CARACTERIZACIÓN DE UN IMPULSOR DE HIERRO...

ISSN 2007-1957

1 Ejemplar 17 junio-diciembre 2017

CARACTERIZACIÓN DE UN IMPULSOR DE HIERRO PARA UNA

BOMBA DE AGUA UTILIZADA EN CAMIONES DE SERVICIO PESADO

Marco Antonio Cárdenas Martínez

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco Instituto Politécnico Nacional

[email protected]

Felipe de Jesús García Monroy

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Unidad Azcapotzalco

Instituto Politécnico Nacional [email protected]

Dagoberto García Alvarado

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Unidad Azcapotzalco

Instituto Politécnico Nacional [email protected]

Abstract

Los impulsores, o turbinas son partes primordiales de las bombas de agua,

instrumentos indispensables en diversas maquinarias, que cumplen con la función de

mantener la temperatura en un nivel adecuado para que la maquinaria no interrumpa

su ritmo. Tiene como finalidad impulsar por una serie de tuberías el líquido refrigerante

para que éste absorba el calor excedente de las partes en las que se genera con mayor

frecuencia y así extraerlo. Una de las fortalezas elementales de las bombas se

fundamenta en la resistencia de sus materiales.

En el mercado encontramos un impulsor muy popular que se utiliza con mucha

frecuencia en diferentes motores diésel tanto de uso terrestre y marítimo, sin embargo,

dicho impulsor es de gran demanda no tanto por su variedad de utilización sino,

principalmente, por su fragilidad.

Se realizo un estudio del material empleado originalmente para este dispositivo, pues

en un primer acercamiento pudimos observar la fragilidad y la rapidez de deterioro que

este tenía.

El consumo de este producto no esté basada en la calidad de su material sino en las

ganancias que genera; aun con eso decidimos estudiarlo para analizarlo desde un punto

de vista de ingeniería para poder observar con mayor profundidad sus debilidades y

proponer posibles mejoras.

Palabras clave: Impulsor, bombas de agua.

mailto:[email protected]

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La fragilidad del impulsor es uno de los

principales problemas al momento de desarmar una bomba de agua para su posible reparación, pues éste suele romperse cuando se le aplica presión para extraerlo o ante cualquier golpe. Otro problema que representa reparar una bomba es que en el mercado mexicano no existe la venta de este impulsor; esto orilla a los reconstructores a adaptar impulsores diferentes que por lo regular generan un mal funcionamiento en el sistema de refrigeración y que aumenta los costos de reparación.

Mott (2006), establece que “El objetivo final de un diseño mecánico es obtener un producto útil que satisfaga las necesidades de un cliente, y además sea seguro, eficiente, confiable económico y de manufactura practica”.

Por lo tanto nosotros analizaremos el material original del impulsor y plantearemos posteriormente diversas mejoras que puedan aumentar la calidad del producto y reducir con ello los costos de la reparación. Además pretendemos diseñar impulsores que cumplan con las características necesarias para su utilización en otras maquinarias y que posteriormente se puedan manufacturar con mano de obra 100% Mexicana.

Funcionamiento del sistema de

enfriamiento.

Figura 1. Diagrama del sistema de enfriamiento.

El sistema de enfriamiento es un sistema constituido por diversas partes mecánicas, tuberías, enfriadores y refrigerante que trabajan juntos para controlar la temperatura de operación del motor y obtener un óptimo desempeño. El sistema tiene conductos dentro del monoblock y cabezas del motor, una bomba de agua y la banda que la impulsa para que circule el refrigerante, un termostato para controlar la temperatura del refrigerante, un radiador para enfriar el refrigerante, un tapón de radiador para mantener la presión en el sistema y mangueras para conducir el refrigerante del motor al radiador.

“La bomba hidráulica convierte la energía mecánica desarrollada por el motor eléctrico en energía de presión hidráulica” Creus, (2007).

La bomba de agua es el corazón del sistema de refrigeración, mediante la turbina se succiona el refrigerante proveniente del radiador, a este lo envía hacia el block del motor y a la tapa de los cilindros para finalizar su recorrido en el radiador y comenzar el circuito. Su dinamismo depende de una correa o un sistema engranado

Figura 2. Bomba de agua MANTGA.

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Figura 3. Partes de la bomba de agua.

Figura 4. Esquema de una bomba de agua.

Impulsores.

Son los elementos que transfieren la energía que proporciona el motor de accionamiento al fluido. Esto sólo se puede lograr por un intercambio de energía mecánica y, en consecuencia, el fluido aumenta su energía cinética y por ende su velocidad.

El impulsor es el encargado de trasmitir la energía generada al líquido por medio de sus alabes o aspas, y este es el único componente de la bomba que suministra energía al líquido, los impulsores se clasifican de diferentes maneras:

• Flujo Radial: son impulsores con

aspas de simple curvatura, diseñados

para las presiones más altas con

caudales pequeños, el impulsor

tendrá un diámetro grande y poco

espesor con alabes curvados en el

plano de la rotación. Impulsan

líquidos limpios sin sólidos en

suspensión.

• Flujo Axial: es el adecuado para

grandes caudales y pequeñas

presiones, tiene forma de hélice, es el

de mayor velocidad específica, pocas

aspas y pueden manejar líquidos con

sólidos en suspensión de tamaño

relativamente grande. Son

especialmente adecuados para

bombas de drenaje en las ciudades.

• Flujo Francis: los alabes tienen doble

curvatura, son más anchos y el flujo

tiende a hacer ya sea axial o radial. La

velocidad específica va aumentado y

la curvatura de variación del gasto

con la carga se hace más plana.

• Flujo Mixto: con mayor doble

curvatura en los alabes que el modelo

anterior, constituye el típico impulsor

de flujo mixto es decir; radial – axial;

para caudales mayores y presiones

similares, se reduce el diámetro del

impulsor y se aumenta el espesor o

anchura del conducto. Se puede

manejar líquidos con sólidos en

suspensión.

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Figura 5. Impulsor semi-abierto.

Para nuestro caso el impulsor que

utilizamos es uno de flujo radial de simple succión semi-abierto

Fundición.

La fundición es el procedimiento más

antiguo para dar forma a los metales. Fundamentalmente radica en fundir y colar metal líquido en un molde de la forma y tamaño deseados para obtener una pieza, generalmente este molde se hace en arena.

Fundición en moldes: Se extraen las piezas completas.

En esta investigación se utilizó el método de fundición en molde por diferentes procesos para la preparación de la mezcla; que son los siguientes:

1. Moldeo 2. Fusión 3. Vertido 4. Desmolde, limpieza, acabado

Se empleó el hierro dulce, gris o colado

debido a que es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general como grafito, adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”. Este grafito es el que da la coloración gris a las superficies de ruptura de las piezas elaboradas con este material. Este tipo de hierro tiene una buena resistencia a la tracción misma que varía entre 138 y 414 MPa., y una compresión 3 a 5 veces mayor que a la tracción, lo que resulta ser una desventaja es que es un material quebradizo cuando se usa en entornos con cargas de impacto. Sin

embargo tiene una muy buena resistencia al desgaste, es fácil de maquinar y tiene buena capacidad de amortiguar las vibraciones además es susceptible a los tratamientos térmicos. Estas últimas cualidades del material son importantes y relevantes para la creación de nuestra pieza.

La baquelita y designación de la

problemática.

La baquelita fue uno de los primeros plásticos sintéticos de uso comercial llamada así en honor a su inventor, el químico belga Leo Baekeland, quien la creó en 1907.

Figura 6. Estructura molecular de la baquelita.

Problemática encontrada en la pieza

original fabricada en baquelita La problemática que encontramos es que al

ser la baquelita un plástico termo fijo que no se puede remoldar pierde propiedades; al estar en entorno de calor continuo tiende sobrecoserse volviéndose frágil y quebradiza ante esfuerzos de presión y de impacto.

En la figura 7 podemos observar el deterioro de la baquelita por calor en comparación con la misma tapa en condiciones sin uso

Figura 7. Tapas de Baquelita con deterioro por sobre

calentamiento.

Elaboración del molde de caucho de silicón.

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Para la elaboración del modelo de cera para

la posterior fundición diseñamos un molde de silicón para así poder obtener más fácilmente los negativos de cera. A continuación describiremos su elaboración

Para la realización del molde utilizamos los siguientes materiales:

Pieza del impulsor original (impulsor de baquelita)

Figura 8. Impulsor de baquelita original.

Recipiente (Caja de Madera)

Figura 9. Caja de madera.

Caucho de silicón Molduflex (3 kilogramos), Diluyente Polisil para caucho de silicón (1 ½ litros). Catalizador TP (60ml)

Figura 10. Caucho de silicón, diluyente y catalizador.

Cera natural (100gr).

Figura 11. Cera natural.

Figura 12. Molde final.

Fundición a cera perdida.

El moldeo a la cera perdida o fundición a la

cera perdida o vaciado a la cera perdida es un procedimiento que sirve para obtener figuras de metal por medio de un molde que se elabora a partir de un prototipo.

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Figura 13. Modelo en cera rectificado.

Elaboración de prototipos.

Una de las partes más importantes de esta investigación fue la elaboración de los prototipos de hierro fundido del impulsor. Una vez que salen de la fundición las piezas se pueden someter a diferentes procesos de acabado y limpieza como:

Una vez que termina el ciclo de limpieza las piezas salen de la manera que se muestra a continuación para un posterior mecanizado

Figura 14. Impulsor en bruto granallado.

Mecanizados.

Para la parte de los mecanizados se ocupó

un torno convencional de 75 cm de bancada y un volteo de 15” mismo que nos permitió realizar los mecanizados necesarios.

Figura 15. Pieza terminada vista frontal.

Figura 16. Pieza terminada vista posterior.

Planos de la pieza

Figura 17. Bomba ensamblada

Figura 18. Plano del impulsor

Experimentación Dureza.

Smith (2014), menciona que “la dureza es

una medida de la resistencia de un metal a la deformación permanente (plástica)”.

El tipo de prueba que nosotros utilizamos fue el esquema de la dureza según Rockwell, mismo que se expone en la siguiente figura:

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Figura 19. Esquema de dureza Rockwell.

Figura 20. Probetas para dureza.

Figura 21. Durómetro Modelo AR-20 marca Mitutoyo

utilizado para ensayos de dureza.

Tabla 1 Durezas Rockwell.

La dureza Rockwell escala “B” obtenida fue de 94,45 y su equivalencia en Dureza Brinell fue de 238 nos arrojó que estamos trabajando con una fundición AISI G2 la cual contiene de un 2.65 a 3.65 % de C, un 0.65 a 0.75 % Mn, 1.70 a 2.90 % de Si, un máximo de 0.10% de P y un máximo de 0.065% de S; siendo comúnmente utilizada para la elaboración de rodillos para transportadores, mesas para molinos de laminación, engranes,

válvulas y moldes para aluminio así como para otras piezas de uso automotriz. Microscopia.

Askeland (2017), establece que “el termino

estructura se refiere al arreglo de los átomos de un material; a la estructura a una escala microscópica se le conoce como microestructura. Es posible observar estos arreglos en diferentes escalas, que van de unas cuantas unidades angstrom a un milímetro”.

Una vez realizada la microscopía procedimos a analizar las imágenes obtenidas mediante el microscopio metalográfico marca Zeiss que se encuentra en el Laboratorio de Ciencia de los Materiales, en el área de posgrados.

Figura 22. Microscopio metalográfico marca Zeiss.

Figura 23. Muestra con ataque químico 5X.

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Figura 26. Muestra sin rectificado 20X.

Podemos observar que el material analizado contiene una estructura de ferrita más perlita que es el resultado de una buena fundición, además podemos observar la falta de alteraciones. Cámara de corrosión acelerada.

El primer paso fue limpiar y acomodar los

componentes de la cámara salina para colocar la pieza del impulsor de hierro colado, además de checar las vías de suministro de agua destilada.

Posteriormente a la máquina se le suministro la solución con la proporcionalidad adecuada y el aire a través de una compresora con una presión de 100 a 150kpa., aproximadamente y temperatura a través de la cámara de salinización de 20 a 30°C.

Figura 27. Puesta en marcha de la máquina de

neblina.

Una vez que acabó el tiempo de exposición

salina (48 horas) se procedió a pesar la pieza para poder observar qué tanto había cambiado la masa del impulsor. El valor que observamos en la balanza fue de 725 gramos. Anteriormente se había promediado la masa de las 4 piezas obteniendo 760 gramos.

Figura 28. Obtención de la masa del impulsor.

Posteriormente se procedió a limpiar más a fondo la pieza; para esto utilizamos una solución al 20% de ácido nítrico durante dos horas; una vez realizada ésta limpieza volvimos a pesar la misma y entonces obtuvimos una masa de 590 gramos

Figura 29. Limpieza con ácido del impulsor.

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Al comparar las dos masas nos arrojó una pérdida del 25% de la masa del impulsor; en un medio extremamente salino tras una explosión de 48 horas continuas. Cabe mencionar que en el entono en el que la pieza trabajara las sales son pocas y se pueden reducir más si se ocupa un buen líquido refrigerante ya que éstos contienen diversos componentes que impiden la corrosión.

Tomando esto en cuenta se pude decir que el material con el que está fabricado el impulsor es de buena calidad y durabilidad para el caso del sistema de enfriamiento del motor.

Comparativa del material: Baquelita vs

Hierro colado.

Como anteriormente observamos, la

baquelita tiene muy buenas propiedades, físicas y económicas, sin embargo, en el entorno en el que queremos emplearla tiene grandes desventajas como ya lo habíamos detallado; no así el hierro colado, este tiene muy buenas características tanto físicas como económicas al igual que desventajas ante aquella.

Las ventajas que encontramos ante la baquelita son:

✓ mejor funcionamiento ante el

entorno, mayor tiempo de vida y la

gran ventaja que tiene ante una

gran cantidad de materiales de ser

reutilizable al final de la vida útil

de dicha pieza.

Las desventajas: ✓ Son mínimas a comparación de la

baquelita, es más, hasta se puede

mencionar que la corrosión puede

llegar a ser mínima si al motor se

le da un buen mantenimiento

preventivo utilizado un

anticongelante de buena calidad y

dejando de lado la simple

utilización de agua.

Cabe mencionar que de los materiales analizados el hierro fue el preferido ya que se adecua más a nuestras necesidades.

Conclusión.

Este proyecto de investigación nos dio información sobre las deficiencias que tienen algunos materiales así como sus beneficios ante ciertos entornos. En este caso llegamos a la conclusión de que el hierro es uno de los materiales más adecuados para muchos propósitos; uno de ellos lo podemos ver plasmado en esta investigación que, desde otras perspectivas ofrece la posibilidad de estudios más amplios en la exploración y comparación con otros materiales tales como el aluminio o posibles polímeros que resistan las altas temperaturas del motor y, con más ambición, la nanotecnología.

En el aspecto económico encontramos que si bien, la baquelita no es adecuada para los entornos de calor las ventajas económicas que presenta para el fabricante son muy bastas ya que ellos pueden llegar a obtener muy buenas ganancias a bajos costos de producción y con ello propiciar una gran demanda.

Sin embargo, es importante señalar que con las herramientas conceptuales adecuadas se puede hacer un producto de calidad y con gran resistencia al entorno a largo plazo y que con él, tanto el productor como el consumidor se verían beneficiados, así como el medio ambiente pues habría menos contaminación, además de que los procesos de productividad serían más rentables y positivos y podría obtenerse, con piezas de calidad, alto prestigio.

Esto nos arroja la idea de que si llevamos a fondo los análisis económicos, después de

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haber explorado someramente los mercados, surge la posibilidad de formar una microempresa altamente rentable ya que parece ser que esta parte de la industria automotriz no ha sido altamente explorada. Cualquier ingeniero, mecánico o técnico en reconstrucción podría incursionar en el mercado con mucho éxito ya que el mundo actual no se mueve ni funciona sin los motores estacionarios para plantas de luz, tractores, motores marinos, motores ferroviarios, montacargas y, por supuesto, camiones de vehículos para todo tipo de transportación.

Referencias.

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Ciencia e ingeniería de materiales. México :

Editorial Cengace Learning.

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Educación.

Smith William F. hashemi Javad (2014).

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materiales. México: Editorial Mc GRAW-HILL /

INTERAMERICANA Editores, S. A. de C. V.

Weininger Stephen J. Stermitz Frank R. (2008)

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