Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Autor: Jesús Prian Baena Tutor: Francisco Andrés Valderrama Gual Dep. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Autor: Jesús Prian Baena Tutor: Francisco Andrés Valderrama Gual Profesor titular Dep. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 iii Proyecto Fin de Carrera: Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Autor: Jesús Prian Baena Tutor: Francisco Andrés Valderrama Gual El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2013 El Secretario del Tribunal v A quienes se fueron, a quienes están, a quienes vendrán vii Resumen En este trabajo se realizará un modelado en CATIA V5 de un motor de vapor bicilíndrico correspondiente al buque Léchalas. Se mostrará el proceso de modelado de todas las piezas que componen su conjunto con una recreación virtual de su cinemática. Además, se hará un breve repaso histórico desde los inicios de la revolución industrial hasta nuestros días y la importancia que supuso la máquina de vapor como avance en los primeros motores. ix 1 INTRODUCCIÓN l proyecto que a continuación se presenta consiste en la recreación virtual de un motor a vapor bicilíndrico procedente a El Léchalas, un buque Francés diseñado por el ingeniero Mederic Clement Léchalas en 1912. Para la realización de todos los componentes del motor se dispone de todos los planos, con su respectivo ensamblaje de todas las piezas, y que se mostrarán paulatinamente en apartados posteriores. Asimismo, se realizará un repaso a la historia de las máquinas y mecanismos para llegar hacia donde estamos hoy en día y de la importancia que supuso la máquina de vapor para la revolución industrial. 1.1 Propósito y objetivos El motor de vapor supuso una gran revolución para los seres humanos ya que permitió poder transportar a personas de unas ciudades a otras sin necesidad de emplear a ciertos animales para ello. Además de ser utilizados en industrias para poder fabricar más rápido y con mayor eficiencia. Por consiguiente, resulta de gran interés un repaso histórico de los avances realizados por los humanos desde los inicios de la edad moderna para poder llegar así al motor de vapor. Así pues, resulta muy importante recobrar vida a un patrimonio histórico que ha servido de mucho a nuestros antepasados y que supuso un gran paso para llegar hacia donde hoy estamos. Asimismo, la importancia de poder realizar este proyecto en el software comercial más significativo en términos de Diseño asistido por computador, resulta de gran provecho para cualquier ingeniero, y sobre todo para el mundo de la ingeniería mecánica. 1.2 Diseño y frabricación asistidos por ordenador (CAD - CAM) El diseño y la fabricación asistidos por ordenador (CAD-CAM) es una disciplina que estudia el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte en todos los procesos involucrados en el diseño y fabricación de cualquier tipo de producto. El diseño asistido por ordenador (Computer-Aided Desing, de ahí sus siglas en Inglés), además de la fabricación asistida por ordenador (Computer-Aided Manufacturing), juegan un papel fundamental a la hora de desarrollar o fabricar productos en la industria hoy en día. El proceso convencional que se llevaba a cabo antes de la llegada del CAD para el desarrollo de un producto en una fábrica consistía en la elaboración de planos de ese artículo con su respectiva fabricación de un modelo para comprobar que tanto el diseño, como la fabricación de éste eran idóneos para su producción en masa. Entonces, resulta lógico pensar que cualquier cambio que se quiera llevar a cabo en el diseño de cualquier producto necesita de una modificación en el diseño del modelo. Por lo que es evidente que, cualquier cambio de diseño en la producción acarrea gastos y pérdidas de tiempo tanto en la fabricación de nuevos modelos como en retrasos de la manufactura. Por otra parte, los defectos de diseño normalmente son descubiertos después del proceso de fabricación de la pieza, ya que es en esa etapa cuando se descubren los fallos por los ensayos mecánicos sometidos al producto final. Ésto resultan unos sobrecostes y pérdidas de tiempo aún mayores en todo el proceso de producción de una pieza o un producto. E 1 Introducción 2 El diseño asistido por computador trata de diseñar el producto de manera virtual con la mayor precisión posible, valiéndose de los axiomas de la geometría básica, con unos sobrecostes mínimos de diseño y con la capacidad de realizar una simulación de los ensayos mecánicos. Esto posibilita el hecho de poder cambiar el diseño de un producto o pieza tantas veces como se desee en una computadora a través de un software de CAD y poder observar si el diseño es óptimo para la fabricación antes de llevarse a cabo el proceso de producción Figura 1-1. Diseño de una turbina de avión en CATIA V5 http://25-1ima03s-mecanismos.blogspot.com.es/ Por lo que, como resulta lógico, esto ha supuesto una revolución en el mundo del diseño en las últimas décadas. Tanto es así que todas las grandes factorías del sector aeronáutico y automovilístico, como EADS, Grupo Volskwagen, General motors, etc. precisan de algún software para el desarrollo del diseño de cualquier producto. Adicionalmente, las últimas versiones de los software de diseño disponen de la capacidad de parametrizar las dimensiones de todas las piezas de un producto o ensamblaje, haciéndose aún más eficiente el desarrollo de un modelo de cara a futuros cambios de diseño de un conjunto de piezas. Esto es posible, ya que las piezas de un conjunto pueden ser parametrizadas del tal forma que estén gobernadas por ecuaciones que cumplen las leyes básicas de la trigonometría y que por ende, cualquier medida puede ser cambiada por pantalla sin necesidad de entrar en el boceto de cada pieza. Aunque, cabe destacar que en el presente proyecto no se realizarán medidas parametrizadas ya que la realización de este modelo no está pensada para un cambio continuo de diseño. Una vez obtenido el diseño de cualquier pieza mediante CAD, la fabricación asistida por computadora (CAM) sirve de nexo de unión entre el diseño y el lenguaje de programación de las máquinas herramientas con una intervención mínima del operario. La combinación entre el diseño y la fabricación asistidos por computadora resulta ser muy positiva para la eficiencia en producción ya que, permite la transferencia de información desde la etapa de diseño a la etapa de fabricación del producto, sin necesidad de volver a capturar manualmente los datos geométricos de la pieza. Además, el software de CAM permite realizar una simulación de la trayectoria de la herramienta, ya sea en fresado, torneado, taladrado, etc. Pudiéndose modificar la trayectoria para así optimizarla. 3 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Figura 1-2. Proceso de simulación de fresado en SolidWorks http://www.solidcam.com 1.3 Metodología empleada En este capítulo se hará una referencia al software utilizado para llevar a cabo este proyecto y la razón por la cual se ha elegido. Además de una visión global de cómo se realizará el ensamblaje del motor de vapor. El software comercial CATIA surge tras la necesidad de realizar modelos tridimensionales en el campo de la aeronáutica en la década de los 70. Un grupo de ingenieros de la empresa Francesa Dassault Aviation crean Dassault System, una empresa dedicada a desarrollar y vender el software. En 1981, sale la primera versión de CATIA y ese mismo año se inició la colaboración con grandes empresas de la industria de la automoción como son BMW, Mercedes-Benz y Honda. En 1984, la compañía aeronáutica Boeing utiliza CATIA como software principal para la elaboración de diseños tridimensionales. Además, es en ese año cuando se convierte en líder mundial de diseño en la industria aeroespacial. En 1988, CATIA se convierte en el líder mundial de diseño en la industria de automoción y rápidamente se iniciaron más colaboraciones con el sector aeronáutico. En 1994, el grupo se expande a siete sectores industriales, añadiendo la fabricación y ensamblaje, los bienes de consumo, la alta tecnología, la construcción naval y la energía. Por tanto, uno de los principales motivos que ha llevado a realizar este proyecto en CATIA es su uso extendido por parte de destacadas empresas en ingeniería. Además, CATIA es considerado el producto más potente a la hora de realizar diseños tridimensionales, al ser muy preciso y con una sencillez de uso que cualquier usuario agradece. Para su mejor compresión, se ha realizado el ensamblaje de tal modo que se organice por grupos de pequeños ensamblajes o subensamblajes, los cuales serán explicados en capítulos posteriores. Por otra parte, los planos se irán mostrando paulatinamente a medida que se muestren los modelos tridimensionales de cada pieza en siguientes apartados. Introducción 4 Figura 1-3. Árbol de operaciones del conjunto global Cabe destacar las funciones principales que se han utilizado para la realización del modelaje del conjunto motor. Éstas son: • Sketch: Conexión de curvas o rectas que forman un perfil plano y normalmente cerrado. • Pad: Extrusión de perfiles cerrados según una dirección. • Pocket: Vaciado por extrusión de un sólido ya creado. • Shaft: Generación de solidos mediante revolución de perfil alrededor de un eje de revolución. • Hole: Taladrado de superficies. _a\resources\graphic\icons\normal • Rib: Extrusión de perfil sobre una curva y una guía. • Slot: Vaciado de perfil sobre una curva y una guía • Multi-sections Solid: Creación de solidos de acuerdo a un patrón de secciones variables. • Removed Multi-sections Solid: Vaciado de solidos de acuerdo a un patrón de secciones variables. • Edge Fillet: Realiza redondeos en aristas. • Chamfer: Realiza chaflanes en aristas. • Threat/Tap: Realiza roscado interno o externo alrededor de una superficie cilíndrica. • Split: Recorte de sólidos con superficies auxiliares. • Thick Surface: Da espesor a una superficie. 5 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas •Circular Pattern: Repetición de elementos según un patrón circular. •Shell: Vaciado de sólidos por selección de la cara a eliminar y grosor resultante de pared deseado. •Mirror: Operación de simetría con respecto a un plano. •Add: Operación booleana de suma. •Remove: Operación booleana de resta. •Union trim: Operación booleana de ensamblaje que elimina la parte sobrante. •Constraint y Constraint Defined in Dialog Box: Relación entre geometrías en 2D. Además de las funciones principales utilizadas para la realización de los subconjuntos y su posterior conjunto total. •Fix: Fija un elemento y en torno a este se van fijando los grados de libertad de los demás. •Coincidence: Coincidencia entre ejes. •Contact: Contacto entre caras. •Offset: Distancia entre caras. •Fix together: permite fijar un elemento a otro. •Angle: Ángulo entre caras. 5 Introducción 6 2 ESTADO DEL ARTE l hombre, desde la más remota antigüedad, se ha servido de diversos artefactos con la finalidad de facilitar su existencia y, en último extremo, garantizar su supervivencia. Desde los trozos de piedra burdamente tallados del Paleolítico hasta cualquier refinado producto electrónico del siglo XXI se ha recorrido un largo camino que es preciso conocer para entender la historia del progreso humano y, en definitiva, evitar repetir experiencias ya realizadas o errores cometidos. Los primitivos cazadores-recolectores disponían de herramientas sencillas y primarias, como hachas, anzuelos, cuchillos, arpones y raspadores para la preparación de las pieles, pero también manejaban instrumentos dotados de cierta sofisticación. Los lanzadores de venablos se fabricaban generalmente de madera o con huesos largos de animales convenientemente tallados, con una muesca en un extremo para alojar la punta roma del venablo. Al blandirse con la mano por el extremo opuesto permitían prolongar la longitud del brazo, aportando a un arma arrojadiza la suficiente energía cinética para que pudiera alcanzar y abatir un objetivo situado a cierta distancia. El arco y las flechas suponen igualmente el perfeccionamiento de un diseño obtenido mediante la práctica, alcanzando un compromiso eficaz (igual que sucede en cualquier proyecto o diseño moderno) entre peso y manejabilidad del arma, resistencia mecánica a flexión, elasticidad, masa de la flecha para que cause efecto y su recorrido sea estable, alcance, esfuerzo a aplicar por el arquero y precisión del disparo. Llama poderosamente la atención que muchos de los instrumentos de que se valían los hombres primitivos estuviesen directamente relacionados, bien con la guerra, o bien con la caza, su trasunto en tiempo de paz, que servía tanto como fuente de proteínas que como entrenamiento para la guerra, que en definitiva era el medio supremo para ejercer el dominio territorial y de los recursos, y por tanto alcanzar la conquista de la supervivencia. 2.1 La máquina de vapor La primera máquina de la cual tenemos evidencia escrita fue descubierta por Hero de Alejandría (130 a.C.) y llamada la eolípila. Es una turbina de vapor primitiva que consiste de un globo hueco soportado por un pivote de manera que pueda girar alrededor de un par de muñones, uno de ellos hueco. Por dicho muñón se puede inyectar vapor de agua, el cual escapa del globo hacia el exterior por dos tubos doblados y orientados tangencialmente en direcciones opuestas y colocados en los extremos del diámetro perpendicular al eje del globo. Al ser expelido el vapor, el globo reacciona a esta fuerza y gira alrededor de su eje E 7 Estado del arte 8 Figura 2-1. Primera máquina de vapor, llamada la eolípila https://es.wikipedia.org/wiki/Eolipila Durante toda la Edad Media se habían aceptado como autoridades indiscutibles los escritos y teorías de los clásicos griegos. En el Renacimiento, debido a los cambios sociales experimentados, se empezaron a comparar los conocimientos clásicos con la observación directa de la naturaleza y con la realización de experimentos, dando lugar al método científico. En el siglo XVII aparece una serie de gigantes de la Física y la Matemática, que impulsaron los conocimientos científicos teóricos, posibilitando posteriores desarrollos tecnológicos que no se hubiesen podido realizar sin contar previamente con esos instrumentos. En el siglo XVIII, todavía sin más motores que la fuerza humana, la de los animales, la gravedad, rudimentarios motores de cuerda, la fuerza del viento, y la del agua aprovechando los desniveles en los cursos de los ríos y algunos tempranos molinos de marea, la mecanización estuvo muy limitada. A mediados del siglo XVIII se dieron en Inglaterra una serie de circunstancias que permitieron la aparición de un fenómeno sin precedentes en la historia, conocido como la Revolución Industrial. Es interesante analizar los motivos por los que una potencia, que apenas un siglo antes era de segunda o tercera clase (salvo en lo que respecta a la marina, tanto mercante como de guerra), pudo alcanzar la hegemonía mundial mediante la implantación masiva del maquinismo. En primer lugar, Inglaterra gozaba de una situación de libertades personales, políticas y religiosas, como no se podía encontrar en ningún otro país europeo. Por otra parte, al ser una isla disponía de numerosos puertos abrigados y tenía una importante cultura marítima y de proyección internacional. Finalmente, la existencia de numerosos yacimientos superficiales de carbón mineral hizo posible su aplicación, primero para la metalurgia, y después para la alimentación de las máquinas de vapor. La actividad minera, que se encontraba limitada por la imposibilidad de explotar vetas inundables, recibió un importantísimo impulso con la aparición de las primeras máquinas de vapor, concebidas especialmente para la extracción de agua de las minas, como la máquina de Newcomen, de 1712, que funcionaba por presión atmosférica y con un bajísimo rendimiento. Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas 9 Figura 2-2. La máquina de vapor de Newcomen http://historico.oepm.es La tecnología mecánica comenzaba a estar madura para afrontar retos superiores, pero para ello era necesaria una revulsión generalizada y profunda, que efectivamente llegó hacia 1750. Aunque comúnmente se asocia el comienzo de la Revolución Industrial con la aparición de la máquina de vapor, lo cierto es que el acontecimiento que marcó una diferencia cualitativa fue la invención y posterior utilización masiva de las máquinas para la industria textil, como la Spinning Jenny de Hargreaves, la Water Frame o hiladora de agua de Arkwright, la Mule Jenny o hiladora de Crompton y la definitiva aportación del telar mecánico de Edmund Cartwright, hacia 1786. La máquina de vapor de James Watt es relativamente tardía, 1769, y su aparición supuso la posibilidad de disponer de un motor fiable y predecible, que solamente requería aporte de agua y de combustible. Por primera vez en la Historia era posible la generación de energía mecánica donde y cuando se necesitaba, con total independencia de otros factores. La explotación minera impuso las ventajas del carbón como combustible en lugar de la madera, por lo que las industrias con necesidades energéticas importantes empezaron a emigrar desde los valles de los ríos, que antes proporcionaban energía hidráulica, a la proximidad de las cuencas mineras, buscando carbón barato sin gastos de transporte que lo gravaran. Proceso de modelado en CATIA 16 Figura 3-6. Bati Peint. Operación Pocket Figura 3-7. Bati Peint. Operación Hole Por el cual, se puede observar que en la figura 3-6 se trata de un agujero roscado con métrica M2 y profundidad de 4 mm, y en la figura 3-7 se observa un agujero pasante de diámetro 3.5 mm. 4. Mirror: Figura 3-8. Bati Peint. Operación Mirror 17 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas En esta operación podemos observar que, efectivamente, la pieza es simétrica por el plano XZ y que por tanto podemos aplicar la función mirror para replicar la misma operación al otro lado del plano. La siguiente pieza de este conjunto son los llamados cojinetes (piezas 4, 28 y 38), los cuales estarán sujetos mediante los tornillos de métrica M2 (piezas 10). Se mostrará el proceso de un solo cojinete, ya que su modelado es similar a los demás. Adicionalmente, al ser una pieza sencilla, sólo se mostrarán operaciones que pueden considerarse interesantes. 1. Chamfer: Figura 3-9. Palier Exterieur. Operación Chamfer 2. Edge fillet: Figura 3-10. Palier Exterieur. Operación Edge Fillet Proceso de modelado en CATIA 18 Figura 3-11. Palier Exterieur + árbol de operaciones Figura 3-12. Palier intérieur Supérieur + árbol de operaciones Figura 3-13. Palier intérieur inférieur + árbol de operaciones 19 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Una parte fundamental del motor a vapor, son sus cilindros gemelos, los cuales son los encargados de guiar a los pistones para transmitir la potencia al cigüeñal. Éstos, a su vez, están modelados por un subconjunto de tres piezas llamadas: Usinee, Corps y Flasque (nombres en francés). Irán siendo mostradas respectivamente. Figura 3-14. Glissiare + árbol de operaciones En primer lugar, para el modelado de Usinee, éstas fueron las funciones utilizadas más importantes: 1. Sketch: Figura 3-15. Usinee. Operación de sketch Proceso de modelado en CATIA 20 Para una mejor visualización de las cotas en los diferentes sketches se ha considerado el color de fondo habitual de CATIA, ya que contrasta mejor al ser más oscuro. Figura 3-16. Usinee. Operación de sketch Para Corps y Flasque, al ser piezas sencillas, solamente se mostrarán sus modelados con su respectivo árbol de operaciones en cada uno de ellos. Cabe destacar además que, las uniones en este subconjunto (GLISSIARE) se realizarían mediante soldadura, ya que no cabe la posibilidad de una unión atornillada. Figura 3-17. Flasque y Corps con sus árboles de operaciones Tanto los cojinetes como los cilindros vendrán sujetados a la base mediante unos tornillos de métrica M2, correspondientes a la pieza número 10 de la figura 3-1 de este capítulo. Los tornillos corresponden a una métrica Vis HM2 – 06, los cuales no se encontraban en la librería estándar de CATIA, por lo que se ha optado por modelar unos tornillos estándares de métrica M2. 21 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Resulta interesante mostrar algunas funciones importantes. 1. Groove: Figura 3-18. Vis HM2 – 06. Operación Groove Como se puede observar en la ilustración, Groove es una herramienta que resta material al sólido mediante la revolución de un perfil alrededor de un eje. En este caso, el perfil es una línea recta formando 60º con el eje en un extremo y sujeta al cabezal del tornillo por el otro extremo. 2. Thread Figura 3-19. Vis HM2 – 06. Operación Thread Proceso de modelado en CATIA 22 2.2 Engine Head y Engine Head Sym En este subconjunto se muestra la culata correspondiente a cada cilindro y que por ende, estará situado justo arriba de cada uno de ellos. En el interior de la culata es donde se produciría los procesos termodinámicos para el movimiento de los pistones en cada cilindro. Figura 3-20. Subconjunto Engine Head A continuación, se irán detallando cada una de las piezas de este subconjunto. En primer lugar, la pieza número 11, correspondiente al cilindro (Cylindre). Se trata de una pieza compleja, con múltiples delicadezas y por la cual se irá explicando detalladamente. Figura 3-21. Subconjunto Engine Head + Pistón 23 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Para un mejor entendimiento, se ha realizado un corte del subconjunto para que se pueda ver donde quedaría situado el pistón dentro del cilindro (pieza 11). Como se puede observar en la figura 3-21, el cilindro está compuesto de dos conductos arriba y abajo por el cual pasan los gases de vapor. Figura 3-22. Vistas de la pieza Cylindre. Pieza número 11 Las funciones más importantes utilizadas en esta pieza han sido las siguientes: 1. Circular pattern: Figura 3-23. Cylindre. Operación citcular pattern Proceso de modelado en CATIA 24 2. Hole with counterbored: Figura 3-24. Cylindre. Operación Hole con counterbored 3. Plane: Figura 3-25, Cylindre. Operación plane 4. Mirror: Figura 3-26. Cylindre. Operación mirror 25 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas 5. Hole with v-bottom: Figura 3-27. Cylindre. Operación Hole con v-bottom Cabe destacar que, en los planos no se especificaba la profundidad del agujero roscado, por lo que se ha optado una profundidad similar al dibujo de los planos, de 5 mm. El cilindro se encuentra conectado a una caja llamada en francés boite à vapeur, el cual corresponde a la pieza número 13. Y, como su propio nombre indica, es ahí donde se recoge el vapor procedente de la caldera y es expulsado hacia el cilindro para producir el movimiento de los pistones. Las funciones más relevantes son las siguientes: 1. Shaft: Figura 3-28.Boite Vapeur. Operación shaft 2. Hole with counterbored: Proceso de modelado en CATIA 32 Figura 3-43. Vibrequin. Operación Pad Figura 3-44. Vibrequin. Operación Pocket La biela, compuesta de dos piezas como se dijo anteriormente (piezas 37 y 6), resultar ser una pieza compleja, modelada completamente en latón y con multitud de operaciones. Las más importantes fueron las siguientes: 1. Shaft: 33 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Figura 3-45. Bielle. Operación Shaft 2. Pad with mirror extent Figura 3-46. Bielle. Operación Pad 3. Hole with Countedrilled Proceso de modelado en CATIA 34 Figura 3-47. Bielle. Operación Hole El pie de biela (Pied de Bielle, en fránces) resulta ser una pieza bastante similar a la anterior y mucho más simple. Por lo que solo se mostrará la pieza junto con su árbol de operaciones. Figura 3-48. Pied de Bielle + El eje pasante y la corredera (Axe tête de Bielle y Coulisseau, números 44 y 7, respectivamente) resultan dos elementos muy importantes para la cinemática del movimiento vertical de los pistones y además resultan ser piezas sencillas para su modelado. 35 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Figura 3-49. Axe Tete de Bielle y Coulisseau + árbol de operaciones El pistón (Piston, pieza número 8) resulta ser una pieza muy importante en el motor, ya que es la encargada de recibir la fuerza del vapor procedente de las tuberías y transmitir la presión ejercida al pistón en forma de movimiento vertical de éstos (Véase la ilustración 3-21). La secuencia de operaciones fue la siguiente: 1. Shaft: Figura 3-50. Piston. Operación Shaft 2. Hole: Proceso de modelado en CATIA 36 Figura 3-51. Piston. Operación Hole Adicionalmente, hay una varilla que acompaña al pistón y se encuentra enroscada a éste. Es la pieza número 9, llamada Pige Piston. Figura 3-52. Tige Piston + árbol de operaciones Por último lugar, se encuentra el volante de inercia (pieza número 15), situado en el eje del cigüeñal cuya función principal es aportarle una inercia adicional al sistema de modo que le permite almacenar mayor energía cinética, oponiéndose a las aceleraciones bruscas del sistema por su gran inercia, y además éste continúa su movimiento cuando cesa el par motor que lo propulsa. 37 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Las operaciones más importantes fueron las siguientes: 1. Shaft: Figura 3-53. Volant. Operación Shaft 2.5 Distribution Se trata del subconjunto con más piezas de todos, tiene exactamente 13 piezas diferentes y 41 piezas en total. Se encuentra acoplado al cigüeñal y cuya función es fundamental para el funcionamiento del motor. Éste, como su propio nombre indica, distribuye el vapor de agua a presión procedente de la caldera hacia los cilindros y se encarga de expulsarlo a la atmósfera. Figura 3-54. Subconjunto Distribution Proceso de modelado en CATIA 38 A continuación, se mostrará una a una todas las piezas que conforman este subconjunto. En primer lugar, la excentricidad (Excentrique, pieza número 16), cuya secuencia de operaciones más importantes fue la siguiente: 1. Pocket: Figura 3-55. Excentrique. Operación Pocket 2. Hole: Figura 3-56. Excentrique. Operación Hole 39 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Figura 3-57. Excentrique + árbol de operaciones La excentricidad se encuentra acoplada al cigüeñal y en ésta se encuentran dos bielas de distribución modeladas en latón (Bielle Distribution, número 17). La secuencia de operaciones más importantes que sigue fueron las siguientes: 1. Pad: Figura 3-58. Bielle Distribution. Operación Pad 2. Draft: Proceso de modelado en CATIA 40 Figura 3-59. Bielle Distribution. Operación Draft 3. Hole: Figura 3-60. Bielle Distribution. Operación Hole 41 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Figura 3-61. Secuencia de operaciones en Bielle Distribution Las bielas se encuentran sujetas a una pieza llamada Coulisse (pieza número 18), cuyo modelado se compone exclusivamente de un Pad. Figura 3-62. Coulise. Operación Sketch Proceso de modelado en CATIA 48 2.6 Funcionamiento del motor La máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. Este ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: 1. Se genera el vapor mediante el calentamiento del agua en una caldera cerrada herméticamente. Este vapor generado se encuentra altas presiones, el cual es liberado a los cilindros y que por ende empuja al pistón, y mediante el mecanismo de biela-manivela, el movimiento vertical rectilíneo del pistón se transforma en un movimiento de rotación del cigüeñal. 2. El vapor a presión es controlado mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan los flujos de vapor a presión desde y hacia el cilindro. Estas válvulas las conforman las piezas 26 y 27 del subconjunto Distribution. En primer lugar, y como ya se dijo anteriormente, el vapor a presión procedente de la caldera es conducido a la caja de vapor (Boite a Vapeur, pieza número 13) por el tubo de admisión (AdmissionTube). El vapor procedente de la caldera a presión es representado en la imagen por una flecha azul, mientras que el representado por una flecha roja pertenece al vapor que es expulsado hacia la atmósfera. Figura 3-75. Entrada (en azul) y salida al exterior del vapor (en rojo) 49 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Figura 3-76. Entrada (en azul) y salida al exterior del vapor (en rojo) Dicho esto, el motor en primer lugar permanece parado y con la caja de vapor inmersa en vapor a presión. Las piezas 26 y 27 (Tiroir Bague y Tiroir) son las encargadas de distribuir ese vapor a presión a los cilindros para el movimiento de los pistones y por último, expulsarlo al tubo de escape. Figura 3-77. Motor parado En primer lugar, ese vapor a presión no puede salir a ningún conducto, ya que todos se encuentran cerrados por la pieza Tiroir, que actúa como una válvula. Una vez que se acciona la palanca de distribución, la pieza Tiroir se desplaza hacia abajo y todo el vapor a presión es dirigido al conducto superior del cilindro. Ese vapor a presión mueve al pistón hacia abajo. Proceso de modelado en CATIA 50 Figura 3-78. Entrada de vapor al cilindro por el conducto superior Una vez que el pistón se encuentre en la posición más baja, la pieza Tiroir abre el conducto inferior del cilindro para que entre más vapor a presión. El vapor que se encuentra en el interior del cilindro es expulsado por el conducto superior del cilindro y conducido al conducto central mediante la pieza Tiroir, y que finalmente es expulsado a la atmósfera. Figura 3-79. Entrada de vapor al pistón (Azul) y salida del mismo (Rojo) 51 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas El pistón vuelve a subir y se completa el ciclo. Se repite el proceso una y otra vez poder llevar a cabo el movimiento vertical de los pistones que, mediante el mecanismo de biela-manivela, es transformado en movimiento circular del cigüeñal. Figura 3-80. Entrada de vapor al pistón (Azul) y salida del mismo (Rojo) Proceso de modelado en CATIA 52 4 RESULTADO FINAL n este capítulo se mostrará el resultado final del ensamblaje de los subconjuntos del apartado anterior y se hará una comparación con el ensamblaje de los planos. En primer lugar cabe destacar que, algunas de las piezas del conjunto no se encontraban en los planos, tales como las piezas de tornillería ya mencionadas en capítulos anteriores , como por ejemplo; las piezas número 10, 25, 36, etc. Además, algunas medidas de piezas no se encontraban recogidas en los planos, por lo que se han tomado medidas aproximadas en algunas de las piezas. El latón ha sido el material que más se ha utilizado para el modelado de las piezas del conjunto, aunque también se ha utilizado acero inoxidable, bronce y cobre para el modelado de algunas piezas. Figura 4-1. Vista en 3D del motor de vapor proporcionada por los planos E 53 Resultado final 54 Figura 4-2. Vista en 3D del motor de vapor en CATIA V5 Figura 4-3. Vistas de planta (izquierda) y alzado (derecha) del motor 55 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Figura 4-4. Vista de planta del motor en CATIA Figura 4-5. Vista de alzado del motor en CATIA Resultado final 56 Figura 4-6. Parte superior del conjunto + corte en XZ Figura 4-7. Vista explosionada de la parte superior del motor 57 Modelado y recreación virtual con CATIA V5 del motor de vapor bicilíndrico del buque Léchalas Figura 4-8. Vista en 3D de la parte posterior del motor Novembre 2000 MV-003 BATI (Rep 1) Cette distance représente 100mm Moteur à vapeur bicylindre modèle JLS 13-2 Echelle 1/1 © JL Soumard – Commercialisation interdite. 18 3 R 10 R 3 52 3.50 20 3 32 62 38 2 16 44 12 2626 18 10 R5 8 3.50 6A A A-A M2 prof 4 36 1 52 4 6 17 5 15 8 22 45° 6 90° 20 10 26 13 6 20 30° 60° 4.60 G-G 2.50 5 M6x0.75 3 0.50 1 D-D 2 1 5 6.50 26 10 3 M6x0.75 2.20 13 R1.50 D D A-A 2 6.50 2 31 M6x0,75 10 E-E 8 2 1 1 2.20 R1.50 E E Octobre 2000 MV-004 CULASSES Cette distance représente 100mm Moteur à vapeur bicylindre modèle JLS 13-2 Echelle 1/1 BOITE A VAPEUR © JL Soumard – Commercialisation interdite. B-B 6 3 4 10 C-C 2.20 2 0.50 (gravure chimique) Culasse Inférieure (Rep 3) Presse étoupe Couvercle gravé (Rep 14) Boite à vapeur (Rep 13) Culasse Supérieure (Rep 19) 2 (Rep 42) Presse étoupe 3 (Rep 41) 8 21 16 15 6 2.20 6 12 15 2 R 4 22 A A BB 16 15 18 17 3 21 22 R R1 C C F-F 2.50 5 M6x0.75 2 0.50 1 8 FF 8 GG 9 AA C-C 9.08 6.08 1 1.6 M 60° 6x0,75 3 7 20.58 D-D 4 4 6 C C 8 1 10 12 EE 29 30 B-B 33 33 32 4 R 65 9 R 8 2 20° R9 F F Novembre 2000 TUYAUTERIES MV-005 Cette distance représente 100mm Moteur à vapeur bicylindre modèle JLS 13-2 Echelle 1/1 © JL Soumard – Commercialisation interdite. E-E 6 4 4 F-F 2.20 12 2 2 7 3 4 6 6 4x3 Rep 30 Collecteur Echappement Rep 35 Raccord 6 Rep 33 Echappement Admission Collecteur Admission Rep 32 Bride pour tube Bride Moteur Rep 29 8 12 12 1 DD G-G 2.20 3 2 5 3 12 4 6 6 BB 20° 2 R 9 R 8 G G 9 35 33 29 A-A 30 3 4 47 9 R4 16.5015 26 90° 45° 20 12 44 8.50 15.50 45° 20 90° D-D 2 6 1.50 B-B 10 14 16 236 D D Nervure (2 pièces) Corps (1 pièce) Glissiaire usinée C-C 14 3 2.20 0.50 3 0.50 A-A 2 51 35 15 10 15.50 26 14 10 R7 20 12.7 R3 B B 2 6 (centre) 1.50 1.50 3.50 Décembre 2000 MV 006 GLISSIERE (Rep 2) Cette distance représente 100mm Moteur à vapeur bicylindre modèle JLS 13-2 Echelle 1/1 © JL Soumard – Commercialisation interdite. Glissiaire après brasure Pied (2 pièces) Bossage mâle (2 pièces)Flasque (1 pièce) Bossage femelle (2 pièces) Socle (1 pièce) 2 C C 20 60 52 31 10 2 2.20 2 16.34 13.50 8.50 29.50 48 5 R 18 10.68.4 R3 2 1.50 R3 3 R 6 14.26 3.20 20.82 R140 R3 R5 2 13.50 18.50 R5 3 6 15.7 50 10 R3 2 18 32 52 10 15 A A 12 44 20 5 2.20 2 2.20 10 34 R 15.50° 30 R 17.10° 1.25 2.50 5 40 3.50 35 35 30 10 25 3.20 1 R 2 R 2 R 2 37 R R33 2 DISTRIBUTION MV-007a Indice a : modifications du 14-08-2002 Cette distance représente 100mm Moteur à vapeur bicylindre modèle JLS 13-2 Echelle 1/1 Janvier 2001 © JL Soumard – Commercialisation interdite. Axe de coulisse (Rep 45) Bague de tiroir (Rep 26) Tige de distribution (Rep 20) ind a Inox épaisseur 1,5 Axe de biellette de distribution (Rep 39) ind a Biellette coulisse (Rep 23) ind a Bielle de distribution (Rep 17) ind a Biellette de commande (Rep 22) Commande de distribution (Rep 21) Coulisse (Rep 18) ind a Tiroir (Rep 27) 2 3.75 5 9 6 8 4 1.50 4.50 M2 5 5 16 7 1.50 R 4 2 2 2 5 B B C-C 2 1.50 2 3 B-B R 1.75 R2.50 1 1.60 M 2.35 10 1.50 3 R 7 8 3.20 Trou d'huile 1.5 R 8 7 2.50 8 R 5 2 8 6 A A 2 M 1.50 1.60 5 2.50 4 2 R 2 2 1.60M 2.501.50 15 2 4 8 5 3.50 CC 6.50 1.50 2 2.50 R 3 3.09 2 A-A 4 1.4 32.50 0.75 1.50 12 4.50 2.50 2 M2 2.9 5.50 4 2 2 30° 30° 2 6.50 2 2 A A Echelle 1/1 LIGNE D'ARBRE MV-009 Cette distance représente 100mm Moteur à vapeur bicylindre modèle JLS 13-2 Janvier 2001 © JL Soumard – Commercialisation interdite. 7 5 1 Palier Intérieur Supérieur (Rep 28) Palier Extérieur (Rep 4) Vilbrequin (Rep 5) Excentrique (Rep 16) Palier Intérieur Inférieur (Rep 38) Volant (Rep 15) (huile) 1 6 8 16 22 2.20 0.50 10 12 8 5 6 164 4 37 6 5 4 5 5 40 11 4 121 A-A 2.50 30 5 12 15 1 10 60° M 38 1 R2.50 2 7 5 8 1(huile) 16 12 10 22 2.20 0.50 5 7 8 6 1 2 8 M2 2 4 12 4 1.60 11 R8 7 R8 5 9.5 (ébauche) 7 0.50 5 15 4 R 5 5 4 1 A A A-A 4 8 7 R2 3.50 6 5 30 3 M2 3 DD B B Coulisseau (Rep 7) Tige de piston (Rep 9) Pied de Bielle (Rep 37) Bielle (Rep 6) Axe de Tête de Bielle (Rep 44) Piston (Rep 8) 10 C C 26 55 3 M2 M2 D-D 13 12 1 5 0.50 M2 0.75 B-B 1.50 5 10 M2 30° C-C 10 2 3 4 7.14 7 Echelle 1/1 EMBIELLAGE et PISTON MV-008 Cette distance représente 100mm Moteur à vapeur bicylindre modèle JLS 13-2 Janvier 2001 © JL Soumard – Commercialisation interdite. 2 8 5 R 5 7.50 6 10 1.50 6.50 M2 3 2.50 1 7 REFERENCIAS [1] Kuang-Hua Chang, “E – Design, computer-Aided Engineering Design”. [2] https://www.3ds.com/es/acerca-de-3ds/historia/1981-1997/ [3] Francis C. Moon, “Social Networks in the History of Innovation and Invention”. [4] María Gloria del Rio Cidoncha, María Eugenia Martínez Lomas, Juan Martínez Palacios, Silvia Pérez Díaz, “El libro de Catia V5”. [5] http://jean-luc.soumard.pagesperso-orange.fr/bicylindre.htm#prochainement [6] Juan Luis Cifuentes Lemus, Pilar Torres García, Marcela Frías, “El océano y sus recursos VIII. El aprovechamiento de los recursos del mar”. [7] http://www.abpn-nantes.com/pages/les-navires-de-l-abpn/vedette-des-ponts-et-chaussees-le-lechalas- premier-navire-fluvial-classe-monument-historique.html 71