ES2234359B1 - Maquina de calibracion para equipos portatiles de medida extensometrica de esfuerzos. - Google Patents

Abstract

Máquina de calibración para equipos portátiles de medida extensométrica de esfuerzos que integra todos los factores utilizando una probeta, del eje propulsor ensayado, sobre la cual se instalan las galgas extensométricas. La máquina diseñada aplica cargas de compresión o torsión conocidas y permite la obtención de una constante de calibración general que elimina los errores acumulados utilizando los sistemas actuales de calibración. De aplicación a los sectores naval y de la enseñanza; especialmente astilleros y escuelas técnicas.

Description

Máquina de calibración para equipos portátiles de medida extensométrica de esfuerzos.

Sector de la técnica

El objeto de la presente invención es una máquina para calibración de sistemas de medida de empuje y par torsor disponibles en los ejes propulsores. Esta calibración se refiere a equipos portátiles basados en técnicas extensométricas.

La máquina objeto de la invención es capaz de incorporar, dentro de los procesos de calibración de los sistemas de medida portátiles, con técnicas extensométricas, los efectos de la instalación y conexionado de las galgas extensométricas y de parámetros característicos de los ejes propulsores, que influyen notablemente en los resultados de las medidas.

De aplicación a los sectores naval y de la enseñanza; especialmente astilleros y escuelas técnicas en donde se impartan contenidos relativos a mecánica de materiales y técnicas de extensometría.

Estado de la técnica

La medida del par torsor suele realizarse, durante las pruebas de mar de los buques, mediante equipos de extensometría instalados en dichas pruebas, para verificar la coincidencia con el valor teórico indicado por el fabricante del motor. Este tipo de mediciones implica la utilización de equipos de medida portátiles.

La medida, durante las pruebas de mar, del empuje disponible en el eje propulsor, no ha venido realizándose hasta la fecha, con equipos portátiles, debido a problemas técnicos. Se ha desarrollado un equipo de medida, para este parámetro que ha demostrado su validez durante las pruebas de mar de varios buques mercantes.

Los sistemas fijos de medida de par disponible en los ejes propulsores de los buques pueden incorporar elementos intermedios en el eje o no (patentes US6269702 y D3104092).

Los sistemas fijos de medida de empuje disponible en los ejes propulsores incorporan elementos intermedios, normalmente localizados en el cojinete de empuje (patentes US6105439 y GB573987).

Mientras que en los sistemas fijos de medida, los valores de los parámetros correspondientes al eje, o al elemento intercalado en este, son tenidos en cuenta, no siempre ocurre lo mismo utilizando equipos de medida portátiles, ya que los valores de dichos parámetros resultan desconocidos o inexactos con frecuencia, encontrándose el personal encargado de la realización de las medidas de empuje y par torsor disponibles en el eje con uno o los dos problemas que se indican a continuación:

1.

Desconocimiento de valores característicos de los materiales ensayados, tales como el módulo de elasticidad "E", la relación de Poisson (\nu), el módulo de elasticidad de cortadura (G), o el valor de factor de galga "K".

2.

Incertidumbre acerca de la calibración inicial del equipo de medida y/o la instalación de las galgas extensométricas

Hasta la fecha este problema se resuelve mediante estimaciones y calibraciones parciales, que van acumulando errores en el resultado final de las medidas.

El factor de galga "K", suministrado por el fabricante por lo general, puede obtenerse mediante ensayo (HENDRY, A. W. Elements of experimental stress analysis. Oxford: Pergamon Press, pág 44, 1977).

Las técnicas convencionales de calibración del sistema de alimentación, amplificación y registro, pasan por utilizar cálculos teóricos, teniendo en cuenta los datos aportados por los fabricantes, o de modo más práctico, recurren a una resistencia auxiliar de calibración (Hoffman, K. An introduction to measurements using strain gauges. Alsbach: Hottinger Baldwin messtechnic, pág 155 - 157, 1989; Dally, J et al. Instrumentation for engineeering measurement. New York: Jhon Wiley & Sons, pág 227 - 229, 1993; Dally, J. et al. Experimental Stress Analysis. Tokyo: Mc Graw Hill, pág. 251-253, 1978).

El valor del módulo de elasticidad "E" y la relación de Poisson (\nu), pueden obtenerse mediante máquina de ensayos, así como el módulo de elasticidad de cortadura (G). Este tipo de ensayos es frecuente. Cabe señalar, sin embargo, que con frecuencia no se dispone de alguno de estos datos que, con el sistema actual de calibración, resultan imprescindibles para la obtención de resultados fiables.

La solución aportada por la invención integra todos los factores utilizando una probeta, del eje propulsor ensayado, sobre la cual se instalan las galgas extensométricas. La máquina diseñada aplica cargas de compresión o torsión conocidas y permite la obtención de una constante de calibración general que elimina los errores acumulados utilizando los sistemas actuales de calibración.

Tradicionalmente, la fase práctica de este tipo de medidas se desarrolla en elementos de máquinas reales (palas de ventiladores, estructuras de soporte, etc.) o piezas de materiales diversos sobre las que se aplican cargas. En este tipo de ensayos no se conocen las cargas aplicadas, en consecuencia es necesario fiarse de la bondad del procedimiento seguido.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra una vista longitudinal de la máquina aludiendo las referencias numéricas a (1) base de la estructura soporte, (2 y 3) estructura soporte y guía del eje de la rueda helicoidal, (4) soporte de sujeción para la célula de carga, (5) pieza de rigidización de la estructura de la máquina, (6) probeta de ensayo, (7) pieza soporte y guía del tornillo sinfín, (8) tornillo sinfín, (9) célula de carga, (10 y 11) mecanismo para permitir el giro de la probeta en ese extremo, (12) pieza para aplicación de las cargas de compresión. (13) pieza guía para la pieza 12, (14) eje de la rueda helicoidal, (15) rodamiento de empuje axial, (16) tornillos de montaje y desmontaje de la máquina, (17)
chaveta.

La figura 2 muestra una vista longitudinal del útil diseñado para la aplicación de pares torsores donde (18) elementos de ajuste del útil a la probeta, (19) tornillo de apriete para sujeción del útil a la probeta, (20) barra para aplicación de pares torsores, (21) marcas de referencia para colocación de cargas.

La figura 3 representa uno de los posibles modos de colocación de las galgas extensométricas en el eje propulsor que corresponde a la medida de
empuje.

La figura 4 muestra los valores de las cargas obtenidas durante un ensayo para la obtención de la constante de calibración global.

Breve descripción de la invención

La máquina objeto de la invención, diseñada para la calibración de equipos portátiles para la medida extensométrica de esfuerzos, tiene en cuenta, tanto la calibración del equipo de medida, como los valores de los parámetros característicos, correspondientes a los ejes propulsores y galgas extensométricas, que intervienen en las mediciones.

La solución aportada por la invención integra todos los factores y permite la obtención de una constante de calibración general que elimina los errores acumulados utilizando los sistemas actuales de calibración.

La máquina permite conocer las cargas de. compresión y torsión aplicadas y establecer una relación clara entre estos valores y los indicados por el sistema de medida. Permite además ensayar las influencias de los modos de disposición, fijación y conexionado de las galgas extensométricas, así como el correcto manejo de los sistemas de medida.

El peso y tamaño reducidos de la máquina posibilitan, su desplazamiento para la realización de los ensayos didácticos o de calibración en el lugar más conveniente.

Descripción detallada de la invención

La máquina diseñada permite aplicar cargas de compresión o torsión a probetas de los ejes propulsores ensayados.

Mediante un sistema de reducción formado por un tornillo sinfín (8) y una rueda helicoidal (14), cuyo eje va roscado en uno de sus extremos, se consigue obtener un movimiento de avance o retroceso en la pieza 12. El giro de esta pieza (12) se impide mediante una pieza guía (13) enchavetada (17). El giro del tornillo sinfín se consigue manualmente mediante una llave acoplada al extremo mecanizado hexagonalmente.

El desplazamiento obtenido consigue aplicar deformaciones a las probetas de los ejes propulsores ensayadas (6) inferiores a una microdeformación (\mu\varepsilon). Estas probetas se mecanizan con una ranura diametral en uno de los extremos que ajusta en la pieza de empuje 12 y un tetón, centrado, que ajusta en la pieza 11.

Las cargas de empuje aplicadas a las probetas se obtienen mediante una célula de carga (9).

Para el caso de par torsor las cargas generadoras de dicho par se aplican mediante el útil indicado en la Fig. 2. La pieza 17 se ajusta en la probeta y se fija mediante el tornillo de apriete 18.

Las cargas calibradas aplicadas para generar pares torsores se sitúan en una barra (19) roscada a la pieza 17. En esta barra se han mecanizado unos rebajes (20) para señalar las zonas de aplicación de dichas cargas.

Al aplicar los pares torsores, el giro de la probeta se restringe en uno de los extremos mediante el ajuste de la ranura diametral de ésta en la pieza 12. En el otro extremo se permite el giro, facilitado por el sistema formado por las piezas 10 y 11 que intercalan un rodamiento de empuje axial de bolas (15). La pieza 11 lleva un eje que sujeta el rodamiento, y atraviesa la pieza 10, ajustándose al otro extremo de esta mediante una arandela de presión. La pieza 10 va roscada a la célula de carga (9).

Todos los elementos señalados se ensamblan mediante una estructura de elementos desmontables (1, 2, 4, 5, 7, 14) atornillados entre sí. Este hecho facilita el desmontaje de la máquina para su traslado y la reposición de piezas.

Ejemplo de realización de la invención

El siguiente ejemplo de realización corresponde al cálculo de la constante global de calibración para una medida de empuje disponible en el eje propulsor de un buque.

Se procede a elaborar una probeta (6) del mismo material que el del eje propulsor a ensayar. A continuación se fijan a esta las galgas extensométricas, del mismo tipo, modo y con la misma configuración que las que van a utilizarse en el eje propulsor real. Un ejemplo de posicionamiento para la medida de empuje pueden observarse en la figura 3.

Una vez colocadas las galgas extensométricas en la probeta (6), se posiciona ésta en la máquina de ensayos, según se indica en la figura 1 y se conectan los terminales al equipo de medida portátil que va a utilizarse durante las pruebas.

A continuación, se procede a girar, manualmente, el tornillo sinfín (8) que acciona la rueda helicoidal (14). El giro de esta rueda desplaza hacia delante la pieza 12, cuyo giro se impide mediante la pieza guía 13 y una cháveta (17).

El desplazamiento de la pieza 12 genera cargas de compresión en la probeta, que es retenida en el otro extremo por el sistema formado por las piezas 10, 11 y 15, diseñadas para el cálculo de la constante de calibración global en los ensayos correspondientes a par torsor.

Las cargas de compresión aplicadas se controlan mediante la célula de carga 9. De manera simultanea a la obtención de las cargas, mediante la célula, se registran las cargas indicadas por el sistema de medida y se contrastan. Dado que la distribución de los valores de los parámetros controlados es suficientemente lineal, finalmente, representando estos valores, se obtienen dos rectas (figura 4).

La constante de calibración global se obtiene estableciendo la relación media entre las cargas aplicadas (obtenidas mediante la célula de carga) y las indicadas por el sistema de medida. Esto puede hacerse estableciendo la relación entre las pendientes de las rectas obtenidas mediante regresión lineal.

Para el caso del ejemplo de la figura 4, el valor de la constante de calibración global resultó ser 1,08227, siendo la precisión de la medida, una vez aplicada esta corrección, mayor del 1% a partir de los 3360 N. La precisión en la medida del empuje es menor que en el caso de la medida de par torsor, debido a diferencias en la ganancia y la deformación del eje propulsor.

Claims (5)

1. Máquina de calibración para equipos portátiles de medida extensométrica de esfuerzos, caracterizada porque el empuje sobre la probeta de ensayo se realiza mediante un tornillo sinfín (8), una rueda helicoidal (14), una pieza roscada al eje de la rueda helicoidal (12) y una pieza guía (13) con chaveta (17).

2. Máquina de calibración para equipos portátiles de medida extensométrica de esfuerzos, según reivindicación anterior, caracterizada porque se permite el giro de la probeta en uno de los extremos mediante un sistema formado una pieza guía para la probeta (11), un rodamiento de empuje axial (15) y una pieza de fijación roscada a la célula de carga (9).

3. Máquina de calibración para equipos portátiles de medida extensométrica de esfuerzos, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque todas las piezas de la estructura soporte (1, 2, 4, 5, 8, 14) se fijan mediante tornillos, permitiendo el desmontaje de la misma.

4. Máquina de calibración para equipos portátiles de medida extensométrica de esfuerzos, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la medida del empuje real se realiza mediante una célula de carga (9).

5. Máquina de calibración para equipos portátiles de medida extensométrica de esfuerzos, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la aplicación de los pares torsores se realiza mediante un útil acoplado a la probeta (figura 2), sobre el cual se colocan pesos de calibración.