitar a los operarios el acceso a los sistemas ubicados bajo la misma, y una escuadra rectangular con diversas perforaciones que permite unir dicha placa al componente que veremos a continuación. 4.28 BRAZIL-3-02-SMOKEBOX SHELL La "smokebox shell" es la carcasa que envuelve la parte delantera de la caldera. Fabricada típicamente en acero resistente al calor y la corrosión, proporciona un espacio donde se recolectan y expulsan los gases de escape producidos por la combustión del carbón o el combustible utilizado. Además de garantizar la visibilidad del maquinista al evitar la acumulación de humo en la cabina, protege la caldera y otros componentes de la locomotora del calor y los elementos externos. Figura 77. Esquema [1] y modelado de la smokebox shell en CATIA V5 El modelado de cada una de las piezas que la conforman se ha realizado con las herramientas Pad y Pocket. 59 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 4.29 BRAZIL-3-03-SMOKEBOX DOOR La "smokebox door" es la puerta ubicada en la parte frontal de la smokebox shell. Esta puerta facilita el acceso al interior de la misma para llevar a cabo tareas de mantenimiento, inspección y limpieza, contribuyendo así al mantenimiento adecuado y al funcionamiento óptimo de la locomotora. Se fabrica típicamente en acero resistente al calor y la corrosión. Figura 78. Esquema [1] y modelado de la smokebox door en CATIA V5 A continuación, a pesar de no diferir demasidado de otras piezas anteriormente descritas, se recoge el proceso de modelado seguido para obtener la puerta: 3-03.1 El proceso de modelado de esta pieza se realiza de la siguiente manera: 1. Se dibuja la media sección de la tapa en un boceto en vista lateral, donde se define la forma del perfil de la pieza. 2. Utilizando la herramienta Shaft, se genera el sólido de revolución a partir del perfil dibujado, creando así el cuerpo cilíndrico o circular de la tapa. 3. A continuación, se crean las perforaciones sobre la superficie superior de la pieza usando la herramienta Pocket. Estas perforaciones, para fijación mediante tornillos, se ubican en las posiciones necesarias de acuerdo a las especificaciones de diseño. 4. Para crear el alojamiento de la bisagra, se realiza un Pocket. Esto implica dibujar la geometría de la ranura en el área correspondiente y luego utilizar la herramienta de extracción de material para crear la ranura que permitirá el acoplamiento de la bisagra. 5. Finalmente, se aplica la herramienta Fillet para redondear los bordes de la tapa, evitando así bordes afilados. Figura 79. Modelado de la pieza 3-03.1 en CATIA V5 Componentes y modelado de piezas 60 4.30 BRAZIL-3-04-SMOKE STACK El "smoke stack", o chimenea, permite la expulsión de los gases de combustión generados en la caldera hacia la atmósfera. Se ubica en la parte frontal superior de la locomotora, y mantiene una presión adecuada en la caldera al proporcionar una vía de escape para el humo, las cenizas y otros subproductos de la combustión. Además, contribuye a mantener la visibilidad del maquinista durante la operación. Figura 80. Esquema [1] y modelado de la smoke stack en CATIA V5 Gracias a la forma cilíndrica de las piezas que la componen se modelan fácilmente con la herramienta Shaft. Como materiales, se emplea el aluminio y el latón, disminuyendo así el peso de la locomotora. A continuación, se indican los pasos seguidos para modelar la base de la chimenea, que permite fijarla en la parte superior de la smokebox shell. 3-04.1 Esta pieza, de aluminio, se corresponde con la base de la chimenea y permite fijarla a la superficie curva de la caja de humos. El proceso seguido para su modelado es el siguiente: 1. En un plano adecuado, se dibuja la media sección de la pieza que define el perfil del cuerpo cónico. 2. Utilizando el perfil dibujado, se genera el sólido mediante la herramienta Shaft, girando la sección alrededor de un eje central, lo que crea la forma cónica característica. 3. En el mismo plano, se dibuja una circunferencia que intersecciona la parte inferior del sólido generado. Esta operación recorta el sólido para crear una superficie curva, que permitirá el encaje de la pieza sobre la caja de humos. 4. Por último, se crean dos perforaciones utilizando la herramienta Pocket. Estas perforaciones se utilizan para la fijación de la pieza. Figura 81. Modelado de la pieza 3-04.1 en CATIA V5 61 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 4.31 BRAZIL-3-05-PETTICOAT PIPE La "petticoat pipe" es un componente vital ubicado dentro de la smokebox shell que, además de encajar bajo la chimenea y facilitar su fijación, permite que el humo saliente de la caldera se mezcle con el vapor de escape, generando un efecto de succión que aumenta el flujo de aire a través de la caldera. Esto no solo mejora la eficiencia de la combustión del combustible, sino que también ayuda a extraer los gases de combustión de la locomotora, contribuyendo así a un funcionamiento más eficiente y seguro. Figura 82. Esquema [1] y modelado de la petticoat pipe en CATIA V5 El modelado en latón de las dos piezas que lo conforman se realiza con las herramienta Shaft, Pad y Pocket. 4.32 BRAZIL-3-06-REAR END FOOT PLATE El "rear end foot plate" es una plataforma ubicada en la parte trasera, que proporciona un área de acceso para los operarios durante el mantenimiento, la inspección o la operación de la locomotora. Además, permite la fijación de la cubierta trasera, así como de otros mecanismos que se mostraran más adelante. Figura 83. Esquema [1] y modelado de la rear end foot plate en CATIA V5 Este componente se modela en acero, siendo necesaria únicamente la herramienta Pad. Componentes y modelado de piezas 68 4.41 BRAZIL-4-02-BOILER FLUE PIPE-TYPE-1 El "boiler flue pipe" es un conducto que forma parte del sistema de la caldera. Este conducto está diseñado para permitir que los gases calientes generados durante la combustión en la caldera pasen a través de él y sean expulsados hacia la chimenea. Ayuda a transferir el calor desde los gases de combustión al agua de la caldera, aumentando así la temperatura y la presión del vapor. Suelen estar fabricados con materiales metálicos con gran capacidad conductora del calor. Para este proyecto, como ya se indicó en el apartado anterior, se usa cobre. Figura 95. Esquema [1] y modelado de la boiler flue pipe en CATIA V5 4.42 BRAZIL-4-03-BOILER FLUE PIPE-TYPE-2 Este conducto presenta exactamente la misma función que el anterior. La única diferencia es que, debido al diseño, su diámetro es menor. Figura 96. Esquema [1] y modelado de la boiler flue pipe-type-2 en CATIA V5 4.43 BRAZIL-4-04-BOILER BUSH-TYPE-1 El “Boiler Bush” es un componente utilizado para conectar accesorios, como tuberías o válvulas, a la caldera sin comprometer su integridad. Tiene forma cilíndrica y se fabrica en materiales resistentes a altas temperaturas y presiones, permitiendo un acople seguro y hermético para la instalación de equipos de medición, control o escape de vapor. Las herramientas utilizadas para su constucción son Pad y Pocket, y se ha escogido bronce como material de construcción. 69 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 97. Esquema [1] y modelado de la Boiler Bush-Type-1 en CATIA V5 4.44 BRAZIL-4-05-BOILER BUSH-TYPE-2 En este caso, hablamos de otro componente utilizado para conectar accesorios similar al anterior en cuanto a material y método de modelado. Figura 98. Esquema [1] y modelado de la Boiler Bush-Type-2 en CATIA V5 4.45 BRAZIL-4-06-STAY-BLOWER PIPE La Stay-Blower Pipe es una tubería o conducto utilizado en la caldera para canalizar vapor hacia la caja de fuego, ayudando a mantener una circulación de aire adecuada, lo que permite una mejor transferencia de calor y una mayor potencia del sistema. Figura 99. Esquema [1] y modelado de la Stay-Blower Pipe en CATIA V5 La forma tubular de las piezas que la componen permite un fácil modelado mediante Pad y Pocket. Los materiales son cobre, bronce y latón, siendo estos dos últimos los más resistentes empleados para las conexciones de la tubería. Componentes y modelado de piezas 70 4.46 BRAZIL-4-07-WATER-PRESSURE GAUGE TOP FITTING La "water-pressure gauge top fitting" es una conexión ubicada en la parte superior de la caldera que permite enviar vapor al manómetro de presión y al nivel del depósito de agua, asegurando su correcto funcionamiento. Al igual que en las demás piezas de este tipo, los materiales escogidos son cobre, bronce y latón. Figura 100. Esquema [1] y modelado de la water-pressure gauge top fitting en CATIA V5 4-07.1 Esta pieza es el bloque principal de la water-pressure gauge top fitting. Se modela en bronce con las herramientas Pad y Pocket. Los pasos seguidos son los siguientes: 1. Dibujar la sección de la pieza en cualquier plano. 2. Con Pad, extruir para crear un bloque sólido. 3. En los planos pertinentes, realizar bocetos con círulos que representen los orificios de la pieza. 4. Con Pocket, extraer el material hasta obtener la profundidad deseada. 5. Finalmente, con Fillet, redondear los bordes indicados en la Figura 101. Figura 101. Modelado de la pieza 4-07.1 en CATIA V5 4.47 BRAZIL-4-08-WATER GAUGE BOTTON FITTING La "water gauge bottom fitting" es una conexión ubicada en la parte inferior del medidor de nivel de agua. Se utiliza para fijar el medidor de nivel de agua en su posición y asegurar su correcto funcionamiento. Además, sirve como punto de salida para el agua que se utiliza en el medidor, permitiendo que este mida con precisión el nivel de agua dentro de la caldera. 71 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Sus piezas se construyen con Pad en latón y cobre. Figura 102. Esquema [1] y modelado de la water gauge bottom fitting en CATIA V5 4.48 BRAZIL-4-09-SAFETY VALVE La "safety valve" (válvula de seguridad) protege la caldera de la locomotora contra el exceso de presión, evitando que la presión interna de la caldera exceda un nivel seguro. Cuando la presión del vapor en la caldera alcanza un punto peligrosamente alto, la válvula se abre automáticamente, permitiendo que el vapor escape hacia la atmósfera hasta que la presión vuelva a un nivel seguro. Esto ayuda a prevenir la explosión de la caldera y protege la locomotora, los pasajeros y el personal contra posibles daños o lesiones. Por otro lado, se puede actuar sobre ella para que libere vapor aún cuando no alcanza niveles de presión excesivamente altos y generar así señales acústicas. En este caso, hablamos del sistema train whistle, el cual no fue desarrollado por el diseñador de este modelo. Este elemento es uno de los dos que se han diseñado desde cero para completar la locmotora, por lo que se mostrará al final de este capítulo. Como se puede observar a simple vista en la Figura 103, la longitud de la pieza 4-09.3 ha sido aumentada como consecuencia de la implementación del train whistle. Figura 103. Esquema [1] y modelado de la safety valve en CATIA V5 Se prescinde de la explicación del modelado de sus piezas al ser similar a otras ya comentadas en apartados anteriores. Han sido necesarias las herramientas Pad, Pocket, Shaft y Helix, y los materiales latón y acero. Componentes y modelado de piezas 72 4.49 BRAZIL-4-10-SAFETY VALVE DOME El "safety valve dome" es una estructura que alberga la válvula de seguridad en la parte superior de la caldera. Su función principal es proporcionar un espacio protegido y accesible, permitiendo que funcione de manera eficiente y confiable. La ubicación en la parte superior de la caldera asegura que la válvula pueda liberar el vapor de manera efectiva en caso de que la presión en la caldera alcance niveles peligrosos. Además, el diseño del ayuda a dirigir el vapor liberado hacia arriba y hacia afuera de la locomotora, alejándolo de áreas sensibles y reduciendo el riesgo de lesiones para el personal y los pasajeros. Figura 104. Esquema [1] y modelado de la safety valve dome en CATIA V5 Se modela fácilmente en latón mediante Shaft y Pocket. 4.50 BRAZIL-4-11-WATER GAUGE El "water gauge" es un dispositivo utilizado para medir el nivel de agua en la caldera. Consiste en un tubo de vidrio transparente montado total o parcialmente vertical en la cabina del maquinista. Figura 105. Esquema [1] y modelado de ls water gauge en CATIA V5 73 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 4.51 BRAZIL-4-12-WATER GAUGE PIPE NUT El "water gauge pipe nut" es una tuerca utilizada para asegurar el tubo de vidrio del water gauge en su lugar. Este componente se encuentra en ambos extremos del tubo de vidrio y se utiliza para sujetarlo firmemente a las conexiones superiores e inferiores en la caldera, tal y como se puede apreciar en la Figura 106. Figura 106. Esquema [1] y modelado de la water gauge pipe nut en CATIA V5 El proceso de modelado es excatamente igual que el descrito en el apartado 5.4 pero cambiando las dimensiones de la tuerca y el material, siendo latón en este caso. 4.52 BRAZIL-4-13-FIRE BOX La "fire box" es el área ubicada en la parte trasera de la caldera En esta parte se quema el combustible, generando calor que se transfiere al agua de la caldera para producir vapor. Está diseñada para soportar altas temperaturas y para contener de manera segura el fuego y los gases de combustión mientras se lleva a cabo el proceso de combustión. Figura 107. Esquema [1] y modelado de la Fire box en CATIA V5 Se modela en latón siguiendo los siguientes pasos: 1. En el plano vertical, se realiza el boceto de la pared fronal. La forma de esta se caracteriza por ser rectangular pero sustituyendo el lado corte superior por un semicirculo. 2. A continuación, se extruye el boceto con Pad para darle volumen a la pared. 3. En una de las caras del sólido generado, realizar un nuevo boceto de dos rectángulos verticales que representen la sección de las paredes laterales. Componentes y modelado de piezas 74 4. Extruir con Pad para generar las paredes. 5. Realizar de nuevo los pasos 3 y 4 en las caras verticales expuestas del sólido obtenido, pero aumentando la altura de los rectángulos la distancia necesaria. 6. Realizar el paso 5 aumentando hacia el interior de la caja la anchura de los rectángulos para crear los rebordes de unión. Figura 108. Proceso de modelado de la Fire box en CATIA V5 4.53 BRAZIL-4-14-DRY BACKHEAD El "dry backhead" es una placa metálica colocada en la parte posterior de la cámara de combustión y la caldera, diseñada para proteger a los maquinistas del calor radiante y los gases de combustión. Esta placa metálica actúa como un escudo térmico, ayudando a reducir el riesgo de quemaduras para los maquinistas. Figura 109. Esquema [1] y modelado de la dry backhead en CATIA V5 75 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” El proceso de modelado requiere las herramientas Pad y Pocket. En cuanto al material, este componente se modela en latón. 4.54 BRAZIL-4-15-CLACK VALVE La "clack valve" es una válvula de retención utilizada para controlar el flujo de agua dentro de la caldera. Esta válvula es esencialmente una válvula unidireccional que permite que el agua fluya en una dirección mientras evita que fluya en la dirección opuesta, es decir, permite que el agua entre en la caldera desde el tanque de agua de la locomotora y evita que el agua regrese hacia el tanque cuando la presión de la caldera es mayor que la de este. Figura 110. Esquema [1] y modelado de la clack valve en CATIA V5 El proceso de modelado requiere las herramientas Pad y Shaft. En cuanto a los materiales, todo el componente se modela en latón, excepto la bola interior (4-15.2) que se modela en acero. 4.55 BRAZIL-4-16-REGULATOR VALVE La "regulator valve" es una válvula que controla el flujo de vapor hacia los cilindros. Está ubicada en la cabina del maquinista de manera que, al abrirla o cerrarla, se pued controlar la velocidad y la potencia de la locomotora. Figura 111. Esquema [1] y modelado de la regulator valve en CATIA V5 De manera semejante a la válvula anterior, se modela con las herramientas Pad y Pocket. En cuanto a los materiales, se emplea latón y acero. Componentes y modelado de piezas 76 4.56 BRAZIL-4-17-BLOWER VALVE La "blower valve" es una válvula que se utiliza para liberar manualmente la presión de la caldera cuando es necesario, como durante una situación de emergencia o cuando se necesita realizar mantenimiento. Figura 112. Esquema [1] y modelado de la blower valve en CATIA V5 Como en el resto de válvulas, se modela con las herramientas Pad y Pocket. En cuanto a los materiales, se emplea latón y acero. 4-17.6 Esta pieza es una rueda diseñada para ajustar manualmente la válvula. La rueda permite aplicar torque para controlar la válvula y ajustar su posición o apertura. 1. Se dibuja la media sección en forma de "I" (visto en la primera imagen), representando el semiperfil de la rueda. Utilizando la herramienta Shaft, se genera el sólido por revolución. 2. En un plano lateral interior, se dibujan los círculos y con la herramienta Pocket se realizan los agujeros. 3. Finalmente, se usa la herramienta Fillet para redondear los bordes y conseguir mayor comodidad para el operario. Figura 113. Proceso de modelado de la pieza 4-17.6 en CATIA V5 4.57 BRAZIL-4-18-BLOWER VALVE PIPING El "blower valve piping" es el sistema de tuberías asociados a la blower valve. Está diseñado para dirigir el flujo de aire desde la "blower valve" hasta la tubería de escape, que lo conduce hacia la chimenea atravesando la caldera. 77 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 114. Esquema [1] y modelado de la blower valve piping en CATIA V5 4-18.1 Esta pieza es la tubería propiamente dicha. Se modela en cobre siguiendo los siguientes pasos, similares a los de la pieza 1-11.7 del apartado 5.11: 1. Se dibuja un boceto que representa la trayectoria de la tubería. Este boceto se realiza utilizando las herramientas Line y Circle, siendo necesario dividirlo en varios bocetos diferentes, según sera necesario cambiar de plano. 2. Se define la sección 2D de la tubería circular en un plano perpendicular al tramo inicial. 3. Con la trayectoria 2D definida, se aplica la herramienta Rib seleccionando la sección y la trayectoria, generando una forma tubular con la forma deseada. Este paso se realiza tantas veces como número de bocetos, o cambios de plano, compongan la trayectoria. Figura 115. Proceso de moleado de la pieza 4-18.1 en CATIA V5 Componentes y modelado de piezas 84 durante el viaje o la operación de la locomotora. Está diseñado para proporcionar un acceso conveniente a los artículos almacenados. Figura 127. Esquema [1] y modelado del drivers cab bunker en CATIA V5 Este componente de la locomotora se modela en acero con la herramienta Pad y Pocket. 4.68 BRAZIL-5-07-DRIVERS CAB FRONT PLATE El "drivers cab front plate" es una placa ubicada en la parte frontal de la cabina del maquinista. Esta placa proporciona protección contra el viento y otros elementos externos, ayudando a mantener al maquinista resguardado mientras opera. Figura 128. Esquema [1] y modelado del drivers cab front plate en CATIA V5 Esta placa se modela en acero fácilmente con la herramienta Pad. 4.69 BRAZIL-5-08-DRIVERS CAB REAR FRAME El "drivers cab rear frame" es la estructura ubicada en la parte trasera de la cabina. Esta parte del chasis proporciona soporte y protección adicional al habitáculo del conductor. Además, puede servir como punto de montaje para diversos componentes, como luces traseras, reflectores u otros dispositivos de señalización necesarios para la visibilidad y seguridad durante la operación de la locomotora. Este componente se modela en su totalidad con la herramienta Pad y Pocket, y se emplea acero como material de fabricación. 85 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 129. Esquema [1] y modelado del drivers cab rear frame en CATIA V5 4.70 BRAZIL-5-09-DRIVERS CAB ROOF El "drivers cab roof" es la parte superior o cubierta de la cabina. Esta estructura está diseñada para proteger al maquinista de las inclemencias del tiempo, como la lluvia, la nieve, el sol y el viento, proporcionando un ambiente de trabajo más cómodo y seguro. Figura 130. Esquema [1] y modelado del drivers cab roof en CATIA V5 La cubierta se modela en acero, al igual que el resto de la estructura, siguiendo los siguientes pasos: 1. Se realiza el boceto del perfil curvo de la placa. 2. Con Pad, se extruye para crear el sólido. 3. Con la herramienta Fillet, se redondean las 4 esquinas. 4. Sobre la placa, se realiza el boceto de las perforaciones. En este caso, a pesar de la curvatura, todas las perforaciones de han realizado verticalmente, evitando así la necesidad de crear un plano para cada par de perforaciones. 5. Finalmente, se extrae el material con Pocket. Componentes y modelado de piezas 86 Figura 131. Proceso de modelado del drivers cab roof en CATIA V5 4.71 BRAZIL-89mm-RAIL El término "BRAZIL-89mm-RAIL" es un tipo específico de riel utilizado en el sistema ferroviario en Brasil, con una anchura de 89 milímetros. Este tipo de riel puede ser utilizado en ferrocarriles industriales, tranvías o líneas de ferrocarril de vía estrecha. Los planos del modelo con el que se ha trabajado no proporciona la forma y dimensiones de la vía. Por este motivo, se ha diseñado la sección del riel en función de la forma de las ruedas de la locomotora y del ancho de vía, y se ha escogido una distancia conveniente entre los travesaños de madera. Estas decisiones de diseño se pueden observar en la Figura 132. El modelado de la misma se ha llevado a cabo de manera sencilla con las herramientas Pad, Fillet y Translate. Esta última permite duplicar un elemento en una dirección equispaciadamente el número de veces que deseemos, lo que ha facilitado la creación de los travesaños. Figura 132. Porceso de modelado de la vía en CATIA V5 Se han escogido materiaes realistas como son el hierro (Iron) para los rieles, y la madera de roble (Oak) para 87 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” los travesaños, siendo esta típica por su durabilidad y resistencia. Como ya se introdujo anteriormente, en el siguiente apartado se presentarán los diseños propios realizados específicamente para completar el modelo. Estos diseños han sido creados y adaptados conforme a los requisitos técnicos del proyecto, con el objetivo de asegurar la funcionalidad y precisión de cada componente. 4.72 Diseños propios: Foco delantero y Mecanismo silbato A pesar de que los planos originales del modelo son bastante correctos en su mayoría, se ha identificado la presencia de ciertos errores que han tenido que ser subsanados durante el proceso de modelado. Además, los planos se encuentran incompletos, lo que ha requerido una investigación más profunda. Tras comparar con imágenes reales y estudiar los mecanismos de las antiguas locomotoras, se ha decidido diseñar dos componentes clave que faltaban: un foco delantero y el mecanismo silbato, ambos esenciales para completar de manera fiel y funcional el modelo. Cabe destacar que para la identificación de las nuevas piezas se ha seguido la misma codificación numérica usada hasta ahora, dando lugar al bloque 6. 4.72.1 BRAZIL-6-01-FOCUS El diseño del foco está constituido por las 5 piezas que se muestran a continuación: 6-01.1 Esta pieza es una escuadra curva con sección en T, diseñada para permitir la sujeción del foco a la caja de humos mediante remaches. Su modelado se ha realizado utilizando las herramientas Pad, Pocket y Fillet, optando por el aluminio como material de fabricación, con el objetivo de minimizar el peso total del modelo sin comprometer su resistencia estructural. Figura 133. Pieza 6-01.1 modelada 6-01.2 Esta pieza es un soporte en forma de U que sostiene el foco y permite su fijación a la escuadra, posibilitando tanto el giro vertical como horizontal del foco, lo que permite apuntarlo manualmente en la dirección deseada. Al igual que la pieza anterior, el modelado en aluminio de la pieza se ha realizado mediante Pad, Pocket y Fillet. Figura 134. Pieza 6-01.2 modelada Componentes y modelado de piezas 88 6-01.3 La carcasa del foco facilita el encaje con el soporte y permite colocar una bombilla. Esta pieza se modela utilizando las operaciones Shaft y Fillet, lo que asegura una forma cóncava precisa. Al igual que las otras partes, se emplea aluminio para mantener la ligereza del conjunto sin comprometer la robustez o funcionalidad del diseño. Figura 135. Pieza 6-01.3 modelada 6-01.4 La bombilla se modela utilizando las operaciones Shaft, Pocket y Fillet, lo que permite crear su forma esférica. Para este componente, se elige el vidrio (glass) como material, lo que simula su apariencia y propiedades, contribuyendo así a la representación realista del foco en el modelo. Esta elección de material es esencial para reflejar adecuadamente el diseño estético de la bombilla. Figura 136. Pieza 6-01.4 modelada 6-01.5 La cubierta del foco se modela en plexiglass, un material transparente que ofrece buena resistencia y claridad óptica. Para su modelado, se dibuja media sección y se utiliza la operación Shaft, lo que permite crear la forma adecuada que encaja sobre la carcasa y proporciona una protección eficaz. Este material no solo permite la difusión de la luz, sino que también agrega un acabado estético al conjunto del foco. Figura 137. Pieza 6-01.5 modelada 89 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Finalmente, en la Figura 138, se muestra el foco completo. Figura 138. Foco modelado y ensamblado en CATIA V5 4.72.2 BRAZIL-6-02-WHISTLE El diseño del mecanismo silbato está constituido por las 10 piezas que se muestran a continuación: 6-02.1 Esta pieza es el soporte base del silbato, que permite unir el mecanismo a la safety valve dome (apartado 5.49). Está diseñada para fijar el conjunto del silbato a la locomotora, garantizando estabilidad. Se ha modelado en aluminio utilizando las herramientas Pad, Pocket y Fillet para asegurar un diseño funcional y ligero. Figura 139. Pieza 6-02.1 modelada 6-02.2 Esta pieza es un conducto tubular que actúa como chimenea, dirigiendo el vapor de escape hacia arriba para evitar obstruir la visibilidad del maquinista. Se ha modelado en latón para mantener la estética del modelo de la locomotora, utilizando las herramientas Pad y Fillet para darle su forma final. Figura 140. Pieza 6-02.2 modelada Componentes y modelado de piezas 90 6-02.3 Esta pieza es un pie de apoyo que sostiene el apoyo central del sistema de palanca, el cual permite la activación del mecanismo del silbato. Se ha modelado en aluminio empleando las herramientas Pad y Fillet para dar forma y suavizar los bordes de la pieza. Figura 141. Pieza 6-02.3 modelada 6-02.4 Esta pieza es un elemento que se coloca sobre el soporte anterior. Su función es permitir que la palanca se apoye y pueda girar durante la activación del silbato. Se ha modelado en aluminio utilizando las herramientas Pad, Pocket y Fillet, lo que permite una estructura sólida y bordes suavizados. Figura 142. Pieza 6-02.4 modelada 6-02.5 En este caso, se trata de una pieza semejante a la aterior. La diferencia está en que esta se coloca sobre la pieza 4-09.3 de la safety valve (apartado 5.48) que, como se comentó durante su descripción, fue alargada para facilitar el correcto funcionamiento del mecanismo. Su función es la misma, unir dos piezas dejando libre un grado de libertad. Figura 143. Pieza 6-02.5 modelada 91 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 6-02.6 La palanca es la pieza encargada de transmitir el movimiento que ejecuta el maquinista hacia la safety valve, activando el mecanismo del silbato. Está modelada en aluminio para garantizar ligereza y resistencia, y se ha construido utilizando las herramientas Pad y Fillet, proporcionando una forma definida y bordes suavizados en los pines de unión Figura 144. Pieza 6-02.6 modelada 6-02.7 La varilla es una pieza que se conecta al extremo de la palanca y es desde donde el maquinista ejerce la fuerza para activar el mecanismo del silbato. Está modelada en aluminio, empleando las herramientas Pad, Shaft y Fillet para darle su forma tubular y suavizar los bordes, facilitando así su manipulación y asegurando un movimiento fluido. Figura 145. Pieza 6-02.7 modelada 6-02.8 La manilla es la pieza ubicada en el extremo de la varilla. Es la parte accesible al maquinista, diseñada ergonómicamente para permitir un agarre cómodo y eficiente al momento de tirar hacia abajo. Se modela en aluminio utilizando las herramientas Pad y Fillet. Figura 146. Pieza 6-02.8 modelada Componentes y modelado de piezas 92 6-02.9 El agarre, que se coloca en la manilla, es una pieza tubular de madera diseñada para proporcionar comodidad y facilitar el manejo por parte del maquinista. Esta pieza se modela utilizando la herramienta Pad empleando madera de roble, lo que no solo ofrece un buen tacto, sino que también contribuye al aspecto tradicional del modelo, manteniendo la coherencia con los materiales empleados en las locomotoras antiguas. Figura 147. Pieza 6-02.9 modelada 6-02.10 Esta última pieza es similar a las 6-02.4 y 6-02.5, facilita la unión de piezas permitiendo el giro, en este caso, en ambos extremos. Se coloca el el extremo libre de de la palanca y se une a la pieza 6-02.4. De esta manera, ya se tiene el mecanismo completamente cerrado y funcional. Se modela en aluminio usando Pad, Pocket y Fillet. Figura 148. Pieza 6-02.10 modelada Finalmente, en la Figura 149, se muestra el mecanismo silbato completo. Figura 149. Mecanismo silbato modelado y ensamblado en CATIA V5 93 5 ENSAMBLE Y RENDERIZADO n este capítulo se detallan los procesos de ensamblaje y renderizado de la locomotora de vapor, basados en los planos de la misma [1]. El análisis de estos ensamblajes es crucial para comprender la estructura y funcionamiento del sistema completo, así como para identificar las relaciones y dependencias entre sus componentes. Además, se presentarán los métodos y técnicas utilizados para renderizar los subconjuntos y el modelo final, proporcionando una visualización clara y realista. 5.1 Proceso Ensamblaje El módulo que permite ensamblar las piezas es el siguiente: Assembly Design Workbench Para acceder al mismo, se busca Mechanical Design en el desplegable que aparece al clicar sobre la pestaña Start, situada en la barra superior de opciones. De esta manera accedemos a un nuevo desplegable, en el cual aparece el workbench Assembly Design, tal y como se muestra en la Figura 150. Figura 150. Ubicación de Assembly Design en la interfaz de usuario Este módulo permite importar los modelos individuales de cada componente y organizarlos en un ensamblaje completo. Además, facilita la gestión de jerarquías de ensamblaje y sub-ensamblajes, permitiendo una estructura clara y organizada. Una vez se accede al módulo y se importan las piezas a ensamblar, se requiere el uso de diversas herramientas: Constraints (Restricciones) Las restricciones son esenciales para definir cómo interactúan y se posicionan los componentes entre sí. A continuación, se definen las principales: - Coincidencia: Alinea superficies o ejes de diferentes componentes. - Concentricidad: Asegura que los ejes de dos componentes sean coaxiales. - Distancia: Define una distancia fija entre superficies o ejes. E Ensamble y renderizado 100 5.3.7 SA-2-205 El ensamblaje SA-2-205 consiste en añadir al SA-1-105 las ruedas y las barras que componen el sistema de transmisión del movimiento. Figura 165. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-2-205 Para ello, se comienza fijando en el espacio el ensamblaje SA-1-105. El siguiente paso es añadir las ruedas de transmisión del movimiento y las de dirección, por lo que antes se debe colocar la pieza 2-03 que sujeta estas últimas (bogie). Para ello, se alinea dicha pieza bajo el ensamblaje utilizando las perforaciones pertinentes y se hacen coincidir las superficies. Una vez realizado este paso, se procede a añadir las ruedas. Para colocar las mismas, se alinean los ejes con el chasis y se imponen resticciones de coincidencia entre las caras internas de las ruedas con las superficies de rozamiento del chasis. Finalmente, se añade el sistema de transmisión. Para ello, se colocan las barras por orden a ambos lados, componiendo en pequeños pasos dicho sistema y asegurando su correcto funcionamiento. Todos estos elementos se ensamblan alineando perforaciones y añadiendo restricciones de contacto. 101 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 5.3.8 SA-3-301 El ensamblaje SA-3-301 es la estructura de la cámara de humo de la locomotora de vapor. Tras la Figura 166, se comenta el proceso de ensamblado de la misma. Figura 166. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-301 Se parte de la fijación en el espacio de la BRAZIL-3-02-SMOKEBOX SHELL (Carcasa de la cámara de humo). Una vez fijada, se alinea la pieza 3-03 que se corresponde con la puerta de acceso a la carcasa. Esta pieza se ensambla alineando la propia puerta con el hueco preparado para la misma, ya que es circular, y alineando el propio sistema de bisagra, ya que son restricciones perpendiculares. A contiuación, se pasa a añadir la chimenea, identificada como BRAZIL-3-04-SMOKE STACK. Para ello se alinea en la parte superior y se establece una restricción de contacto entre la superficie inferior de la parte de sujección de la chimenea y la superficie curva superior de la carcasa. 5.3.9 SA-3-302 El ensamblaje SA-3-302 es igual que el anterior, pero añadiendo la pieza BRAZIL-3-01-FRONT END FOOT PLATE (Placa delantera del pie). Ésta se ensambla alineando dos o más perforaciones de la parte inferior de la carcasa con direcciones perpendiculares. Figura 167. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-302 Ensamble y renderizado 102 5.3.10 SA-3-303 El ensamblaje SA-3-303 es la base donde se coloca el maquinista. Comprende la placa del pie trasera, el conjunto de la palanca de reversa, los escalones traseros y el depósito de combustible (el proceso de ensamblado de esta parte se encuentra en el apartado siguiente). Figura 168. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-303 El método de ensamblaje no difiere de los ya comentados. Primero se fija en el espacio la placa de pie y posteriormente se van añadiendo el resto de piezas alineando las perforaciones e imponiendo restricciones de contacto entre sus superficies. 5.3.11 SA-3-304 El ensamblaje SA-3-304 es esencial para el sistema de combustible, integrando el tanque de combustible y la válvula de bombeo. Figura 169. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-304 103 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Se parte de la fijación en el espacio del propio tanque. Sguidamente, se alinea la válvula con su perforación correspondiente (la situada a la izquierda sobre la siperficie superior, situándonos delante del tanque), ya que dicha válvula está diseñada en forma tubular. En este caso, para introducir la válvula en el tanque, no se pueden emplear restricción de coincidencia, ya que no existe contacto entre sus superficies. Por ello, se usa una restricción de distancia entre dos superficies paralelas de ambos componentes. El modo de uso es similar a la de coincidencia, pero es necesario añadir la distancia entre ambas superficies. Dicha distancia no viene especificada en los planos del modelo [1], por lo que se ajusta observando las imágenes proporcionadas, intentado que se asemeje lo máximo posible. 5.3.12 SA-3-305 El ensamblaje SA-3-305 sirve para controlar la marcha, integrando el soporte de la palanca de reversa y la propia palanca. Figura 170. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-305 Como podemos observar, está formado por dos partes, el soporte y la palanca. Para su ensamblado, primero fijamos el soporte en el espacio y, posteriormente, alineamos el perno del punto de giro (ya implementado en el soporte) con la perforación preparada en la palanca. Finalmente, para colocar la palanca en su posición final, imponemos una restricción de coincidencia entre la cara interior de la cabeza del perno de giro, con la superficie frontal de la palanca, de modo que quede tal y como se muestra en la figura. En este tipo de ensamblajes, hay que asegurarse de que la composición de los elementos es correcta, ya que podría pasar que la palanca quedara orientada hacia abajo o fuera de la guía de movimiento y aún así, respete las restricciones impuestas. De ser así, habría que utilizar las herramientas de movimiento para recolocar los elementos lo más próximos posible a la posición final. De esta manera, al actualizar el ensamblado, quedan todos los componentes fijados en la posición correcta. Ensamble y renderizado 104 5.3.13 SA-3-310 El ensamblaje SA-3-310 es la integración de varios subconjuntos ensamblados anteriormente. Figura 171. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-3-310 Se parte de la fijación de uno de los subconjuntos en el espacio para trabajar sobre el mismo. Se escoge como elemento base el de mayor tamaño, SA-2-205. Sobre el mismo se coloca: - SA-3-302: Se alinean las perforaciones de la placa base de la misma con las de las escuadras del chasis de la locomotora, situándola encima del componente fijado y con la orientación correcta. Seguidamente se impone una restriccion de coincidencia entre la superficie inferior de la placa y la superficie superior del chasis. - SA-3-303: Exactamente igual que el subconjunto anterior. - La pieza 3-13: Forma parte del sistema de inversión de marcha, uniendo la palanca situada en la cabina con el sistema de trasmisión. Su ensamblaje resulta sencillo, basándose en alineación de perforaciones y restricciones de coincidencia entre superficies. 105 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 5.3.14 SA-4-401 El ensamblaje SA-4-401 comprende la cámara de fuego y la propia caldera. Durante el funcionamiento de la locomotora, este ensamblaje está en contacto con los fluidos de trabajo en todas sus fases; agua líquida y vapor, y el gas de la combustión del carbón. Debe garantizar la estanqueidad del sistema, por lo que la mayoría de las uniones entre las piezas se realiza por soldadura. Como se puede observar en la Figura 172, todas las piezas que lo conforman se caracterizan por ser tubulares o contener perforaciones, por lo que contienen ejes logitudinales que sirven para imponer las restricciones necesarias. Además, en cuanto a los materiales, las piezas están modeladas en bronce (bronze), latón, (brass) y cobre (copper). Estos materiales se utilizan en las piezas en contacto con líquidos y vapores, debido a sus excelentes propiedades de resistencia a la corrosión y durabilidad. Disponen de una notable capacidad para resistir la oxidación y la corrosión en ambientes húmedos y con presencia de sustancias químicas, lo que los hace ideales para aplicaciones en sistemas de intercambiadores de calor y componentes de maquinaria. Además, su alta conductividad térmica contribuye a la eficiencia en la transferencia de calor. Figura 172. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-4-401 Se parte fijando el tubo principal en el espacio (4-01), cuya función es contener el agua líquida, en un principio. Para colocar el resto de piezas, el proceso no difiere de lo comentado en otros apartados. Se utilizan los ejes longitudinales para imponer restricciones de alineación y restriciones de coincidencia entre las superficies de contacto. De esta manera, siguiendo el orden adecuado, se ensambla el conjunto completo. En los casos de las piezas 4-04, 4-07 y 4-08, en las que una o ambas superficies del contacto son curvas, dichas restricciones no se pueden fijar. Por ello, se emplean las herramientas que permiten mover las piezas en el espacio, para que una vez alineadas por los ejes, desplazarlas por el mismo hasta situarlas en la posición correcta, dando así lugar al contacto deseado. El orden seguido parte de añadir las piezas que actúan como “tapa” de los cilindros longitudinales, así como los elementos semitubulares de la parte trasera, que conforman la carcasa de la camára de fuego y el sistema de distribución del vapor. Finalmente se implementan las tuberías internas y los sistemas de conexión de la zona trasera. En la siguiente figura, se muestra desde otro ángulo el ensamblaje modelado, además de haberse ocultado la pieza 4-01, correspondiente con la carcasa del tanque de agua líquida, para poder observar la disposición de las tuberías dentro del conjunto. Ensamble y renderizado 106 Figura 173. Imagen renderizada del interior del conjunto SA-4-401 5.3.15 SA-4-402 El ensamblaje SA-4-402 es esencial para el monitoreo y control de los niveles de agua en la caldera de la locomotora de vapor. Conecta el tubo que trae el agua líquida desde el tanque, con el dispositivo de medición de presión. Figura 174. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-4-402 La forma de ensamblaje consiste en fijar en el espacio el tubo transparente (4-11), y añadir a cada uno de los extremos las conexiones en “L” y los elementos de apriete (4-12) mediante alineación de ejes y restricciones de contacto. Para que el tubo sea transparente y poder ver así el nivel del agua, se establece como material el vidrio (Glass), tal y como se indica en los planos del modelo [1]. 107 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 5.3.16 SA-4-405 El ensamblaje SA-4-405 integra el sistema de la caldera (SA-4-401) con elementos complementarios. Dichos elementos se corresponden con válvulas y tuberías secundarias, así como la puerta de acceso a la cámara de fuego que permite introducir el carbón en la misma y la base del sistema silbato. Figura 175. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-4-405 Para ensamblar el conjunto, vuelve a ser de gran utilidad los ejes longitudinales, por la forma tubular o semitubular de las piezas o parte de las mismas. Por este motivo, el proceso seguido se basa en alineación de ejes y coincidencia de superficies. Destacan las piezas 4-13 y 4-14 modeladas en latón (Brass), que envuelven la parte trasera del conjunto cerrando herméticamente la cámara de fuego mediante pins, siendo estas piezas las únicas del presente ensamblaje que requieren este tipo de unión. En el caso de la puerta de acceso a la cámara de fuego (4-19), el método de colocación es similar al de la puerta del ensamblaje SA-3-301, básandose en el sistema de bisagras. Ensamble y renderizado 108 5.3.17 SA-4-410 Para realizar el ensamblaje del SA-4-410, que incluye los ensamblajes SA-4-405 y SA-3-310 junto con los tornillos, se utilizan restricciones de alineación entre el tanque de agua y el orificio trasero de la cámara de gases, ensamblado previamente en el SA-3-310, y restricciones de distancia entre la cara trasera de la cámara de fuego y la cara delantera del tanque de combustible, ajustándola poco a poco hasta colocarla en su lugar, ya que en los planos [1] no se especifica dicha distancia. Además, para garantizar que la colocación es correcta, se impone una restricción de ángulo entre la cara lateral de la cámara de fuego y cualquiera de las superficies horizontales del conjunto ensamblado hasta el momento, fijando dicho ángulo en 90º para garantizar la perpendicularidad. Al igual que en el resto de ensamblajes, puede ocurrir que la orientación de sus componentes no sea la correcta pero se respeten las restricciones. De nuevo, se puede hacer uso de las herramientas de movimiento para cambiar la distribución y, posteriormente, actualizar el ensamblaje para que quede montado adecuadamente. Figura 176. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-4-410 5.3.18 SA-5-501 El ensamblaje SA-5-501 se corresponde con el depósito de agua. Este se monta sobre el tanque de la caldera, por lo que su sección tiene forma de semicorona. Figura 177. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-5-501 El proceso de ensmablado se basa en la fijación en el espacio del propio tanque. Posteriormente se monta la tapa superior, con el mismo método que en la tapa del ensamblaje SA-3-301. Finalmente en la parte inferior, se añade la tubería de conexión (5-03), que permite que el agua se mantenga al mismo nivel a ambos lados del depósito, junto con las tuercas de apriete, mediante restricciones de alineación y coincidencia. 109 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 5.3.19 SA-5-502 El ensamblaje SA-5-502 es el conjunto de acero que envuelve y protege el compartimento del maquinista, ofreciendo paredes laterales, frontal, trasera y un techo. Además, dispone de una placa situada a la altura de visión de los tripulantes. Entre sus funciones, destaca la de evitar que el humo procedente de la chimenea entre en este espacio y cause posibles problemas. Aún así, está diseñada para permitir la visión del maquinista y tener acceso al mecanismo silbato mediante amplios huecos en los extremos superiores. Figura 178. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-5-502 Este ensamblaje, al igual que en la mayoría de los ya explicados, se basa en alineación de perforaciones y restricciones de coincidencia entre superficies planas. En el caso del techo, al ser superficies curvas, el contacto se impone mediante el desplazamiento manual del mismo una vez se encontraba alineado, acercándolo lo máximo posible hasta considerar que se produce adecuadamente el contacto. La unión de todos sus componentes se realiza mediante pins. 5.3.20 SA-5-505 El ensamblaje SA-5-505 se corresponde con el ensamblaje final del modelo. Se basa en añadir al SA4-410, los dos conjuntos comentados anteriormente, el SA-5-501 y el SA-5-502. Figura 179. Esquema [1] e imagen renderizada del conjunto SA-5-505 El método no difiere de lo ya comentado en varias ocasiones, empleándose restricciones de alineación entre perforaciones y restricciones de contacto entre superficies. En este caso, las uniones se realizan mediante tornillos (screws). Animación 116 Figura 191. Restricción de deslizamiento (Prismatic Joint) en guiado de pistón En la Figura 192, se observa otra restricción de deslizamiento, pero en este caso entre el Expansion Link y el Die Block, que permite que el bloque se desplace de manera controlada a lo largo del perfil lineal de la guía. Este movimiento es clave en el mecanismo de transmisión de la locomotora, ya que regula el cambio en la dirección del vapor y ajusta la marcha de la locomotora con un movimiento suave. Figura 192. Restricción de deslizamiento (Prismatic Joint) entre el Expansion Link y el Die Block Se establece una restricción conducida de revolución entre el Expansion Link y el chasis (Figura 193), lo cual es esencial para el funcionamiento del mecanismo. Esta restricción es conducida porque el Expansion Link actúa como un producto individual que está en contacto directo con el elemento fijado, lo que permite que su movimiento gire alrededor de un eje definido. Figura 193. Restricción conducida de revolución (Revolute Joint) entre el Expansion Link y el chasis Se aplica una restricción planar entre la válvula deslizante y el compartimento que la alberga, el cual 117 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” está contenido en el mismo producto que el chasis. Esta restricción planar es fundamental para asegurar que la válvula se desplace de manera controlada dentro de su compartimento, limitando su movimiento a un plano específico. Al establecer esta restricción, se garantiza que la válvula mantenga su orientación y posición correcta mientras se activa y desactiva. Figura 194. Restricción planar (Planar Joint) entre la válcula deslizante y su compartimento La restricción de rigidez mostrada en la Figura 195 entre el soporte de la palanca de inversión (reversing lever stand) y el chasis, es crucial para garantizar la estabilidad y la durabilidad del sistema. Esta restricción asegura que el soporte de la palanca esté firmemente fijado al chasis, evitando cualquier movimiento indeseado que podría afectar la funcionalidad de la palanca de inversión. Figura 195. Restricción de conexión (Rigid Joint) entre el chasis y el reversing lever stand La restricción de rotación conducida (Figura 196) entre la palanca de inversión (reversing lever) y su accionador sirve únicamente para simular el accionamiento manual del mecanismo. Esta restricción permite que el accionador gire alrededor de un eje específico, replicando el movimiento que el maquinista realizaría al manipular la palanca de inversión. Debe ser una restricción conducida para poder moverlo independientemente del resto del mecanismo y, de esta manera, una simulación realista del proceso. Figura 196. Restricción de revolución (Revolute Joint) entre el reversing lever y su accionador Animación 118 Mecanismo BOCINA En la Figura 197, se observa la restricción de revolución conducida en el mecanismo silbato que rige el efecto palanca sobre el punto de apoyo. Esta restricción permite que la palanca gire de manera controlada, replicando el movimiento que se requiere para accionar el silbato. Al ser una restricción conducida, asegura que cualquier rotación de la palanca esté sincronizada con el funcionamiento del sistema, garantizando así un control efectivo sobre el mecanismo. Figura 197. Restricción conducida de revolución (Revolute Joint) en el mecanismo silbato La restricción de deslizamiento entre el soporte del silbato y la pieza 4-09.3 de la Safety valve es fundamental para permitir el movimiento controlado del mecanismo. Esta restricción controla que las piezas móviles de la válvula desarrollen el movimiento vertical característico. Es clave para la funcionalidad del sistema, ya que permite la activación y desactivación del silbato de manera efectiva, sin comprometer la estabilidad del ensamblaje. Figura 198. Restricción de deslizamiento (Prismatic Joint) en el mecanismo silbato En este punto se han comentado las restricciones más características del modelo, destacando aquellas conducidas que conectan los elementos móviles con el chasis fijado. Estas restricciones son fundamentales para el funcionamiento adecuado del mecanismo, ya que aseguran que los movimientos de las piezas estén coordinados y respondan de manera precisa a las interacciones requeridas. Además, se ha presentado al menos una restricción de cada tipo, lo que proporciona una visión general del conjunto de relaciones que rigen el comportamiento del modelo. Sin embargo, es importante señalar que existen muchas más restricciones dentro del propio mecanismo que contribuyen a su operatividad y complejidad. Estas restricciones adicionales son clave para un funcionamiento fluido y eficiente, y reflejan la riqueza del diseño y la ingeniería detrás del modelo. 6. Creación de la simulación. Una vez establecidas correctamente las restricciones necesarias, aparecerá en la pantalla un mensaje indicando que el mecanismo puede ser simulado. Por tanto, el siguiente paso es crear las simulaciones. Para ello buscamos la herramienta Simulation, cuyo símbolo son dos engranajes, tal y 119 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” como se puede observar en la Figura 199. Al igual que durante la creación de los mecanismos, se han creado dos simulaciones, una para cada sistema. Figura 199. Creación de las simulaciones 7. Creación de secuencias de animación. Se procede a crear secuencias de animación paso a paso, utilizando el generador de secuencias. Cada acción y reacción de los componentes se programa insertándolo en la simulación, para representar el ciclo de funcionamiento de la locomotora. Para ello, se comienza fijando los rangos de funcionamiento de cada restricción conducida (por ejemplo, la Command.1 corresponde al movimiento de giro de las ruedas respecto a la plataforma base de la locomotora, por lo que el rango va desde 0 hasta los 360º). Seguidamente, se coloca cada restricción en el valor que se desea y se inserta en la simulación. De esta manera, insertando valores de inicio y final, el programa crea el movimiento para llevar los valores iniciales a los finales, dando lugar a la simulación completa. Figura 200. Interfaz de creación de las secuencias Este proceso permite no solo visualizar cómo interactúan las partes mecánicas, sino también validar el diseño y optimizar el rendimiento operativo de la locomotora antes de la fabricación. Se ha creado un vídeo donde se muestra el funcionamiento de los diferentes mecanismos del modelo. Para acceder al mismo, mantén la tecla ‘ctrl’ y pulse aquí. Animación 120 121 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” 7 ESTUDIO TÉRMICO l sistema de precalentamiento del agua es una parte crucial en el funcionamiento eficiente de las locomotoras de vapor. Su principal función es aprovechar el calor de los gases de escape de la combustión para aumentar la temperatura del agua de la caldera, mejorando así la eficiencia térmica y reduciendo el tiempo necesario para generar vapor. Esta mejora en la eficiencia no solo contribuye a un mejor rendimiento de la locomotora, sino que también ayuda a reducir el consumo de combustible y las emisiones. En el contexto de las locomotoras de vapor, donde la eficiencia energética es de suma importancia, el análisis térmico del sistema de precalentamiento del agua permite optimizar su diseño y operación. Este análisis proporciona una comprensión detallada de cómo se distribuye el calor dentro del sistema y cómo se pueden mejorar las condiciones de transferencia térmica. El objetivo de este estudio es realizar un análisis térmico detallado del sistema de precalentamiento del agua utilizando el software ANSYS Fluent. Para llevar a cabo este estudio, se ha desarrollado un modelo geométrico del sistema de precalentamiento, donde se han aplicado condiciones de contorno realistas y se han utilizado propiedades térmicas precisas de los materiales. El análisis se centrará en la distribución de temperatura dentro del sistema, proporcionando una visión completa del comportamiento térmico del mismo. 7.1 Metodología En los siguientes apartados, se recoge el proceso ejecutado para llevar a cabo el estudio. Dicho proceso comprende desde el modelado del sistema de precalentamiento a tamaño real, hasta la configuración del software y la extracción de los resultados. Para establecer un contexto, el presente estudio se ha realizado considerando condiciones típicas de operación del sistema de precalentamiento de agua de una locomotora, seleccionando parámetros representativos para garantizar un análisis realista. La temperatura inicial del agua se ha fijado en 15°C (288 K), ya que este valor corresponde a una condición habitual en climas templados y refleja la temperatura aproximada del agua almacenada antes de ingresar al sistema de precalentamiento. Por otro lado, la temperatura del gas caliente de entrada se ha establecido en 500°C (773 K), dado que este valor es característico de los gases de escape en motores diésel de locomotoras, los cuales se utilizan frecuentemente como fuente de energía térmica para calentar el agua en sistemas de recuperación de calor. Finalmente, se ha considerado una velocidad del gas de 20 m/s, ya que este rango de velocidad es común en los flujos de escape de locomotoras y tiene un impacto significativo en la eficiencia del intercambio térmico. Una velocidad elevada mejora la transferencia de calor por convección, optimizando el proceso de precalentamiento del agua antes de su uso en el sistema de la locomotora. La selección de estos valores permite evaluar con precisión el rendimiento térmico del sistema en un escenario representativo de su operación real. En los siguientes apartados se recogen dos estudios térmicos: uno en 3D, que permite evaluar la efectividad del sistema, y otro en 2D, que muestra el impacto de diferentes materiales de fabricación de la caldera, comparando una caldera de cobre (alta conductividad térmica) con una de otro material metálico de baja conductividad, como el titanio, para analizar el rendimiento del sistema en diferentes condiciones de transferencia térmica. E 121 Estudio térmico 122 7.2 Estudio térmico 3D 7.2.1 Creación del modelo en Catia V5 Para la realización del estudio, se ha modelado el sistema en CATIA V5, diseñando las principales piezas involucradas con la ayuda de los planos originales [1], escalando cada una de las piezas a tamaño real. Este sistema está formado por 3 tubos dispuestos de forma que atraviesan longitudinalmente el tanque de agua, conectando la caja de fuego con la chimenea, por donde circulan los gases calientes de la combustión. • Tanque y tuberías (Shell): Se han modelado como una única pieza, al estar fabricadas del mismo material. Figura 201. Modelo del tanque y tuberías en CATIA V5 Figura 202. Detalle interior del tanque y tuberías • Gas caliente (Hot Fluid): Se ha generado un volumen representativo del gas caliente a través de las 3 tuberías. 123 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 203. Representación del gas caliente en el modelo • Agua (Cold Fluid): Se ha definido la zona que contiene el agua dentro del sistema. Figura 204. Representación del agua en el modelo • Modelo ensamblado: Se han integrado todas las partes en un ensamblaje final. Figura 205. Modelo ensamblado en CATIA V5 Estudio térmico 124 Figura 206. Vista interior del modelo ensamblado Antes de proceder con la simulación en ANSYS, el modelo debe exportarse en formato .STP para su posterior importación. 7.2.2 Creación del proyecto y módulo Geometry Para comenzar con el estudio, lo primero que se debe hacer es crear un proyecto nuevo en el software. Este proceso empieza ejecutando Ansys en modo administrador, lo cual permite que el programa acceda a todos los recursos necesarios del sistema de manera óptima. Una vez dentro del programa, el primer paso en ANSYS Workbench es abrir el módulo Geometry, donde se importa el modelo previamente generado en CATIA V5. Una vez cargado el modelo, se debe editar para corregir su orientación y realizar las modificaciones necesarias. Al hacer clic derecho sobre Geometry, se elige la opción "Edit Geometry in DesignModeler”. Esta acción abrirá el modelo en el entorno de Design Modeler. 7.2.2.1 Corrección de Orientación Al importar el modelo en ANSYS, es habitual que aparezca girado, por lo que es necesario aplicar una rotación de 90 grados para posicionarlo correctamente en el sistema de coordenadas. 125 Modelado y animación en Catia V5 de una máquina de vapor “SPIRIT FIRED KERR-STUART” Figura 207. Aplicación de la rotación de 90° en ANSYS Además, es fundamental seleccionar todas las partes y combinarlas en una sola entidad mediante la opción "Form New Part". Figura 208. Creación de única entidad con Form New Part Posteriormente, se deben definir las regiones fluidas y sólidas del modelo para garantizar que el software las reconozca correctamente en la simulación. • Región sólida: Estructura fija del tanque y tuberías. • Regiones fluidas: Zonas donde circula el gas caliente y el agua.