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ISSN: 2395-9711

Revista Digital www.congresoinvestigacion.com Vol. 4, No.1, Noviembre de 2016

Memorias Congreso Internacional de Investigación

Científica Multidisciplinaria

Sección Ingeniería y Desarrollo MEMORIAS CONGRESO INTERNACIONAL DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA MULTIDISCIPLINARIA, Año 4, No. 1, Enero – Diciembre 2016, es una publicación anual editada por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Ave. Eugenio Garza Sada 2501, 64849 Monterrey, N.L. México, Tel (614) 439-5084, www.congresoinvestigacion.com, [email protected]. Editor Responsable: Elías Solís Rivera. Reserva de Derechos uso exclusivo No. 04-2015-052207545900-203, ISSN 2395-9711, ambos otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor, calle Puebla 143, Col Roma, Delegación Cuauhtémoc. C.P. 06700. Responsable de la última Actualización de este número, Departamento de Investigación del Tecnológico de Monterrey Campus Chihuahua, Ing. Elías Solís Rivera, Calle H. Colegio Militar, 4700, Col. Nombre de Dios, Chihuahua, Chih. C.P. 31300, fecha de última modificación 16 de Diciembre del 2016. El editor no necesariamente comparte el contenido de los artículos, ya que son responsabilidad exclusiva de los autores. Se prohibe la reproducción total o parcial del contenido, ilustraciones y textos publicados en este número sin la previa autorización que por escrito emita el editor.

Memorias Congreso Internacional de Investigación Científica Multidisciplinaria

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El Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey es un sistema universitario que tiene como misión formar personas íntegras, éticas, con visión humanística y competitivas internacionalmente en su campo profesional, que al mismo tiempo sean ciudadanos comprometidos con el desarrollo económico, político, social y cultural de su comunidad y con el uso sostenible de los recursos naturales. La misión incluye programas de investigación y desarrollo.

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Índice

7655974

DiseñodeunaestrategiaKanban-pullsystemparaalinearlafluctuacióndelademandaenlacadenadesuministroenunaempresadelsector

aeroespacial5

7724091Solucionesdirectasdeanálisisdesobreaceleraciónparamecanismos

básicos15

7727161Mejoraalprocesoindustrialenlaaplicacióndemoldesdeinyecciónde

aluminio34

7734512ImageprocessingQuadtreeAlgorithmimplementedinalabviewand

compact-RIOhardwareenvironment48

7745959 Análisisyclasificacióndetráficonodeseadodeinternet 63

7751842 Análisisbiomecánicoenfutbolistasamateur 81

7761524Análisisdeesfuerzosduranteelensambledepiezasmedianteelsoftware

COMSOLMULTIPHYSICS85

7762059 Mapeadodecolores2DparavisualizaciónderesultadosensoftwareMEF 91

7764787Aplicacióndelaingenieríainversaaundispositivodecontencióndefugas

deagua102

7765053 SAPRODI,haciaunacomunicacióninstitucionalsegmentada 111


4

7765448Estudionuméricodelatemperaturayvelocidaddeunaflamade

hidrógenoenfuncióndeparámetrosgeométricos117

7766313Construccióndeelectroahorradordecombustibleparaoptimizarproceso

degeneracióndehidrógenoporelectrólisisenmotores127

7766379Diseñoysimulacióndeunperfilaerodinámicocicloidalenrégimenlaminar

utilizandoNX140

7766433Diseñodeunsistemadeinventariosapartirdelanálisisestocásticoy

determinísticoenunaempresadelsectoralimentación149

7766906Análisisalalogísticainversaparamejorarelprocesoderecuperaciónde

receptoressatelitalesyreducirsuinventario163

7773090Diseñomecánicoaplicadoaunsistemadedispensadoysellado

automatizado174

7827222Conversióndeunsistemadeproducciónporlotesa“one-pieceflow”con

laaplicacióndeherramientasdeleanmanufacturing189

7867919EstudiodelosserviciosbásicosdelmunicipiodeSantaBárbara,Chihuahua

2016203


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DISEÑO DE UNA ESTRATEGIA KANBAN-PULL SYSTEM PARA ALINEAR LA FLUCTUACIÓN DE LA DEMANDA EN LA CADENA DE SUMINISTRO EN UNA

EMPRESA DEL SECTOR AEROESPACIAL

M.I.I. Martín Alberto Ruíz Domínguez [email protected]

Dra. Martha Patricia García Martínez [email protected]

Ing. Laura Karelly Rocha Núñez

División de Estudios de Posgrado e Investigación del Instituto Tecnológico de Chihuahua II

Resumen— Esta investigación es un estudio de caso realizado en una empresa fabricante de turbinas para avión que se vio afectada por la desaceleración económica provocando cambios en el ritmo de la demanda, en los planes de producción y en el control de inventarios, lo que motivó a hacer un estudio y desarrollar una metodología sustentada en herramientas lean que permitan el diseño de un nuevo kanban y pull system para alinear la tasa de producción con las fluctuaciones de la demanda y reducir inventarios de material en proceso y producto terminado. Se analizan los datos de producción de 2014 y 2015, se identifican factores críticos: ciclos muy largos de producción y baja demanda, se implementa y valida la propuesta cuyo resultado fue la reducción de inventarios y el incremento del flujo de efectivo de la empresa. Palabras clave—lean manufacturing, kanban, pull-system, sistema de inventarios.

INTRODUCCIÓN

La industria aeroespacial se encuentra en una etapa de crecimiento a nivel Latinoamérica, por lo que se visualizan excelentes perspectivas para la población en cuanto a empleos con mayor valor agregado, este valor agregado se deriva de que los profesionales del área adquieran y apliquen metodologías de vanguardia para el proceso y la mejora continua, en vías de mantenerse competitivos. En la actualidad es fundamental para las empresas adoptar la filosofía Lean Manufacturing, como una forma habitual de llevar a cabo sus operaciones, ya que se le reconoce a nivel mundial, como una metodología clave para el correcto funcionamiento de las actividades productivas y de la empresa en conjunto, que al aplicarla correctamente, mejora la eficiencia y el logro de las metas. Si bien este sistema se ha implementado con éxito en muchas compañías, en la empresa H. Aeroespacial, donde se llevó acabo el presente proyecto de investigación, mostró una desventaja, porque al presentarse cambios de tendencia en la demanda por parte del cliente, afectó directamente la programación y planeación de los recursos, provocando desajustes, que incrementaron los niveles de inventario, los desperdicios y la disminución de la productividad, entre otros; reflejándose esto en pérdidas monetarias de alto impacto para la empresa, lo que motivó a realizar una investigación para desarrollar una metodología a partir de la implementación


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adecuada y correcta de las herramientas lean a través del diseño de un nuevo kanban y pull system, que permitan alinear la tasa de producción con las fluctuaciones de la demanda y reducir inventarios de material en proceso y producto terminado. Se analizan, en este trabajo, los datos de producción de 2014 y 2015, se identifican factores críticos como lo son los ciclos muy largos de producción y la tendencia de la baja demanda o compra del producto por parte del cliente; se desarrolla y se aplica la propuesta y se validan los resultados reflejados en una reducción de los inventarios y el incremento del flujo de efectivo de la empresa. Este proyecto pretende examinar y analizar las maneras en las que se puede regular el flujo de material, mediante el sistema Pull dentro de la cadena de suministro de esta empresa, con el fin de contar con una nueva estrategia que permita controlar los niveles de inventario y sincronizar la cadena de suministros, para cumplir con las metas de la compañía.

METODOLOGÍA

Esta es una investigación de campo, del tipo estudio de caso, descriptiva, con enfoque cualitativo y cuantitativo, donde se utilizó la observación, la exploración y el análisis a la documentación histórica para lograr el resultado esperado.

Marco Teórico

El marco teórico consiste en apoyarse con conceptos científicos en los cuales se va a fundamentar el proyecto con base en el planteamiento del problema que se ha realizado. Esta investigación está conceptualizada por cuatro rubros: lean manufacturing, kanban, pull-system, y el sistema de inventarios. (1) Lean Manufacturing es todo un sistema de producción que surge en Japón después de la segunda guerra mundial y tiene sus orígenes en el sistema de producción de Toyota. Este consiste en la aplicación de una serie de herramientas cuyo objetivo es permitir la entrega de productos de buena calidad al menor costo posible, a través de la identificación y la eliminación constante del desperdicio y de las actividades que no le agregan valor, con base en una cultura de trabajo de disciplina y mejora continua (Womack, 2003). (2) El sistema Pull (sistema jalón) es un principio del sistema Lean Manufacturing (Ohno, 1988), que ha resultado ser eficaz en los procesos productivos, su objetivo es sincronizar el movimiento del material a través del sistema de producción y distribución a la velocidad en que se retiran los materiales del sistema; en este sistema de jalón, las partes se envían a la siguiente operación, hasta que sean solicitadas, es decir hacer o mover un producto cuando el cliente lo necesite. Esta necesidad se debe señalar a través del uso de un kanban (una señal visual o tarjeta). (3) Kanban, es un sistema de control que utiliza un dispositivo de señalización para regular los flujos de material justo a tiempo; Kanban significa “signo” o “tarjeta de instrucción “en japonés y son de dos tipos, las tarjetas de retiro y las tarjetas de orden de producción (Chase, 2009). (4) Un sistema de inventarios está clasificado por tres tipos: la materia prima, la producción en proceso y los productos terminados. Los inventarios de productos en proceso aparecen en una etapa intermedia de transformación, y significa que los materiales son acumulados dentro del


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proceso posiblemente porque existe un problema de programación de la producción (Walters, 2003). El control de la producción debe de revisarse constantemente para evitar el desequilibrio en los niveles de inventario y lograr el objetivo (Schroeder, 2011).

El Estudio de Caso

Esta investigación se desarrolló en la ciudad de Chihuahua, en una empresa del sector aeroespacial, líder mundial en procesos de maquinado de alta precisión de partes de turbina de avión como lo son: rotores, discos, navajas, engranes, entre otros. Estos productos son exportados a su principal cliente, quien es una ensambladora de turbinas ubicada en Phoenix, Arizona; donde los componentes son ensamblados para obtener el producto terminado, para posteriormente enviarlas a los consumidores finales como lo son: Boeing, Airbus, Bombardier, Embraer, USA Government, entre otros.

Planteamiento del Problema

La empresa maneja nueve unidades de negocio, cada una está conformada por una familia de productos y se manejan alrededor de 1000 números de parte de producto terminado. Es en el producto terminado donde se ubica la problemática, ya que los niveles de este inventario se encontraban muy elevados, se analizó la información durante 2014 y 2015 y se obtuvo que durante ese periodo, la tendencia de los mismos se incrementaba constantemente, además se reflejó que el cliente no demandaba (o compraba) la cantidad de producto terminado en la misma manera que las órdenes de producción se colocaban; esto provocó el descontrol del área de administración de la producción, ya que no podía detener ni bajar la tasa de producción, ni se podía detener la adquisición y suministro de materias primas ya que los tiempos de entrega abarcan hasta más de seis meses y ante esto la gerencia de la empresa exigió el desarrollo de un plan estratégico que coadyuvara a resolver la situación y que les permitiera reducir el costo que el inventario de producto terminado generaba y evitar que el flujo de efectivo se estancara todo esto para seguir teniendo liquidez y seguir siendo competitivos. La Figura 1 muestra un esquema de la forma de operación de la cadena de suministro que dio origen al problema aquí expuesto.


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Figura 1 Esquema del funcionamiento de la cadena de suministro de la empresa en 2014

Objetivo

Diseñar e implementar un nuevo control de autorización para la planeación de la producción del tipo kanban y bajo la estrategia del sistema de jalón (Pull), para alinear la tasa de producción con las fluctuaciones de la demanda y reducir inventarios de material en proceso y producto terminado, para mejorar el flujo de efectivo de la empresa.

Desarrollo del Estudio

Para llevar a cabo el estudio de caso, se elaboró el plan de ejecución, basado en 5 fases, las cuales se describen a continuación:

1 Fase. Se elaboró un diagrama SIPOC, por sus siglas en inglés: supplier, inputs, process, outputs, customers, para poder comprender el proceso y poder identificar los factores y variables que producen el incremento de los niveles de inventario de la empresa. La Figura 2 muestra el detalle del diagrama, explicando la situación de los proveedores, las entradas, el proceso, las salidas y los clientes.

2 Fase. Se analizó la tendencia del inventario, la Figura 3 muestra el incremento durante el primer semestre de 2014 en miles de dólares (MDD). El sistema jalón (Pull), utilizado en la empresa, no se adapta a la Industria Aeroespacial, una causa pudiera ser porque no existe el mismo sistema de jalón en toda la cadena de suministros, desde el cliente final hasta el último


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de los proveedores, y no es posible trabajar bajo el esquema justo a tiempo. Por ello es necesario mejorar el sistema Pull actual e implementar un nuevo proceso que se ajuste ante situaciones cambiantes de demanda.

3 Fase. Se realizó un mapeo del proceso de la cadena de valor (value stream mapping), con la colaboración del equipo del área de Planeación de la Producción, con el fin de analizar y determinar áreas de oportunidad y conocer hacia dónde se deben enfocar los esfuerzos para mejorar el proceso. La Figura 4 muestra el proceso de mapeo del estado actual el cual arrojó que el área con mayor inventario era el producto terminado (FG finish good), teniendo 21.23 días de inventario, que representa alrededor de $15.72 MDD estancados, quitándole liquidez a la empresa.

Figura 2 Diagrama SIPOC correspondiente al estudio


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Figura 3 Tendencia del inventario de producto terminado durante 2014 (MDD)

Figura 4 Mapeo del estado actual de la cadena de valor en 2014

4 Fase. Se realizó el mapa del estado futuro y el mapa del estado ideal. El estado futuro indica que la cadena de valor debe tener los inventarios controlados con metas realistas, en este caso se propone reducir el 30% o sea bajar a 16.2 días de inventario final, logrando mejorar el costo del inventario. El mapa del estado ideal mostrado en la Figura 5, trae consigo una serie de consideraciones que se desglosan a continuación, para reducir el inventario de producto terminado en un 70%, o sea a casi 7 días de inventario, con un ahorro económico de más de $11 MDD.

• El 100% de la materia prima debe ser consignada por parte de proveedores. • El proveedor debe contar una calidad perfecta, es decir cero rechazo de materia prima. • Tener un proceso sólido de producción donde todas las operaciones estén balanceadas. • Tener un mantenimiento productivo total (TPM) efectivo en toda la planta. • Tener un sistema Pull eficiente a lo largo de la cadena de suministros y no solo del proceso

de producción. • El control de la producción, la programación, asignación y secuenciación debe ser realizada

bajo la sincronización a partir del jalón del cliente y el tiempo disponible de producción y administrado por un ERP o una plataforma informática como lo es el SAP.


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Figura 5 El mapa de la cadena de valor del estado ideal

5 Fase. Se desarrolló el nuevo sistema Pull. El objetivo que se persigue es diseñar e implementar un nuevo control de autorización para la planeación de la producción del tipo kanban y bajo la estrategia del sistema de jalón (Pull), para alinear la tasa de producción con las fluctuaciones de la demanda y reducir inventarios de material en proceso y producto terminado. La Figura 6 muestra el diagrama de operación de la propuesta.

Figura 6 Diagrama de propuesta del Pull system

El procedimiento del Kanban se describe a continuación:


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• Se re-establece la base de datos con información en tiempo real sobre los niveles mínimo y máximo de inventario, los puntos de re-orden, las compras de producto terminado del cliente y la acción de evaluación para autorización para que se generen las cantidades extras de tarjetas kanban para producción. Se crea un nuevo módulo en el SAP de la empresa, al cual se le denomina master board, (tablero maestro).

• El master board permitirá controlar la producción y regular la cantidad de producto terminado, conocer por número de parte cuáles de ellos exceden el número de tarjetas autorizadas para producción, también permitiría al gerente de planeación a través de él, autorizar o no, la liberación de más material a piso de producción; todo esto además, conectado a un sistema de alertas al Outlook que permite que la información sea enviada a los tableros de control y por vía email a los supervisores.

• Si se autoriza la liberación de tarjetas extra (red cards), se registra en el master board , la cual incluye a su vez fecha de caducidad para revisar si se debe seguir necesitando la tarjeta extra, en caso de que ya no es necesaria esta se quitaría y se regresaría al número de kanbans previamente calculados o bien si las condiciones siguen generando excesos por falta de jalón del cliente, se genera una ampliación a la fecha de caducidad para que siga permaneciendo la tarjeta extra.

RESULTADOS

El estudio presenta resultados significativos para la empresa, con beneficios inmediatos, los cuales a continuación se mencionan: El diseño de un nuevo tablero Kanban, en el cual se describe el número de tarjetas rojas aprobadas por número de partes, esto permitió tener un mayor conocimiento de todos los excesos de inventario debido a la sobre-planeación lo que permite ahora, de una forma fácil y rápida, conocer montos por celda y unidad y así como las causas, de tener inventario. La Figura 7 es la presentación actual que muestra el estatus de las autorizaciones de producción.


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Figura 7 Esquema de la nueva forma de verificar las tarjetas kanban de autorización de producción

En la Figura 8 se muestran la tendencia mejorada, después de la implementación de los sistemas de control anteriormente mencionados (kanban. Pull-system), la cual representa casi un 8% de reducción de costos, casi un total de $2MDD.

Figura 8 Tendencia del inventario de producto terminado después de aplicar el nuevo pull-system

En la Figura 9 se muestra la disminución en la tendencia de inventarios de materia prima (azul), material en proceso (rojo) y producto terminado (verde), y sobre todo se observa un impacto mayor en el mes de diciembre de 2014 con una disminución de costos de más de dos millones de dólares.

Figura 9 Disminución en la tendencia de los inventarios de materia prima, producto en proceso y producto terminado.


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CONCLUSIONES

Se demostró en este estudio que el sistema Pull de Toyota si es posible adaptarlo en una empresa del sector aeroespacial, con alta mezcla y bajo volumen, asimismo si bien es cierto que en este tipo de empresas el justo a tiempo no es posible aplicarlo del todo, las herramientas por si mismas si se pueden adoptar bajo una disciplina y nueva cultura de trabajo. Se logró alcanzar el resultado esperado de la investigación, se pudo validar la existencia de una reducción en el inventario de producto final por medio de la implementación de las mejoras propuestas en el mismo, hasta la fecha este sistema sigue operando exitosamente en la empresa, al no permitir al Departamento de Planeación sobreproducir sin consulta o autorización previa.

La empresa ha respondido positivamente a la implantación del sistema de control de tarjetas kanban para la planeación, y ésta fue considerada como herramienta de mejora en el proceso. El equipo de Planeación ha tenido una actitud proactiva y positiva en la implementación de la nueva herramienta, lo cual permitió lograr el resultado esperado. Sin embargo el éxito de esta propuesta dependerá de la atención que se tenga en la constante actualización de datos en tiempo real y la responsabilidad en el manejo de la autorización del kanban.

De esta tesis, se derivan investigaciones a futuro, una de ellas es analizar las demandas con métodos estadísticos y crear un modelo que permita a la empresa anticiparse a los eventos inesperados y evite el costo excesivo por falta de planeación en inventarios, otra es un análisis a toda la cadena de suministros y ver el efecto latigazo y su repercusión en empresas de este tipo.

REFERENCIAS

Chase, J & Aquilano, J. (2009), Administración de Operaciones: Producción y Cadena de Suministros. 12ª Edición, Mc-Graw-Hill / Interamericana de México.

Ohno, T. (1988), Toyota Production system-beyond large-Scale production, New York, Productivity Press.

Schroeder, R. (2011), Administración de operaciones. Conceptos y casos contemporáneos. 5ª. Ed., Editorial Mc-Graw Hill. Interamericana Editores, México.

Walters, D. (2003). Inventory Control and Management. Ed. Wiley, Nueva York.

Womack, J. and Jones, D. (2003), Lean thinking. Banish waste and create wealth in your corporation, Free Press. New York.


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SOLUCIONES DIRECTAS DE ANÁLISIS DE SOBREACELERACIÓN PARA MECANISMOS BÁSICOS

Jaime Eduardo Trejo-Aguirrea, Laura Isela Padilla-Irachetaa, Esteban Rubio-Ochoaa, Alejandro Avila-Delgadoa

aInstituto Tecnológico de Chihuahua, Departamento de Metal-Mecánica, Ave. Tecnológico No. 2909, Col. 10 de Mayo, Chihuahua, Chih., C.P. 31310, México; jetrejo, lpadilla, erubio, aavila {@itchihuahua.edu.mx}

RESUMEN

Este trabajo presenta el procedimiento para la obtención de las soluciones directas para el análisis de sobreaceleración de mecanismos básicos: cuatro barras, biela manivela, inversión biela manivela y yugo escocés. El procedimiento utiliza la derivada de la aceleración aplicando el método de Raven a la par del uso de la identidad de Euler. Las soluciones directas obtenidas son independientes entre sí de las incógnitas presentes, las cuales son susceptibles de ser codificadas en lenguajes de programación.

Palabras Clave: Mecanismos, sobreaceleración, jerk, jalón, ecuaciones cinemáticas.

1. Introducción

La sobreaceleración es el nombre proporcionado a la razón de cambio de la aceleración respecto al tiempo. Es también conocida como jerk (en idioma inglés) y se ha traducido también como jalón, sacudimiento, pulsación, choque, de acuerdo a Norton, (2013). Es la derivada de la aceleración respecto al tiempo, la segunda derivada de la velocidad o la tercer derivada de la posición. La sobreaceleración, debido a su origen, es también una magnitud vectorial. No es un tema comúnmente tratado en los libros de texto sobre cinemática de maquinaria o se trata de manera superficial. En Norton, (2013), se menciona la importancia y el interés de controlar y de reducir al máximo la sobreaceleración si se desea reducir los niveles de vibración en la maquinaria. Menciona que las grandes magnitudes de sobreaceleración tienden a excitar las frecuencias naturales de vibración de las máquinas o estructuras además de incrementar los niveles de ruido. En el tema de diseño de máquinas donde es de vital importancia el cálculo y control de la sobreaceleración es en la síntesis de los perfiles de levas para movimientos específicos, Shigley, (1998) y Mabie & Reinholtz, (2004). En Norton, (2013) sólo se aborda el análisis de sobreaceleración para el mecanismo de cuatro barras. En Sandor & Erdman, (1998), se plantea un análisis con detalle sobre la derivada de la aceleración y presenta una gráfica donde se desglosa cada término que resulta de derivar desde el inicio al vector de posición, ec. (1). El número de términos pasa de ser uno en el análisis de posición a dos en el vector de velocidad; la derivada de velocidad arroja cinco términos donde al agrupar se concretan en cuatro; la derivada de aceleración proporciona 11 términos los cuales al agruparse en similares se reducen a siete términos.


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Los nombres de estos términos se discutirán en el apartado 2. Así mismo, en Sandor & Erdman, (1998), y Trejo, et. al., (2015), se mencionan tres tipos de análisis cinemático: a) análisis con matemáticas vectoriales para el cálculo de las velocidades y aceleraciones respecto a sistemas de referencia fijos o móviles, b) ecuaciones de movimiento relativo por medio de métodos analíticos o haciendo uso de métodos gráficos utilizando polígonos de velocidad y de aceleración y, c) con el uso de ecuaciones de cierre vectoriales representando circuitos cerrados utilizando notación polar compleja. Este último método tiene como característica la repetición de términos de manera que los aspectos físicos que representa se puede llegar a perder aunque puede convertirse en una gran ventaja por que dá lugar a algoritmos que suelen codificarse y programarse en lenguajes de computadora y utilizarse en análisis más complejos. El presente trabajo utiliza el tercer tipo de análisis cinemático. La referencia clásica de Shigley, (1988), no aborda el análisis de sobreaceleración para los mecanismos, aunque sí lo trata para el tema de análisis y síntesis de perfil de levas. A la derivada de la sobreaceleración, se le ha denominado jounce, de acuerdo con López, et. al., (2012). En esta misma referencia, el análisis cinemático de cuarto orden se utiliza principalmente como herramienta didáctica para la enseñanza de la cinemática y la dinámica de mecanismos y manipuladores. El análisis propuesto sólo fue aplicado a mecanismos planos, aunque los resultados y subrutinas son generales y pueden aplicarse a mecanismos y manipuladores espaciales. En Trejo, et. al., (2015), se analiza la sobreaceleración de tres mecanismos básicos (cuatro barras, biela manivela e inversión de biela manivela) utilizando y extendiendo el enfoque o método de Raven para el cálculo de las variables involucradas pero planteando las ecuaciones resultantes de este método como sistemas lineales y simultáneas resolviendo con matrices de 2X2. Menciona además que se puede extender el concepto a mecanismos complejos dando lugar a matrices de mayor tamaño. De acuerdo con Rico, et. al., (1999), se propone el análisis de sobreaceleración, a la par con los de velocidad y aceleración por medio de la teoría de tornillos aplicado a cadenas espaciales tanto abiertas como cerradas. El método se basa en la obtención de expresiones recursivas para la velocidad, aceleración y sobreaceleración para la porción final de un efector de un manipulador de tipo serial.

En el presente trabajo se analizan bajo el enfoque cinemático cuatro mecanismos básicos: cuatro barras, biela manivela, tercera inversión del biela manivela y mecanismo de yugo escocés. El análisis de sobreaceleración es en base al método de Raven donde se obtiene para cada mecanismo una formulación directa para cada una de las incógnitas de cada uno de ellos. Las soluciones son directas e independientes una de otra, por lo que son susceptibles a codificarse bajo cualquier lenguaje de programación. El análisis de sobreaceleración usualmente es de interés meramente académico en la cinemática de maquinaria.

2. Desarrollo de las ecuaciones cinemáticas de movimiento

Como se mencionó anteriormente, el enfoque en este trabajo se basará utilizando la notación polar compleja. En la Fig. 1, se observa el sistema donde se muestra el vector de posición el cual ubica a un punto P de interés. Este punto P está contenido en un eslabón rígido. Este punto de interés junto con el eslabón que lo contiene puede girar con respecto a


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un punto de referencia fijo o pivote. El vector de posición en notación polar compleja se define en la ec. (1). El vector tiene como magnitud el parámetro r y es modificado por la identidad de Euler e jq. La identidad de Euler equivale según lo expresado en la ec. (2). Al considerar el parámetro r como variable, entonces representará el cambio en la longitud del vector con relación al tiempo; de la misma manera, el parámetro angular q indicará el movimiento angular que tendrá el vector, por lo que su incremento denotará un movimiento o cambio angular de su posición, entonces este parámetro se considera también variable. Al considerar estos dos parámetros de tipo variable respecto al tiempo y derivarlos de manera directa, se obtiene la ecuación general cinemática de velocidad expresada según la ec. (3). La velocidad se expresa en dos componentes: tangencial y de deslizamiento, de acuerdo con Norton, (2013). La componente tangencial (wr) es tangente a la trayectoria y al sentido de giro del vector y la componente de deslizamiento su linea de acción es a lo largo del vector R.

𝑅 = 𝑟𝑒%& (1)

𝑒%& = 𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑗𝑠𝑒𝑛𝜃 (2)

𝑉 = 𝑗𝜔𝑟𝑒%& + 𝑟𝑒%& (3)

El vector de aceleración en notación polar compleja se obtiene al derivar de manera directa el vector de velocidad, ec. (3), tomando las mismas consideraciones de variabilidad de los parámetros w r y q. En el orden descrito, en la ec. (4), la aceleración tiene componente tangencial (ar), cuya dirección es tangencial a la trayectoria circular del punto P; componente normal (w2r), cuya dirección se dirige hacia el centro de giro del vector; componente de Coriolis 2𝜔𝑟 ,la cual es el efecto combinado de una velocidad lineal y una rotación angular simultánea y, componente de aceleración de deslizamiento lineal (𝑟 ) cuya dirección es la linea de acción del vector R.

𝐴 = 𝑗𝜔𝑟𝑒%& − 𝜔4𝑟𝑒%& + 𝑗2𝜔𝑟𝑒%& + 𝑟𝑒%& (4)

real

imag

q

Figura 1. Vector de posición.

P


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𝐽 = 𝑗𝛽𝑟𝑒%& − 𝑗𝜔7𝑟𝑒%& − 3𝛼𝜔𝑟𝑒%& + 𝑗3𝛼𝑟𝑒%& − 3𝜔4𝑟𝑒%& + 𝑗3𝜔𝑟𝑒%& + 𝑟𝑒%& (5)

Se aprecia el incremento de términos conforme se incrementa el orden de la derivada superior. Al derivar la ec. (4), se obtiene la sobreaceleración, o también conocida como jerk, ec. (5). Erdman & Sandor, (1998), nombra a cada componente de la siguiente manera: componente tangencial: 𝛽𝑟; componente de deslizamiento: 𝑟; componente centrípeta: −3𝛼𝜔𝑟; componente de sobreaceleración:𝑗3𝛼𝑟 − 3𝜔4𝑟 + 𝑗𝜔𝑟. De acuerdo con Erdman & Sandor, (1998), se sugiere que los términos que contiene la componente de sobreaceleración pueda referirse como “sobreaceleración de Coriolis” o “sacudimiento de Coriolis” debido a que los términos que la contienen dependen de las derivadas no nulas de los movimientos angular y radial, de la misma manera que la aceleración de Coriolis. Para realizar el análisis de sobreaceleración a los mecanismos tema de este trabajo, se debe clasificar el comportamiento cinemático de los eslabones que componen a cada mecanismo. Esta clasificación es sólo válida para los mecanismos planos y articulados que contienen pares tipo revoluta y prismáticos. Se aprecia el incremento de términos conforme se incrementa el orden de la derivada superior. Al derivar la ec. (4), se obtiene la sobreaceleración, o también conocida como jerk, ec. (5). Erdman & Sandor, (1998), nombra a cada componente de la siguiente manera: componente tangencial: 𝛽𝑟; componente de deslizamiento: 𝑟; componente centrípeta: −3𝛼𝜔𝑟; componente de sobreaceleración:𝑗3𝛼𝑟 − 3𝜔4𝑟 +𝑗𝜔𝑟. Como consideraciones se tiene que el vector de posición sustituye al eslabón en movimiento, por lo que el vector se moverá exactamente igual a como se moverá el eslabón. El movimiento del vector se clasificará de acuerdo a sus características cinemáticas en cuatro tipos: el movimiento del vector tipo I será cuando el vector tenga la propiedad de girar variando e incrementando su posición angular con respecto al tiempo, además de mantener constante la magnitud r del vector. Para un análisis de posición, q es variable y r es constante. Las derivadas superiores de q podrán existir pero las derivadas superiores de r serán nulas, por lo que las incógnitas serán las derivadas superiores de q. Las ecs. (6)-(9) muestran las componentes de posición, velocidad, aceleración y sobreaceleración que persisten con este criterio. El subíndice I denota que los parámetros son de este tipo de movimiento.

𝑅; = 𝑟𝑒%& (6)

𝑉; = 𝑗𝜔𝑟𝑒%& (7)

𝐴; = 𝑗𝜔𝑟𝑒%& − 𝜔4𝑟𝑒%& (8)

𝐽; = 𝑗𝛽𝑟𝑒%& − 𝑗𝜔7𝑟𝑒%& − 3𝛼𝜔𝑟𝑒%& (9)


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En el movimiento tipo II, las condiciones de giro angular del vector son nulas, por lo que la posición angular q es constante pero la dimensión del vector, representado por r es variable. Ahora, las derivadas superiores de r pueden existir, por lo que serán las incógnitas; las derivadas de q serán las nulas. Las ecs. (10)-(13) muestran las componentes de posición, velocidad, aceleración y sobreaceleración que persisten con este criterio. El subíndice II denota que los parámetros son de este tipo de movimiento.

𝑅;; = 𝑟𝑒%& (10)

𝑉;; = 𝑟𝑒%& (11)

𝐴;; = 𝑟𝑒%& (12)

𝐽;; = 𝑟𝑒%& (13)

En relación al movimiento tipo III, las condiciones cinemáticas de los vectores serán ambas, del tipo I y del tipo II. Será variable la posición angular del eslabón q, por lo que sus derivadas superiores existirán al igual que la dimensión lineal del eslabón r debido a ser igualmente variable. Como resultado, todas las componentes de cada uno de los parámetros existirán y tanto r como q y sus derivadas superiores serán las incógnitas. Las ecs. (14)-(17) representan a este tipo de movimiento III.

𝑅;;; = 𝑟𝑒%& (14)

𝑉;;; = 𝑗𝜔𝑟𝑒%& + 𝑟𝑒%& (15)

𝐴;;; = 𝑗𝜔𝑟𝑒%& − 𝜔4𝑟𝑒%& + 𝑗2𝜔𝑟𝑒%& + 𝑟𝑒%& (16)

𝐽;;; = 𝑗𝛽𝑟𝑒%& − 𝑗𝜔7𝑟𝑒%& − 3𝛼𝜔𝑟𝑒%& + 𝑗3𝛼𝑟𝑒%& − 3𝜔4𝑟𝑒%& + 𝑗3𝜔𝑟𝑒%& + 𝑟𝑒%& (17)

Se considera el movimiento tipo 0 cuando se represente a un vector fijo, sin movimiento, por lo que los parámetros representan un vector estacionario y las derivadas superiores del vector de posición serán nulas.


20

3. Aplicación de las ecuaciones cinemáticas de movimiento a los mecanismos básicos

En esta sección se muestra el procedimiento para el análisis de sobreaceleración de los

mecanismos básicos. Los eslabonamientos a analizar son el mecanismo de cuatro barras (RRRR), biela-manivela (RRRP), inversión biela-manivela (RRRP) y yugo escocés (RRPP). Se consideran básicos por la razón de poseer sólo 4 eslabones y requerirse una ecuación de cierre de circuito para poder ser resueltos y por consiguiente, sólo contienen dos incógnitas en cada uno de los análisis. Para mecanismos complejos, de más de 6 eslabones, el concepto es el mismo y el procedimiento se extiende tantas veces como cierres vectoriales contenga. El procedimiento general es el siguiente: se plantea la ecuación vectorial que representa al mecanismo. Como se enfoca en el análisis de sobreaceleración, se plantea la tercer derivada del cierre vectorial del mecanismo. Cada vector que compone el cierre vectorial se clasifica como tipo I, tipo II, tipo III o tipo 0 de acuerdo a su movimiento en el mecanismo. De acuerdo a la clasificación anterior, se plantean las incógnitas presentes en cada mecanismo. Al aplicar las ecs.(1) y (3)-(5) en el orden del cierre vectorial, se plantea la ecuación general cinemática de sobreaceleración del mecanismo que se esté analizando. De acuerdo a las incógnitas de esta ecuación, se hace uso de las propiedades de los logaritmos para dividir la ecuación entre un término conveniente 𝑒%&< donde n dependerá de la incógnita que se desea resolver. Con la aplicación de la identidad de Euler, ec. (2), ésta quedará en función de términos reales y términos imaginarios procediendo a la agrupación y separación de éstos resultando en un sistema de ecuaciones de 2 X 2 cuyos términos son mutuamente ortogonales e independientes. De manera general quedará sólo una incógnita en alguna de las direcciones agrupadas, quedando sólo por resolver para esta variable.

3.1 Mecanismo de cuatro barras

El mecanismo de cuatro barras se considera de los eslabonamientos básicos utilizado en infinidad de aplicaciones en ingeniería. Se compone de cuatro eslabones donde uno de ellos tiene la función de soporte o eslabón fijo o de referencia (R1). Los eslabones restantes son móviles donde cada uno de ellos se conecta a su adyacente por medio de pares de revoluta, por lo que se conoce también como mecanismo RRRR. En la Fig. 2 se muestra un esquema de este mecanismo y su nomenclatura. En la ec. (18) se muestra el cierre vectorial del mecanismo de cuatro barras indicando la tercer derivada denotando el análisis de sobreaceleración. De manera general el vector R1 representa al vector fijo y de referencia; el vector R2 se considera como el vector de control por lo que sus parámetros, tanto de posición angular como de longitud del vector se consideran conocidos, además de tener la función de ser manivela (es capaz de realizar una revolución completa). El vector R3 se conoce como acoplador y el vector R4 representa la salida o respuesta del mecanismo y es el vector opuesto al motriz. Cada vector del mecanismo se clasifica de la siguiente manera: el vector R1 es del tipo 0 por ser fijo: los tres vectores restantes son móviles del tipo I debido a que pueden tener incremento angular pero permanecer constante en su longitud. Para el análisis de sobreaceleración se aplica la ec. (9) a los tres vectores móviles, resultando la ec.


21

general cinemática de sobreaceleración para el mecanismo de cuatro barras, ec. (19). Los subíndices indican el número del vector al cual se le aplicó la ec. (9). Dividiendo de forma conveniente entre 𝑒%&= la ec. (19), resulta la ec. (20) donde una vez aplicada la identidad de Euler resulta la ec. (21a) y (21b) al separar en términos reales y en términos imaginarios.

𝑅4; + 𝑅7; = 𝑅>? + 𝑅@; (18)

𝑗𝛽4𝑟4𝑒%&A − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒%&A − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒%&A + 𝑗𝛽7𝑟7𝑒%&= − 𝑗𝜔77𝑟7𝑒%&= − 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑒%&=

= 𝑗𝛽@𝑟@𝑒%&B − 𝑗𝜔@7𝑟@𝑒%&B − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑒%&B (19)

𝑗𝛽4𝑟4𝑒% &AC&= − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒% &AC&= − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒% &AC&= + 𝑗𝛽7𝑟7 − 𝑗𝜔77𝑟7 − 3𝛼7𝜔7𝑟7

= 𝛽@𝑟@𝑒% &BC&= − 𝑗𝜔@7𝑟@𝑒% &BC&= − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑒% &BC&= (20)

r)– 𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼7𝜔7𝑟7 = −𝛽@𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃@ − 𝜃7

+𝜔@7𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃@ − 𝜃7 − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃@ − 𝜃7 (21a)

i)𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 + 𝛽7𝑟7 − 𝜔77𝑟7 = +𝛽@𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃@ − 𝜃7

−𝜔@7𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃@ − 𝜃7 − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃@ − 𝜃7 (21b)

Se observa en la ec. (21a) sólo una incógnita (b4), por lo que se resuelve para ésta variable y se presenta en la ec. (22). Para el cálculo de la segunda incógnita, se repite el anterior procedimiento dividiendo ahora la ec. (19) entre 𝑒%&B resultando la ec. (23). A continuación, después de aplicar la identidad de Euler a la anterior ecuación, se procede a la separación de los términos rales e imaginarios, tal como se indica en las ecs. (24a)-(24b). Se observa en la ec. (24a) de los términos reales solamente una incógnita, (b3), por lo que se resuelve para ésta variable y se presenta en la ec. (25).

i

Figura 2. Mecanismo de cuatro barras.

A

r

q2

O2

O4

B

R1 R2

R3 R4

q3 q4

q1


22

𝛽@

=

𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 − 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 + 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 + 3𝛼7𝜔7𝑟7+𝜔@7𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃@ − 𝜃7 − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃@ − 𝜃7

𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃@ − 𝜃7(22)

𝑗𝛽4𝑟4𝑒% &AC&B − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒% &AC&B − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒% &AC&B + 𝑗𝛽7𝑟7𝑒% &=C&B − 𝑗𝜔77𝑟7𝑒% &=C&B −3𝛼7𝜔7𝑟7𝑒% &=C&B = 𝑗𝛽@𝑟@ − 𝑗𝜔@7𝑟@ − 3𝛼@𝜔@𝑟@ (23)

r)– 𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃@ + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃@ − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃@ − 𝛽7𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@

+𝜔77𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ − 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@ = −3𝛼@𝜔@𝑟@ (24a)

i)𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃@ − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃@ − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃@ + 𝛽7𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@

−𝜔77𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@ − 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ = 𝛽@𝑟@ − 𝜔@7𝑟@ (24b)

𝛽7

=

−𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃@ + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃@ − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃@ + 3𝛼@𝜔@𝑟@+𝜔@7𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@

𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@(25)

3.1.1 Ejemplo de aplicación

Como ejemplo de aplicación de las formulaciones obtenidas, ecs. (22) y (25), se procede al cálculo de los valores de posición, velocidad, aceleración y sobreaceleración para una mecanismo de cuatro barras con la misma información que en Trejo, et. al., (2015) para fines de comprobación y contrastación de resultados: dimensión de los vectores r1 = 10, r2 = 15, r3 = 25, r4 = 25 unidades de longitud (ul), cada uno. Como información adicional se tiene q1 = 0°, q2 = 105° de posición angular inicial; w2 = 56 rad/s, a2 = 10 rad/s2

y b2 = 5 rad/s3. En la bibliografía clásica de cinemática se encuentran las formulaciones directas para los análisis de posición, velocidad y aceleración, como en Norton (2013), Erdman & Sandor (1998) y Shigley & Uicker (1998). Aplicando las formulaciones directas, o algoritmos para análisis de posición, como en Trejo, et. al., (2014), se obtienen las siguientes soluciones: para q2 = 105° se obtiene q3 = 21.1143° y q4 = 67.4359°; para w2 = 56 rad/s se obtiene w3= 27.8632 rad/s y w4 = 45.5217 rad/s; para a2 = 10 rad/s2 se obtiene a3 = -69.1041 rad/s2 y a4

= -618.4475 rad/s2 ; para un valor de b2 = 5 rad/s3 ,,el valor calculado de b3 = -184,867.2


23

rad/s3 y b4 = -322,696.4 rad/s3. Sin embargo, de acuerdo con Trejo, et. al., (2015), estas soluciones numéricas sólo proporcionan información para un solo instante y una sola posición. En la Fig. 3 se aprecia el comportamiento de la sobreaceleración angular del eslabón 3 a través de todo el ciclo de q2 y en la Fig. 4 se observa la sobreaceleración angular del eslabón 4 para el mismo ciclo de q2.

3.2 Mecanismo de biela-manivela

Se considera también de los mecanismos básicos. Su aplicación universal se encuentra en los motores de combustión interna de los vehículos, en los sistemas de compresión de aire, se puede encontrar en aplicaciones como ventanas, dispositivos de sujeción y de prensa, sistemas de bombeo, motores de pistón múltiple y radiales, entre otros. Está constituído de cuatro eslabones: una manivela la cual tiene la propiedad de girar de manera completa o una porción de ella, el eslabón conector, denominado biela; el eslabón excentricidad el cual define la distancia de separación entre la linea de acción de movimiento del tercer eslabón, denominado pistón, y la linea de referencia horizontal. Los dos eslabones móviles se unen con el bastidor y con la corredera por medio de pares de revoluta y el elemento de movimiento lineal se une al bastidor por medio de un par prismático, por lo que es también identificado como mecanismo RRRP. En la Fig. 5 se muestra la estructura de un mecanismo de biela-manivela y su nomenclatura. La ecuación de cierre vectorial para este mecanismo se muestra en la misma figura. La ec. (26) representa el cierre vectorial para este mecanismo indicándose con tres puntos sobre cada vector el análisis de sobreaceleración. Los vectores se denominan de la siguiente manera: R1: vector corredera debido a que ubica la distancia horizontal entre el origen del sistema de referencia y la ubicación del pistón; R2: vector manivela; R3: vector biela o conector; R4: vector excentricidad. De acuerdo al tipo de movimiento de los anteriores vectores dentro del mecanismo, se clasifican de la siguiente

Figura 4. Gráfica b4 - q2 .

Figura 3. Gráfica b3 - q2 .


24

manera: el vector 1 es del movimiento tipo II debido a que solo permite movimiento lineal; el vector 2 y vector 3 serán del tipo I debido a su capacidad de giro manteniendo constante su longitud; el vector 4 será del tipo 0 dado que el vector sólo está en traslación lineal, no gira ni es de dimensión variable. En función de esta clasificación, la ecuación cinemática general de sobreaceleración en notación polar compleja del cierre principal se muestra en la ec. (27) y de acuerdo a lo definido en el apartado 2, las incógnitas presentes por el tipo de movimiento de cada vector, serán la sobreaceleración del vector 3 (b3) y la sobreaceleración de deslizamiento del pistón (𝑟>).

𝑅4; + 𝑅7; = 𝑅>;; + 𝑅@? (26)

𝑗𝛽4𝑟4𝑒%&A − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒%&A − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒%&A + 𝑗𝛽7𝑟7𝑒%&= − 𝑗𝜔77𝑟7𝑒%&= − 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑒%&= = 𝑟>𝑒%&H (27)

De acuerdo al procedimiento general para obtener las soluciones directas, se procede a la división de la ec. (27) entre 𝑒%&H obteniéndose la ec. (28); esto con la finalidad de eliminar una de las dos incógnitas, tal y como se presenta en las ecs. (29a) y (29b) al realizar la separación de los términos reales e imaginarios.

𝑗𝛽4𝑟4𝑒% &AC&H − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒% &AC&H − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒% &AC&H + 𝑗𝛽7𝑟7𝑒% &=C&H − 𝑗𝜔77𝑟7𝑒% &=C&H −3𝛼7𝜔7𝑟7𝑒% &=C&H = 𝑟> (28)

r)– 𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃> + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃> − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> − 𝛽7𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃>

+𝜔77𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃> − 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃> = 𝑟> (29a)

i

Figura 3. Mecanismo biela-manivela.

A

r

q2

O2

B

R1 R2

R3

R4 q3

q4=90°

q1=0°


25

𝑖)𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃> + 𝛽7𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃> −𝜔77𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃> − 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃> = 0 (29b)

Se observa en los términos reales sólo una variable, por lo que se resuelve para ésta, como lo indica la ec. (30).

𝛽7 =

−𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> + 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃>+𝜔77𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃> + 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃>

𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃> − 𝜃7(30)

Para la obtención de la segunda variable incógnita, se procede a dividir la ec. (27) entre 𝑒%&= con la finalidad de eliminar de las ecuaciones la primer incógnita, ya resuelta. Esto proporciona la ec. (31). Con la aplicación de la identidad de Euler y la separación de los términos resultantes en reales e imaginarios se obtiene las ecs. (32a) y (32b). La solución se obtiene de los términos reales, ec. (33) y representa la sobreaceleración de deslizamiento del pistón.

𝑗𝛽4𝑟4𝑒% &AC&= − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒% &AC&= − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒% &AC&= + 𝑗𝛽7𝑟7 − 𝑗𝜔77𝑟7 − 3𝛼7𝜔7𝑟7 = 𝑟>𝑒% &HC&= (31)

𝑟) − 𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼7𝜔7𝑟7 = 𝑟>𝑐𝑜𝑠 𝜃> − 𝜃7 (32a)

𝑖)𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 + 𝛽7𝑟7 − 𝜔77𝑟7 = 𝑟>𝑠𝑒𝑛 𝜃> − 𝜃7 (32b)

𝑟> =

−𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7−3𝛼7𝜔7𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃> − 𝜃7

(33)

3.2.1. Ejemplo de aplicación

Se muestra un ejemplo de aplicación de las anteriores ecuaciones con la siguiente información: para un mecanismo de biela manivela y de acuerdo con la notación de la Fig. 3, se tiene como información a r2 = 2.5, r3 = 10, r4 = 1.5 unidades de longitud (ul); q1 = 0°, q4

= 270°. Los valores son los mismos que en Trejo, (2016) para fines de comparación. Aplicando las formulaciones directas para los análisis de posición, velocidad y aceleración, como en Norton (2013), Erdman & Sandor (1998) y Shigley & Uicker (1998) o aplicando algoritmos para análisis de posición, como en Trejo, et. al., (2014), se obtienen las siguientes soluciones: para q2 = 135° como parámetro de control, se obtiene r1 = 8.2286 ul, q1 =


26

358.4656°, velocidad lineal del pistón = -17.2041 ul/s y w3 = 1.7684 rad/s para un valor instantáneo de w2 = 10 rad/s. Para un valor de a2 instantáneo de 5 rad/s2, se obtiene la aceleración lineal del pistón de 141.62 ul/s2

y un a3 = 18.4844 rad/s2; para un valor de sobreaceleración angular b2 = 2 rad/s3, se tiene una sobreaceleración lineal = 1008.25 ul/s3

y un b3 = -149.55 rad/s3. Estos valores son de tipo instantáneo y para un solo valor de q2. Para observar el comportamiento de la variable 𝑟> para el ciclo completo de la variable de control 𝜃4, observe la Fig. 6 y en la Fig. 7 se observa el comportamiento de la sobreaceleración angular 𝛽7.

3.3 Mecanismo inversión biela –manivela

Otro mecanismo de interés es una inversión del biela-manivela. Se deriva al invertir cinemáticamente el mecanismo de biela-manivela de manera que los movimientos absolutos en relación a su sistema de referencia fijo son diferentes. Usualmente es clasificado como la tercera inversión del mecanismo de biela manivela. Es también un mecanismo de estructura RRRP; se rige por los mismos eslabones y su ecuación de cierre vectorial se muestra en la ec. (34). Se compone de un vector fijo utilizado como referencia, denominado R1, cuyo tipo de movimiento es del tipo 0. El vector R2 –vector manivela- es igualmente el vector motriz, por lo tanto de magnitud conocida y de posición angular conocido y controlable y su movimiento es del tipo I. Entre el eslabón conector R3 y el eslabón de salida R4 se guarda una estrecha relación de movimiento geométrico. En la Fig. 8 se muestra un esquema del mecanismo y se observa la relación geométrica constante referida. Por la construcción misma de la conexión entre el eslabón 3 y eslabón 4 se observa que el movimiento lineal del eslabón 3 se realiza por dentro o en referencia al eslabón 4. En este punto actúa el par prismático P.

𝑅4; + 𝑅7;;; = 𝑅>? + 𝑅@; (34)

De manera simultánea, el eslabón 2 rota respecto a su centro fijo, impulsando al eslabón 3 en un movimiento plano. Por esta razón, el vector R3 tiene un movimiento tipo III,

Figura 6. Gráfica 𝑟> - 𝜃4 . Figura 7. Gráfica 𝛽7 - 𝜃4 .


27

gira el vector en movimiento plano a la vez que incrementa su longitud por el impulso proporcionado por el eslabón 2. Por último, el vector R4 sólo posee propiedad de giro por lo que su movimiento es del tipo I. De acuerdo a lo anterior escrito, la ecuación en notación polar compleja se define entonces como la ec. (35). El movimiento tipo III tiene como desconocido ambos parámetros, su longitud r así como su posición angular q. Las variables desconocidas del vector 3 serán entonces b3y 𝑟7. Por la relación geométrica existente entre estos dos vectores se establece la siguiente restricción: 𝛽4 = 𝛽3. Para encontrar la formulación directa de la primer incógnita, se procede a la división de la ec. (35) entre 𝑒%&= para formular la ec. (36). Una vez aplicada la identidad de Euler en los términos adecuados, se procede a la separación en términos reales e imaginarios, ecs. (37a) y (37b). De los términos agrupados reales, se resuelve para la única variable presente, la cual se muestra en la ec. (38).

𝑗𝛽4𝑟4𝑒%&A − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒%&A − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒%&A + 𝑗𝛽7𝑟7𝑒%&= − 𝑗𝜔77𝑟7𝑒%&= + 3𝛼7𝑟7𝑒%&= − 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑒%&= − 3𝜔74𝑟7𝑒%&=

+𝑗3𝜔7𝑟7𝑒%&= + 𝑟7𝑒%&= = 𝑗𝛽@𝑟@𝑒%&B − 𝑗𝜔@7𝑟@𝑒%&B − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑒%&B (35)

𝑗𝛽4𝑟4𝑒% &AC&= − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒% &AC&= − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒% &AC&= + 𝑗𝛽7𝑟7 − 𝑗𝜔77𝑟7 + 3𝛼7𝑟7 − 3𝛼7𝜔7𝑟7 − 3𝜔77𝑟7 +𝑗3𝜔7𝑟7 + 𝑟7 = 𝑗𝛽@𝑟@𝑒% &BC&= − 𝑗𝜔@7𝑟@𝑒% &BC&= − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑒% &BC&= (36)

𝑟) − 𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 + 3𝛼7𝑟7 − 3𝛼7𝜔7𝑟7 − 3𝜔77𝑟7

+𝑟7 = −𝛽@𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃@ − 𝜃7 + 𝜔@7𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃@ − 𝜃7 − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃@ − 𝜃7 (37a)

𝑖)𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 + 𝛽7𝑟7 − 𝜔77𝑟7 + 3𝜔7𝑟7

= 𝛽@𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃@ − 𝜃7 − 𝜔@7𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃@ − 𝜃7 − 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃@ − 𝜃7 (37b)

Para la obtención de la segunda incógnita, la ec. (35) se divide ente 𝑒%&B, ec. (39); se realizan las operaciones pertinentes con la identidad de Euler sobre ésta última ecuación y se procede a la separación de los términos reales e imaginarios, ecs. (40a)-(40b). Al observar

i

Figura 8. Mecanismo inversión biela-manivela.

A

r

q2

O

O

B

RR

R

R4

q3 q4

q1

q3

q4

g


28

estas últimas ecuaciones se aprecia que en ambas persisten las dos incógnitas, por lo que en este mecanismo no es posible determinar una formulación directa para la segunda incógnita. Se procede entonces, una vez formulada la primera incógnita por medio de la ec. (38), a la resolución de la segunda incógnita 𝑟7 despejándola de cualquiera de las ecs. (37a), (37b), (40a) o (40b).

𝛽@

=

𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 − 𝜔77𝑟7 + 3𝜔7𝑟7+𝜔@7𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃@ − 𝜃7 + 3𝛼@𝜔@𝑟@𝑠𝑒𝑛 𝜃@ − 𝜃7

𝑟@𝑐𝑜𝑠 𝜃@ − 𝜃7 − 𝑟7(38)

𝑗𝛽4𝑟4𝑒% &AC&B − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒% &AC&B − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒% &AC&B + 𝑗𝛽7𝑟7𝑒% &=C&B − 𝑗𝜔77𝑟7𝑒% &=C&B + 3𝛼7𝑟7𝑒% &=C&B

−3𝛼7𝜔7𝑟7𝑒% &=C&B − 3𝜔74𝑟7𝑒% &=C&B + 𝑗3𝜔7𝑟7𝑒% &=C&B + 𝑟7𝑒% &=C&B = 𝑗𝛽@𝑟@ − 𝜔@7𝑟@ − 3𝛼@𝜔@𝑟@ (39)

𝑟) − 𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃@ + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃@ − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃@ − 𝛽7𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ +𝜔77𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ + 3𝛼7𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@ − 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@ − 3𝜔74𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@ −3𝜔7𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ + 𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@ = −𝜔@7𝑟@ − 3𝛼@𝜔@𝑟@ (40a)

𝑖)𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃@ − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃@ − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃@ + 𝛽7𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@ −𝜔77𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@ + 3𝛼7𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ − 3𝛼7𝜔7𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ − 3𝜔74𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ +3𝜔7𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃@ + 𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃@ = 𝛽@𝑟@ (40b)

3.3.1 Ejemplo de aplicación

Como ejemplo para la utilizacion de las ecuaciones desarrolladas, se tiene un mecanismo inversión biela manivela con las siguientes dimensiones de acuerdo con la nomenclatura indicada en la Fig. 8: r1 = 4.5, r2 = 2, r4 = 2 ul; g = 270°; w2 =10 rad/s, a2 = 5 rad/s2, b2 = 2 rad/s3. Para el análisis puntual del mecanismo con un valor de q2 = 120° y utilizando ecuaciones estándar para la solución de posición, velocidad y aceleración, como en Trejo, (2016), se tiene los siguientes resultados: r3 = 5.4083 ul, q3 = 2.8142°; velocidad lineal de eslizamiento del eslabón 3 respecto al eslabón 4, 𝑟7 = 14.4115 ul/s, w3 = 1.6895 rad/s; aceleración lineal de deslizamiento del eslabón 3 respecto al eslabón 4 𝑟7= -114.4016 ul/s2, a3 = 23.6798 rad/s2; sobreaceleración lineal de deslizamiento del eslabón 3 respecto al eslabón 4, 𝑟7= -1028.266 ul/s3

y b3 = -339.5862 rad/s3. En la Fig. 9, se aprecia el comportamiento cinemático de la variable 𝑟7 para todo el ciclo de 𝜃4. La Fig. 10 muestra cómo se comporta el parámetro b3 para el ciclo completo de 𝜃4.

𝑟7

𝛽7

𝜃4


29

3.4 Mecanismo de yugo escocés

El mecanismo de yugo escocés se utiliza para transformar un movimiento rectlíneo de tipo alternativo, como una guía, a un movimiento de rotación, como una manivela. Puede ser también de forma inversa donde el impulsor es la manivela y transforma su rotación en movimiento lineal en la guía. Tiene menos piezas móviles a comparación del mecanismo de biela-manivela con funcionamiento más suave por tener valores de aceleración relativas menores. Se encuentra su aplicación en motores y compresores alternativos. Si la manivela rota a velocidad constante, la salida corresponde a un movimiento armónico puro, entre otras características. En la Fig. 11 se observa su estructura y su nomenclatura, por lo que se clasifica como mecanismo RRPP. Para su análisis cinemático, y de acuerdo a la figura anterior, su cierre vectorial se define en la ec. (41). Se considera al vector 2 como el motriz, por lo que es la variable de control y sus parámetros son conocidos; su función es de una manivela por lo que su movimiento se clasifica como tipo I [de acuerdo con el subíndice del primer término de la ec. (41)]. El vector 1 posiciona al eslabón 3 (la guía), el cual tiene movimiento lineal, entonces el vector 1 se clasificará como tipo II y, por último, el vector 3 ubicará al pistón 4 dentro de la guía, por lo que este vector sólo variará su longitud en relación a la guía, por lo que no podrá variar su posición angular, entonces este vector se clasificará igualmente como tipo II. Las incógnitas del cierre vectorial, por el tipo de movimiento de cada vector son la dimensión r1 y sus derivadas superiores así como r3 y sus derivadas superiores.


30

𝑅4; = 𝑅>;; + 𝑅7;; (41)

Para formular las soluciones directas de sobreaceleración de este mecanismo, se sigue el procedimiento habitual, la ec.(41) en su notación polar compleja se muestra en la ec. (42). Dividiendo entre 𝑒%&H para eliminar de forma conveniente una de las incógnitas, se obtiene la ec. (43). Se realizan las operaciones pertinentes con la identidad de Euler para luego realizar la separación entre términos reales y términos imaginarios, tal y como muestra la ec. (44a) y (44b). Al observar los términos imaginarios, se reconoce sólo una incógnita, por lo que se resuelva dando como resultado la ec. (45).

𝑗𝛽4𝑟4𝑒%&A − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒%&A − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒%&A = 𝑟>𝑒%&H + 𝑟7𝑒%&= (42)

𝑗𝛽4𝑟4𝑒% &AC&H − 𝜔47𝑟4𝑒% &AC&H − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒% &AC&H = 𝑟> + 𝑟7𝑒% &=C&H (43)

r)– 𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃> + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃> − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> = 𝑟> + 𝑟7𝑐𝑜𝑠 𝜃7 − 𝜃> (44a)

i)𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃> = 𝑟7𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃> (44b)

𝑟7 =𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃> − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃>

𝑠𝑒𝑛 𝜃7 − 𝜃>(45)

Para la obtención de la segunda variable, se procede a dividir la ec. (42) ahora entre 𝑒%&=, por lo que resulta la ec. (46). Realizadas las operaciones pertinentes con la identidad de Euler, se realiza la separación de los términos reales con los términos imaginarios,

i

Figura 11. Mecanismo de yugo escocés.

A

r

q2

O R1,

R2R3

q3

q1=0


31

resultando las ecs. (47a) y (47b). Igualmente de la parte imaginaria se resuelve para la segunda incónita, la única presente en esta ecuación, la cual se muestra en la ec. (48).

𝑗𝛽4𝑟4𝑒% &AC&= − 𝑗𝜔47𝑟4𝑒% &AC&= − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑒% &AC&= = 𝑟>𝑒% &HC&= + 𝑟7 (46)

r)– 𝛽4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 + 𝜔47𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 = 𝑟>𝑐𝑜𝑠 𝜃> − 𝜃7 + 𝑟7 (47a)

i)𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7 = 𝑟>𝑠𝑒𝑛 𝜃> − 𝜃7 (47b)

𝑟>

=𝛽4𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 𝜔47𝑟4𝑐𝑜𝑠 𝜃4 − 𝜃7 − 3𝛼4𝜔4𝑟4𝑠𝑒𝑛 𝜃4 − 𝜃7

𝑠𝑒𝑛 𝜃> − 𝜃7(48)

3.4.1 Ejemplo de aplicación.

Para el cálculo de los parámetros cinemáticos del mecanismo de yugo escocés, se tiene la siguiente información: r2 = 25 ul, q1 = 0°, para una única posición angular se tiene q2 = 45° y por configuración geométrica q3 = 105°; para velocidad se tiene: w2 = 36 rad/s; para aceleración a2 = 4 rad/s2 y para sobreaceleración b2 = 3 rad/s3. La posición única del mecanismo de yugo escocés para q2 = 45° es de r1 = 22.4144 ul, r3 = 18.3013 ul, 𝑟>= -434.6666 ul/s, 𝑟7= 658.8457 ul/s, 𝑟> = -29100.8091 ul/s2, 𝑟7 = -23645.2411 ul/s2, 𝑟> = 594051.2305 ul/s3 y 𝑟7 = -861715.3069 ul/s3. La Fig. 12 muestra el comportamiento de 𝑟> para todo el intervalo de q2 y en la Fig. 13 se aprecia el comportamiento de 𝑟7 para todo el intervalo de q2.

Figura 12. Gráfica 𝑟> - 𝜃4 .

𝑟>

𝜃4

Figura 13. Gráfica 𝒓𝟑 - 𝜽𝟐.

𝑟7

θ4


32

Conclusiones

Este trabajo se enfoca primordialmente a repasar los métodos analíticos que se cubren en las asignaturas típicas de cinemática de mecanismos. En función de la extensión de los contenidos temáticos de estas asignaturas, usualmente las derivadas superiores de tercer orden y mayores no son contemplados en estos programas de estudios, por lo que estos temas son métodos complementarios y sólo de interés con fines académicos. El análisis propuesto sólo es válido para mecanismos articulados con pares revoluta y pares prismáticos y los mecanismos a los que se aplicó este análisis de sobreaceleración: cuatro barras, biela-manivela y su inversión y el de yugo escocés fueron seleccionados porque en estos se aplican los tres tipos de movimiento. Estos mecanismos básicos son resueltos con una sola ecuación de cierre de circuito. Este mismo concepto puede ser extendido a mecanismos complejos, de más de un cierre aplicando en sucesivas ocasiones el procedimiento aquí presentado. Existen trabajos donde se analiza y se explora las derivadas superiores de tercer y hasta de cuarto orden, como en Rico, et. al., (1999), donde se enfocan a soluciones de mecanismos espaciales. Por la naturaleza misma del método y del procedimiento utilizado en este reporte, es factible la programación de estas formulaciones en base a código bajo cualquier lenguaje de programación. Esta programación puede ser en base a dos criterios: primero, cada formulación de cada mecanismo por separado, tomando en cuenta que las expresiones de sobreaceleración aquí propuestas son el complemento de los análisis de tipo estándar (posición, velocidad y aceleración), por lo que deben de conocerse las formulaciones específicas de estos análisis y de cada uno de los mecanismos mencionados; segundo, para fines de referencia en trabajos futuros, puede formularse un procedimiento general de solución que analice cualquier mecanismo, compuesto sólo de pares revoluta y prismáticos, de cualquier complejidad (de n-vectores) y sintetizar un solo algoritmo de solución para análisis de sobreaceleración, sin olvidar que debe estar sustentado en sus respectivos algoritmos de solución para los análisis de posición, velocidad y aceleración. En Trejo, et. al., (2014) se propone un algoritmo de este tipo para el análisis de posición para mecanismos complejos. Para la creación de las gráficas de comportamiento de la sobreaceleración, se utilizaron macros de Visual Basic para Aplicaciones (VBA) bajo el entorno de MS Excel 2013 aunque pueden utilizarse aplicaciones informáticas más especializadas.

Referencias

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Algoritmo para la enseñanza de mecanismos planos de n-vectores en la Ingeniería. Memorias del XX Congreso Internacional Anual de la SOMIM, 504-511.

9. Trejo-Aguirre, J. E., Padilla-Iracheta, L. I., Rubio-Ochoa, E., & Avila-Delgado, A.

(Septiembre de 2015). Análisis de sobreaceleración para mecanismos articulados de n-vectores. Memorias del XXI Congreso Internacional Anual de la SOMIM, 795-804.


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MEJORA AL PROCESO INDUSTRIAL EN LA APLICACIÓN DE MOLDES DE INYECCIÓN DE ALUMINIO

Ramírez Meléndez Edgar Octavio, Rubio Ochoa Esteban Instituto Tecnológico de Chihuahua Departamento de Metal Mecánica

Ave. Tecnológico 2902, Col. 10 de Mayo, Chihuahua, Chih. C.P. 31310, México (614) 201-2000, ext. 155

[email protected], [email protected] RESUMEN. Este es un articulo que describe el proceso de disminución de tiempo muerto en el taller de moldes de una empresa dedicada a la industria de la transformación. Incorpora conceptos desde manufactura esbelta como kanban o los cinco pilares, hasta criterios de diseño, metrología en los planos y materiales de fabricación. En el proceso se enfrentaron problemas como vida útil de los materiales, tiempo de reposición o la falta de revisión en los planos. Palabras Clave: Diseño, molde, perno, tiempo muerto

ABSTRACT.

This is an article that describes the process of decreasing downtime in the toolroom of molds dedicated to the processing industry .

It incorporates concepts from lean manufacturing as kanban or the five pillars , to design, metrology plans and manufacturing materials . In the process as usefull life problems such as materials , reset time or lack of revision in the blueprints.

Wordkey: Design, mold, corepin, downtime

1. INTRODUCCIÓN

Toda empresa trabaja para generar dividendos, y esto se generan a partir de la producción; mantener la calidad mientras que se produce mayor volumen o se disminuyen los costos de


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operación son las acciones que se llevan a cabo para mantener o aumentar el margen de ganancias.

Desde el toolroom se disminuyen los gastos de operación cuando se hacen mantenimientos mas rápidos, eficaces y en la proporción adecuada. Uno de los mas grandes problemas que se presentan en el toolroom es la cantidad de fallas inesperadas en producción con lo que se generan muchas horas de tiempo muerto por mes; cuando estas fallas se presentan, se debe trabajar bajo presión para regresar el herramental de nuevo a producción, generando errores y éstos a su vez generan mas tiempo muerto.

2. ÁREA DE OPORTUNIDAD

2.1 Antecedentes

El presente trabajo se ubica en el taller de herramentales de una empresa fabricante de productos de aluminio, utilizando máquinas de inyección a alta presión. En el taller se les da mantenimiento a moldes, troqueles, pistones y recamaras. El tema principal de estudio son los pernos ya que son fundamentales en el proceso de manufactura de las piezas. Las principales causas de desperfectos en los pernos son a saber: sobrecalentamiento, fracturas, fisuras e imperfecciones en sus dimensiones y tolerancias geométricas. Dado que todo perno con imperfecciones es reemplazado, es que aplicando conocimientos de las ingenierías mecánica, en materiales e industrial específicamente los conceptos estudiados de la manufactura esbelta; se busca prolongar la vida de un perno y reducir el tiempo que lleva el cambio de un perno defectuoso en el molde.

2.2. Planteamiento de un caso

Se estudia el desperfecto de pernos quebrados ya que según la información se evidencia un problema con tendencia a crecer como lo muestra la figura 2.1, proporcionada por la empresa, en la cual se observa que a través del tiempo el porcentaje de tiempo muerto total computado causado por pernos quebrados se ha vuelto a incrementar a partir del pasado año 2013.

Fig. 2.1 Diagrama de resultado


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Dada la información anterior el estudio se limita a dos moldes de un solo cliente y al desperfecto de perno quebrado, durante el periodo comprendido de julio a noviembre de 2015.

2.3 Datos iniciales

El taller de moldes es el área en la cual las rutinas de mantenimiento a moldes, troqueles y accesorios se llevan a cabo; para todas las actividades relacionadas con pernos se cuenta con una sección especial la cual es un archivo físico.

Los pernos, que al formar parte del molde, con cualquier desperfecto se comprometen la producción y la calidad del producto, de tal manera que las correcciones y reparaciones a los pernos se convierten en la esencia del taller.

La poca organización de los mismos y la falta de manuales en los moldes hacen que las revisiones y mantenimientos no resulten como se planean pues se dificultan y toman más tiempo del presupuestado, lo que le cuesta a la empresa tiempo y dinero mal utilizado; si un perno se rompe o dobla causando imperfecciones en la pieza, la máquina de inyección debe detenerse, bajar el molde, desconectar todas las líneas de enfriamiento y desarmar el molde para poder extraer el perno afectado, se valoran las dimensiones del perno y para hacer un plano a mano alzada, o en el mejor de los casos, se accede a la base de datos actual, la cual puede no estar lo más actualizada, para poder comenzar a fabricarlo, después se reemplaza, se arma de nuevo el molde, se conectan las líneas de enfriamiento y se realiza el montaje nuevamente, lo que lleva algunas horas de trabajo, tiempo que se pudo haber reducido con la existencia de una biblioteca que contenga la información referente al molde en cuestión, no solamente a los pernos, esto con la finalidad de que cualquier persona sin un adiestramiento en ingeniería sea capaz de identificar “X” parte del molde, saber cuál es el problema y solucionarlo en el menor tiempo posible. Esto se logrará creando algunos documentos con ayuda de las opciones disponibles y las diferentes herramientas; estos documentos contendrán ayudas visuales del molde y sus accesorios, hojas de revisiones de actualizaciones dentro de la empresa (Pace industries), que lleven en ellas un mejor control, acceso a los planos y lay out, etc.

En lo referente a la base de datos, el departamento de ingeniería comparte una conexión en la red con acceso a la carpeta “PERNOS”, la cual contiene los planos digitales de los pernos, piezas y moldes, y es ahí donde se llevan a cabo las actualizaciones para que dentro del mismo departamento de ingeniería, los ingenieros de herramentales estén al tanto de los cambios recientes, y así poder tomar decisiones sin necesidad de tener que buscar en una serie de documentos esparcidos por toda la red.

Desde antes hasta el comienzo de las prácticas de residencia profesional toda la información de los moldes a la que se tiene acceso en el departamento de tool room se encontraba en las gavetas, a las que cualquier persona tenía acceso, y podía modificar sin control alguno, esto


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hacia aún más complicadas las reparaciones ya que no se contaba con registro alguno de fechas y comentarios de modificaciones; de igual forma la base de datos perteneciente al departamento, está en constante actualización, y no se relacionaba con el área de tool room, por lo que suele haber confusiones.

3. REVISIÓN DE CONCEPTOS

3.1 Justo a tiempo.

Justo a tiempo o simplemente JIT es un acercamiento de fabricación que permite a las compañías producir los productos que el cliente necesita, cuando los necesita y en la cantidad que los necesita.

Justo a tiempo difiere de la producción en masa usado por muchas compañías, el sistema de producción en masa esta diseñado para producir grandes lotes de productos idénticos los cuales serán vendidos y embarcados a los clientes justo como ellos lo ordenaron, en contraste el JIT permite a las compañías producir una variedad de productos en cantidades menores, en un menor tiempo, para conocer las necesidades específicas del cliente.

3.2 Introducción al SMED

“Smed” abreviación para single minute Exchange o die. El sistema smed es una teoría y conjunto de técnicas que hacen posible que se realice la disposición del equipo y cambio de operación en menos de 10 minutos, en otras palabras rango de un solo minuto. SMED fue originalmente desarrollado para mejorar los cambios de dado y las herramientas de las máquinas, pero es principalmente aplicado en los cambios en todos los tipos de procesos.

3.3 Introducción a los 5 pilares

La palabra “pilar” es usada como metáfora que significa un grupo de elementos estructurales que en conjunto soportan un sistema estructural. Es este caso los 5 pilares están soportando un sistema para mejorar en la empresa.

Los cinco pilares se definen como sort, set in order, shine, standardize, y sustain, porque estas palabras comienzan con s, también se refieren a las 5’s. Los dos elementos más importantes son sort y set in order, el éxito de la mejora depende de ellas.

Primer pilar: Sort (clasificar, “Seiri”)


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Sort Significa que se remueven todas las cosas del lugar de trabajo que no se necesiten en la producción actual.

Sorprendentemente, este simple concepto es fácil de minimizar, en primer lugar, se hace difícil distinguir entre las cosas que son necesarias y las que no lo son.

Segundo pilar: Set in order (Ordenar, “Seiton”)

Set in order puede definirse como arreglar las cosas que se necesitan, de modo que sean fáciles de usar y etiquetarlas de modo que sea fácil encontrarlas.

Set in order debe ser implementado con sort.

Tercer pilar: Shine (Limpieza, “Seiso”)

El tercer pilar es shine, que significa: barriendo pisos, sacudido de la maquinaria, y generalmente asegurarse que todo en la fábrica está limpio. En una empresa de manufactura, shine estáestrechamente vinculado con la habilidad de producir productos de calidad. Shine también incluye el trabajo de encontrar formas de prevenir la suciedad.

Cuarto pilar: Standardize (Estandarizar, “seiketsu”.

Standardize se diferencía de sort, set in order y shine. Estos tres pilares pueden ser pensados como actividades, como hacemos algo. En contraste, standardize es el método de cómo mantenemos los tres primeros pilares.

Quinto pilar: Sustain Mantener, “Shitsuke”

En el mismo concepto de los cinco pilares, sustain significa crear el hábito de mantener los procedimientos correctos. Los primeros cuatro pilares pueden implementarse sin dificultad, si el lugar de trabajo es uno donde los empleados confían al mantenimiento las condiciones de las 5’s. Es probable que disfrute de una alta productividad, alta calidad tal como el lugar de trabajo.

Se muestra la plantilla que se esta utilizando habitualmente.


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Fig. 3.1 Plantilla de especificaciones

3.4 Sistema Kanban

En el sistema JIT, de acuerdo a la producción y movimiento de partes y componentes entre procesos es crítico evitar el exceso o los escases. Para alcanzar esta combinación muchas compañías usan el sistema “Kanban”. La palabra kanban significa carta o letrero. El sistema kanban usa cartas u otros dispositivos visuales para controlar el flujo y la producción de materiales.

3.5 Generalidades del perno

Se muestra en la siguiente figura el lay out de las principales generalidades del perno.

Fig. 3.2 Partes del perno

4. IMPLEMENTACIÓN

Como primer paso en la implementación, se creo una revisión de la plantilla de los pernos, la cual contiene toda la información necesaria para su compra o fabricación, así mismo se pretende que la plantilla sea la base para la base de datos que contendrá la información de los moldes.


40

Teniendo toda la información necesaria en la plantilla, se puede acceder a la ruta exacta donde se encontrara la revisión mas actual del perno en cuestión; esto con la finalidad de evitar errores en la fabricación, teniendo versiones anteriores de los planos.

Así mismo también se agregó un cuadro de pin gage, que es un instrumento de medida que ayuda en la fabricación del perno, para el cual se tiene el siguiente algoritmo:

(𝟓 ∙ 𝐬𝐢𝐧(𝐭𝐚𝐧C𝟏𝑫𝑴]𝒅𝒎

𝟐𝒍

∙ 𝟏𝟖𝟎𝝅∙ 𝝅𝟏𝟖𝟎

)) (1)

De donde DM: es el diámetro mayor del perno dm: es el diámetro menor del perno l: es la longitud total del perno

La información anterior se complementó con un layout del molde, para la ubicación de los pernos, con este se evitaran confusiones y errores, minimizando el tiempo de cambio de un perno como se muestra a continuación:

Fig. 4.1 Plano de la pieza en el molde

Para evitar desabasto en los pernos o un sobre stock se tienen máximos y mínimos, que se controla con el sistema kanban, para esto se tienen dos tipos de tarjetas, las de fabricación interna y externa es decir pernos que se fabrican en el taller y pernos que se compran con proveedores, generalmente de E.U.A, por lo que su tiempo de entrega suele ser alto.

A continuación se muestra de manera gráfica las tarjetas kanban que se aplican a esta actividad.


41

Fig. 4.2 Tarjetas de kanban de movimiento

Todo lo anterior se refiere a la administración del tiempo a la hora de un cambio; aumentar la vida útil de los pernos y disminuir el tiempo de los mantenimientos.

4.1 MATERIALES

Conocer los materiales de fabricación es fundamental debido a el material de fabricación de los pernos deberá soportar las condiciones de trabajo; las características del ambiente al que estarán son condiciones difíciles como lo son : contacto directo con el aluminio fundido, además de cambios drásticos en la temperatura. Un material que tenga un alto índice de elongación térmica no será viable, ya que dimensionalmente se ve comprometido, mientras que uno que no tenga un alto índice de elongación lo hará quebradizo.

Un material con una alta conductividad térmica será el ideal, ya que disipará una mayor cantidad de calor; las condiciones en las que son sometidos los pernos, (un calentamiento de 800 grados centígrados, temperatura a la que está el aluminio fundido) durante el tiempo en el que el aluminio solidifica, después se someten a un proceso de lubricación, para evitar que la pieza se adhiera en el molde y enfriar un poco los componentes, produce en las capas externas de ellos martensita, lo que simula un efecto de templado, es decir aumenta su dureza haciéndolo más frágil.

Entre los materiales elegidos para la fabricación de los pernos destacan: El acero H13 que es una acero aleado al cromo molibdeno lo que lo hace acero grado herramienta, especial para moldes de inyección, se caracteriza por su alta resistencia a raspaduras por fatiga térmica además tiene excelentes propiedades mecánicas y una buena estabilidad dimensional durante los cambios de temperatura, es poco sensible a los choques térmicos cuando de enfría.


42

Anviloy 1,150 es un material a base de tungsteno maquinable que fue desarrollado principalmente para fundición a presión un bajo coeficiente de expansión térmica, buena conductividad térmica y buenas propiedades del material a temperaturas elevadas se combinan para un rendimiento superior en una variedad de aplicaciones. esta inusual combinación de propiedades resulta en menos fatiga térmica y la soldadura en el fundido a presión o extrusión.

En comparación el anviloy tiene una menor resistencia a la fatiga, lo que lo hace más quebradizo que el h13, pero lo compensa con un porcentaje mucho menor de elongación, lo que lo hace mucho mejor para los procesos de inyección.

4.2 Control

El control consiste en la revisión y registro de los reportes de tiempos muertos que provienen de producción y son comparados con los reportes de los supervisores del toolroom. Una vez comparados y cotejados se alimentan en el programa de gestión de mantenimiento, para llevar un control mas detallado se hace en un formato especial en el cual se detallan con exactitud los tiempos muertos por turnos, máquina, y molde, así como también la causa especifica del tiempo muerto como :

• Die Maintenance DM • Brocken Core BC • Brocken Ejector BE • Plunger PL • Trim Die TD

En la siguiente tabla de información encontramos, la DCM1, número de molde, secciones para DM, BC, HU, BE, PL y TD.

Para realizarlo se consideran las máquinas que trabajaron el día correspondiente al reporte, y las horas efectivas trabajadas, es decir 22.5 horas para el lunes (se toman 1.5 horas para una junta informativa con operadores y técnicos), martes, miércoles, jueves y viernes con 24 horas, y por último el sábado con solo 16 horas, dando un total semanal de 134.5 horas en una semana completa.

1DCM:DieCastMachine


43

Tabla 1 Formato de registro de tiempos muertos

Este reporte se presenta con graficas, se hace diariamente, y con él se genera un reporte semanal, mensual, cuatrimestral y anual, con la finalidad de detectar los problemas que inciden con más frecuencia, atacarlos y controlarlos mediante la creacion de rutinas de mantenimiento; finalmente y de manera diaria se analiza el desempeño del molde.

4.3 Cambios rápidos.

Es una técnica utilizada para disminuir el tiempo que se toma en los cambios de los pernos cuando estos tienen un desperfecto, normalmente cuando un desperfecto en los pernos ocurre se tiene que desmontar gran parte de los componentes del molde: como placa de respaldo, placa de botadores, contra placa de botadores y se tiene que desmontar el porta molde de la dcm. con esto se pierden horas de trabajo en las cuales el molde pudo haber estado en producción, disminuir este tiempo representa una ventaja y es una medida clara de la eficiencia del área toolroom. Para poder tenercambio rápido en un perno se necesita barrenar todos los elementos que impiden la extracción del perno en el molde como se muestra en la siguiente figura:


44

Fig 4.3 Comparación anual

Como se puede ver en la figura, el barreno perfora todas las placas que impiden la salida del perno. Sin este barreno, el perno queda sujeto entre la cavidad y el porta molde, lo que lo mantiene fijo para la inyección:

De derecha a izquierda:

• En color verde se tiene la placa de respaldo. • En amarillo se tiene la contra placa de botadores. • En azul la placa de botadores. • En marrón y de un diámetro mayor se tienen los pilares. • También en marrón pero de un diámetro menor a los pilares se tienen los botadores. • De azul claro tenemos el porta molde. • De gris se representa la cavidad. • De color azul dentro de la cavidad se tiene un perno, tras el en color rojo él barreno

donde está el opresor. • De azul tras el opresor se encuentra el barreno perforando todas las placas.

Cuando un perno se daña y cuenta con cambios rápidos solo se tiene que tomar la herramienta para extraer el opresor que mantiene al perno en su lugar, se toma el perno, y se cambia sin necesidad de desarmar el molde

4.4 Acciones principales

Planos y archivos

Como primer paso se creo en los servidores de la empresa un apartado electrónico donde, organizados por cliente, molde y numero de parte se encuentran en .PDF todos los componentes que forman parte del trabajo de toolrroom, el modelo sólido no esa al alcance de los técnicos; de esta manera e asegura siempre la mayor revisión en los planos. Control de disparos por juego de pernos Con ayuda del sistema interno de la empresa se estima el numero de disparos por molde, de esta manera controlamos la vida útil del perno, cambiándolo de acuerdo a los disparos de garantía. Cambio cada diez mil disparos para pernos normales de H13. Cambio cada treinta mil disparos para pernos de material ANVILOY.


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Kanban

El kanban asegura que al momento de que un molde es requerido para producción, existan las refacciones necesarias para su reparación en caso de existir algún incidente, de esta manera se confirma que existen los planos en su versión más actualizada, de no ser así, no habría manera de fabricar los pernos antes de que el molde este en producción.

Además ofrece entre otros beneficios, la seguranza de la calidad en la fabricación de los pernos al ser estos fabricados con anterioridad se evitan errores por la fabricación apresurada.

Al momento de incluir el kanban en los procesos del toolroom, se asignaron a dos técnicos, especialistas en la fabricación de pernos, de esta forma se evitó la fabricación de pernos fuera de especificación, lo que ocurría cuando cualquier persona fabricaba un perno sin el adiestramiento adecuado o sin la experiencia necesaria.

5. RESULTADOS

En la siguiente figura se observa la diminución en el porcentaje del tiempo muerto con lecturas desde el mes de julio, un mes antes de iniciar el proyecto, hasta el mes de noviembre, lo que da un rango de cinco meses, tiempo suficiente para poder determinar resultados.

Fig 5.1 Comparación anual

Aunque la tendencia a partir del mes de julio ha sido la disminución del tiempo muerto, en el mes de noviembre existe un alza en el porcentaje objeto de éste estudio. este incremento se debe a múltiples factores, tales como las medidas que se tuvieron para realizar el cambio de los pernos, o la oportunidad de fabricarlos en un material de mejores especificaciones.

Para un análisis mas acertado en necesario comparar moldes específicos respecto a las horas de trabajo, siguiendo lo antes mencionado tenemos como resultado las siguientes graficas:


46

Figura 5.2 Comparación molde 204-055-00

En el caso de la gráfica anterior, muestra un molde que solo tuvo una actividad de un día en el mes de julio, y es una buena forma de

mostrar lo sucedido en un molde con una corrida muy corta, mostró un 25% de su tiempo, en tiempo muerto.

Mientras que en el mes de noviembre, se tuvo el molde tres días en el programa de producción, mostrando solamente un 3% de su tiempo efectivo en tiempo muerto. Se puede entender que mientras en el mes de Julio, se tuvo una corrida más corta, presento un mayor porcentaje de tiempo muerto, lo que demuestra un pobre desempeño del molde; a diferencia del mes de julio, el mes de noviembre, tuvo una corrida más larga, presentando un porcentaje mucho menor de tiempo muerto, lo que mejoro el desempeño del molde, en lo que a BC se trata.

A diferencia del 204-055-00, el molde 3060-007-00, regularmente tiene corridas muy largas. Lo que lo hace una buena muestra para moldes con corridas de más de 20 días.

Figura 5.5 Comparación 3060-007-00

En la gráfica anterior se observa, el desempeño del molde en el mes de julio, en el cual el molde tuvo una corrida de 20 días, en los cuales casi el 25% fue tiempo muerto, mientras que en el mes de noviembre fue una corrida más larga de 26 días, en los cuales solo cerca del 1% fue tiempo muerto.

6. REFERENCIAS.

0%10%20%30%

Julio Noviembre

Horas

0%

10%

20%

30%

Julio Noviembre

Horas


47

[1] Stanton , W. (1996). 5s For Operators 5 pillars of the visual work place. Portland OR, USA: Productivity Press.

[2] Groover, M. P. (2007). Fundamentos de manufactura moderna (Vol. Tercera Edicion). (V. P. Roig, Ed., C. R. Cordero, B.J. Enrriquez, & M. J. Murrieta, Trans.) México D.F.: Mc Graw Hill.

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[4] Refojo, C. (1998). Just-In-Time. Portland, OR, USA: Productivity Press.


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IMAGE PROCESSING QUADTREE ALGORITHM IMPLEMENTED IN A LABVIEW AND COMPACT-RIO HARDWARE ENVIRONMENT

Esteban E. Gasson-Garcia, Javier Vega-Pineda, Luis Cardona-Chacón and José L. Durán-

Gómez

División de Estudios de Posgrado e Investigación Instituto Tecnológico de Chihuahua

Chihuahua, Chih., México

[email protected], {jvega, lcardona, jrivera}@itchihuahua.edu.mx

Abstract—The image processing quadtree algorithm implemented in its recursive

form in LabVIEW and hardware platform CompactRIO is presented. In LabVIEW there are no commands implementing the algorithm and therefore it is important to know the LabVIEW capabilities for its implementation and performance, especially in its recursive scheme. The CompactRIO is a hardware rack with processing capabilities based on both a real-time microcontroller and a FPGA; the quadtree algorithm transported to the CompactRIO is evaluated. In the decomposition process of the original image into its four subimages and these in turn each into other possible four, this as a recursive process, involves a decision function for this subdivision. Two decision criterions were used, the first based on arithmetic expressions and the second based on fuzzy logic elements. The first criterion was used to take the quadtree algorithm to the CompactRIO hardware. The subjective results of these quadtree implementations oriented to image processing applications are presented.

Keywords—quadtree; LabVIEW; CompactRIO; image processing

1. Introduction

The algorithm known as quadtree (QT) has been used to describe a class of hierarchical data structure holding a regular decomposition. Here, the QT decomposition is the partition of an image space in a set of blocks whose sides have all dimensions of a power of two elements or values [1]. The QT was used initially in the description of geographic information sources and subsequently in applications oriented to analysis, coding and compression of images and video based on the QT decomposition of the image or images [2, 3]. In recent years, the HEVC standard (High Efficiency Video Coding) the most modern video compression scheme has been using the QT algorithm as an initial stage to image partition [4, 5]. In addition, have been reported derivations of the HEVC standard for applications in visual sensor networks [6] where the QT algorithm is used.


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The QT algorithm has been implemented in different libraries of functions in various software packages; an example is the "qtdecomp" command in Matlab [7], which performs decomposition of an image. However, in LabVIEW functions [8] including its extensions for image processing and video does not exist "vi" for the QT algorithm. Being the “vi” (from virtual instrument) the programming unit or command in LabVIEW that includes a set of graphical elements to form the equivalent of a traditional textual program.

No references of QT implementations in LabVIEW were found, and being LabVIEW a tool of broad academic and industrial use, and in order to carry out development of applications which include the QT algorithm, it was decided to implement the QT vi in LabVIEW. In the article are presented the details and difficulties of the implementation of the QT in LabVIEW for decomposition of images, called QT reentrant Decomposition. Furthermore, two decomposition criteria are explained, the first based on arithmetic expressions and the second one implemented with fuzzy logic elements. After the algorithm was implemented and successfully tested in the LabVIEW environment, was transported to the Compact-RIO (C-RIO) hardware. This transportation implied important changes to the LabVIEW implementation, mainly because there were not found references about how to work with the C-RIO implementing image processing algorithms similar to the QT.

The article has the following structure: section 2 briefly describes the QT algorithm; in section 3 are the details of the QT reentrant implementation; the criteria of arithmetic and fuzzy decomposition are presented in section 4; in section 5 the elements covering the QT implementation in the C-RIO hardware are presented; the results of the implementation are described in section 6 and finally, in section 7 are the conclusions of the work done.

2. The Quadtree Algorithm

QT is useful because allows the focus on a specific subset of data using a systematic method to find and represent the homogeneous parts of a two-dimensional spatial arrangement. You can quickly rule out large volumes of data that are not of interest [9], and therefore the primary motivation for their initial development was to reduce the amount of space required to store information. The QT technique, recursively subdivides the two-dimensional space of a digital image by drawing two perpendicular axes intersecting at the center of the image, thus forming four quadrants or regions of the same size. The recursive decomposition is represented as a tree, in which the top level is the root (the whole image) and each quadrant of the image is called node.


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The resolution in the decomposition of the image is related to the number of times that the bidimensional decomposition process is applied and is formed from a well-defined criterion. The criterion depends on the properties of the input data or can be defined in advance according to the type of data that is intended to represent. Based on the criterion you can search for similarities in basic forms or homogeneity between pixels in the image. If the criterion is met in a node, this is subdivided into four quadrants half the size of the originals and the decomposition criterion is applied again to each of the new quadrants. This process is carried on until the criterion is not met. The decomposition of the image stops until all regions in the domain of the image does not meet the criteria of decomposition or quadrants are formed only by a pixel [1, 2] and [10]. An example of the decomposition process of QT is illustrated in Fig. 1. Quadrants containing data of interest are called black area, and those that do not contain data of interest are called white area. A quadrant containing white and black areas is called gray area and must be subdivided successively until only black and white quadrants remain [11], see Fig. 2.

Figure 1. QT decomposition.

Figure 2. QT with black, white and gray areas.


51

3. QT Reentrant Decomposition

In the flowchart of Figure 3 the QT Reentrant Decomposition (QTRD) operations are shown. QT is an algorithm with possibilities of implementation as a recursive process which conduct repeatedly an operation to meet the criteria of decomposition or until the limit of possible iterations is reached. QT recursion means having a function to carry out the decomposition and run itself until the final decomposition. In LabVIEW the option used to carry out the effect of recursion in programming algorithms is to set the corresponding vi in reentrant execution mode. A reentrant vi applies when you want to run multiple instances of the same vi simultaneously [8]. In the particular case for QT representation of an image, a reentrant vi is useful to apply the decomposition criteria to each quadrant and also in the operations of subdivision, concatenation of quadrants and axes tracing.

The default mode for execution of the vi is not reentrant; the ability to reentrancy must be configured in the file properties on the vi’s execution modes tab. The vi reentrant option is selected and the icon of the developed vi is dragging it into itself in the block diagram. In a reentrant vi is important to define adequately the points of entry and exit, and correctly place the icon into the connections of the program block diagram, Fig. 4. Also, you have to correctly determine the method by which the vi’s recursive cycle will stop; in the case of QT this is defined with the decomposition criteria.


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Figure 3. Flowchart of the QTRD algorithm.


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Figure 4. Reentrancy into the vi itself.

4. Decomposition Criteria

The decomposition criterion depends on the application in which will be embedded the QT. In this article two decomposition schemes are presented. We call them, Arithmetic decomposition and Fuzzy decomposition.

A. Arithmetic decomposition criteria The Arithmetic Decomposition Criteria is built on simple arithmetic operations to

compare a numerical value against a threshold value which is used as the decision value, whether is divided or not the block under analysis. The method used was taken from the default criteria in Matlab command qtdecomp() [10]. The user selects a threshold value which must meet 0 ≤ 𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠ℎ𝑜𝑙𝑑 ≤ 1. The selected threshold value is multiplied by 255 if the pixels of the analyzed block are type unit8 and by 65,535 if they are type unit16. Thus, the block is divided into its four quadrants if and only if:

𝑃𝑚𝑎𝑥 − 𝑃𝑚𝑖𝑛 > 𝑡ℎ𝑟𝑒𝑠ℎ𝑜𝑙𝑑×255(𝑜65535)

where 𝑃𝑚𝑎𝑥 and 𝑃𝑚𝑖𝑛 are the maximum and minimum pixel values in the block. An example is shown in Fig. 5, with a threshold of 0.1 (assuming type unit8 values) multiplied


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by 255 = 25.5, the comparison with the differences in maximum pixel and minimum pixel leads to the shown decomposition applied to the two possible levels.

Figure 5. Original block and its arithmetic decomposition.

In the arithmetic decomposition criterion it is necessary to select an appropriate

numerical threshold value to determine the partition of the blocks correctly. However, there's no guide or predefined procedure to select that value. Using fuzzy logic theory to select the threshold appropriately and automatically is proposed.

B. Fuzzy decomposition criteria

From the image 𝐼(𝑥, 𝑦), after selecting and applying a threshold value 𝑇 you have 𝐵(𝑥, 𝑦) which is the binarized image, this is defined as:

𝐵 𝑥, 𝑦 = 1, 𝐼(𝑥, 𝑦) ≥ 𝑇0, 𝐼(𝑥, 𝑦) < 𝑇 (

1)

A well-known technique is to divide the histogram of the image into two regions using

a rigid threshold. Two regions white and black are created; any pixel with value lower than T is considered black otherwise is considered white [12].

Using the theory of fuzzy logic and the image histogram two membership functions

can be defined, which determine the degree of membership of the pixels, i.e., what so black or white they may be, based on the image gray levels [12]. The membership functions are defined as: 𝜇x(𝑥) which determines how black the pixel is and 𝜇y(𝑥) determines how white the pixel is. The membership functions 𝜇x(𝑥) and 𝜇y(𝑥) defines two trapezoidal functions:

𝑓 𝑥; 𝑎, 𝑏, 𝑐, 𝑑 =

0, 𝑥 ≤ 𝑎(𝑥 − 𝑎)/(𝑏 − 𝑎), 𝑎 ≤ 𝑥 ≤ 𝑏

1,(𝑑 − 𝑥)/(𝑑 − 𝑐),

0,

𝑏 ≤ 𝑥 ≤ 𝑐𝑐 ≤ 𝑥 ≤ 𝑑𝑑 ≤ 𝑥

(2)

In (2), a and d values determine the base of the trapezoid and b and c values determine the high points of the trapezoid [13]. To determine these points the clustering algorithm Fuzzy C-Means was used, this allows us to group data information into two or more groups


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when you have a number of predetermined groups [14]. With this algorithm two centroids are obtained, which define the high points (a, c) for the two trapezoidal functions and thus form the membership functions 𝜇x(𝑥) and 𝜇y(𝑥). By applying this procedure, results in a thresholding similar to the shown in Fig. 6. The threshold value 𝑇 is calculated from the intersection of the two membership functions Black and White [13].

Figure 6. Histogram fuzzy thresholding.

C. QTRD in LabVIEW

The Fuzzy QTRD algorithm with different images in grayscale 8-bit, 256 × 256 pixels and the image formats PNG, BMP and JPG were tested in LabVIEW. The results obtained after the processing of two test images shown in Fig. 7 are presented. The images in Fig. 8 are the quadtrees obtained after the processing. With the scheme QTRD there is a decomposition reaching the pixel level (9 levels; 8 decompositions), the representation of higher resolution.

5. QT Implementation in CompactRIO

The CompactRIO cRIO9074 from National Instruments was used as a platform to perform image processing applications in real-time, the C-RIO has an embedded real-time processor and a system with FPGA devices [15]. This C-RIO system was in charge of image acquisition and real-time processing with the integrated work of the following elements, Fig. 9:

• CompactRIO 9074 rack from National Instruments • Frame grabber module, AF-1501, from MoviMED • Generic CCD video camera with BNC output • Host personal computer (PC) • Software elements: interface drivers and LabVIEW toolboxes for C-RIO.


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(a) (b)

Figure 7. Test images used in LabVIEW: (a) Synthetic and (b) Cameraman.

(a) (b) Figure 8. Quadtree of (a) synthetic image and (b) Cameraman in LabVIEW.

The architecture of the C-RIO platform provides three different options in which can be configured the hardware inputs and outputs. These options vary depending on whether or not to use the resources of the FPGA is done, this can be achieved through the LabVIEW FPGA Interface Mode component or using the NI CompactRIO Scan Mode. It also has a Hybrid Mode which concurrently can be use the two interface components (Interface Mode and Scan Mode), if the desired application so requires [16, 17]. These three operating modes are briefly described.

In LabVIEW FPGA Interface mode is possible to use Custom FPGA configuration, in

addition to programming the real-time processor obtaining a high performance in processing. In this mode, a vi is transformed to a bitfile through several compilation steps. The bitfile is downloaded to configure the Xilinx FPGA device inside the C-RIO [17].


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Figure 9. C-RIO system, hardware and software.

In scanning mode you can program the real-time processor without performing reconfiguration of the FPGA. There is a predefined configuration for the FPGA that periodically scans the inputs and outputs (I/O) of interchangeable modules (in the rack) and places them in a memory map scheme, making them available to the components of LabVIEW Real-Time.

In the hybrid mode, selected modules to program directly with LabVIEW FPGA are removed from the I/O scanning, and the remaining modules communicate with the scanning interface [17]. There are some important limitations when the hybrid mode is used, the compilation time increases significantly because the compiler has to combine the data file created from scanning interface mode and the data file for the FPGA code.

The structure of a LabVIEW project to capture and image processing with the C-RIO

using the AF-1501 frame grabber module is organized in a hierarchical manner. This structure positions the FPGA below the level of real-time controller and the video module is below the FPGA. The AF-1501 driver runs low-level communication between the capture module, the FPGA and the real-time controller. The driver transfers the information to the real-time controller through a direct memory access (DMA) channel. This item allows the transaction information from the captured image level to the FPGA real-time controller level. The AF-1501 is supported only in the FPGA mode because its driver is located on the FPGA level. If the use of scanning mode is required there are two alternatives: to use the hybrid mode or adding custom FPGA code to the AF-1501 driver [18].

The implemented QT scheme in C-RIO was defined as a project in hybrid mode. To

perform imaging real-time applications the frame grabber AF-1501 driver is a key element. Movimed provides several vis to capture images and video. The vis are located on the functions palette in UserLibraries/Movimed/AF-1501 tab and they have four main functions: Open, Configure, Snap, and Close [18], Fig. 10.


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Figure 10. Frame grabber vis.

The image array obtained with the snap vi is connected directly to our QT code. The size of the input image to the QT code is adjusted to a region of interest (ROI) with a resolution of 2nx2n pixels. The AF-1501 default resolution is 640x480 pixels. The ROI setting is done with the configure vi which contains the necessary parameters to set the dimensions of the image to be captured. For testing, we select a ROI with resolution of 256x256 pixels (Cartesian coordinates). Also must be added the necessary sub-vis to run the QT code implemented within the level of real-time controller. The output of the QT implemented code is an image with IMAQ format. At the end of the project implementation, a hierarchical structure as the one shown in Fig. 11 will be created, the different levels of the structure are shown.


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Figure 11. General project quadtree hierarchy in the C-RIO. The QT algorithm implemented in LabVIEW was tested using the method of

reentrancy in the C-RIO. In Fig. 12 is shown the front panel where the captured image is displayed and processed with the C-RIO and the AF-1501 module. At the bottom left of the front panel is the captured image resolution of 256x256, 8-bit mode and the value of the pixel where the mouse cursor (156) is and its coordinates (0, 0). In Fig. 13 is the result of applying the reentrant QT developed to the captured image of Fig. 12 in the real-time controller using a Threshold = 0.4 with the arithmetic decomposition criterion.

In Fig. 14 and 15 another image processing quadtree example is shown. Notice that

these two images (Fig. 12 and 14) are natural images captured by the frame grabber AF-1501.

6. Conclusions

The QT algorithm (QTRD) was implemented in LabVIEW using a reentrant scheme

with two decomposition methods, arithmetic and fuzzy. The code of the algorithm can easily be adapted or modified in the decomposition criteria according to the characteristics of pixels that you wish to analyze. With the QTRD it is possible to obtain a reentrant decomposition of images that can lead to QT to the pixel level image and allows us to emulate the algorithm property of recursion. The code for this algorithm is of interest to users of LabVIEW as a programming language, because there is little information about the use of reentrancy in this


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language and there is no information about QT implementations in LabVIEW.

The QTRD was implemented in the CompactRIO platform in its hybrid mode using the methodology described to create real-time applications. Images capturing was performed using the frame grabber module AF-1501, and processed with the QTRD in C-RIO real-time controller as shown in Fig. 12 through 15. The system used for capturing and processing images to QT is shown in Fig. 16. The arithmetic decomposition criterion was used for testing the C-RIO implementation of QTDR, these because several of the LabVIEW commands (vis) have no equivalent or they are not recognized by the C-RIO hardware. The Fuzzy C-Means vis initially developed in LabVIEW were not accepted by the C-RIO hardware, further work must be done in this case. At this time, we have functional versions of the QT algorithm, the LabVIEW (in PC) version and the version in C-RIO hardware; the next step is to optimize the algorithm in its fuzzy options and evaluate its performance in terms of speed and needs of storage.

Figure 12. QT application front panel.

Figure 13. Quadtree of figure 12.


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Figure 14. Test image with C-RIO.

Figure 15. Quadtree of figure 14.

Figure 16. The system used in the experimental process of the quadtree algorithm

implementation.

Acknowledgment

This work was in part supported by the Tecnológico Nacional de México (TecNM) under grant 5693.16-P and the Instituto Tecnológico de Chihuahua.

References


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ANÁLISIS Y CLASIFICACIÓN DE TRÁFICO NO DESEADO DE INTERNET

Ing. Jorge Luis González Hernández ([email protected]) Ing. Gerardo García Soto ([email protected])

Lic. Jesús José Contreras Martínez ([email protected]).

Instituto Tecnológico de Delicias, Paseo Tecnológico Km 3.5 Cd. Delicias, Chihuahua

Palabras clave: Conexión, Internet, Protocolos, Georreferencia, IP, ataques informáticos, programa malicioso.

RESUMEN

Internet es la herramienta mas importante del mundo en la actualidad, pero no se sabe que pasa en internet y de donde se origina el trafico que existe en el. Por tal motivo se desarrolla un estudio el cual consiste en capturar tráfico con la herramienta Wireshark y realizar la cuantificación, descripción y análisis de las conexiones provenientes de internet dirigidas hacia una computadora (servidor), en un lapso de tiempo limitado. Esto con la finalidad de entender que trafico existe en internet y así poder desglosar cuales son amenazas y poder generar patrones de comportamiento que pueden existir, posteriormente ubicar geográficamente las conexiones que se realizaron al servidor y generar mapas para mostrar un panorama real de lo que se enfrentan los usuarios en internet. Se generaron modelos estadísticos cuantificando el trafico de lo que sucede en una computadora conectada directamente a internet la cual utiliza servicios web, base de datos, correo electrónico y de conexión segura y desde que lugares del mundo se interesan en realizar conexiones con cualquier motivo.

ABSTRACT

Internet is the most important tool in the world today, but it is not known what happens on the internet and where the traffic that exists in originates. For this reason a study which is to capture traffic with Wireshark tool and perform the quantification, description and analysis of internet connections from directed toward a computer (server) in a limited period of time develops. This in order to understand that traffic exists on the internet so you can disaggregate which are threats and to generate patterns of behavior that may be


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subsequently geographically locate the connections made to the server and generate maps to show a true picture of what is facing internet users. Statistical models were generated traffic quantifying what happens on a computer connected directly to the Internet which uses web services, database, email and secure connection and from around the world that are interested in making connections with any reason.

1. INTRODUCCION

Unos de los eventos más importantes en la historia de internet, fue en el año de 1983, cuando Kevin Mitnick uno de los hackers2, crackers3 y phreakers4 estadounidense más famosos de la historia fue arrestado de nuevo cuando era estudiante de la Universidad del Sur de California. En esta ocasión entró ilegalmente a ARPAnet (la predecesora de Internet) y trató de acceder a la computadora del Pentágono. Lo sentenciaron a seis meses de cárcel en una prisión juvenil en California. La seguridad desde entonces fue un tema de suma importancia en el mundo informático y las nuevas tecnologías como Internet que emergían de los laboratorios. Las empresas encontraban un modelo de negocios protegiendo computadoras y viendo la forma de enfrentarse a personas tan bien preparadas como Kevin Mitnick, los cuales por diferentes motivos trataban de entrar a computadoras de grandes empresas y corporaciones. En esta investigación se muestra información detallada para ilustrar solamente lo que puede pasar a una computadora que esta conectada a internet y donde existen personas como Kevin Mitnick tratando de irrumpir la seguridad de los equipos y presentan software especializado para ataques informáticos.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Internet ha sido considerada como el mejor invento de la humanidad, y diferentes científicos han catalogado las cosas y actividades que se puede realizar en esta magnifica herramienta. Las personas que son usuarios de internet no conocen los peligros que esto implica. Cada vez que una computadora se conecta directamente a internet, se puede realizar actividades de publicación de noticias, compartir archivos, se establecen comunicaciones directas con otras personas o con otros equipos informáticos. Estas cuestiones básicas, se han convertido en modelos de negocios, de mercadotecnia, sociales, de estudio, científicas y cualquier forma de interacción humana ahora es establecida mediante redes de computadoras. Se ha generado una dependencia casi perfecta al uso de internet en las vidas cotidianas de las personas, de empresas y de organizaciones, presentando la ilusión de que se tiene completo control de las comunicaciones que se establece. Cuando una computadora se conecta a internet, se establecen comunicaciones, para eso se necesitan reglas para que

2Loshackersconstruyencosas,generalmenteenentornosdecomputadoras(Raymond).3Loscrackerslasdestruyen,generalmenteentrandodeformailegalaunsistemadecómputo(Raymond).4Losphreakers,conocidoscomolospiratasdelasredestelefónicas,constituyenelantecedentemáscercanodeloscrackers(Alcántara,1997).


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las computadoras se puedan entender en internet. Comúnmente esto se denomina modelo cliente - servidor, que básicamente se resume en que una computadora llamada cliente realiza una solicitud, y otra computadora llamada servidor responde esa solicitud.

Ilustración 1: Petición de cliente a servidor. Elaboración propia (2015)

Hay un patrón de información entre peticiones y respuestas, estos patrones se pueden seguir para saber que esta pasando en una computadora, pero siempre existen comunicaciones que nunca fueron solicitadas y aun así tratan de establecerse en computadoras que utilizan los usuarios y están conectadas a internet. Este trafico que no fue solicitado por un cliente o es generado por un servidor, es el propósito de estudio de esta investigación al buscar obtener respuesta a una serie de preguntas referentes al origen y propósito de ese trafico no solicitado. La idea de esta investigación, es instalar una computadora con hardware estándar, con un sistema operativo de red, actualizada hasta el día del inicio de la investigación, con los servicios básicos de base de datos, correo electrónico y web, solo con los programas que vienen preinstalados en la distribución GNU/Linux y además instalando un analizador de trafico de red y un visor de bitácoras del sistema y un analizador de protocolos. Esto ayudara a visualizar todas las amenazas latentes que existen en internet de una forma estadística y organizada, para entender la naturaleza de internet y como forma de alertar a los administradores de sistemas de la realidad a la que se enfrentan todos los días al tener un servidor conectado a internet y entender las defensas que se instalan en los servidores para mitigar estos problemas de seguridad casi invisibles. La problemática existe ya que la ignorancia de lo que existe en internet se vive a diario, ya seas un usuario novel, un estudiante, un ama de casa, o un profesionista experto en redes empresariales y servidores. Teniendo en cuenta que es sumamente necesario conocer que existe realmente en internet y ver la oscura realidad de que no solo son usuarios legítimos los que manejan datos y están en redes sociales.


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Ilustración 2: Peligros que existen en internet y afectan a usuarios. Elaboración propia (2015)

Todos son usuarios de internet y nadie esta visualizando la realidad que se vive en la red mas grande del mundo, donde nada es secreto y donde puedes ser ubicado por usar una computadora o un dispositivo móvil por cualquier persona con intenciones ilícitas. Siempre existe alguien o algo que hace contacto con los usuarios y nadie se percata de ello y es necesario mostrar una pequeña radiografía de lo que puede pasar cuando estas conectado a internet, y sobre todo escenificar el trafico que soporta un administrador de servidores en una empresa donde el factor de riesgo es mayor. Existen diversos individuos y organizaciones que generan tráfico en internet que tienen diferentes usos y diferentes propósitos. Para ejemplificar se presenta la Figura 1, donde un usuario con una computadora portátil se conecta a internet y realiza una petición a su pagina favorita.

Ilustración 3: Petición legitima de usuario a sitio de internet. Elaboración propia (2015)

Esta acción es una conexión legal de una computadora a otra computadora que aloja una página web. Esta solicitud tiene dos partes, una petición y una respuesta a lo cual llamamos petición de servicio. Sin embargo existen usuarios que se dedican a realizar peticiones a los equipos conectados a internet con algún propósito diferente al que normalmente se hace y también existen programas informáticos automatizados para buscar equipos en todos lados del mundo. Esto genera un cumulo de peticiones que no fueron solicitadas y es un problema de privacidad y de comunicación.


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Ilustración 4: Peticiones no solicitadas generadas desde internet hacia el equipo del usuario. Elaboración propia (2015)

Este escenario donde un usuario cree que solo las peticiones legitimas que el genera son el único trafico que existe en internet es la realidad de muchos. Aunque en muchos medios de comunicación y a través de la historia se mencionan conceptos como ataques informáticos y propagación de virus y programas dañinos, los usuarios aun no vislumbran el peligro de conectarse a internet, de donde vienen o que objetivos tienen las peticiones provenientes de internet y que podemos hacer respecto a eso. Aunque se plasme este problema a usuarios normales no hay que olvidar a los usuarios experimentados que hacen uso de las tecnologías de información y que están desarrollando programas o están frente a los servidores de alguna empresa, estos últimos son los que deliberadamente deben de conocer estas amenazas pues van dirigidos a cualquier dispositivo y usuario. En la actualidad la mayoría de empresas y organizaciones hacen uso de servidores para dar servicios a los clientes y mejorar sus ventas y otras cuestiones del mercado actual. Este motivo es el corazón de la investigación “Análisis y Clasificación de tráfico no deseado de Internet”, ya que el escenario presentado anteriormente es inevitable cuando se esta conectado a internet, se debe de tener en claro cuales son las amenazas que atacan a un elemento tan importante como un servidor que aloja un sitio de internet, o el correo de una empresa o simplemente es usado para compartir contenidos entre los usuarios denominados clientes.

La Investigación consiste en la instalación y configuración de un servidor usando el sistema operativo GNU/Linux Ubuntu 12.04 LTS, el cual será conectado a una red WAN utilizando una IP publica sin intermediarios, con el propósito de estar analizando el trafico entrante desde internet al servidor por un periodo de 30 días los cuales fueron del primero de Octubre al 30 de Octubre del 2015. Generalmente un servidor se encuentra instalado detrás de un Router, el cual es la primera línea de defensa contra ataques dirigidos al servidor. El servidor es conectado al Router empresaria a la interface LAN, entonces el Router funciona como intermediario entre el servidor e Internet, por tal motivo todo lo que se quiere conectar desde Internet al servidor debe de pasar a través del Router. Si el Router está bien configurado debe de contener Listas de Control de Acceso las cuales determinan que conexiones pueden entrar al servidor y cuales conexiones no.

Ilustración 5: Esquema básico de conectividad de un servidor. Elaboración propia (2015)

Servidor de Investigación Router Empresarial

Internet

Dirección Privada Dirección Pública


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La investigación se realizó eliminando el Router empresarial y conectando directamente el Servidor a Internet, con la finalidad de tener un escaneo de tráfico de red puro y sin contaminación para generar estadísticas de las conexiones que no son solicitadas de forma legal por el servidor. El servidor no será anunciado en ningún sistema de nombres de dominio, por lo tanto no contara con una dirección conocida como por ejemplo ww.miservidor.com.

Ilustración 6: Esquema propuesto de conectividad de un servidor. Elaboración propia (2015)

La finalidad del experimento es poder determinar que tipo de conexiones se establecen en el servidor, de donde provienen esas conexiones ubicándolas geográficamente y que se puede hacer para mejorar la seguridad del servidor basado en el conocimiento de conexiones no deseadas.

3. ANÁLISIS DE LOS DATOS CAPTURADOS DE INTERNET

La forma de realizar este análisis será estructural usando las capturas en archivos pcapng, partiendo de lo genera a lo particular. Se iniciara el análisis tomando como primera necesidad el conocer las conexiones basadas en la dirección IP, posteriormente se desglosaran las conexiones basadas en los protocolos de comunicación, haciendo referencia a la relación de estos con las direcciones IP. Se toman los puertos de comunicación y las bitácoras del sistema. En forma paralela se analizaran los datos de latitud y longitud para la ubicación geográfica de las conexiones. La primera etapa de análisis depende de los archivos de captura de tráfico. El experimento se desgloso en un total de 30 archivos del analizado de protocolos Wireshark, los cuales están en formato pcapng. Estos archivos están etiquetados con fecha y hora y representan las capturas diarias del tráfico de internet. Es necesario unir los archivos y trabajar en uno solo. Los archivos generados en esta investigación pueden ser descargados en la siguiente dirección:

https://mega.nz/#!TEllRTAT!aHD2uqAem-WGot5MELjXqvb9mhpD1srgkt_Y--YzQb8

ServidordeExperimento Internet

Direcciónpública


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4. ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE DIRECCIONES IP

Una vez creado el archivo salida.pcapng, utilizamos el analizador de protocolos Wireshark, el cual cuenta con una extensa colección de herramientas para análisis estadístico y filtro para la visualización de datos. El análisis comienza, generando un resumen de lo que contiene el archivo salida.pcapng.

Summary created by Wireshark

Archivo:

• Nombre: /home/p281156/Escritorio/salida.pcapng • Largo: 1000456872 bytes • Formato: Wireshark/... – pcapng • Encapsulado: Ethernet

Tiempo: • Primer Paquete: 2015-10-01 - 12:02:29 • Ultimo Paquete: 2015-10-31 - 11:02:27 • Lapso: 29 days 23:59:58 (30 días)

Estadísticas

• Paquetes: 6,540,183 • Entre el primero y el último paquete: 2591998.149 segundos • Promedio de paquetes/segundo: 2.523 • Promedio del tamaño de paquetes: 120.261 bytes • Bytes: 786528995 • Promedio bytes/segundo: 303.445 • Promedio Mbit/sec: 0.002 Tabla 1: Resumen de datos generado de salida.pcapng

La cantidad de conexiones y paquetes de comunicación que capturo el servidor del experimento es de 6540183. Para visualizar esa cantidad de datos, se procede a generar los mapas. Utilizando las bases de datos de georreferenciación por medio de Wireshark se genera un mapa mundial donde se localizan los puntos finales de conexión que realizaron contacto con el servidor. Estos puntos finales son marcados por la empresa que provee el servicio de internet como Cablemas, Telex, Axtel, etc., en caso de usuarios caseros, de no ser así, los puntos finales tendrán nombres de grandes empresas como Google o Amazon.


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Ilustración 7: Mapa mundial de ubicaciones geográficas de las conexiones al servidor experimental. Elaboración propia (2015).

Cada círculo amarillo representa una dirección IP, este mapa es interactivo, si se coloca el puntero en una de las marcas de color amarillo y presiona en el, se despliega información relevante de la conexión, mostrando una dirección de internet, el país, la ciudad, y el nombre de procedencia.

Ilustración 8: Selección de un punto final para visualizar la información de la conexión. Elaboración propia (2015).

Nota: Para visualizar los mapas de conexiones e interactuar con los datos, puede visitar la siguiente dirección: http://seguridad.over-data.com


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Se procede a realizar el análisis del origen de esos paquetes basados en la IP. Se utiliza la herramienta de estadística de Wireshark que analiza las direcciones IP en los puntos finales, generando los siguientes datos a partir del mapa anterior. Esto genera una tabla donde se visualizan los puntos finales de conexión divididos en columnas. Se puede identificar el numero total de direcciones IP versión 4 y direcciones IP versión 6, el numero de paquetes por protocolos TCP y UDP.

Descripción Cantidad Porcentaje

Total de direcciones IP a nivel mundial que registró el servidor.

11,588 100%

Tabla 2: Total de direcciones del protocolo de internet que se conectaron al servidor experimental

Estas direcciones establecieron y mantuvieron comunicación con el servidor generando de esta forma el envió y recepción de paquetes, usando diferentes protocolos de comunicación, por tal motivo es necesario realizar un filtrado para segmentar solo el trafico IP que utilizo a la familia de protocolos TCP, dando como resultado 2 239 240 paquetes que usaron esa familia de protocolos.

Descripción Cantidad Porcentaje Total de Paquetes transmitidos por todas las IP 6,540,183 100%

Total de paquetes entre puertos TCP y UDP 2,239,240 34.24% Total de paquetes que no pertenecen a la familia

TCP 4,323,493 66.11%

Total de paquetes en puertos TCP 1,746,942 26.71% Total de paquetes en puertos UDP 469,729 7.18%

Tabla 3: total de direcciones del protocolo de internet que se conectaron al servidor experimental

Se puede visualizar que del total de paquetes enviados y recibidos por el servidor, solo el 34.24% pertenecen a esta familia de protocolos TCP y que el 66.11% son otro tipo de protocolos utilizados en internet.

Tomando en cuenta estos datos y usando filtros estadísticos IP Address en Wireshark, podemos determinar lo siguiente: Se puede observar que la dirección 189.214.175.84 perteneciente al servidor experimental presenta el mayor conteo de paquetes. Tomaremos las primeras 4 direcciones IP para categorizarlas por su porcentaje de paquetes.


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Descripción Conteo Porcentaje Paquetes de la familia TCP

transmitidos por las direcciones IP registradas.

2,239,240 100%

Paquetes enviados a la dirección del servidor

189.214.175.84 1,980,522 88.45%

Dirección IP que mas paquetes envió al servidor:

212.12.167.167 315877 14.11%

Segunda dirección IP que

mas paquetes envió al servidor:

40.127.162.51

303,911 13.57%


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Tercera dirección IP que mas paquetes envió al servidor:

189.214.175.90 194,138 8.67%

Tabla 4: Relación de IP, paquetes y origen geográfico

Se puede destacar que la tercera dirección ubicada en México, Chihuahua, Delicias es la dirección 189.214.175.90 que pertenece al servidor de nombres de dominio “DNS” del Instituto Tecnológico de Delicias, la cual se coloco en la configuración del servidor experimental. Este servidor denominado DNS es el encargado de traducir las direcciones del protocolo de internet (IP) a nombres como por ejemplo www.miempresa.com. Por tal motivo se ve un alto flujo de datos enviados por ese equipo al servidor experimental. Esto significa que el servidor DNS envió 194,138 con la finalidad de convertir direcciones IP en nombres de dominio. Lo que hace énfasis en la necesidad de saber cuales direcciones IP fueron. Al utilizar las herramientas de estadísticas y filtrado de Wireshark, se utiliza la opción denominada resolución de nombres de dominio “Show Address Resolution” para generar los datos de las direcciones de internet y direcciones del protocolo de internet que mantuvieron comunicación con el servidor.

Este filtro genera una tabla de direcciones IP y de nombres de dominio, las cuales usaremos en conjunto con las bases de datos de georreferenciación para determinar el país de origen de la conexión. Al analizar la tabla anterior, tenemos a 25 países en la lista con un total de 94 direcciones IP, que realizaron conexiones con el servidor experimental y se pudo resolver su nombre de dominio.


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País Numero de conexiones

País Numero de conexiones

Argentina 3 Países Bajos 3 Brasil 1 Noruega 1

Canadá 4 Polonia 1 Colombina 1 Rumania 1

Francia 4 Federación Rusa 6 Alemania 4 Singapur 3

India 2 Taiwán 6 Irlanda 1 Tailandia 2 Italia 2 Turquía 1 Japón 1 Ucrania 5

Kirguistán 1 Reino Unido 10 Madagascar 1 Estados Unidos 24

México 7 Tabla 5: Países con mayor numero de conexiones con resolución de nombres de dominio.

Elaboración propia (2015).

Como resultado, se puede observar que los países con más conexiones son Arabia Saudita con mayor número de conexiones IP y Estados Unidos con 24, el Reino Unido con 10 y México con 7 conexiones con resolución de nombres

Ilustración 9: Países con más conexiones. Elaboración propia (2015).

Se toma en cuenta, que estos datos son solo de direcciones IP que se pudieron resolver, es decir, que tienen un nombre de dominio de alguna forma, recordando que solo son 94 direcciones IP de 11,588.

5. ESTADÍSTICAS DEL PROTOCOLO TCP


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Viendo la cantidad de direcciones IP que tuvieron contacto con el servidor del experimento, es necesario saber a que protocolo TCP fueron dirigidas esas conexiones y es necesario generar las estadísticas pertinentes.

La siguiente tabla muestra las estadísticas de lo 10 puertos TCP de envió y recepción de paquetes más utilizados por el servidor del experimento en la dirección IP 189.214.175.

Tipo de Protocolo

Número de

Puerto Descripción del Puerto

Paquetes transmitidos y/o recibidos por el puerto

TCP 22 Secure SHell, Intérprete de órdenes seguro 507678

TCP 110 POP3 Protocolo de Oficina Postal (E-mail) 176972

TCP 46182 Puerto no asignado 21550 TCP 52587 puertos dinámicos y/o privados 20177 TCP 37773 Puerto no asignado 14135 TCP 80 Servidor Web HTTP 13125

TCP 8080 Servidor Web HTTP “Alternativo al 80” 9893

TCP 25 Protocolo para transferencia simple de correo (SMTP). 8721

TCP 37878 Puerto no asignado 3571 TCP 36672 Puerto no asignado 3138

Tabla 6: Protocolos con mayor trafico de paquetes.. Elaboración propia (2015).

China fue el país que realizo el mayor número de ataques al puerto 22 y al protocolo SSH.

Ilustración 10: Número de IP usando el protocolo SSH. Elaboración propia (2015).


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País Numero de Direcciones

País Numero de Direcciones

China 95 México 9 Ucrania. 9 Estados Unidos 40 Polonia 6 Canadá 7 Corea 7 India 11

Colombia 7 Irlanda 5

Tabla 7: Países con mayor numero de conexiones al protocolo SSh. Elaboración propia (2015).

Esto es de suma importancia porque los ataques fueron dirigidos a un protocolo que se utiliza para la administración de los equipos de forma remota, lo que significa que los ataques tenían el propósito de hacerse con el control total del equipo. Por otra parte las conexiones al protocolo HTTP el cual es uno de los protocolos más importantes en internet se obtuvieron resultados importantes. Este análisis revela datos sobre programas maliciosos que realizaron peticiones a este servicio. Usando la herramienta respuestas de http “http requests” donde se desglosan las entradas que se realizaron utilizando la dirección IP del servidor y un sufijo anexo que designa posibles herramientas web para la administración y manejo de base de datos. Hay que recordar que el servidor experimental aparte de tener servicio Web, también posee un servicio de base de datos MySQL.


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Ilustración 11: Visualización de direcciones usadas para conectar con el servidor experimental vía web.

El servicio web funciona por parámetros predeterminado en el puerto 80 del protocolo TCP, es necesario un análisis en este puerto. Por otro lado, existe un número de puerto alternativo al servicio Web, este puerto es el 8080, eso quiere decir que el programa malicioso "Mozilla/5.0 Jorgee" pudo realizar conexiones en esos puertos.

De tal forma generamos los mapas geográficos de ambos puertos para ver el comportamiento de las conexiones.

Ilustración 12: Mapa geográfico referente al puerto 80 del protocolo TCP.


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El análisis de las direcciones IP que realizaron conexiones al servicio web demostraron que el agente "Mozilla/5.0 Jorgee" tiene su origen en China, Brasil, Rumania y Estados Unidos.

Agente Malicioso

País

"Mozilla/5.0 Jorgee"

CHINA

BRASIL

RUMANIA

ESTADOS UNIDOS

Tabla 8: Países de originen de conexiones de programa malicioso "Mozilla/5.0 Jorgee"

6. Conclusión

Con los resultados de esta investigación, cualquier administrador de sistemas podrá planificar medidas precautorias sobre ataques informáticos actuando de forma proactiva y utilizando de forma adecuada un sistema de detección de intrusos, teniendo en cuenta el uso de reglas especificas para proteger el protocolo SSH y el servicio web en cuanto a la implantación de herramientas como phpmyadmin u otro administrador web para base de datos.

El mayor numero de puntos finales registrados, provienen del continente Europeo. Esto representa que los países Europeos realizan más conexiones, por ende mas ataques informáticos datos que respaldan la convención de Budapest de delitos informáticos, y contrastamos la legislación mexicana contra delitos de acceso no autorizado a equipos informáticos. Haciendo énfasis en estos temas legales, México no pertenece a los acuerdos de Budapest por lo que la legislación de delitos informáticos internacionales no se aplica a la geografía mexicana, lo que imposibilita acciones legales contra atacantes extranjeros. Es alarmante esta situación ya que se presentan pruebas interesantes de países que realizan ataques aleatorios a cualquier servidor conectado a internet.

El servicio que recibió mayor número de ataques fue el de órdenes seguras para la administración remota SSH, dejando en segundo lugar al servidor Web, el cual registro incluso ataques de un agente malicioso. Esto significa que la seguridad informática y los aspectos legales deben enfocarse en estos servicios.

El servidor presenta datos en la bitácora del servidor web donde un programa malicioso denominado como agente “Mozilla, Jorgee” intento establecer conexiones ilícitas con diferentes programas que pudiera tener instalado el servidor como por ejemplo herramientas web de publicación de contenidos, herramientas de bases de datos, etc. Este software se descubrió apenas el pasado mes de septiembre del 2015 siendo denominado


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como parte de una red zombi ya que el registro de conexiones demuestra que este programa malicioso ataco desde diferentes países.

7. RECOMENDACIONES

Las recomendaciones sobre esta investigación serán las siguientes:

1. Realizar un análisis mas exhaustivo al los ataques SSH y generar un banco de usuarios que se utilizaron para el intento de inicio de sesión destacando los acuerdos legales entre países para combatir delitos informáticos.

2. Implementar nuevos modelos estadísticos para mejorar los datos presentados en este artículo.

3. Registrar las bitácoras de Ubuntu para verificar cambios en el núcleo y otros servicios. 4. Continuar con esta investigación para ampliar la información presentada utilizando

algoritmos de minería de datos. 5. Anexar el uso de herramientas de protección para ataques de esta naturaleza.

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ANÁLISIS BIOMECÁNICO EN FUTBOLISTAS AMATEUR

Luis Eduardo Portillo Esquivel A00759070 Carolina Venegas Ortega A00758056

David Gerardo Valenzuela Martínez A00757866

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Chihuahua

Justificación

México no es potencia en deportes. En los últimos tres juegos olímpicos solo ha sido capaz de obtener 15 medallas en total (5 en 2014, 7 en 2012 y 3 en 2008), mientras que Estados Unidos y China han obtenido 334 y 258 respectivamente.5 Parte importante de la diferencia de estos resultados deportivos se debe a procesos de entrenamiento sistemáticos y científicamente planificados, en los cuales los entrenadores, en colaboración con los profesionales de las diferentes ciencias del deporte, diseñan las estrategias más adecuadas.6 Otra parte importante es el apoyo gubernamental hacia el deporte. Actualmente, México cruza una crisis deportiva, los miembros encargados están en disputa y existen acusaciones de mal uso de recursos.7 Sin embargo esta investigación se enfocará solamente en la parte de ciencias deportivas, específicamente la biomecánica, la cual se utilizará como herramienta de análisis de atletas amateurs y de comparación con atletas profesionales.

La Biomecánica en las actividades deportivas es la caracterización y la mejora de las técnicas del movimiento a partir de conocimientos científicos, la cual tiene mucha importancia y ha realizado múltiples contribuciones al deporte, entre las cuales es posible citar el análisis y la mejora de las técnicas de los deportes, la prevención de lesiones y la mejora del desempeño de los implementos deportivos.8 Los atletas de alto rendimiento recurren a esta ciencia para mejorar sus marcas y desempeño.

5 https://www.olympic.org/olympic-results

6Zissu, M. “Evaluación Biomecánica del Atleta de Alto Rendimiento” Instituto Nacional de Deportes Universidad Pedagógica Experimental Libertador. Encontrado en: http://www.chilespin.com/site/wp-content/uploads/2015/04/20_Analisis_Biomecanico_Mihai.pdf7http://internacional.elpais.com/internacional/2015/12/07/mexico/1449444069_253038.html8 Soares Leite, W.S. “Biomecánica aplicada al deporte: contribuciones, perspectivas y desafíos” EFDeportes.com, Revista Digital. Buenos Aires - Año 17 - Nº 170 - Julio de 2012. Encontrado en http://www.efdeportes.com/efd170/biomecanica-aplicada-al-deporte.htm


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En México existen algunas clínicas y/o centros que realizan análisis biomecánico en el ámbito deportivo. Estas son algunas de las que proporcionan estos servicios:

-CIATEC (Centro de Innovación Aplicada en Tecnologías Competitivas): Laboratorio ubicado en Guanajuato. Este centro cuenta con un laboratorio de biomecánica el cual se centra en la prueba de productos ya finalizados, entre ellos se encuentra: prueba de fricción de suelo y prueba de impacto, rigidez y absorción de energía. -Vlinder Center: Laboratorio ubicado en la Ciudad de México, en este laboratorio se hace una evaluación que combina la tecnología con la maestría clínica, en donde analizan a los atletas con exámenes de postura, flexibilidad y fuerza. De igual manera se realiza la evaluación cinemática en video de alta velocidad en dos planos, esto con el objetivo de detectar las fallas técnicas atléticas, así como los aspectos positivos de la misma. - La Clínica Cerebro es un Centro de Evaluación y Neurorehabilitación Biónica y Robótica ubicada Cd. de México. Tiene un Laboratorio de Análisis de Movimiento (LAM) el cual estudia el desempeño motor del cuerpo humano durante la realización de actividades de la vida diaria, gestos deportivos, o condiciones de trabajo. En el ámbito deportivo realizan análisis de cualquier gesto deportivo como lanzamientos, giros, salto, disparo, despegue, arranque, estabilidad, tiempo de respuesta, equilibrio muscular, fatiga muscular; orientados a mejorar y maximizar el rendimiento, prevenir lesiones, reiniciar una actividad y para elaborar dispositivos ortopédicos y atléticos. http://distritoweb.mx/cerebro_nueva/laboratorio-de-analisis-de-movimiento/ -Laboratorio Universitario de Biomecánica del Instituto de Neurobiología de la UNAM. Se realizan estudios en poblaciones variadas, desde niños hasta personas de la tercera edad y también distintas conductas motoras como la bipedestación, la marcha, la carrera, así como diferentes gestos deportivos en atletas de alto rendimiento. http://www.inb.unam.mx/unidades/biomecanica.html

Sin embargo no se encontró ningún centro similar en el norte del país. Dentro de las instalaciones del Parque Tecnológico PIT3 del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) Campus Chihuahua se encuentra el Centro de Investigación Bioingeniería (CIB), el cual está enfocado en atender y rehabilitar a pacientes con discapacidad. Dicho laboratorio cuenta con 12 cámaras Vicon, una plataforma de presión, 2 procesadores Giganet, un Electromiógrafo Delsys y dos softwares de análisis biomecánico: Nexus y Pollygon. Estos equipos se implementan para analizar la marcha de pacientes con problemas neuromotores. Sin embargo, por medio de este proyecto se busca la creación de un programa piloto de análisis biomecánico a deportistas amateurs miembros del equipo representativo de futbol soccer.

Se tendrá la disponibilidad de los equipos representativos de futbol soccer varonil y basketball femenil. Aproximadamente el 57-80% de las lesiones en el fútbol se producen en los partidos, y una cuarta parte de estos derivan del juego sucio. Entre el 60 y 80% de las lesiones en el futbol involucra las extremidades inferiores, y la mayoría de estas son los


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esguinces en el tobillo las cuales representan del 6.9 al 7.5% de todas las lesiones. Entre los jugadores juveniles la incidencia aumenta con la edad [5].

Debido a la alta cantidad de lesiones que se presentan cada año en el área deportiva se han desarrollado pruebas biomecánicas utilizadas para la detección de patrones de movimiento de alto riesgo, en los cuales se hace hincapié en el estudio para aterrizajes con dos piernas en el plano sagital, como la caída de salto vertical y salto de longitud. [6], todo esto con el objetivo de reducir por medio del estudio biomecánico las lesiones que se pueden presentar debido a un mal desempeño físico.

Objetivo

Creación de un proyecto piloto para la obtención de datos y su posterior procesamiento por medio del desarrollo de un software que pueda analizar la marcha (caminata, trote, pase y salto vertical) y los ángulos de patada de integrantes del equipo representativo de futbol soccer del ITESM utilizando las herramientas del laboratorio de análisis de marcha ubicado en el CIB, así como dejar un cimiento para que en el futuro se pueda cuantificar el progreso atlético de los deportistas y disminuir las lesiones de estos.

Metodología

Actualmente los estudios biomecánicos en el futbol soccer se han enfocado en medir ciertos parámetros y actividades específicas con el fin de cuantificar el progreso de los deportistas o evitar futuras lesiones. En el análisis de marcha se miden 4 componentes: caminata, trote, pases con el balón y cabeceo del balón con salto vertical. Otros parámetros analizados son los ángulos, fuerzas, velocidades y aceleraciones en miembro inferior en el ciclo de patada; así como la caída tras el salto vertical. [7, 8]

Para la realización de este proyecto se recurrirá a examinar los movimientos de algunos miembros del equipo de futbol varonil del ITESM Campus Chihuahua con ayuda del laboratorio de marcha ubicado en el CIB. Se realizarán mediciones y análisis de la patada, así como de marcha, utilizando el software Kinovea como base para comparar si los resultados arrojados por el software desarrollado son correctos.

Referencias

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[7]S. M. Namal A. Senanayake, Vincent Chong; James Chong; G. Rolland Sirisinghe “Analysis of Soccer Actions using Wireless Accelerometers” (2006) 4th IEEE International Conference on Industrial Informatics [8] Pereira Santiago, P.R. et al. “Comparison of the Kinematic Patterns of Kick Between Brazilian and Japanese Young Soccer Players”http://www.seleccionmexicanadebaloncesto.com/ Comité Olímpico Internacional. (2016). OLYMPIC RESULT. 28 Octubre 2016, de Comité Olímpico Internacional Sitio web: https://www.olympic.org/olympic-results. https://www.olympic.org/olympic-results

Mihai Zissu . (2015). EVALUACIÓN BIOMECÁNICA DEL ATLETA DE ALTO RENDIMENTO. 28 Agosto 2016, de Dirección de Medicina y Ciencias Aplicadas del Ministerio de Educación y Deportes Sitio web: http://www.chilespin.com/site/wp-content/uploads/2015/04/20_Analisis_Biomecanico_Mihai.pdfhttp://www.chilespin.com/site/wp-content/uploads/2015/04/20_Analisis_Biomecanico_Mihai.pdf

http://www.chilespin.com/site/wp-content/uploads/2015/04/20_Analisis_Biomecanico_Mihai.pdf

http://www.chilespin.com/site/wp-content/uploads/2015/04/20_Analisis_Biomecanico_Mihai.pdf


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ANÁLISIS DE ESFUERZOS DURANTE EL ENSAMBLE DE PIEZAS MEDIANTE

EL SOFTWARE COMSOL MULTIPHYSICS

Julio César Minjarez Enríquez Universidad Politécnica de Chihuahua Av. Téofilo Borunda No. 13200, Col. Labor de Terrazas. C.P. 31220 Chihuahua, Chih. [email protected] Dr. Alberto Díaz Díaz, CIMAV (Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C) Av. Miguel de Cervantes No. 120, Complejo Industrial Chihuahua. C.P. 31136 Chihuahua, Chih. [email protected] RESUMEN El presente artículo presenta la simulación por contactos entre dos componentes utilizados en una pluma inyectora mediante el software COMSOL Multiphysics. Se muestran los resultados obtenidos para el modelo original así como las modificaciones propuestas a las geometrías y su validación. PALABRAS CLAVE: Elemento finito, esfuerzos, contacto, ensamble. INTRODUCCIÓN En la industria se presentan problemas los cuales involucran ensamblajes o contactos entre diferentes componentes, para los cuales es de suma importancia simular su comportamiento mecánico. Sin embargo, este tipo de simulaciones involucra problemas con cálculos no lineales, simulación de grandes transformaciones y en la mayoría de los casos tiene un alto costo computacional. El software COMSOL Multiphysics es un programa de elemento finito, el cual permite realizar diversos fenómenos físicos así como simulaciones complejas como lo son las simulaciones por contacto.


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El presente artículo se desglosa en tres partes principales. La primera parte explica el pre-procesamiento aplicado a la geometría original. La segunda etapa expone los resultados obtenidos del modelo original y en la etapa final se exponen las modificaciones propuestas así como los resultados obtenidos. MODELO ORIGINAL Y METODOLOGÍA DE CÁLCULOS Las piezas que fueron simuladas pertenecen a un prototipo de pluma inyectora. La Figura 1 muestra la geometría de las piezas. La vista ¨A¨ muestra la extensión y la vista ¨B¨ el botón, el cual se ensambla en la extensión. Durante el ensamblaje, estos componentes sufren esfuerzos que provocan la ruptura de las piezas. La simulación se controla por medio de un parámetro de desplazamiento ¨D¨, con el cual se controla la penetración del componente.

Figura 1. Modelo con extensión – botón.

El material empleado para ambos componentes fue ABS, en la Tabla 2 se enlistan las propiedades mecánicas del material.

Material E (GPA) υ σmax

(MPA) ε

max

(%) ABS 2.08 0.33 45.1 40

Tabla 2. Tabla de material

Se situaron las piezas con un milímetro de distancia antes de generar contacto entre los componentes y se aplicaron simetrías en dos planos. Dado que la parte inferior de la extensión no sufre daño estructural considerable durante el ensamblaje con el botón se

A B


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descartó dicha sección. Al efectuar las simplificaciones, el modelo inicial se resume a lo mostrado en la Figura 2.

Figura 2. Simetría empleada al ensamble.

El parámetro de desplazamiento ¨D¨ se aplicó en la superficie superior del botón y se varió de 0mm a 0.77mm. En las paredes donde se encontró la simetría de plano y en la cara inferior de la extensión, se aplicó la condición de frontera de tipo rodillo. En la Figura 3 se muestran las condiciones de frontera aplicadas a los modelos.

Figura 3. Condiciones de frontera para el ensamblaje botón/extensión.

La discretización del modelo o mallado, es la etapa final de pre-procesamiento. Se aplicó un mallado grueso a las piezas, con la finalidad de ahorrar recursos computacionales y tiempo de calculo. Las zonas de contacto se mallaron con elementos más finos, ya que son zonas de importancia y es necesario obtener resultados precisos en dichas zonas. En la Figura 4 se muestra la malla utilizada para la simulación.

A. B. C.


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Figura 4. Mallado empleado en el modelo.

SIMULACIÓN Y RESULTADOS DE MODELO ORIGINAL La Figura 5 muestra el mapa de esfuerzos de von-Mises durante el ensamblaje de los componentes a diferentes niveles de penetración. El valor máximo de la escala corresponde al esfuerzo máximo del material 45.1MPa. Se observa que durante el ensamblaje, se presentan grandes zonas de esfuerzos en ambos componentes, superando el esfuerzo máximo del material. Esto permite deducir que se están generando deformaciones plásticas (no calculadas) que debilitan el material y muy probablemente lo llevan a la falla.

Figura 5. Mapa de esfuerzos de von Mises durante el ensamblaje original (Valores en MPa).

Contacto D=0.1mm

D=0.3mm D=0.5mm


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De la simulación anterior se concluye que el modelo original podría sufrir daños permanentes y muy probablemente ocurriría la falla del componente durante el ensamblaje. MEJORAS Y VALIDACIÓN Al analizar la geometría se observó que las piezas diseñadas son muy rígidas, por lo que se propuso una modificación a la geometría con la cual se redujera la rigidez del botón y el ensamblaje fuese más suave para los componentes. Algunas de las principales modificaciones fue aumentar el vástago del botón para hacerlo más flexible. Se aplicaron chaflanes en las esquinas para con esto hacer el ensamblaje más suave. La Figura 6 muestra algunas de las modificaciones realizadas a las geometrías.

Figura 6. Modificaciones (Valores en MPa).

Las condiciones de frontera aplicadas al modelo fueron las mismas que se aplicaron al original, al igual que la simetría y el material empleado. Al realizar la simulación se observó que a los diferentes niveles de penetración los esfuerzos se redujeron considerablemente. La Figura 7 muestra como las zonas críticas del modelo original disminuyeron notoriamente con las modificaciones propuestas, estos cambios le permiten a la pieza ser flexible sin comprometer un ensamblaje adecuado. Se puede observar una zona muy pequeña la cual presentará deformaciones plásticas permanentes, sin embargo, estas no impedirán que el vástago regrese a su posición original, impidiendo así, el desplazamiento axial entre los componentes. Con las modificaciones propuestas a las geometrías y analizando la simulación del software COMSOL, se valida el diseño propuesto para un ensamblaje adecuado, sin debilitar los componentes.

RanuradoAumentodelongitud


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Figura 7. Mapa de esfuerzos de Von Mises durante el ensamblaje (Valores en MPa).

CONCLUSIONES Las simulaciones realizadas en el software COMSOL dan resultados confiables, y permiten obtener el comportamiento del fenómeno que se simule. Cabe mencionar que dentro del software se permiten simulara múltiples fenómenos físicos en un estudio. Es decir el comportamiento mecánico del algún componente estructural sometido a efectos térmicos, este tipo de análisis involucra cálculos complejos no lineales. Con COMSOL se pudieron observar las zonas que se encuentran comprometidas dentro del modelo original para así realizar las correcciones pertinentes y validar, para luego proponer un modelo óptimo, el cual pueda soportar las cargas a las que se someterá. El software COMSOL actualmente se utiliza en el Centro de Investigaciones en Materiales Avanzados para desarrollo de nuevas tecnologías. COMSOL le permite al investigador modificar y/o agregar nuevas ecuaciones para simular los fenómenos que se estén desarrollando durante la investigación.

BIBLIOGRAFÍA

Bathe, K. J. (1996). Finite Element Procedures. New Jersey: Prentice hall. Olivella, X. O. (2000). Mecanica de Medios Continuos Para Ingenieros. Barcelon: Ediciones

UPC. S., G. R. (2003). The Finite Element Method. Burlington: Butterworth Heinemann.

D=0.3mm D=0.5mm

D=0.7mm D=0.77mm


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MAPEADO DE COLORES 2D PARA VISUALIZACIÓN DE RESULTADOS EN SOFTWARE MEF

+Alexis Zapata Santana, *Rubén Castañeda Balderas, *Alberto Díaz Díaz.

*Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C. Ave. Miguel de Cervantes #120, Complejo Industrial Chihuahua.

+Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Chihuahua II Av. de las Industrias 1101, Complejo Industrial Chihuahua, Chihuahua.

[email protected] [email protected]

[email protected]

RESUMEN

Este artículo presenta el desarrollo de una librería de filosofía libre, desarrollada en C++ y OpenGL con el fin de ser utilizada en la etapa de post-procesamiento de software de simulación mediante el método de los elementos finitos (MEF). La librería es capaz de interpretar y transformar los resultados puntuales de una malla en una representación gráfica 2D mediante el uso de mapas de colores.

PALABRAS CLAVE: Método de los elementos finitos, software, mallado, mapeado de colores.

INTRODUCCION

Hoy en día el avance que presenta la computación permite se beneficien un enorme número de áreas del conocimiento. El progreso en la velocidad de procesamiento, en el almacenamiento de datos, en el desarrollo de software especializado, entre otros, ha expandido la oportunidad de desarrollo de un sinfín de áreas, entre ellas el de la simulación. El área de la simulación permite modelar fenómenos físicos a través de una serie de ecuaciones constitutivas propias de cada sistema, esto requiere de procesar un gran número de operaciones en un pequeño lapso de tiempo. Uno de los métodos de mayor aceptación en el ámbito de la modelación y resolución de fenómenos físicos, es el método de los elementos finitos (MEF por sus siglas). Este método tiene su base en la resolución de sistemas de ecuaciones diferenciales parciales (PDE siglas en inglés para Partial Differential Equations), los cuales son una forma común de representar modelos de fenómenos físicos.

El método de los elementos finitos está constituido por una serie de etapas, las cuales paso a paso dan entrada, procesamiento y salida de información. En la etapa de entrada o


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definición del problema, el método genera una representación gráfica del medio en donde se desarrolla el fenómeno. Esto puede ser en una representación 1D, 2D ó 3D. Dentro del mismo se definen las condiciones iniciales y de frontera que definen el problema considerado. Posteriormente, se encuentra la etapa de mallado y procesamiento, donde se discretiza el dominio en elementos de geometría simple, por ejemplo: los dominios 1D en pequeñas secciones de recta, los 2D en triángulos y los 3D en tetraedros. En cada elemento, la solución del problema es interpolada mediante polinomios de las variables de espacio. Finalmente se encuentra la etapa de post-procesamiento, en donde cada valor de resultado situado en un nodo constituyente de la malla, es procesado generando con ello un mapa de colores, capaz de representar de forma gráfica y sencilla el comportamiento del fenómeno físico dentro del sistema particular.

El presente artículo expone el desarrollo de una librería especializada en la etapa de post-procesamiento del MEF, que recibe los resultados nodales en soluciones 2D para posteriormente transformarlos en mapas de colores representativos de soluciones propias del modelo.

METODOLOGIA Y PROCESOS DE DESARROLLO

Mallado 2D

El método de los elementos finitos se encarga de resolver el sistema de ecuaciones diferenciales utilizando como referencia espacial el mallado generado por el software. Una malla geométrica está constituida por un conjunto elementos (en el caso 2D se utilizan por lo general triángulos, ver Figura 8) que discretizan una superficie en el espacio. Cada elemento tiene asociado una serie de nodos y segmentos de líneas que los unen formando el cuerpo del elemento (Rodríguez P. A., 2011) (Moreton, 2001).

Figura 8. Ejemplo de una zona mallada utilizando elementos triangulares.


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Interpolación lineal y bilineal

El MEF como ya se ha dicho, trabaja sobre los nodos de cada uno de los elementos de la malla, es por esta razón que los resultados se obtienen puntualmente en cada uno de ellos y no en la totalidad del elemento. Por esta razón es necesario utilizar un método de interpolación que permita obtener valores intermedios sobre los segmentos de líneas que unen dichos nodos.

La interpolación lineal es el método más sencillo de obtención de datos en un plano para figuras 1D (caso particular de los segmentos de recta que forman el elemento) (MIRANDA-SALAS, 2003), funciona con la primicia de que conocemos los valores de (𝑥>, 𝑦>) y los valores de (𝑥4, 𝑦4) cuyos valores pertenecen a una recta (ver Figura 9).

Figura 9. Interpolación lineal.

Si queremos conocer el valor de una 𝑦correspondiente a una 𝑥 cualquiera que pertenezca al rango de 𝑥> < 𝑥 < 𝑥4, se puede calcular dicha incógnita por medio de la siguiente relación:

𝑦 = 𝑦> +𝑦4 −𝑦>𝑥4 −𝑥>

(𝑥 −𝑥>) (1)

Existen otras opciones con mayor precisión como la interpolación bilineal; ésta es una extensión de la interpolación lineal, con la diferencia que permite movimientos en un ambiente o malla de dos dimensiones representados por el eje X y Y. (Rivera A. , 2015)

La interpolación inicia con el cálculo en el eje X, de las funciones 𝑓 𝑅> y 𝑓 𝑅4 respectivamente, como lo muestra la siguiente fórmula:

𝑓 𝑅> ≈ 𝑥4 − 𝑥𝑥4 −𝑥>

𝑓 𝑄>> +𝑥 −𝑥>𝑥4 −𝑥>

𝑓 𝑄4> , 𝑅> = (𝑥, 𝑦>)

𝑓 𝑅4 ≈ 𝑥4 − 𝑥𝑥4 −𝑥>

𝑓 𝑄>4 +𝑥 −𝑥>𝑥4 −𝑥>

𝑓 𝑄44 , 𝑅4 = (𝑥, 𝑦4)

(2)

Posteriormente se pasa al eje Y para encontrar un punto P deseado:


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𝑓 𝑃 ≈ 𝑦4 − 𝑦𝑦4 −𝑦>

𝑓 𝑅> +𝑦 −𝑦>𝑦4 −𝑦>

𝑓(𝑅4)

(3)

En la Figura 10 se podrá observar de manera gráfica la representación de la interpolación bilineal.

Figura 10. Representación gráfica de la interpolación bilineal.

Espacio de colores

El sistema de visión de humano, utiliza tres foto-receptores en tres distintos colores (rojo, verde y azul) (KRANTZ, 1975) (RASMUSSEN), es posible entonces imaginarnos el espacio de colores como un cubo que en cada arista tiene representado un color o una combinación de dos o más colores, en la Figura 11 se puede apreciar la representación gráfica. El contorno más oscuro representa un espacio de colores referente a la escala denominada Hot-n-Cold, la cual es utilizada para representar la escala de valores de resultados de simulación utilizando como base el MEF, en donde el azul representa los valores de menor intensidad y el rojo representa un máximo dentro de los resultados del sistema.


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Figura 11. Representación del espacio de colores y la escala conocida como Hot-n-Cold.

Desarrollo del espectro visual para representar los resultados

Para poder mostrar los valores se creó un campo de colores utilizando como base la escala Hot-n-Cold anteriormente mencionada, iniciando con un valor mínimo situado en el color azul más profundo, pasando a través del cyan, verde y amarillo hasta situarse en el color rojo, el cual representa el valor máximo (Bourke, 1975). Por lo tanto la representación de los valores, se esquematiza como una rampa o degradado dividido en cuatro secciones, en cuyo caso el valor mínimo es igual a 0 y el valor máximo es igual a 1 (ver Figura 12).

Figura 12. Representación gráfica del asignado a los valores con respecto al color.

Texturizado


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Para determinar el color de cada uno de los pixeles que conforman una superficie es necesario el uso de modelos de color y de iluminación locales (Everitt). Estos modelos permiten obtener una aproximación del color y degradado que tiene un pixel particular dentro de la superficie (Shenchang Eric Chen, 1995).

Estos modelos se aplican dentro de OpenGL mediante texturizado, el cual consiste en “pegar” una imagen sobre una superficie geométrica, creando una función de mapeado que asigna a un punto de la superficie, un punto de la imagen. Existen tres tipos de texturizado que son: 1D, 2D y 3D respectivamente. En el caso particular de este desarrollo se utilizó el 1D. Esto permite dotar de sombreado y realismo a cada uno de los pixeles teniendo un ahorro considerable de poder de cómputo (JOHN F. HUGHES).

Para aplicar la textura, las dimensiones son normalizadas entre los valores 0 y 1, posteriormente se hace es una asignación punto a punto entre la superficie S y la textura T, definiendo un área de correspondencia entre el modelo y la textura que finalmente se mapea por medio de interpolación bilineal (Debevec).

Análisis para la reconstrucción de la figura geométrica.

Para poder representar la figura dentro de la escena de OpenGL se creó una estructura de datos capaz de capturar la información proveniente de una malla utilizada en el MEF. A continuación se muestran los diagramas de clase para dicha estructura (ver Figura 13). Cabe mencionar que los diagramas solo muestran los atributos que cada clase posee, los constructores y métodos para acceder a la información de cada clase son omitidos en la representación:

Figura 13. Diagrama de clases para la reconstrucción de una figura.

Sobre cada objeto “punto” se almacenan cada uno de los nodos que conforman el mallado de la geometría. Como se aprecia la clase punto contiene la información referente a la posición respecto a las coordenadas X y Y de un nodo particular, su Id o identificador numérico que permite hacer único a cada nodo y su valor puntual, el cual se obtiene como resultado del MEF.


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Posteriormente se crean los objetos “polígonos” (elementos triangulares) en los cuales se almacenan las referencias a los puntos que los conforman (Gregory). La librería cuenta con una serie de rutinas con las cuales es posible crear, introducir y extraer información a cada objeto que se crea, con ello se logra que sea posible almacenar información para geometrías malladas con n elementos y m puntos (Rodríguez P. A., 2011).

Finalmente una vez capturada la información de la malla se procede a utilizar las rutinas que permiten evaluar cada elemento, en donde cada segmento de línea es dividido creando nodos artificiales gracias a la interpolación bilineal. El valor de ese nuevo nodo virtual es convertido es enlazado a otros nodos virtuales para entonces proceder a aplicar la textura a cada uno de los pixeles que se encuentran entre estos nodos de referencia.

RESULTADOS

Se realizaron una serie de pruebas comparativas entre la librería que se aquí se presenta y el software de simulación COMSOL Multiphysics. Se construyeron casos de estudio de fenómenos de mecánica estructural siguiendo estos pasos:

• Construir la geometría, aplicar las condiciones iniciales del problema, mallar y resolver en el software COMSOL.

• Extraer la tabla de valores nodales de la malla de COMSOL y sus respectivos valores de solución.

• Importar los valores a la librería mediante archivos de texto, creando automáticamente objetos punto y objetos polígono según fuese el caso.

• Generar el post-procesamiento por medio de colores como lo hace el software COMSOL.

Es importante decir que en todos los casos se utilizaron figuras en 2D cerradas.

Primera prueba

Se realizó una prueba de mecánica en 2D, con modo estacionario y deformaciones planas. Se utilizó un material que tiene como módulo de Young 200 GPa, coeficiente de Poisson de 0.3 y una densidad de 1800 kg/m3 (ver Figura 14).


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Figura 14. Diagrama de cuerpo libre considerado para el análisis de la primera prueba.

A continuación se muestra figura donde se puede observar una comparación con los resultados de la herramienta y los resultados del software COMSOL centrándonos específicamente solo en los niveles de los colores de ambas herramientas (ver Figura 15).

Figura 15.a) Gráfica de desplazamiento total utilizando la herramienta de post-procesamiento de

COMSOL. b) Gráfica de desplazamiento total utilizando la librería desarrollada.

Se puede observar que existe una concordancia entre los resultados presentados dentro de la librería y el software de tipo comercial COMSOL.


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Segunda prueba

Se realizó una segunda prueba con una geometría 2D en un problema mecánico, en donde se propone la simulación de un engrane que se encuentra sujeto en los extremos pero su centro intenta continuar girando. Se utilizó un material que tiene como módulo de Young 200 GPa, coeficiente de Poisson de 0.3 y una densidad de 7850 kg/m3 (ver Figura 16).

Figura 16. Diagrama de cuerpo libre considerado para el análisis de la segunda prueba.

Esta segunda prueba cuenta con 608 nodos en la malla y 1096 elementos, en la Figura 17 se puede observar como el mallado de la pieza realizado en el software COMSOL.


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Figura 17. Mallado de la pieza en COMSOL.

En la siguiente figura se puede observar una comparación con los resultados de la herramienta y los resultados del software COMSOL centrándonos específicamente solo en los niveles de los colores de ambas herramientas (ver Figura 18) .

Figura 18. a) Gráfica de esfuerzo de Von Mises utilizando la herramienta de post-procesamiento de COMSOL. b) Gráfica de esfuerzo de Von Mises utilizando la librería desarrollada.


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Los resultados dan evidencia de que no existe diferencia entre lo que se maneja como post-procesamiento dentro de un software de alto impacto como lo es COMSOL y la herramienta desarrollada.

CONCLUSIONES

Se logró cumplir con el objetivo planteado, se creó una librería capaz de realizar la etapa de post-procesamiento de simulaciones mediante el método de los elementos finitos, con mallados triangulares en geometrías de 2D.

La herramienta es capaz de interpretar y transformar los resultados puntuales en una representación gráfica de mapa de colores que permite una buena interpretación de resultados. Es importante decir que aún y cuando no se presentaron los tiempos de procesamiento la librería está a la par con los tiempos que tarda un software como Comsol en analizar y presentar los resultados.

Como se plantea en el objetivo es una herramienta libre que será puesta a disposición del público en general en la página www.sedef.mx, siendo de gran ayuda para aquellos proyectos independientes que deseen desarrollar su propio software MEF o que en su defecto desean contar con una herramienta que complemente los software libres ya existentes y que están faltos de esta etapa del proceso.

REFERENCIAS

Bourke, P. (1975). Colour Spaces. Obtenido de http://www.paulbourke.net/texture_colour/colourspace/

Debevec, P. (s.f.). Efficient View-Dependent Image-Based Rendering with Projective Texture-Mapping. 13.

Everitt, C. (s.f.). Interactive Order-Independent Transparency. 11. Gregory, J. (s.f.). Game Engine Architecture. CRC Press. JOHN F. HUGHES, A. V. (s.f.). Computer Graphics. Addison-wesley. KRANTZ, D. H. (1975). Color Measurement and Color Theory: Representation Theorem for

Grassmann Structures . JOURNAL OF MATHEMATICAL PSYCHOLOGY , 10-300. MIRANDA-SALAS, M. (2003). Importance of the exploratory statistics analysis on spacial

interpolation process: Study case of Valdivian Forest Reserve. Bosque, 29-42. Moreton, H. P. (2001). Watertight tessellation using forward differencing. 32. RASMUSSEN, A. F. (s.f.). INTERPOLATION OF COLOURS. 3. Rivera, A. (24 de Febrero de 2015). uMATHn. Obtenido de

http://arm.todoconocimiento.org/umathn/index.php/analisis-numerico/44-temas/interpolacion-y-aproximacion-polinomial/87-interpolacion-bilineal

Rodr´ıguez, P. A. ( 2011). Mallas Geom´etricas, sus Aplicaciones y la Paralelizacio´n de Algoritmos de Refinamiento de Malla. 10.

Shenchang Eric Chen, L. W. (1995). View Interpolation for Image Synthesis. Singapur.


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APLICACIÓN DE LA INGENIERÍA INVERSA A UN DISPOSITIVO DE CONTENCIÓN DE FUGAS DE AGUA

MANCP. Manuel Meraz Méndez [email protected] M.A. Araly García Rascón [email protected]

M.I. Luis Enrique Muñoz López [email protected] M.A. Guadalupe Corral Ramírez [email protected]

Universidad Tecnológica de Chihuahua

Resumen.

El presente artículo muestra la investigación y el análisis para el rediseño de un producto aplicando la ingeniería inversa. Este, tiene como objetivo el contener fugas de agua en tuberías de cobre de ½ pulgada, La propuesta de la mejora se lleva a cabo en un dispositivo que presenta fallas en su diseño original, el cual se analiza utilizando tecnologías de diseño e ingeniería asistida por computadora por sus siglas en inglés (CAD-CAE) además del análisis de elemento finito (FEM).

Palabras clave: Ingeniería inversa, análisis de elemento finito (FEM), tubería, prototipo, diseño asistido por computadora (CAD), ingeniería asistida por computadora (CAE).

Contenido

Una fuga es un derrame de agua en cualquier punto de un sistema hidráulico; puede ocurrir en tanques de almacenamiento, redes de distribución o conexiones domiciliarias. Existen fugas que pueden ser visibles o no visibles, las fugas visibles emergen hacia la superficie del terreno las cuales la hacen ser de fácil identificación, estas pueden tener caudales entre 20 a 250 ml/s en promedio y suelen presentarse en rajaduras, perforaciones, cortes o piezas flojas, asociándose a la calidad de los materiales, instalaciones deficientes o a factores externos como pueden ser el clima. (Fuentes Mariles, Palma Nava, & Rodríguez Vázquez, 2011).

Según estudios (Farrer, 1983) la frecuencia de fuga por tuberías rajadas es de 2.3%, para tuberías perforadas 12.3%, tuberías partidas 13.6% mientras para fallas en uniones de


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plomo es de un 36.6%, por lo anterior la rehabilitación de una línea hidráulica es de gran importancia.

Existen diversas técnicas de rehabilitación de tubería hidráulica que pueden ser de forma temporal o definitiva. En la definitiva es necesaria la intervención de una persona especializada para su reparación, mientras en la temporal, el usuario puede utilizar dispositivos disponibles en el mercado con el fin de contener estas fugas, que en ocasiones no son eficientes como se pudiera esperar.

Actualmente en el estado de Chihuahua se presentan fugas de agua debido a las bajas temperaturas de la temporada invernal, las cuales descienden por debajo de -5 °C y alcanza en algunos casos hasta -10°C (INEGI, 2016), las fugas se incrementan por el material de cobre con que están elaboradas las tuberías, además están expuestas a la intemperie y tienen deficiencias en su instalación, todo lo anterior provoca la ruptura de las tuberías por congelación, por lo cual los afectados tienen la necesidad de recurrir a un especialista para reparar la fuga, el costo de esta reparación es demasiado elevada, así que con el desarrollo de este prototipo de abrazadera de plástico se pretende dar solución a la reparación de fugas de manera que sea más fácil y rápida la solución a un bajo costo, es decir que cualquier persona sin tener el material y el equipo necesario pueda reparar la fuga con tan solo adquirir e instalar este dispositivo.

La Universidad Tecnológica de Chihuahua, por medio del departamento de vinculación, realiza un convenio de colaboración con el fabricante del prototipo de abrazadera de plástico, con la participación de los maestros del departamento de Mantenimiento Industrial, con el fin de dar una propuesta de solución al problema recurrente de falla en su producto para la contención de fugas de agua en tubería de cobre.

El prototipo es un dispositivo tipo abrazadera de polímero extruido (fig. 1), con un juego de empaques de neopreno en su interior, que al cerrarlo abraza la tubería y teóricamente aísla la fuga de líquido pero en la práctica presenta fugas del vital líquido.

Figura 1. Prototipo de Abrazadera de plástico.


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Esta abrazadera de plástico está en fase de prototipo y no se ha lanzado al mercado debido a las fallas que presenta, por lo anterior, el presente artículo describe la aplicación de la ingeniería inversa, el análisis de elemento finito (FEM) y el diseño e ingeniería asistida por computadora (CAD-CAE), con el fin de resolver la problemática del producto de contención de fugas de agua.

La Ingeniería inversa a través de los programas de investigación ayuda al profesorado a:

1) Aplicar los conocimientos desarrollados en las instituciones educativas para el mejoramiento de los procesos productivos dentro de la industria local.

2) La empresa, las instituciones educativas y los maestros comprenden la necesidad de la aplicación de la ingeniería inversa en la fabricación de componentes, a través del análisis de pruebas de dimensionamiento.

3) La industria actual comprende la importancia y valora la vinculación del sector educativo para la colaboración de la mejora de sus diseños a través de la utilización de la ingeniería inversa en la manufactura de partes y componentes que requieren de la aplicación de varios programas de análisis como son: Diseño asistido por computadora, análisis de caracterización de materiales, análisis de esfuerzos y deformaciones, manufactura por computadora, fabricación, etc.

4) Las empresas requieren de análisis realizados con información útil y confiable proporcionada por especialistas en el ramo que utilizan la ingeniería inversa para el rediseño de los productos y procesos. (Jiménez López, Luna Bracamontes, & García Velázquez, 2010)

La metodología que se utiliza para el análisis está basada en la aplicación de la Ingeniería Inversa como se muestra en la siguiente figura:

Figura 2. Pasos para la aplicación de la ingeniería inversa en el prototipo. Fuente. Elaboración propia


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Aplicación de la ingeniería inversa como metodología para el análisis de un prototipo que tienen como objetivo rediseñar un “dispositivo de contención de fugas de agua “

1.- Obtención de datos paramétricos. – en esta fase inicial se extraen los datos manualmente a través de instrumentos de medición del prototipo para después introducirlos a un sistema de diseño asistido por computadora (CAD), estos datos definen la geometría de la pieza a modelar.

2.- Modelado. - Se realiza el modelado en 3D del dispositivo de contención de fugas a través del software de diseño, Solidworks.

Figura 3. Modelado del prototipo en 3D

3.- Investigación de los materiales compuestos. - Se realiza una investigación de las propiedades mecánicas y fisicoquímicas del dispositivo de contención de fugas, el cliente entrega la información técnica del prototipo la cual fue previamente estudiada por un laboratorio especializado en materiales.

4.- Pruebas y análisis de laboratorio.- Se realizan las pruebas iniciales de laboratorio con el fin de conocer las condiciones de operación del producto, para ello se diseña un dispositivo de prueba, el cual consiste en una sección de tubería (fig. 4) que simule las condiciones nominales del funcionamiento del dispositivo de contención de fugas en una red de distribución de hidráulica. La figura 5 muestra los resultados obtenidos de las diversas pruebas realizadas al dispositivo de contención de fugas.


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Figura 4. Prototipo en simulación de fuga.

Figura 5. Resultados de pruebas de laboratorio

5.- Simulación y análisis de elemento finito (FEM).- Se utiliza un software de ingeniería asistida por computadora por sus siglas en inglés (CAE), para realizar un análisis de simulación de elemento finito FEM, con el objetivo de determinar esfuerzos y deformaciones del dispositivo de contención de fugas sometidos a cargas de presión reales. Se determinan las condiciones de falla que causan la fuga de agua en el prototipo, estos resultados se comparan con los de las pruebas de laboratorio para determinar que la causa raíz del problema si coincide con ambos análisis.


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•Agregar material y una sujeción a la pieza

•Agregar una presión a la cara interna

•Mallado de pieza

Figura 6. Procedimiento de análisis FEM

6.- Resultados.- Se generan los resultados por el software de CAE por el método de Von Misses (fig. 7) y análisis de deformaciones unitarias URES (fig. 8).

Figura 7. Análisis Von Misses


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Figura 8. Análisis de deformaciones unitarias

Interpretación de resultados del análisis.

La pieza de plástico soporto la carga de 1.37 Mpa teniendo un esfuerzo mínimo de .307 Mpa y máximo de 774.53 MPa según las zonas que se muestran por color, debido a que la pieza tiene un esfuerzo ultimo de cedencia 863 MPa a la tracción, el factor de seguridad resultante es de 1.11, con lo cual concluimos que el dispositivo soporta la presión, pero está en el límite, lo cual podría ocasionar una falla por fatiga con una deformación máxima de 0.03mm. En la figura 9 se puede observar zonas en color Azul, donde se muestra la mayor concentración de esfuerzos, (zona de “clampeo”).

Figura 9. Percepción del diseño


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Resultados. Como resultado final de las pruebas de laboratorio y el análisis CAE se llega a la conclusión que la causa del problema es debido a deficiencias en el diseño de la pieza, una de estas deficiencias es que la pieza tiene una circunferencia perfecta acorde a el diámetro de la tubería, lo cual ocasiona que por más fuerza de cierre que se aplique, no genera una fuerza de sujeción suficiente para realizar el clampleo, además los clips no proporcionan un método de cierre seguro y el diseño del empaque es deficiente.

Alternativa de Solución.

En base a los resultados del análisis de la simulación y las pruebas de laboratorio se sugiere rediseñar el dispositivo de contención de fugas en los siguientes aspectos:

• Rediseñar la pieza a un diámetro interno menor y con un una sección oval. • Rediseño de las acanaladuras del empaque de neopreno. • Rediseño de los clamps (más largos y con más material en la parte interna de contacto). • Rediseño del empaque (uno más eficiente y acorde a las medidas de la pieza).

• Conclusiones.

Es de gran importancia para la Universidad Tecnológica de Chihuahua, como para los demás centros educativos la vinculación con los diferentes sectores de la industria, para colaborar en conjunto en la aplicación y desarrollo de nuevas tecnologías en el campo laboral para contribuir con la eficiencia de los procesos productivos. La ingeniería inversa de partes y componentes puede usarse para la corrección de los problemas presentados en los procesos de fabricación, mejorando los diseños y contribuyendo con la manufactura de productos con mayor calidad.

El uso de las tecnologías en el diseño e ingeniería asistida por computadora es una gran herramienta que ofrece las ventajas de simular y diseñar cualquier prototipo sin la necesidad de llevarlo a la fabricación e incurrir en algún error que pueda generar desperdicio de dinero.

Con el uso del análisis FEM se logra simular el prototipo en condiciones reales pero de manera virtual, ofrece una solución para visualizar de qué manera la pieza va a fallar en condiciones reales y así corregir el material o la geometría para evitar los errores de diseño.

La ingeniería inversa auxilia en el diseño de partes y componentes que cumplan con las


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especificaciones y necesidades del cliente. Contribuye con la aplicación de mejores prácticas de análisis para el desarrollo y rediseño de productos y procesos.

La metodología de ingeniería inversa ha sido utilizada por los maestros de la Universidad Tecnológica de Chihuahua durante su docencia para el fortalecimiento de los conocimientos del alumnado.

REFERENCIAS

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Farrer, H. (1983). Manual sobre control de fugas y mediciones de redes de distribución de agua potable. Lima, Peru: CEPIS.

Fuentes Mariles, O., Palma Nava, A., & Rodríguez Vázquez, K. (2011). Estimación y localización de fugas en una red de tuberías de agua potable usando algoritmos genéticos. Ingeniería, Investigación y Tecnología, 235-242.

INEGI. (2016). CUENTAME. Obtenido de Información por entidad:

http://www.cuentame.inegi.org.mx/monografias/informacion/chih/territorio/clima.aspx? tema=me&e=08

Jiménez López, E., Luna Bracamontes, A., & García Velázquez, L. A. (2010). La ingeniería inversa como metodología para potenciar la enseñanza de la metrología. Metrología, 1-8.


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SAPRODI, HACIA UNA COMUNICACIÓN INSTITUCIONAL SEGMENTADA

Luis Raúl Martínez Sáenz1, Luis Federico Carrillo Ayala2, Edgar Omar Bañuelos Lozoya3 y Jesse Yammal Hernández Moreno4

Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Parral Av. Tecnológico #57, Hidalgo del Parral, Chihuahua, C.P. 33850

[email protected], [email protected], [email protected] y [email protected]

Resumen: Las instituciones de educación superior requieren compartir noticias, eventos y comunicados de diversa índole utilizando mecanismos de comunicación eficientes, modernos y de amplio alcance y rapidez. En este artículo se presenta el Sistema para la Promoción y Difusión de Información (SAPRODI) del Instituto Tecnológico de Parral, el cual permite enviar información hacia una aplicación móvil en los dispositivos de actores internos y externos de la institución. En comparación con otros enfoques, SAPRODI considera una comunicación segmentada, esto es, identifica el perfil de cada usuario para que reciba sólo aquello que pueda ser de su interés.

Palabras clave: Comunicación Institucional, Segmentación de la Audiencia, Desarrollo de Aplicaciones para Móviles.

Introducción.

La Porte define a la comunicación institucional como: “tipo de comunicación realizada de modo organizado por una institución o sus representantes, y dirigida a las personas y grupos del entorno social en el que se desarrolla su actividad; tiene como objetivo establecer relaciones de calidad entre la institución y los públicos con que se relaciona, y adquirir una notoriedad social e imagen pública adecuadas a sus fines y actividades” (Mora, 2009). Es en este contexto en que las instituciones educativas continuamente buscan mantener informados de actividades y comunicados de diversa índole tanto a actores internos (estudiantes, profesores, personal administrativo, etc.), como a actores externos con algún interés particular, ya sea porque sean aspirantes a ingresar, egresados, padres de familia o público en general. El Departamento de Comunicación y Difusión en el Instituto Tecnológico de Parral no contaba con un medio oficial eficiente para lograr el objetivo de la comunicación institucional. Los mecanismos comúnmente utilizados eran la página web oficial y pizarras distribuidas en varios puntos dentro de las instalaciones, sin embargo, el proceso de actualización era lento, engorroso y en algunas situaciones incluso informal.


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Con la finalidad de solucionar la problemática descrita y aunado a que parte de los actores relacionados con la institución tienen acceso a dispositivos móviles con acceso a Internet, se desarrolló el Sistema para la Promoción y Difusión de Información (SAPRODI), el cual, en su conjunto, es un sistema de software compuesto por una aplicación web y dos aplicaciones móviles para el sistema operativo Android.

La aplicación web facilita a un usuario administrador publicar noticias y escoger hacia que grupos de personas irán dirigidas; las aplicaciones móviles permiten al usuario configurar un perfil definido de acuerdo a su relación con el Instituto Tecnológico de Parral para posteriormente recibir las noticias de su interés.

Antecedentes.

Según el 12º Estudio sobre los Hábitos de los Usuarios de Internet en México 2016 (AMIPCI, 2016), los teléfonos inteligentes y las tabletas electrónicas se encuentran en el top cinco de los principales dispositivos para acceder a la red en México (primera y cuarta posición, respectivamente), conectándose principalmente a través de una conexión WiFi (84%) o plan de datos contratados (27%). Esto representa un abanico de oportunidad amplio para hacer llegar información a los usuarios de manera rápida y personalizada a través de sitios web o aplicaciones móviles para las distintas plataformas.

Este escenario fue planteado hace más de dos décadas por Negroponte, cuando destacaba que en la “era de la postinformación” la audiencia de los medios de comunicación podría llegar a ser una sola persona donde “todo se hace por encargo y la información se personaliza al máximo, asumiendo que la individualización es la extrapolación de la transmisión selectiva: se pasa de un grupo grande a uno pequeño, después a otro más pequeño y al final al individuo” (Negroponte, 1997).

En el caso de SAPRODI, la comunicación es segmentada hacía grupos claramente identificados y aunque no es totalmente individualizada (se prefirió así para omitir la autenticación de los usuarios y evaluar el sistema en esas condiciones) presenta todas las bases para llegar a serlo en caso de que futuros análisis indiquen que es necesario.

Esta segmentación de la audiencia diferencia a SAPRODI de otras aplicaciones similares en el país, como lo son Gaceta Digital (UNAM)9, MiTec móvil (Tecnológico de Monterrey)10, Ibero móvil (Universidad Iberoamericana)11, entre otras.

SAPRODI, descripción de las aplicaciones.

Aplicación web administrador.

9Disponibleen:https://apps.unam.mx/gaceta-digital-unam-android/10Disponibleen:http://elaula.itesm.mx/mitec-movil/11Disponibleen:http://enlinea.uia.mx/iberomovil/


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La aplicación web para el administrador da servicio al encargado del Departamento de Comunicación y Difusión responsable de catalogar y publicar la información. Una noticia o evento consta de: un título, una descripción breve, un enlace a la noticia completa, una imagen y una fecha de publicación dada por el servidor automáticamente.

Las noticias se catalogan en función de los destinatarios que la recibirán, en la figura 1 se muestra el mecanismo que facilita la selección de estos grupos, pudiéndose observar una amplia gama de posibilidades. La descripción de los perfiles principales es la siguiente:

• Perfil general. Tipo de perfil destinado para todos los usuarios que no tengan ningún rol específico o función en la institución pero estén interesados en recibir avisos de interés general.

• Estudiantes. Se dividen por carreras y cada carrera se divide por semestres, por ejemplo: “Estudiante de química de quinto” sería un rol de estudiante.

• Aspirantes. Son quienes tienen interés por estudiar alguna o algunas de las carreras que se imparten en el Instituto Tecnológico de Parral, “Aspirante de contaduría” es un ejemplo de un rol de aspirante.

• Egresados. Tipo de rol que corresponde a los usuarios que en algún momento estudiaron en la institución y concluyeron sus estudios, este tipo de rol también se divide por carreras, por ejemplo: “Egresado de informática”.

• Docentes. Este tipo de rol pertenece al personal docente que trabaja en la institución, se divide en departamentos, tales como “Docente de metal-mecánica”.

• Empleados. Son los usuarios que fungen como empleados y que no son docentes. Estos roles también se dividen en subdirecciones para que los perfiles sean aún más específicos, por ejemplo: “Empleado de la Subdirección de planeación”.

Como se menciona, los perfiles principales pueden especificarse aún más dependiendo del objetivo de la noticia. Así tenemos que podemos segmentar noticias a estudiantes de Química, estudiantes de Sistemas de octavo semestre, empleados de Comunicación y Difusión, etc.

Figura19.MecanismoparalaselecciónderolesdestinatariosenlaaplicaciónwebdeSAPRODI.


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La aplicación web administrador permite otros aspectos intrínsecos a las publicaciones, como la modificación o la eliminación completa de una noticia, así como otras opciones de configuración para su único usuario.

Aplicaciones móviles Android para usuarios finales.

Se desarrollaron dos aplicaciones móviles para el sistema operativo Android, una para versiones previas a la 5.0 y otra para versiones posteriores.

Se buscaba impactar a un mayor número de usuarios y contar con una aplicación móvil que presentara el último estándar de diseño visual de Google denominado “Material Design”12. Sin embargo, estos dos requerimientos eran excluyentes, ya que el estándar es soportado a partir de versiones posteriores a la 5.0 y la mayoría de los usuarios potenciales contaban con versiones inferiores. Es por ello que finalmente se optó por dos aplicaciones, una que implementara el estándar de diseño mencionado y otra con la misma funcionalidad, pero con un diseño compatible con versiones anteriores.

Las aplicaciones móviles SAPRODI contemplan que al inicio sea obligatorio que el usuario configure su perfil a través de un cuestionario. Esta configuración puede ser cambiada posteriormente utilizando el mismo mecanismo. La figura 2 muestra la configuración del perfil de un estudiante.

Figura20.EjemplodeconfiguracióndeunperfilenlaaplicaciónmóvilSAPRODI.

12“Estándardediseñovisual,animado,interactivoyunificadoqueseadaptaalosdiferentesdispositivosmóvilesdondelassuperficiesdelosmaterialesgráficosinteractúanenunespaciocompartidoyademásestospuedentenerelevacionesquehacensombrasobreotrassuperficiesparaconvenirunarelaciónentreestas”(Google,2016).


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Una vez teniendo un perfil configurado, el usuario puede recibir noticias de acuerdo a su perfil y conjunto de roles asignados, por ejemplo, si un usuario tiene el perfil “Estudiante de Sistemas de sexto semestre” recibe noticias dirigidas a “Estudiantes”, “Estudiantes de Sistemas”, “Estudiantes de sexto semestre”, “Estudiantes de Sistemas de sexto semestre” y “Público en general”.

Las noticias se enlistan de acuerdo a la fecha de publicación de manera descendente, mostrando el título, la fecha y la imagen correspondiente; al abrir la noticia se incluye también la descripción y el enlace externo a la versión completa de la información. La figura 3 muestra un ejemplo del listado de noticias.

Figura21.Ejemplodellistadodenoticias.

Cuando se publica una noticia los usuarios del perfil que corresponde reciben una notificación en la aplicación móvil y una vez leída pueden consultarla tantas veces sea necesario sin importar que no tengan una conexión a Internet.

Conclusiones

El sistema SAPRODI representa el primer esfuerzo del Instituto Tecnológico de Parral para lograr una comunicación institucional eficiente y al alcance de la mayoría de los interesados.

Presentando un enfoque de segmentación de la audiencia, las aplicaciones móviles permiten configurar el perfil del usuario y vincularlo con alguno o algunos de los más de cien roles que se tienen identificados. Utilizando los roles se generan noticias que son entregadas de forma oportuna y con una mayor personalización y relevancia en comparación con los medios tradicionales.


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El desarrollo de las aplicaciones se llevó a cabo utilizando tecnologías web con base en Apache Cordova, por lo que la generación para otras plataformas, como iOS o Windows 10, es plausible en el corto plazo. En la siguiente versión del sistema se pretenden implementar opciones de interacción entre los usuarios finales y la institución (no solo comunicación unilateral sino bilateral) además de mecanismos para generar estadísticas y análisis en tiempo real, entre otras funciones.

Las aplicaciones móviles SAPRODI están disponibles en la tienda de aplicaciones de Android y pueden ser descargadas en la dirección:

https://play.google.com/store/search?q=saprodi&hl=es.

Referencias

AMIPCI. (2016). 12º Estudio sobre los Hábitos de los Usuarios de Internet en México 2016. Asociación Méxicana de Internet. Obtenido de https://www.amipci.org.mx/images/Estudio_Habitosdel_Usuario_2016.pdf

Google. (2016). Material Desing: Introduction. Recuperado el 23 de febrero de 2016, de https://www.google.com/design/spec/material-design/introduction.html

Mora, J. M. (2009). 10 Ensayos de Comunicación Institucional. (J. M. Mora, Ed.) Editorial EUNSA.

Negroponte, N. (1997). El Mundo Digital (Traducción de la versión original "Being Digital" publicada en 1995 ed.). Ediciones B. Obtenido de https://users.dcc.uchile.cl/~cgutierr/cursos/INV/serDigital.pdf


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ESTUDIO NUMÉRICO DE LA TEMPERATURA Y VELOCIDAD DE UNA FLAMA DE HIDRÓGENO EN FUNCIÓN DE PARÁMETROS GEOMÉTRICOS

Leslie Ileana Carmona Jurado1 [email protected]

Alejandro Esteban Rodríguez Sánchez1 [email protected]

José Salvador Antonio Méndez Aguirre1 [email protected]

1Universidad Politécnica de Chihuahua, Av. Teófilo Borunda No. 13200 Col. Labor de Terrazas,

Chihuahua, Chih., México

Resumen—La simulación numérica de una flama, por medio de dinámica de fluidos computacional, requiere el uso de las especies químicas que reaccionan por combustión dentro de un volumen de control. Las velocidades que las especies llevan, en conjunto con la geometría del modelo discreto a utilizar, son objeto de estudio para diversas aplicaciones industriales, como el diseño de máquinas de generación de potencia debido a combustión. El objetivo del presente estudio es analizar el impacto que tiene la modificación de los parámetros geométricos de una boquilla de inyección de hidrógeno sobre las variables de temperatura y velocidad de una flama de hidrogeno.

Palabras clave: Simulación de Flama, Hidrógeno, Combustión, Modelos de Especies, FLUENT.

Introducción

Una flama es una masa gaseosa en combustión que sale hacia arriba de los cuerpos que arden y que desprende luz y calor. Se entiende por combustión como la reacción química mediante la cual se produce calor, luz o ambos (Turns S., 2012). Para que este proceso exista se necesita un combustible y un comburente, siendo el oxígeno uno de los más utilizados.

Al simular una flama con una reacción de hidrógeno-oxígeno, se busca conocer variables

físicas de temperatura y velocidad; el interés se centra en que la reacción del fluido es dependiente de las condiciones iniciales del sistema, las cuales están orientadas a cumplir con las exigencias químicas de las dos especies a evaluar.

El uso del hidrógeno como combustible tiene un gran potencial como sustitución de los

combustibles fósiles, debido a sus bajas emisiones de gases contaminantes. El incremento de la


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utilización del mismo exige someterlo a pruebas de combustión para conocer la eficiencia y los factores que intervienen bajo diversos criterios.

Los estudios de combustión de hidrógeno necesitan aproximarse al problema con precisión.

Se requiere de una simulación con bases en una investigación previa para así definir el sistema sobre el cual se trabajará, las condiciones iniciales y el modelo a utilizar, para poder ser resuelto con suficiente precisión. Para este tipo de simulaciones se aplican códigos de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés) lo cual permite ver las características del flujo, como presión, temperatura, velocidad y densidad (Oh, H.W, 2012).

En el presente estudio de hace la simulación de flama de hidrógeno utilizado como

herramienta computacional ANSYS FLUENT®. Se pretende obtener las variables existentes de velocidad y temperatura cuándo se ven afectadas por cambios en parámetros geométricos de una boquilla por la cual se suministra hidrogeno a la combustión. Esto se llevó a cabo a través de cuatro modelos discretos de volúmenes finitos donde interactúan dos especies, oxígeno e hidrógeno.

Lo que se desea obtener es la manera en que interactúan las dos especies en un entorno de

combustión, en un estudio en el cual existen diferentes dominios donde se llega a definir puntos importantes en el tema sobre el hidrógeno y su comportamiento como combustible.

Materiales y métodos

Dinámica de fluidos computacional para combustión

La dinámica de fluidos computacional, a través de ANSYS FLUENT®, se usó modelar el flujo de las especies químicas del presente estudio. Los modelos se basan en el uso de las ecuaciones de Navier-Stokes: continuidad, energía y cantidad de movimiento. Además, para modelar combustión se usó un modelo de conservación de especies en conjunto con un modelo de reacción y turbulencia. Tales modelos se describen a continuación.

La ecuación de continuidad, o conservación de masa, está dada por la siguiente expresión

(ANSYS, 2011): ∂ρ∂t + ∇ ∙ ρv = 0 (1)

La ecuación (1), para el caso de un fluido incompresible se reduce a:

∇ ∙ ρv = 0 (2) La ecuación de cantidad de movimiento está dada por (ANSYS, 2011):

∂ ρv∂t + ∇ ∙ ρvv = −∇p + ∇ ∙ τ + ρg + F (3)

donde p es la presión estática, τ es el tensor de esfuerzos, ρg la fuerza de cuerpo debido a

gravedad y F involucra otros términos que pueden derivar de resistencias diversas.


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La ecuación de la energía del fluido se expresa a través de la siguiente ecuación (ANSYS, 2011):

∂ ρh∂t + ∇ ∙ ρhv = ∇ ∙ k + k� ∇T + S� (4)

donde k es la conductividad entre partículas, k� es la conductividad debido a turbulencia y

S� se refiere a fuentes de calor volumétricas definidas para el modelo. Para el modelo de conservación de especies químicas, Y�, se usa la siguiente expresión

(ANSYS, 2011):

∂∂t ρY� + ∇ ∙ ρvY� = −∇ ∙ J� + R� + S� (5)

donde R� es la velocidad de generación de las especies por cada i-ésima reacción química y

S� es la velocidad de generación de especies definida. En la ecuación () J� es:

J� = −ρD�,�∇Y� (6) D�,� corresponde al coeficiente de difusión para las especies para la i-ésima mezcla. Las velocidades de reacción que se muestran en la ecuación (5), fueron calculadas en

ANSYS FLUENT por el modelo de Eddy Dissipation y para simular turbulencia se usó el modelo κ − ε.

Modelo discreto

Se realizó un modelo en SolidWorks® de la boquilla en la cual se inyectó el combustible, así como el volumen de control del dominio en el cual la reacción se llevó a cabo. Los parámetros geométricos que se modificaron para el presente estudio tal como se muestra en la figura 1. Como resultado, se obtuvieron cuatro modelos (tabla 1). Cabe destacar que el parámetro A3 del volumen de control permaneció constante en todos los modelos.


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Figura 1. Parámetros geométricos de los modelos discretos.

Modelo D1 D2 D3 A1 A2 A3 1 8 28 128 10 25 350 2 8 28 128 20 25 350 3 16 28 128 10 25 350 4 16 28 128 20 25 350

Tabla 1. Parámetros geométricos para cada modelo (unidades en milímetros, mm).

En el caso del modelo 2 se modificó la altura del inyector al doble, pasando de 10 mm a 20 mm. En el modelo 3 se modificó D1 a 16 mm. Para el modelo 4, se utilizó el diámetro de 16 mm y la altura de 20 mm para la boquilla de inyección de hidrógeno.


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Figura 2. Malla del modelo.

Para todos los modelos, los elementos del mallado fueron de un tamaño de 6 mm, teniendo un total de 250,584 volúmenes tetraédricos con una relación de aspecto máxima de 1.667.

Condiciones iniciales y de frontera

En la teoría consultada (Baranski, J. y Jewartowski M., 2011) se expone la experimentación de una flama, la cual está compuesta de 12% de oxidante, en este caso oxígeno; en ese mismo estudio se presenta una entrada de combustible de 100 m/s a 800°C y el oxidante a temperatura ambiente de 30°C. Además de considerar la presión atmosférica de 101,000 Pa para las salidas.

En las condiciones de frontera del presente estudio se consideraron dos sistemas: cerrado

(figura 3) y abierto (figura 4), siendo el segundo una simulación del comportamiento de la flama en un dominio abierto.


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Figura 3. Condiciones de frontera para sistema cerrado.

Figura 4. Condiciones de frontera para sistema abierto.

El modelo discreto supone de dos entradas para las especies, una de menor tamaño para el hidrógeno [A] y la mayor para el oxígeno [C] además de paredes internas [B], cómo se muestra figura 6.


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Figura 5. Condiciones de fronteras para entrada de hidrógeno (100m/s) y oxígeno (12 m/s).

Las condiciones de frontera para el modelo se establecieron como se describe a continuación:

• Entrada de hidrógeno a 100 m/s y 1073.15 K • Entrada de oxígeno a 12 m/s y 313.15 K • Presión de salida de 1 Atm • Temperatura de las paredes de 313.15 K

Cada modelo fue sometido en condiciones abiertas y cerradas. Para este estudio un sistema

abierto es aquél que puede presentar una presión de salida igual a la presión ambiente y un sistema cerrado es adiabático. Esto se realizó con el fin de obtener la velocidad, temperatura de cada dominio y compararlos entre sí.

Resultados La figura 6 muestra una comparación de las simulaciones de fluido de un dominio abierto y uno cerrado con las mismas condiciones iniciales.

Figura 6. Comparación del modelo 1 en un sistema abierto y cerrado.


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La figura 7 presenta las velocidades obtenidas en los 4 modelos analizados con un sistema abierto.

Figura 7. Comparación de las velocidades de los cuatro modelos (ordenados de izquierda a derecha).

La figura 8 muestra la temperatura de los cuatro modelos analizados en un sistema abierto y la flama que se genera.

Figura 8 .Comparación de las temperaturas de los 4 modelos (ordenados de izquierda a derecha).


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La gráfica 1 muestra las temperaturas máximas de cada modelo se comparan la misma geometría dos veces con la diferencia de un sistema abierto a uno cerrado. Se debe hacer énfasis en que cada simulación tuvo las mismas condiciones de entrada, los únicos cambios estuvieron relacionados con la geometría.

Gráfica 1. Temperaturas máximas de los modelos.

En la gráfica 2 se hace una comparación de las velocidades máximas.

Gráfica 2. Velocidades máximas.


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Conclusiones Los resultados obtenidos referentes a las simulaciones muestran que al hacer el cambio en

la altura la temperatura aumentó de 4700 K a 5000 K, es decir, aumentó un 10.6% pero la velocidad decayó un 8.5% .Con la alteración del diámetro de la boquilla del modelo inicial, la velocidad aumentó de 6.88 m/s a 100 m/s y la temperatura pasó de 4700K a 1073, es decir las condiciones iniciales que se le dieron al modelo 3 permanecieron constantes, mientras que en el modelo 1 y 2 existió alteración, esto quiere decir que en el modelo 3 no se presenta flama y por lo tanto, no hay una plena combustión.

A través de la aplicación de códigos de dinámica de fluido computacional se determinaron

los valores de velocidad-temperatura para cuatro modelos diferentes, además de observar la actuación de la flama respecto a cada modelo y exponiéndola a un sistema cerrado y uno abierto. Los estudios futuros se enfocarán a llevar a cabo simulación de frente de flama de hidrogeno y oxígeno en una cámara de combustión interna para investigar parámetros de generación de potencia mecánica.

Referencias

[1] ANSYS® Academic Research (2011). ANSYS FLUENT Theory Guide [2] Baranski, J. Y Jewartowski, M., (2011). Experimental Study and Numerical Simulations of Low

Calorific Fuel Combustion at Different Oxygen Content in the Oxidizer. En 8th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics.

[3] Turns, S. (2012). An introduction to Combustion: Concepts and Applications, 3RD ed. McGraw Hill.

[4] Oh, H.W. (2012). Applied Computational Fluid Dynamics. InTech.


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CONSTRUCCIÓN DE ELECTROAHORRADOR DE COMBUSTIBLE PARA OPTIMIZAR PROCESO DE GENERACIÓN DE HIDRÓGENO POR ELECTROLISIS

EN MOTORES

Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Delicias Autores. Catedráticos del Departamento, Ingeniería Industrial e Ingeniería en Sistemas Computacionales. Paseo Tecnológico Km. 3.5, C.P. 33000. Cd. Delicias, Chihuahua,

México Teléfonos y Fax: (639)1326500. www.itdelicias.edu.mx M.C. Martha Lilia Delgado Martínez, [email protected]

M.C. Mario Abelardo Aguirre Orozco, Candidato al grado de Doctor por la UPNECH. [email protected] M.A. Olivia Márquez Monárrez [email protected] Lic. Jesús José Contreras Martínez, [email protected]

Estudiantes, Samuel Tavizón Reyes [email protected] y Saúl Iván Zúñiga González [email protected] Estudiante. Martha Lilia Robles Delgado. UPNECH. [email protected]

Ing. Rodolfo Pérez Robles. Profesionista de Subestaciones, Zona de Transmisión Camargo, C.F.E. Gerente General de Automatización e Ingeniera (AEI), [email protected]

RESUMEN.

El propósito de esta investigación, surge por la problemática e incremento del consumo de

hidrocarburos y la necesidad de buscar energías más limpias que se encuentren al alcance de todos e implementar un dispositivo en los vehículos de combustión interna y tratar de esta forma reducir el consumo de combustibles, utilizando hidrogeno, generado por medio de electrolisis, para así, contribuir en la reducción de gases de efecto invernadero. Hoy es una realidad que la contaminación del aire es un problema en las grandes ciudades y en las zonas con actividades industriales, ya que es en estos lugares donde se liberan grandes cantidades de contaminantes. Dentro de los principales componentes relacionados con la calidad del aire se encuentra el bióxido de azufre (SO2), el monóxido de carbono (CO), los óxidos de nitrógeno (NO2), las partículas suspendidas, compuestos orgánicos volátiles (COV), el ozono (O3) y el (Pb) plomo. Así también se describe dentro de la teoría y auxiliado por la estadística inferencial, un diseño de experimentos que permitirá encontrar la mejor concentración de elementos para la generación de hidrogeno por medio de la construcción de un electroahorrador de combustible.

Palabra clave: Generación de hidrogeno a partir de electrolisis. Electroahorrador.

INTRODUCCIÓN

Cómo lo menciona Martínez Salgado, (2011), los catálogos de emisiones son una herramienta fundamental para identificar la importancia relativa de las principales fuentes de emisión de contaminantes a la atmósfera y por lo tanto es una herramienta para diseñar estrategias de control. De acuerdo con el inventario nacional de emisiones de México (INE, 1999, 2006), el transporte y los vehículos son la principal fuente antropogénica de emisión de óxidos de nitrógeno (NO2) y compuestos orgánicos volátiles (COV), sustancias precursoras de la formación de ozono.


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Asimismo, contribuyen de manera importante a la emisión de partículas suspendidas (PM) y monóxido de carbono (CO). Si bien estas emisiones son el resultado directo del uso de combustibles fósiles, como la gasolina y el diésel, existen otros factores determinantes en la cantidad de contaminantes que un vehículo automotor puede generar, como la edad, la tecnología, el uso y el mantenimiento del vehículo. Los vehículos en circulación de mayor edad, con un mantenimiento deficiente, sin tecnologías para el control de emisiones y de uso intensivo presentan mayores emisiones contaminantes a la atmósfera. (pag. 11).

La SEMARNAP (2005). Señala que a partir de 1986 se empezaron a instalar los primeros

convertidores catalíticos en los automóviles nuevos para disminuir la cantidad de emisiones. Programas que se han impulsado en algunas ciudades para reducir las emisiones de los vehículos, se encuentra, como ejemplo en la Cd. de México el denominado, Hoy no circula y la verificación vehicular. Las medidas instrumentadas en varias ciudades del país, para reducir o eliminar las contingencias ambientales, buscan disminuir la concentración de contaminantes atmosféricos, pero aun no es suficiente en la parte ambiental se necesita usar energías más limpias que no tenga repercusiones para el ambiente y la capa de ozono, ya que la mayoría de los vehículos y máquinas de combustión interna juegan un papel de suma importancia para el medio ambiente, y más cuando tienen algún tipo de problema mecánico. (SEMARNAP, 2005, pág. 27).

En esta investigación se utiliza un diseño experimental para manipular las condiciones por

las cuales se da el fenómeno estudiado, El alcance que se pretende lograr es por medio de un análisis factorial, toda vez que se intenta construir conocimiento a partir de la estadística inferencial y la comprobación de hipótesis, para de esta forma encontrar las medidas de variabilidad que permitan verificar en donde hay mayores evidencias para identificar las variables.

Este trabajo de investigación surge a raíz del análisis de los constantes aumentos de los

hidrocarburos en México. Se desarrolló con la construcción del prototipo electroahorrador de combustible. JUSTIFICACIÓN

La importancia primordial, de este trabajo de investigación, es la Construcción y análisis

de los factores asociados al desarrollo de un electroahorrador de combustible, por medio del proceso químico de electrólisis en la generación de Hidrógeno para adaptarlos a los vehículos de combustión interna y así poder obtener un mejor rendimiento, logrando con esto optimizar la economía y la sustentabilidad ambiental, y de esta forma encontrar su importancia entre el consumo-rendimiento de combustible de los automotores.

En el presente trabajo de investigación se busca ante todo atender un problema, en especial

implementar a futuro en México de una manera sencilla, en que cada persona que tenga un vehículo de combustión interna reduzca desde un 40% hasta un 50% el consumo de hidrocarburos y de


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esta forma tener un impacto benéfico, resolviendo un problema de carácter socioeconómico y además de impacto ambiental muy importante.

Quizá la originalidad de este prototipo corresponda más al ámbito local, sin embargo habrá

elementos que puedan ser explicados en ámbitos más amplios como el estatal y el nacional. Toda vez que se identifiquen algunos factores que se desconocen o no ha sido considerados en alguno de los parámetros que influyen en el aprovechamiento de estos tipos de recursos que existen en la naturaleza. OBJETIVO GENERAL

Construcción y análisis de los factores asociados al desarrollo de un electroahorrador de

combustible, por medio del proceso químico de electrólisis en la generación de Hidrógeno para adaptarlos a los vehículos de combustión interna y así poder obtener un mejor rendimiento, logrando con esto optimizar la economía y la sustentabilidad ambiental.

4.- OBJETIVOS ESPECIFICOS

1. Diseñar un dispositivo que nos permita economizar combustible de manera notoria. 2. Comparar los costos conforme a la reducción de combustible respecto al consumo del vehículo. 3. Desarrollar un análisis factorial por medio de la estadística descriptiva, utilizándolos para evaluar

los diferentes tipos de agua y determinar cuál es la que mejor funcionan en la generación de hidrogeno.

4. Realizar las pruebas experimentales con diferentes tipos de agua, para el funcionamiento del prototipo. MARCO TEORICO

El Enfoque que se manejó en este trabajo de investigación, tiene un corte cuantitativo, ya

que como lo establece, Hernández et al. (2010), es aquel que “usa la recolección de datos para probar hipótesis, con base en la medición numérica y el análisis estadístico, para establecer patrones de comportamiento y probar teorías”. Ofreciendo la posibilidad de generalizar los resultados y comparar estudios similares.

Así mismo definir experimento, según Hernández et al. (2010) como una “situación de

control en la cual se manipulan, de manera intencional, una o más variables independientes causas) para analizar las consecuencias de tal manipulación sobre una o más variables dependientes (efectos)”.


130

Diseño experimental, lo define Hernández et al. (2010) como “los que se utilizan cuando el investigador pretende establecer el posible efecto de una causa que se manipula. Pero, para establecer influencias, se deben cubrir varios requisitos”.

La Eficiencia. Es puntualizada, por el Instituto Interamericano para el desarrollo económico

y social (2001) como la: …Capacidad para seleccionar y usar los medios más efectivos y de menor desperdicio con el fin de llevar a cabo una tarea o lograr un propósito”. Se sugiere que la eficiencia califica la manera en que los objetivos sean realizados; señala que se aplica a lo que realiza cumplidamente la función a que está destinado (pag. s/n).

Continuando con la conceptualización, la electrólisis fue descubierta en 1800 de manera

accidental por William Nicholson, mientras estudiaba cómo funcionan las baterías. Las leyes sobre la electrólisis fueron desarrolladas por el físico y químico británico Michael Faraday.

De acuerdo con Velásquez P y Quiceno C, (2013). La electrolisis:

…consta de dos electrodos que están conectados a un flujo de energía eléctrica y sumergidos en una solución (comúnmente agua), el que está conectado al polo positivo es conocido como ánodo y el conectado al polo negativo como cátodo, cada electrodo atrae a los iones opuestos, así el ánodo atrae a los iones negativos y es el lugar donde aparece el oxígeno, mientras que en el cátodo se atraen a los positivos haciendo que el hidrógeno aparezca allí (pag. 57).

La electrólisis debe hacerse de tal manera que los dos gases desprendidos no entren en

contacto, de lo contrario producirían una mezcla peligrosamente explosiva ya que el oxígeno y el hidrógeno resultantes se encuentran en proporción estequiométrica.

Anualmente se producen alrededor de 45 millones de toneladas de hidrógeno a nivel

mundial, con lo que se satisface del orden del 1% de la demanda energética global y su utilización es principalmente en la industria manufacturera de Productos químicos pero que ya está siendo utilizado en vehículos de transportación terrestre, aéreo y marítimo, además de su utilización en quemadores y motores de combustión interna conocidos como vehículos con emisión de contaminantes cero. Alrededor del 80% de la producción de hidrógeno es mediante la reformación catalítica de hidrocarburos, siendo este método de obtención el más económico y rentable.

Michael Faraday es uno de los grandes científicos a quien debemos acreditar notables

descubrimientos en el campo de la física y de la química. Los talentos de Faraday cubrieron muchos campos. Fue el primero en licuar el cloro, el bióxido de carbono y otros gases. Investigó la inducción electromagnética y desarrolló el concepto de líneas de fuerza alrededor de un imán. Pero quizás su aporte más importante fue el enunciado de sus leyes de la electrólisis.

La electrólisis es la descomposición que sufren algunos compuestos químicos cuando a

través de ellos pasa corriente eléctrica. Tal vez el experimento de laboratorio más sencillo para ilustrar el efecto sea la electrólisis del agua (un compuesto de hidrógeno y oxígeno). Haciendo pasar una corriente continua a través de agua acidulada (agua con algunas gotas de ácido, para que conduzca la corriente eléctrica) en los electrodos (los contactos eléctricos) se forman burbujas de oxígeno e hidrógeno.


131

Las leyes de Faraday fueron las siguientes:

1. El peso de una sustancia depositada es proporcional a la intensidad de la corriente (o sea, al número de electrones por segundo) y al tiempo que ésta circula.

2. El peso de una sustancia depositada durante la electrólisis es proporcional al peso equivalente de la sustancia.

La NASA Inicio el desarrollo de las celdas de combustibles con aplicaciones para producir electricidad durante vuelos espaciales. A partir de los años ochenta, varios países como Estados Unidos, Canadá, Japón y otros de la Unión Europea Impulsaron la investigación y el desarrollo de esta tecnología y como resultado, actualmente cientos de compañías por todo el mundo están comercializando las celdas de combustible, tanto en estaciones fijas como portátiles.

El hidrógeno es el elemento más ligero de la naturaleza y el más abundante en el Universo.

Se considera que constituye el 75% de la masa del universo y forma el 90% de sus moléculas. El científico británico Herry Cavendish lo descubrió y en 1766 describió algunas de las cualidades del "aire inflamable", a quien el químico francés Antoine Laurent Lavoisier le dio el nombre de hidrógeno en 1785. No existe en la tierra en forma natural sino combinado, por lo que para disponer de él, se requiere producirlo en ciertos Procesos.

Tabla 1. Propiedades básicas del hidrogeno. Fuente: (Américo Pereti 2008)

En la Tabla 1 se muestran las propiedades del hidrógeno como combustible, puede usarse

directamente en un motor de combustión interna, una estufa o en forma eficiente en una celda de combustible. Esta última opción es la que más llama la atención para una aplicación masiva del hidrógeno, debido a que las celdas de combustible ofrecen limpieza, versatilidad, capacidad modular y altas eficiencias en la transformación de la energía química del hidrógeno en energía eléctrica.

Propiedades básicas del hidrógeno Gas incoloro, sin olor ni sabor Densidad energética 120

kJ/g Masa molecular 2.016 Punto de ebullición -252.7

ºC Lim. Inflamabilidad en aire 4 - 75

% Punto de fusión -259.2

ºC Densidad 0.089

g/cm3 Temperatura crítica -239.9

ºC Temperatura de autoignición 580 ºC Presión crítica 12.8

atm Presión crítica 12.8

atm


132

METODOLOGÍA

La metodología seguida para la obtención de hidrógeno se resume en pocas líneas como una

reacción del Hidrocarburo con vapor de agua en presencia de un catalizador a alta temperatura, obteniéndose como resultado final una mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono. El tratamiento o secuestración del dióxido de carbono es una tecnología avanzada pero todavía con problemas por resolver. Una mínima parte de Hidrógeno, menos del 4%, se produce a nivel mundial por electrólisis del agua. La electrólisis es un proceso electroquímico conocido desde hace más de cien años donde se produce hidrógeno con la más alta pureza. Esta tecnología consiste en aplicar una corriente directa entre dos electrodos donde el hidrógeno se libera en el electrodo negativo (cátodo) y el oxígeno en el electrodo positivo (ánodo). Este proceso no está muy extendido debido a su costo relativamente alto para la obtención de hidrógeno.

La primera parte no es difícil de comprender. Una corriente de mucha intensidad que circule

a través del electrolito durante mucho tiempo depositará más sustancia que una corriente débil que actúe durante un tiempo corto. La segunda parte dice que cuando la misma corriente circula durante el mismo tiempo, las cantidades de sustancia depositadas dependerán de su peso equivalente.

Según la ciencia oficial la energía que se necesita para separar la molécula de agua es mayor

que la que se obtiene de la combustión del gas. Se puede separar la molécula de agua usando una batería de 12 voltios y la energía que se obtiene del gas HHO resultante es mucho mayor. Existen otros métodos para separar la molécula de agua usando un metal en los que no es necesario ni usar corriente eléctrica. Sea cual sea el uso del hidrogeno lo primero es construir una celda de combustible para poder convertir el H2O en H. Una celda electrolítica consta de placas de acero inoxidable grado industrial, por donde circula la electricidad y separadores de plástico. Es importante que sea acero inoxidable para hacer una debida resistencia y evitar la oxidación

Electrólisis en el agua.

La electrólisis es un método que consiste en introducir un electrodo de hierro y otro electrodo

metálico (como por ejemplo de aluminio), conectados a una corriente eléctrica, en un recipiente lleno de agua.

La cantidad de minerales conductores disueltos en el agua influyen sobre la cantidad de

corriente eléctrica que circula. Por lo tanto, la demostración a través de electrólisis del agua se basa en la conductividad de minerales nutricionalmente importantes tales como el calcio, magnesio, sodio, cloruro, y algunos más.


133

Lo que se decolora en el agua no son las sustancias contenidas en el agua, ni tampoco los minerales conductores. Son sobre todo las secreciones del electrodo de hierro, que se oxidan bajo la influencia del oxígeno libre. Y puesto que prácticamente cualquier agua contiene sustancias minerales naturales, esta decoloración antiestética simula ante el espectador de tal demostración una contaminación del agua potable. Ver Figura 1.

El agua a través de un proceso electroquímico conocido como electrólisis se puede

transformar en un gas (HHO) que tiene tres veces más potencia que la gasolina y además no contamina en absoluto. Este gas presenta la característica de que debe ser producido en el momento de su uso. Se puede usar como combustible para motores de combustión interna, sopletes, calderas y considerarse como sustituto de la gasolina.

Figura 1.Oxidación de celdas de electrolisis. Fuente propia. Un electrólito es cualquier sustancia que contiene iones en su composición orbitando libres,

los que le ayudan a comportarse como un conductor eléctrico. Observe Figura 2. Debido a que generalmente se encuentran iones en una solución, los electrólitos también son conocidos como soluciones iónicas, pero también son posibles electrolitos fundidos y electrolitos sólidos

.

Figura 2. Proceso de electrolisis. Fuente propia


134

Tabla 2 Desarrollo de la Celda de Hidrogeno Los materiales que se utilizan son los siguientes:

Láminas de acero inoxidable calibre # 14

2 Contenedores apropiados

Tornillo largo de plástico de 3 x ¼ in Arandelas de plástico Tornillería de ¼ x 1in. 5 Fusible de 30 amperes Cable THW No. 12 Manguera de plástico de ½

in. Pasos para construcción de la celda:

1. Cortar siete láminas de acero inoxidable grado industrial, para la construcción de la celda para desarrollar el reactor del prototipo con las siguientes dimensiones de cada una de las láminas, expresadas en mm ya que estas son las medidas que se van a diseñar. Ver figura 3.

Figura 3. Cuotas de celda Fuente: (elaboración propia)

2. Fijar arandelas entre cada placa de acero de las siete laminas que se van a fabricar para obtener una separación de 1 mm entre cada una y otra para hacer pruebas experimentales para verificar la variable de distancia con respecto a la producción de hidrogeno. Por lo tanto el modelo tiene que quedar como lo representa la figura 4.


135

Figura 4. Vista lateral de celda de hidrogeno Fuente: (elaboración propia)

1. De aquí en adelante se indica cuáles serán sus polos negativos (anión) y positivo (catión). Así como también se define las celdas neutras ya que son importantes en la transferencia de electrones para tener una electrolisis de calidad y proporcionar el hidrogeno adecuado para el ahorrador de combustible. La placa frontal y trasera se toma como campo negativo mientras que la placa que aparece en rojo en la figura 5, es el campo positivo. Las placas de acero que aparecen de color gris son placas neutras (no pueden estar derivadas al chasis, ni tener conductividad eléctrica.

Figura 5. Celda vista isométrica catión y anión: (elaboración propia)

2. Diagrama eléctrico de conexión de la celda despreciando el depósito de agua, indicado en la Figura 6, se recomienda implementar un fusible de 30Amperes para protección del sistema eléctrico y de la celda.


136

Figura 6. Diagrama eléctrico de instalación. Fuente: (elaboración propia)

3. Diagrama de conexión y flujo del hidrogeno y oxigeno hacia la cámara de combustión pasando por el purificador que rectifican los gases como más limpios ver Figura 7.

Figura 7. Diagrama del recorrido de hidrogeno Fuente: (elaboración propia)

Debido a que esta investigación tiene un enfoque cuantitativa y un diseño experimental, la hipótesis es comparar el resultado de producción de hidrogeno con diferentes tipos de aguas para verificar si se genera la misma cantidad de hidrogeno en cada una de ellas o si es diferente la hipótesis, se representa con un cuadro latino en donde se analizaran las siguientes variables:

A) Agua potable, B) Agua purificada y C) Agua destiladas,


137

MODELO ESTADISTICO YIJK =µ αi + βj + (α β)ij + Pk + Eijk αi =renglones βj=columnas (α β)ij=interacción Pk=replicas Eijk=error

HIPOTESIS Se hacen en base a un proceso estadístico en donde se analiza si hay correlación entre las variables, demostrando cuál de ellas da más rendimiento al hacer la mezcla.

Ho= A1=A2 Ho= B1=B2 Ho= C1=C2 Ha= A1 ≠A2 Ha= B1≠B2 Ha= C1≠C2 Sal Azúcar Bicarbonato Ho= D1=D2 Ho= E1=E2 Ho= F1=F2 Ha= D1≠D2 Ha= E1≠E2 Ha= F1≠F2 Royal Sosa caustica, Maseca (harina de maíz).

Los electrolitos utilizados en el experimento fueron los siguientes: Factores:

A) Sal, B) Azúcar, C) Bicarbonato, D) Royal, E) Sosa cáustica (Na OH), F) Harina de maíz. Por ejemplo, en una solución de sal ordinaria (cloruro de sodio, NaCl) en agua, la reacción

en el cátodo será: 2H2O + 2e− → 2OH− + H2 (con lo que burbujeará gas hidrógeno); la reacción en el ánodo

es: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e− (con lo que se liberará gas oxígeno). Los iones sodio Na+ positivamente cargados reaccionarán hacia el cátodo, neutralizando la

carga negativa del OH− ahí presente, y los iones cloruro Cl− reaccionarán hacia el ánodo neutralizando la carga positiva del H+ de ahí. Sin los iones provenientes del electrólito, las cargas alrededor de los electrodos harían más lento el flujo continuo de electrones; la difusión de H+ y OH− a través del agua hacia el otro electrodo llevaría más tiempo que el movimiento de los iones de sodio más prevalentes.

La tabla 3 muestra el desarrolló del análisis factorial por medio de la estadística descriptiva,

utilizándolos para evaluar los diferentes tipos de agua y determinar cuál es la que mejor funcionan en la generación de hidrogeno, y se realizaron las pruebas experimentales con diferentes tipos de agua, para el funcionamiento del prototipo, los resultados son observables en la figura 8.


138

Tabla 3. Análisis factorial con diferentes mezclas.

En la tabla 3. Se representa Análisis factorial, donde el estudio desarrollado en el experimento con diferentes tipos de sustancias, como la sal, azúcar bicarbonato, royal, sosa caustica y maseca.

Figura 8. Grafica de resultados de tiempo de oxidación del agua.

En otros sistemas, las reacciones de los electrodos pueden involucrar a los metales de los

electrodos, así como a los iones del electrólito.


139

Los conductores electrolíticos pueden ser utilizados en dispositivos electrónicos donde la reacción química en la interface metal/electrólito produce efectos útiles. En la figura 2, se muestra el proceso de electrolisis, desarrollado en el experimento, para el análisis de diferentes concentraciones de soluciones para encontrar los componentes más óptimos.

RESULTADOS

La presente investigación cumplió los objetivos indicados, se valida la hipótesis planteada con la construcción del electroahorrador de combustible, también se logró comprobar que por medio del proceso químico de electrólisis se generó Hidrógeno, para su instalación en motores y así adaptarlos a los vehículos de combustión interna ante todo atender un problema, en especial. Además implementar a futuro en México de una manera sencilla este tipo de dispositivos para que cada persona que tenga un vehículo reduzca entre un 40% hasta un 50%, el consumo de combustible, reflejándose esto en un impacto benéfico y resolviendo un problema económico, así como de contaminación ambiental. CONCLUSION

Se concluye que con la construcción del electroahorrador se lograra reducir el consumo de

combustible, así como la reducción de emisiones contaminantes y mejorar la calidad del aire. Entre ellas destacan la mejora de los combustibles, la adopción de tecnologías menos contaminantes en los automóviles y programas impulsados por las autoridades para limitar la emisión de contaminantes de vehículos.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1.-Hernández, R., Fernández, C. & Baptista, P. (2008). Metodología de la Investigación.

Localidad: México, D.F. Editorial: Mc Graw Hill 2.-Hernández, R., Fernández, C. & Baptista, P. (2010). Metodología de la Investigación.

Localidad: México, D.F. Editorial: Mc Graw Hill 3.-Martínez Salgado Hilda (2011, pag.12). Centro de Transporte Sustentable de México A.C.

Estudio de emisiones y características vehiculares en ciudades mexicanas. Fase IV: medición de emisiones en cinco ciudades y análisis de resultados globales.

4.-SEMARNAT-(2005), Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales. NORMA Oficial Mexicana NOM-052-SEMARNAT-2005, Que establece las características, el procedimiento de identificación, clasificación y los listados de los residuos peligrosos.

5.-Velásquez Piedrahíta y Quiceno Castañeda, (2013). Diseño de un Sistema de Generación de Hidrógeno por Electrólisis, Proyecto de grado presentado como requisito parcial para obtener el título de Ingeniero Mecánico Universidad Tecnológica de Pereira Facultad de Ingeniería Mecánica Pereira Colombia.


140

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN PERFIL AERODINÁMICO CICLOIDAL EN RÉGIMEN LAMINAR UTILIZANDO NX

Universidad Politécnica de Chihuahua

Tamara Isaí Peinado Alvidrez Francisco Javier Orozco Beiza [email protected] [email protected]

Resumen

En el presente artículo se plantea el proceso para realizar un análisis aerodinámico en un

volumen de control establecido, aplicado a un perfil aerodinámico en forma de curva cicloidal. La cicloide es una curva que se suele describir en forma paramétrica y cuenta con propiedades que ejemplifican el cálculo de variaciones. Mediante el software NX 10 se realizó una simulación de dicho perfil sometido a un bajo número de Reynolds (Re), de la cual se obtuvieron los valores coeficientes de arrastre (cd) y levantamiento (cl). Con dichos coeficientes es posible calcular el ángulo de ataque óptimo del perfil, que producirá una fuerza de sustentación máxima. El modelo se comparó con un perfil NACA ya establecido, y los resultados permitieron categorizar la función del perfil cicloidal a una determinada aeronave según el performance obtenido.

Abstract

This paper proposes the process to perform an aerodynamic analysis in a stablished control volume applied to an airfoil shaped cycloid curve. The cycloid curve is usually described in parametric form and has properties that exemplify the calculus of variations. Through NX 10 was done a simulation with lower Reynolds number which drag (cd) and lifting (Cl) coefficient values were obtained. With these coefficients it is possible to calculate the optimum angle of attack of the profile, which will produce a force of maximum lift. The results were useful in order to get a category for our profile and determined aircraft in function of the obtained performance. The model was compared with a NACA airfoil already established, and the results allowed categorize the function of the cycloidal airfoil to a particular aircraft according to the performance obtained. Palabras Clave: Análisis aerodinámico, Ansys Workbench, cicloide, coeficiente de arrastre y coeficiente de levantamiento, fuerza de sustentación, NACA, número de Reynolds, NX, volumen de control.

INTRODUCCIÓN

En la construcción y creación de una aeronave, una de las partes más importantes es el diseño del perfil alar que permitirá que nuestro avión vuele y cumpla con el objetivo y


141

funcionalidad esperado. Las fuerzas de sustentación y arrastre, o como normalmente se conocen en el ámbito aeronáutico, el coeficiente de levantamiento y arrastre, nos indicarán si el perfil modelado otorga realmente una mejora al performance del avión.

El perfil en forma de cicloide unitario se realizó en base a la siguiente hipótesis, al momento de que el aire impacta sobre el perfil, a cierta distancia determinada de este ocurre un fenómeno conocido como capa límite, en dicha zona no se desprecian los efectos de la viscosidad. Por lo tanto la forma del perfil circulo en un tiempo mínimo produciendo sustentación según el principio de Bernoulli. Para hacer hincapié en este fenómeno se realizó un control de malla en las zonas cercanas al perfil, haciendo la malla más fina para obtener mejores resultados.

El coeficiente de levantamiento esta denominado como la fuerza resultante de una diferencia de presión aplicada sobre un área definida, entre la superficie superior del ala conocida como extradós y la superficie interior llamada intradós (Rosso, 2015).

El uso de un software CFD (Computacional Fluid Dynamics) para el cálculo de elementos finitos, permite generar un perfil alar en un volumen de control, del cual se pueden obtener diferentes coeficientes, y además permite otorgar distintos valores al perfil. Por ejemplo, la variación en el ángulo de ataque hace crecer la sustentación normalmente en forma lineal con el aumento de este, para así conocer el punto en el que el ala llegará a su coeficiente de levantamiento máximo. Sin embargo el coeficiente de arrastre aumentará de forma parabólica conforme se aumente el ángulo de ataque [2].

DEFINICIONES Y FÓRMULAS

Una cicloide es el lugar geométrico descrito por cualquier punto fijo de una circunferencia que rueda sin resbalar, sobre una recta fija [3]. Las ecuaciones paramétricas de la cicloide están dadas por las siguientes ecuaciones paramétricas. 𝑥 𝜃 = 𝑎 𝜃 − 𝑠𝑖𝑛𝜃 (1)

𝑦 𝜃 = 𝑎(1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃) En donde:

𝜃 ∈ 0,2𝜋 𝑎 ∈ ℝ

A la cicloide también se le da el nombre de braquistrócona o curva del más rápido descenso, porque si observamos la figura 1 graficada en Matlab, se puede demostrar que es el recorrido descrito por una partícula que cae desde un punto dado a otro en el intervalo de tiempo mínimo. De igual manera si se sueltan dos partículas desde dos puntos distintos de la cicloide, estos llegarán al mismo tiempo sean dos puntos cualesquiera. Existe una variante de la cicloide que nos permitirá la modificación de la forma intrínseca de la cicloide [3].


142

𝑥 𝜃 = 𝑎𝜃 − 𝑏𝑠𝑖𝑛𝜃 (2) 𝑦 𝜃 = 𝑎 − 𝑏𝑐𝑜𝑠𝜃

Las ecuaciones anteriores representan una cicloide con dos parámetros nuevos que nos

indican lo siguiente: 𝑎 > 𝑏 ⇒ cicloide acortada 𝑎 < 𝑏 ⇒ cicloide alargada La fig. 1 muestra la gráfica en Matlab de la ecuación (1) tomando 𝑎 = 1

Fig. 1 Cicloide

Para resolver varios problemas de mecánica de fluidos, es necesario formular hipótesis y

establecer dominios de trabajo. Dichos dominios son llamados volúmenes de control, en un volumen de control se consideran las variables más importantes que intervienen en el fenómeno a analizar. La definición formal de volumen de control se deriva a partir del principio de la conservación de la masa. En otras palabras, el principio dice que el cambio de la masa del sistema con respecto al tiempo es igual a cero. Para esto se utiliza la derivada sustancial.

𝐷𝐷𝑡 𝜌𝑑𝑉 =

𝜕𝜕𝑡

� �

𝜌𝑑𝑉

¡

+ 𝜌𝐕 ⋅ 𝐝𝐒 = 0

¦

(3)


143

Donde V es el campo vectorial de velocidades y dS un vector de superficie. Asumiendo

que estamos trabajando en un régimen de flujo estacionario, la derivada local se anula y obtenemos que el gasto másico de entrada es igual al de salida de nuestro volumen de control. También asumimos al flujo como no compresible e irrotacional, por lo tanto se tienen que cumplir las ecuaciones vectoriales siguientes (4) y (5), en otras palabras, la divergencia y el rotacional del campo de velocidades tiene que ser igual a cero [4].

𝝎 =12∇×𝐕 = 𝟎 4

∇ ⋅ 𝐕 = 𝟎(5)

Para el cálculo de la fuerza de levantamiento es necesario recordar la definición de un

número adimensional, el cual se define como un número que no tiene dimensiones físicas, pero suele utilizarse como parámetro experimental. Los números adimensionales son estudiados en el análisis dimensional, el cual es un método que permite reducir el número y complejidad de las variables que intervienen en la descripción de un fenómeno físico. La descripción formal de este método está dada por el teorema de pi Buckingham [5].

Antes de mencionar los números adimensionales usados, es necesario definir un concepto

importante, ya que se habla de la presión dinámica (𝑞©), la cual está dada por la siguiente ecuación: 𝑞©

=12𝜌©𝑣

4(6) Donde 𝜌©es la densidad del medio y 𝑣 es la velocidad de las líneas de flujo en el volumen

de control las cuales son denominadas streamlines. El análisis requirió del uso de tres números adimensionales, los cuales son: 𝑅𝑒, 𝑐«y𝑐. Los cuales son el número de Reynolds (indica si un flujo es laminar o turbulento) y los coeficientes de levantamiento y arrastre respectivamente. La definición de los números se muestra a continuación:

𝑅𝑒

=𝜌𝑣𝑙𝜇 (7)

𝑐«

=𝐿𝑞©𝑆

(8)

𝑐=

𝐷𝑞©𝑆

(9)


144

Donde S es el área superficial del perfil, l es la longitud de la cuerda y 𝜇 es la viscosidad

cinemática del fluido. L y D son las fuerzas de levantamiento y arrastre respectivamente. En aerodinámica se le llama polar de un perfil a la gráfica de la correlación existente

entre los coeficientes de arrastre y levantamiento de la cual de obtiene el coeficiente óptimo de arrastre; es decir, el coeficiente al que el perfil no va a tener tanto arrastre. El modelo por lo general es parabólico.

METODOLOGÍA

Pasos a seguir para llevar acabo el análisis en NX 10: 1.-Se importan las coordenadas o datos en formato dat 2.-Después se genera un croquis en el cual se proyectará la curva y se creará un volumen

de control. 3.- Se comienza una simulación avanzada creando un FEM y SIM nuevos 4.-Se selecciona el entorno de Solver como NX térmico/flujo y el tipo de análisis flujo. 5.-Se genera un mallado, seleccionando un tamaño de elemento dependiendo de la escala

en la que está diseñado el perfil y además se escoge un tipo de método. Tetahédrica. Se aplica el material del volumen de control en este caso será aire. Densidad, viscosidad dinámica,

6.-Se genera un control de mallado alrededor del perfil esto con la finalidad de que la malla sea más detallado en el perímetro del perfil. Y que la precisión del resultado sea mayor.

7.-Se selecciona el tipo de objetos de simulación, asignando superficies de flujo, seleccionando como superficies límites de flujo la pared inferior, superior y laterales del volumen de control.

8.- Se asignan las condiciones de frontera de flujo, la cara frontal será de flujo de entrada y la trasera será considerada como abertura.

9.- Se genera un informe de tipo ascender y arrastrar, se selecciona el perfil, se asignan los ejes de referencia como (0,0,0). El eje de elevación es en “Y” y el eje de arrastre en X. Se selecciona calcular los coeficientes, asignando el valor del área1.5m2, longitud de la cuerda del perfil 1.5m, velocidad de aproximación 50m/s y viscosidad cinemática de 1.007∙10-6 m2/s a 20°C.

10.- Se resuelve Aplico una condición de flujo de entrada, justificar por qué esa velocidad, superficies

límites del flujo. Condiciones de frontera. Se aplicó esa velocidad considerando que a esa velocidad se conserva un flujo laminar y es

más sencillo su estudio. 11.- Se obtienen los coeficientes de arrastre y levantamiento y se determina la polar del

perfil.

RESULTADOS


145

La tabla 1 muestra los resultados obtenidos del ángulo de ataque (𝛼) vs el coeficiente de levantamiento (cl). La figura 2 muestra la gráfica de los valores de la tabla 1.

Tabla 1. Cl vs𝛼

Fig. 2 Gráfica del coeficiente de levantamiento vs ángulo de ataque

La tabla 2 muestra los resultados obtenidos del ángulo de ataque (𝛼) vs el coeficiente de arrastre (cl). La figura 4 muestra la gráfica de los datos de la tabla 2.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-5 0 5 10 15

Coeficiented

earratre

Ángulodeataque

clvsα

Series1

𝛼 (grados)

cl

-2 0.312 0 0.569 2 0.734 4 0.872 6 0.9256 8 1.4735 10 2.357 12 1.693 14 1.31


146

Tabla 2. Cd vs𝛼

Fig. 3 Gráfica del coeficiente de arrastre

vs ángulo de ataque

Observamos que el campo de velocidades 𝐕 = 50𝐢𝑚/𝑠 cumple las hipótesis de las fórmulas (4) y (5) y la ecuación (7) nos indica lo siguiente:

Re = 0.034 ⇒ Flujo laminar

La figura 5 muestra el diseño del perfil hecho en NX. La línea coloreada es aquella que divide geométricamente al perfil, también contiene a la cuerda, la cual se define como la distancia entre el borde de ataque del perfil y el de salida.

0

0.5

1

1.5

2

-5 0 5 10 15

Coeficientede

arrastre

Ángulodeataque

cdvsα

Series1

𝛼 (grados)

cl

-2 1.127 0 0.155 2 0.1734 4 0.197 6 0.2840 8 0.4810 10 0.9806 12 1.52 14 1.75


147

Fig. 5Perfil cicloidal utilizado

La figura 6 muestra la polar del perfil. Es un modelo cuadrático donde podemos apreciar los coeficientes óptimos. Para esto se utilizó el método de mínimos cuadrados aplicado a una parábola. Para esto se utilizaron las ecuaciones (8) y (9).

Fig. 6. Perfil gráfica de la polar


148

Fig. 7. Naca 2415 Cl máx.

CONCLUSIONES

Se observó que el perfil cicloidal tuvo un coeficiente de levantamiento muy aceptable en comparación a un NACA 2415. Concluyendo que en condiciones laminares el perfil sustentará con una rapidez elevada. En cuanto al coeficiente de arrastre se observó que tuvo un coeficiente mínimo aceptable. El coeficiente de arrastre se utiliza para encontrar el ángulo de ataque óptimo al cual la aeronave genera menos arrastre. El perfil generó un coeficiente de levantamiento máximo de aproximadamente 2.35, superando al del NACA 2415 que es de uno. Por lo tanto un perfil en forma de cicloide si es viable para alcanzar una sustentación aceptable.

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS

[1] Rosso, Santiago. «ANÁLISIS CUANTITAVO DE COEFICIENTES DE ARRASTRE Y SUSTENTACIÓN USANDO EL METODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS.» V Jornadas de Ciencia y Tecnología para Alumnos, 2015. [2] Cánchero, A., Marañón Di Leo, J., Delnero, J., Monteagudo, J., & Garay, I. (2012). ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA DOBLE PÉRDIDA EN UN PERFIL AERODINÁMICO. ANALES AFA , 23, 17-20. [3] Lehmann, C. H. (1989). Geometría analítica. D.F: Limusa. [4]Jr., J. D. (2007). Fundamentals of Aerodynamics. Maryland: McGrawHill. [5] Rosso, S. (2015). ANÁLISIS CUANTITAVO DE COEFICIENTES DE ARRASTRE Y SUSTENTACIÓN USANDO EL METODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS. V Jornadas de Ciencia y Tecnología para Alumnos . [6]White, F. M. (2008). Mecánica de fluidos. México: McGrawHill


149

DISEÑO DE UN SISTEMA DE INVENTARIOS A PARTIR DEL ANÁLISIS ESTOCÁSTICO Y DETRMINÍSTICO EN UNA EMPRESA DEL SECTOR

ALIMENTACIÓN

Rosa Ma Amaya Toral ([email protected]), Martha-Patricia García Martínez1 ([email protected])

Mario Antonio Makita Aguilar ([email protected]), Velia Graciela Guzmán Ruiz ([email protected])

División de Estudios de Posgrado e Investigación, Instituto Tecnológico de Chihuahua II,

México

Resumen

Este trabajo presenta una investigación de campo, del tipo estudio de caso, realizado en una

empresa de reciente creación, perteneciente al sector alimentación. La empresa no cuenta con un histórico de datos e información que le permitan ver el comportamiento de la demanda para definir una política de inventarios que le ayude a mantener el nivel de servicio a clientes por encima del 95%, conservar la calidad de productos debido a que son perecederos así como al control del costo de materias primas. No obstante que se trata de una franquicia, se deja en manos del administrador la operación del restaurante. Esto motivó a llevar a cabo la investigación, donde primeramente se estudió la demanda del consumo durante 8 semanas y a partir de un análisis se evaluaron dos métodos de comportamiento de la demanda, un estocástico y un determinístico, para encontrar el más apropiado que ofreciera confiabilidad para el control del inventario de perecederos. El estudio se encuentra en desarrollo, la primera fase ha permitido identificar un sistema de inventario pertinente al tipo de empresa y se procedió a la implementación del plan piloto que aún se encuentra en validación; el resultado esperado es diseñar un sistema de inventario para la administración y control de las materias primas utilizadas en un restaurante que ofrece alimentos a base de tacos de carne y mariscos, asimismo que permita cubrir un alto nivel del servicio al cliente y la mejora de las utilidades.

Palabras clave: sistema de inventarios, modelos estocásticos, modelos determinísticos, puntos de reorden, nivel de servicio.

1. INTRODUCCIÓN

Las empresas del sector alimentación, están obligadas a implementar constantemente métodos creativos para mejorar su nivel de servicio a clientes, que para el caso de las empresas gastronómicas, como son los restaurantes, se trata de un proceso clave. Según Johnston y Michel


150

(2008), Allon y Federgruen (2007), los atributos que más valoran los clientes de un restaurante, son: un menú atractivo, el precio, el tiempo de atención y la calidad de la comida.

La administración de los inventarios es uno de los temas más complejos en las organizaciones puesto que si no se controla siempre hay demasiado de lo que no se vende o consume, y muchos productos agotados de lo que sí se vende, lo cual se debe a la falta de información precisa y oportuna sobre la demanda en el punto de consumo (Bowersox, et al., 2007). La aplicación de un sistema de inventarios, es una de las alternativas más influyentes en el esfuerzo por reducir los costos y mejorar la eficiencia económica, ya que incrementa los niveles de servicio al cliente, aumenta la liquidez y permite a las organizaciones estar prevenidas frente a las fluctuaciones de la demanda; manteniendo un óptimo nivel de seguridad y logrando mantener los inventarios necesarios del producto (Díaz & Pérez, 2012). La gestión de inventarios se asocia a un problema de toma de decisiones cuyas variables más significativas son: ¿cuánto adquirir? y ¿cuánto producir? ya que controlando y reduciendo el inventario se minimiza la inversión, pero se corre el riesgo de no poder satisfacer la demanda en los niveles deseados por los clientes, esto significa en el área gastronómica, que los clientes siempre deben encontrar lo que se ofrece en el menú, no importando día, hora y época del año. Un diseño eficiente de sistema de inventarios permite determinar la cantidad del producto que debe tenerse y mantenerse para no entorpecer la calidad de operación de la empresa. Para adoptar las decisiones más oportunas en un sistema de inventarios hay que tomar en cuenta el comportamiento de la demanda y los niveles de servicio que se pretenden alcanzar.

Existe una gama diversa de métodos de administración de los inventarios que se aplican para

desarrollar un sistema que se adecue y se sincronice con el comportamiento de los datos. De acuerdo a Chase et al. (2009), los modelos para la administración del inventario se agrupan

en 2 categorías principales:

1) Sistema determinístico: Tiene muchas restricciones y se basa en el modelo de Wilson del Lote Económico de compra (EOQ) y en la demanda conocida, además no tiene variaciones en el tiempo.

2) Sistema probabilístico: Considera las fluctuaciones aleatorias en la demanda, en las entregas del proveedor y otros factores incontrolables. Estos sistemas se clasifican a su vez según el tipo de demanda, ya sean dependientes o independientes.

El objetivo de este trabajo es presentar el diseño de un sistema de inventarios de productos perecederos, a partir del análisis de los modelos estocásticos y determinísticos de tal manera que se obtenga el método pertinente para cálculo preciso, confiable tanto del pronóstico de la demanda como del nivel de inventario de los productos de un restaurante, que a su vez cumpla con el nivel deseado de servicio al cliente y la reducción de costos. Es una investigación de campo, exploratoria, del tipo estudio de caso y ha sido conceptualizado por la revisión a la literatura y al estado del arte sobre los tópicos de modelos de pronósticos e inventarios; asimismo ha sido sustentada con un estudio realizado en una empresa gastronómica, del sector alimentación, de reciente creación, localizada en el municipio de Cuauhtémoc, Chihuahua. Esta investigación se encuentra en proceso y aquí se muestran los primeros resultados.


151

2. MARCO TEÓRICO

El marco teórico consiste en aclarar los conceptos desde donde se construyen las explicaciones

que abordan la investigación. Esta investigación está conceptualizada por cuatro rubros:

(1) El sistema de inventarios es un conjunto de políticas y controles diseñados para: establecer los niveles de inventario que deben mantenerse, el punto en que hay que re-ordenar un pedido y el tamaño del pedido que debe hacerse. La teoría de inventarios tiene sus raíces en el modelo de cantidad económica de pedido (EOQ), propuesto por Harris en 1913, en donde se asumió entre otros supuestos que los productos tienen vida útil ilimitada. No obstante hay sistemas de inventarios donde el deterioro tiene un impacto económico significativo porque no se puede asumir que todos los productos tienen vida útil ilimitada. Es un desafío importante para la administración de inventarios los productos perecederos que satisfagan el máximo nivel de servicio con la mínima cantidad de inventario. Es importante mencionar que cuando se habla de los tipos de productos en inventario Nahmias (2011) y Goyal & Giri (2001) hacen una distinción entre productos perecederos con vida útil fija (día, mes año), porque caducan y productos perecederos con deterioro constante y creciente, este último tipo de producto es el que se aborda en este estudio. (2) El nivel de servicio se define como el porcentaje de los pedidos que hay capacidad de atender y de servir en el plazo adecuado. Hay que tener en cuenta el compromiso con el cliente, sus necesidades, las expectativas o el punto de equilibrio entre los costes de posesión del inventario y la pérdida de margen que provoca las faltas, pero lo más importante es considerar la pérdida del cliente por la expectativa insatisfecha. Es importante no confundir el ratio de disponibilidad del stock con el nivel de servicio que se está ofreciendo a los clientes, la disponibilidad se refiere a los artículos que tienen como mínimo una unidad en stock sobre el total de artículos. Esto no significa que, con una disponibilidad muy elevada, se pueda ofrecer el nivel de servicio deseado al cliente (Chase et al, 2009). (3) Un inventario estocástico es aquel en el cual la demanda de un artículo se describe mediante una distribución de probabilidades (Taha, 2004); Asimismo, para Hiller & Lieberman (2006), se describe como una variable aleatoria, en lugar de una constante conocida y donde la naturaleza probabilística de la demanda conduce a modelos complejos y se resuelven mediante programación dinámica. Estos modelos estocásticos se clasifican en modelos de revisión periódica y modelos de revisión continua y que para efectos de este estudio, se seleccionará el que resulte pertinente. (4) Modelo determinístico es aquel en el cual la demanda de un artículo por unidad de tiempo se conoce con certeza, siendo un factor importante en la formulación y solución. Estos modelos se basan en el modelo de lote económico de compra (EOQ), además no tiene variaciones en el tiempo. Estos modelos se clasifican en modelo de cantidad fija de pedido y modelo de periodo fijo, y para efectos de este estudio se seleccionará el que resulte pertinente.

3. METODOLOGÍA


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El presente estudio fue diseñado para desarrollarse en 4 etapas de acuerdo a como se muestra en la Figura 1. La investigación es del tipo “estudio de caso”, y para la recolección de datos se tomó como fuente de información los primeros tres meses de operaciones de la empresa, además se apoyó en una revisión a la literatura y al estado del arte.

Figura 1 Las etapas en el diseño de la investigación El estudio de caso En 2015, fue seleccionada, para el estudio, por su reciente creación y apertura, una empresa del sector alimentación, localizada en el municipio de Cuauhtémoc, Chih. La empresa restaurantera se dedica a la venta de tacos a base de carne y mariscos. Tiene un menú amplio en el que ofrece al público una variedad de platillos fríos y calientes, bebidas preparadas, aguas frescas y bebidas embotelladas. Aunque es una franquicia nacional, la estrategia de administración del negocio la dejan a cargo del franquiciado. Al inicio del año 2016, la empresa contaba con apenas con tres meses de haber empezado sus operaciones y la problemática que se presentó fue que la empresa no tenía claro la forma de reabastecerse en los niveles correctos de materia prima, sobre todo de los productos perecederos, ya que no contaba con un historial de datos que le permitieran pronosticar una demanda y sus costos se habían incrementado debido a que como se desea cumplir con un nivel de servicio alto, se adquirían cantidades de materia prima, más allá de lo necesario, debido al desconocimiento del administrador en ese ámbito y a una porción considerable de alimentos que no fue utilizada en el momento adecuado. La empresa está comprometida con la calidad y la mejora continua, sabe que se debe establecer una política de inventarios que le permita ser competitiva y leal a sus clientes sin que se sacrifiquen las utilidades necesarias para operar e invertir en mejores opciones de servicio. Debido a lo anterior, se procede a desarrollar este proyecto partiendo de las etapas mencionadas en el diseño. 1ª. Etapa. Recolección de información a partir de las ventas El estudio inició con una recolección de datos a partir de los consumos de los clientes efectuados en la empresa, utilizando para ello las notas de ventas; aunque la empresa contaba con un registro electrónico de ventas, la plataforma no se había estructurado para emitir informes estadísticos, por lo que el trabajo aquí fue casi manual y tomándose un largo periodo de tiempo. El proceso consistió en identificar los diferentes tipos de productos vendidos, clasificarlos de acuerdo a su naturaleza y concluir esta etapa con la preparación de los formatos para el análisis estadístico de la información. La Tabla 1 desglosa la clasificación de los productos que ofrece la empresa.

Tabla 1 Clasificación de los productos que ofrece la empresa


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La Figura 2 muestra las unidades de alimentos vendidas durante el período.

Figura 2 Total de unidades de alimentos vendidas por producto de octubre 2015 a enero 2016

Respecto a las bebidas que se ofrecen en el establecimiento, y a su clasificación, la Figura 3 muestra el historial de unidades vendidas de bebidas alcohólicas embotelladas, este tipo de producto es semi-perecedero y aunque su fecha de caducidad es muy amplia, mantener estas unidades en inventario resulta costoso debido a que no es posible, por capacidad, mantener toda la cantidad al mismo tiempo en refrigeración y mantenerlas en bodega se presta al robo hormiga por el tipo de producto y lo mismo sucede con los refrescos embotellados.


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Figura 3 Total de unidades de bebidas embotelladas vendidas de octubre de 2015 a enero de 2016

En la Figura 4 se observa el comportamiento de las ventas de los refrescos embotellados

durante el periodo señalado. Existe una gran diferencia entre estos productos, pues hay productos líderes en consumo que garantizan su venta diaria, mientras otros productos no tan populares en el gusto de los clientes se venden ocasionalmente, su demanda es baja y sin embargo por ser una empresa franquicia deben permanecer en la oferta y no deben ser eliminados. El control de inventario de este tipo de producto no resulta tan complicado por su amplia fecha de caducidad por un lado, y por el otro, el costo de adquisición y el de mantenerlo en inventario es bajo, porque se pueden tener cantidades mínimas debido al corto tiempo de entrega (lead time) en caso de eventos inesperados en la demanda.

Por otro lado, las bebidas preparadas y las aguas frescas, representan una situación especial

respecto al control de inventarios, ya que cada bebida está conformada por más de un producto diferente y se incluyen los perecederos, esto significa que se tienen varias formas de almacenaje y formas de adquirir las materias primas a proveedores, siendo que se necesitan todos al mismo tiempo en el momento de su preparación y consumo. En este tipo de productos no puede haber faltantes pero si puede haber estrategias de ofertas para propiciar las vueltas de inventario de aquellos productos con poca demanda. Al igual que los otros productos, las bebidas preparadas con baja o nula demanda por parte de los clientes, no pueden ser eliminados del menú y deben estar disponibles. La Figura 5 contiene el total de las ventas por unidad, de bebidas preparadas y de aguas frescas que se ofrecen al cliente. En este gráfico se observa también que existen productos líderes en el gusto del cliente y tienen una demanda alta y constante, mientras otros son de poco consumo con demanda baja y deben de permanecer ofreciéndose al cliente, por lo que una cantidad de inventario debe de considerarse.


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Figura 4 Total de unidades de refrescos embotellados vendidas de octubre de 2015 a enero de 2016

Figura 5 Total de unidades de bebidas preparadas vendidas de octubre de 2015 a enero de 2016 Etapa 2. Identificar la tendencia de la demanda de productos


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Esta etapa corresponde el análisis de los datos recolectados por consumo de clientes. El objetivo de este análisis fue determinar el comportamiento de la demanda y estimar las compras para el siguiente periodo, como base para el diseño del sistema de inventarios. Los datos analizados fueron clasificados en dos grupos, cada grupo abarca 4 semanas de consumo debido a que hay productos que presentan demanda cero y otros demanda de una sola unidad en las 4 semanas; asimismo, los datos se dividen por categorías: alimentos, bebidas alcohólicas embotelladas, bebidas preparadas y refrescos embotellados: En virtud de trabajar con muy pocos datos, se optó por analizar en esta etapa solo dos productos significativos económicamente para la empresa: los alimentos y las bebidas alcohólicas embotelladas, esto se hace con base en los principios del inventario A,B,C y el diagrama de Pareto. La Tabla 2 muestra el ingreso que se recibe por la venta de los productos.

Tabla 2 Ingreso recibido por la venta de productos

Asimismo, continuando con el análisis, la Figura 6 muestra la tendencia de venta del grupo de alimentos donde se puede observar que cada producto consumido mantiene una tendencia de ventas similar en los dos periodos.

Figura 6 Tendencia de la demanda de los alimentos vendidos

La Figura 7 muestra la tendencia de venta del grupo de bebidas alcohólicas embotelladas donde se puede observar también, que cada producto consumido mantiene una tendencia de ventas similar en los dos periodos.


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Figura 7 Tendencia de la demanda de las bebidas alcohólicas embotelladas vendidas

Como se puede apreciar en los gráficos anteriores, el comportamiento de las ventas es similar en ambos periodos, esto significa que los productos de gran demanda son constantes y denotan una ligera estacionalidad; esto hará menos complicado el definir el sistema de inventarios. 3ª Etapa del análisis de inventario estocástico y determinístico

Conocer estadísticamente el comportamiento de la demanda por producto puede ser de gran utilidad para el desarrollo de esta investigación, sobretodo en la generación de la propuesta del sistema de inventarios que la empresa requiere para evitar el problema de desabasto y mermas de producto. Hay ocasiones en las que la tasa de demanda no es determinística y para éstas se han desarrollado modelos que tratan la demanda de manera probabilística o estocástica. Los modelos de control de inventarios sujetos de incertidumbre son básicamente de dos tipos, de pedido repetitivo, que significa que el nivel de inventario se conoce sólo en puntos discretos del tiempo, esto permite colocar un pedido y a medida que se consume el inventario se colocará otro, y así sucesivamente; y los de revisión continua o periodo continuo: el inventario se revisa de forma periódica y solo se hacen pedidos en forma periódica (Nahmias, 2007). Para elegir el modelo de inventario estocástico, que proporcionará a la administración de la empresa una mejor planeación de su inventario se tomaron en cuenta tres fases que se explican como sigue:

• En la primera fase se estudiaron dos de las técnicas que ayudan a seleccionar los artículos que son más significativos y que explican la mayor parte de las demandas anuales, como lo son el inventario A, B, C y el diagrama de Pareto.

• La segunda fase consistió en el desarrollo del método de “máxima verosimilitud”, con base en esta técnica se calcularon los estimadores de los parámetros de los modelos propuestos para el ajuste de la demanda. Stigler (2001) dice que cuando se quiere ajustar un modelo a un conjunto de datos se tienen que realizar estimaciones de los parámetros del modelo; un método que se utiliza con mayor frecuencia en la estimación de parámetros lleva el nombre de máxima verosimilitud. El método de máxima verosimilitud se utiliza por ejemplo para estimar los coeficientes de un modelo logístico de regresión, en el que se calcula la probabilidad de que ocurra un determinado suceso. La Figura 8 muestra la definición y la expresión matemática de este método. Al desarrollar este algoritmo, con los pocos datos de la empresa, dio como resultado una distribución Poisson.


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Figura 8 Definición de la función de verosimilitud (Stigler, 2001).

• Por último, en la tercera fase es determinar el modelo estocástico que mejor se ajuste o describa la demanda del producto. Para decidir cuál es el mejor modelo se pueden seguir dos criterios: uno es realizar la prueba de la Ji cuadrada al conjunto de datos y el otro es la prueba de la bondad de ajuste. En este caso se realizó la prueba de bondad de ajuste.

•

Por otro lado, como ya se mencionó los modelos determinísticos se definen cuando la demanda es constante y es conocida a lo largo del año. El modelo de la cantidad económica de pedido, conocido como el EOQ, es el modelo clásico para este tipo de inventarios. Dicho modelo es el más sencillo porque no permite déficit y la demanda es específica, se caracteriza por cumplir con los siguientes supuestos: demanda constante, continua, pedidos repetitivos y tiempo constante de entrega, no permite la escasez porque debe de regirse a través de un punto de reorden que alertará el momento en que debe de resurtirse para evitar el desabasto, resultará de interés en esta investigación el utilizar este modelo, como prueba, para determinar un sistema de productos perecederos.

4ª Etapa diseño del modelo de inventario De acuerdo a la información obtenida y analizada y a la naturaleza de la demanda observada en este estudio, en esta primera etapa de prueba, se va a utilizar el modelo de revisión periódica (P). Este sistema de inventario busca determinar la cantidad de unidades que se deben ordenar (q) en una fecha determinada a partir de una demanda diaria (d) con una distribución normal y de un inventario de seguridad (Zσ), que satisfaga el nivel de servicio deseado. Se establecen ciertas políticas, como son: un tiempo (T), para llevar a cabo la revisión del nivel de inventario, un tiempo constante en la entrega de materias primas cuando se ordenan (L), la probabilidad de servicio específica (Z) y conocer siempre el nivel del inventario actual o sea al momento de la revisión (I). La fórmula a utilizar se muestra en la Figura 9.


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Figura 9 Modelo de revisión periódica (Nahmias, 2007)

De las tablas de datos, se seleccionó el producto más vendido que fue el platillo de tacos de camarón en tortilla de maíz, tal y como se muestra en la Figura 11; su demanda diaria es de 18 tostadas, con una desviación estandard de 2 unidades al día, el nivel de servicio deseado es del 98%, el tiempo de entrega es de 2 días, el periodo de revisión es de 5 días (producto altamente perecedero).

Figura 11 Tendencia en la demanda de los productos más vendidos

Desarrollando las fórmulas con los datos presentados se tiene lo siguiente: Fórmula para calcular la cantidad de inventario:

Fórmula para el cálculo de la desviación estándar durante el periodo de revisión y entrega:

σ (T+L) = 𝑇+ 𝐿 𝜎𝑑2 Desarrollo de la fórmula:

q

= (18)(5+2)

+ (2.05) √ (5+2)(2)(2) + 0


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136.85 = 126

+ 10.85

RESULTADOS

El resultado del primer análisis, al utilizar un modelo (P), es el siguiente: la empresa debe prepararse diariamente para la venta de 137 tostadas de camarón en tortilla de maíz y debe saber que su inventario de seguridad es de 11 tostadas en el periodo de 5 días. A partir de ahí se hace el proceso de la compra de los ingredientes, el cálculo del costo del inventario y las políticas de reabastecimiento. El resultado está muy apegado a las ventas reales del restaurante, esta fórmula ha sido aceptada por la gerencia del establecimiento y se está validando. La investigación aún se encuentra en desarrollo, los primeros resultados son de interés para la empresa, puesto que se ha logrado determinar que aunque se trate de productos perecederos, el sistema de inventarios que el restaurante puede adoptar es del tipo determinístico debido a la reducción de costos que se implican, porque al establecerse puntos de reorden en las diferentes materias primas, se establece un control que evita el desabasto y el sobre abasto. La investigación continua con el proceso de validación del modelo probabilístico; además también se validará la administración del inventario por el método ABC, ya que las ventas por concepto de bebidas alcohólicas superan a la cantidad de unidades vendidas de alimentación, pero el ingreso no se comporta de esa forma, según se muestra en las Figuras 12 y 13.

Figura 12 Alimentos vendidos y ganancias generadas en el período


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Figura 13 Alimentos vendidos y ganancias generadas en el período

CONCLUSIONES El modelo de inventario propuesto para la empresa motivo de este estudio de caso, presenta una nueva forma de lograr el control de inventarios cuando se manejan productos perecederos, con deterioro progresivo. El proyecto tuvo limitantes, como lo fueron: el trabajar con pocos datos debido al tiempo tan corto de inicio de operaciones, la temporada en que se hizo el estudio ya que correspondió a periodo de fiestas decembrinas y en contraste con la “cuesta de enero”. Es importante señalar que también fue una limitante la falta de un sistema electrónico de apoyo a la captura de datos de las ventas, que aunque si se encontraba desarrollado, no se encontraba listo para emitir resultados estadísticos de ventas, consumos, por tipo de producto. Investigaciones futuras. Los hallazgos de la investigación en esta primera fase, permiten formular otras investigaciones que utilicen otros modelos de inventario combinados con las técnicas y el software de simulación y que puedan ofrecer resultados en tiempo y forma oportunos. REFERENCIAS Alfalla, R., García, R., Garrido, M. (2007). Introducción a la dirección de operaciones táctico-

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ANÁLISIS A LA LOGÍSTICA INVERSA PARA MEJORAR EL PROCESO DE RECUPERACIÓN DE RECEPTORES SATELITALES Y REDUCIR SU INVENTARIO

M.S.M. Oscar Humberto Monjaras Enríquez ([email protected]) Departamento de Ingeniería Industrial del Instituto Tecnológico de Chihuahua II

Dra. Martha Patricia García Martínez ([email protected]) División de Estudios de Posgrado e Investigación del instituto tecnológico de Chihuahua II

Dr. Jesús Robles Villa ([email protected]) Universidad Autónoma de Chihuahua

Resumen— Esta es una investigación aplicada tiene como objetivo el análisis y el diseño de una estrategia de mejora al sistema de logística inversa del proceso de reparación de receptores satelitales para evitar su añejamiento en inventario y como consecuencia evitar pagar la multa establecida por el cliente considerada en promedio de $130,000 dólares al mes. Los receptores satelitales dañados, que son devueltos para su reparación, se acumulan en inventario porque no son atendidos con oportunidad. Este es un estudio de caso, realizado en una empresa que manufactura componentes electrónicos y que tiene presencia mundial localizada en la ciudad de Chihuahua; no obstante a la fecha, se presenta un sobre-inventario en la célula de reparaciones de receptores satelitales, debido a una ineficiente administración de la capacidad del proceso, provocando un incremento considerable en los costos; lo que motivó a llevar a cabo un estudio para identificar la causa raíz del problema a partir de la información registrada.

Palabras clave—Logística inversa, Inventario optimización, añejamiento, planificación de la producción.

1. INTRODUCCIÓN

Las empresas competitivas tienen toda su atención en el tema de la logística y la consideran una función básica para el desarrollo de sus actividades. Anteriormente la logística era solamente, tener el producto justo, en el sitio justo, en el tiempo oportuno, al menor costo posible y actualmente el concepto se ha revalorizado y es todo un proceso integral. Así pues, hoy en día la logística busca dirigir estratégicamente la adquisición, el movimiento, el almacenamiento de productos y el control de inventarios, así como todo el flujo de información asociado, a través de los cuales la organización y su canal de distribución se encauzan de modo tal que la rentabilidad presente y futura de la empresa es maximizada en términos de costos y efectividad.


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El concepto de logística inversa nace por una necesidad apremiante para gestionar el retorno de las mercancías en la cadena de suministro de la forma más efectiva y económica posible. La Logística Inversa se encarga de la recuperación y reciclaje de envases, embalajes y residuos peligrosos; así como de los procesos de retorno de excesos de inventario, devoluciones de clientes, productos obsoletos, productos defectuosos o dañados e inventarios estacionales. Incluso se adelanta al fin de vida del producto, con objeto de darle salida en mercados con mayor rotación. También el concepto ha evolucionado de tal manera que ahora es todo un negocio y sigue en crecimiento constante. En este estudio, es de interés la clasificación que se da a las actividades de la logística inversa, siendo dos de ellas las de consideración, (1) las Redes para la Re-fabricación de productos siendo su principal objetivo la recuperación de partes y componentes de productos con alto valor añadido y (2) las redes de productos reutilizables o los productos recuperados que se reintroducen en la cadena de suministro una vez realizadas las operaciones de limpieza y mantenimiento o reparación, este punto es de interés para este estudio.

En este proyecto se presenta un estudio de caso realizado en una empresa líder del sector electrónica, con presencia mundial, localizada en la ciudad de Chihuahua, que entre sus funciones, cuenta con un proceso de logística inversa para recuperar y recibir de su cliente DirecTV, localizado en los Estados Unidos, los receptores satelitales para su revisión y reparación. Se reciben más de 30 distintos modelos que deben ser primeramente revisados para identificar la causa de su daño y falla y proceder a enviarlos a los distintos procesos según sea el caso. Se tienen 10 líneas de producción dedicadas a la revisión y reparación de estos receptores; de ellas, siete líneas son asignadas al proceso de revisión llamado screening donde los aparatos se revisan y se les realiza una limpieza cosmética y si presentan fallas se envían a reparación. El área de reparación cuenta con tres líneas y aunque los receptores con falla son reparados de acuerdo a la programación, se presenta la problemática de que se les han acumulado más de seiscientos mil aparatos todos ellos en espera de ser reparados. Debido a esto la empresa ha considerado que tiene un añejamiento de inventario, porque estos productos no han sido considerados y han permanecido estáticos provocando que su cliente al darse cuenta de la irregularidad, enviase una penalización económica; esto motivó a llevar a cabo una investigación para identificar la causa raíz del problema, y diseñar una estrategia de mejora en la organización de la logística para la recepción del componente que permita disminuir el inventario acumulado y el flujo continuo de los componentes a través de todos los procesos y con ello aumentar la recuperación de componentes todo esto mediante el apoyo de una nueva aplicación informática para el control del inventario.

Marco Teórico

El marco teórico consiste en desarrollar la teoría que va a fundamentar el proyecto con base en el planteamiento del problema que se ha realizado. Esta investigación está conceptualizada por cuatro conceptos: inventario, optimización, añejamiento y control de la producción. (1) El inventario de acuerdo a Schroeder (2011), es un cúmulo de materiales o productos que se utilizan para satisfacer las demandas de los clientes. Los inventarios típicos incluyen la materia prima, la producción en


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proceso y los productos terminados. El flujo de inventario a través de un proceso consiste en esperar para ingresar al proceso de producción; los inventarios de productos en proceso aparecen en una etapa intermedia de transformación, y si estos son acumulados es porque existe un problema de capacidad. La capacidad proporciona el potencial para producir y debe equilibrarse en forma constante para lograr los objetivos. (2) La optimización de acuerdo a Harrell et al. (2004), se refiere a encontrar la mejor solución, o la solución óptima, al problema bajo consideración. En lugar de contentarse con sólo mejorar el estado de las cosas, la meta es identificar el mejor curso de acción posible. (3) Walters (2003), define al añejamiento como la acción y efecto de añejar o hacerse viejo y añejo se define como “algo que tiene mucho tiempo”, por lo tanto, el añejamiento del inventario es obsolescencia del mismo inventario, este que permanece inmóvil, estático. (4) La planificación y el control de la producción son esenciales para el éxito de una empresa y aportan las bases para lograr la eficiencia en la programación, despacho, inspección, gestión de calidad, gestión de inventario, gestión de suministros y gestión de equipos. El control de la producción asegura que se puede alcanzar el objetivo de producción requerido, mediante la utilización óptima de los recursos (Chase & Aquilano, 2009).

2. METODOLOGÍA Esta es una investigación de campo, su diseño es cuasi experimental, es un estudio descriptivo, del tipo estudio de caso. El Estudio de Caso

Este estudio fue desarrollado en una empresa localizada en la ciudad de Chihuahua, dedicada a la manufactura de componentes electrónicos. Es una empresa líder en el ramo, con presencia mundial y comprometida con la calidad y la mejora continua. La empresa se enfrentó a una problemática en el proceso de la logística inversa, para la recuperación de componentes defectuosos provenientes de uno de sus clientes ubicado en los Estados Unidos. El cliente DirecTV, enviaba los receptores satelitales dañados para su reparación a la empresa. La empresa al no tener establecido un proceso robusto de planeación y administración para esta área, simplemente descuidó el proceso y el inventario de los receptores se incrementó de tal manera que llegó a las seiscientos mil unidades en espera de ser atendidos. Además los aparatos no estaban clasificados, se desconocía su ubicación y el tiempo de permanencia pues no se había registrado la fecha de ingreso al sistema.

Planteamiento del Problema

La empresa tiene una célula de trabajo para su cliente DIRECTV cuyas tareas son revisión y reparación de receptores satelitales; esta célula tiene 10 líneas de producción, siete de ellas eran líneas asignadas al proceso de revisión llamado screening y tres líneas al proceso de reparación de


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fallos. El proceso de screening consiste en hacer una revisión al receptor y si presenta una falla no significativa o intermitente, se le realiza una limpieza cosmética, pero si se detecta una falla funcional el receptor es enviado a alguna de las otras tres líneas del proceso para su reparación. El proceso de reparación consiste en la reparación exhaustiva de los receptores a nivel hardware, donde se determina la calidad de la falla y su reparación consiste en reemplazar alguno de los componentes dañados. Existía el problema de que al momento de ser solicitado el componente al área de control de inventarios, éste no lo tenía disponible, provocado que el receptor no fuese reparado y por consiguiente fuese enviado a un área donde es almacenado hasta que se tenga el componente necesario para su reparación, la verdad era que éste quedaba en el olvido.

La capacidad de las siete líneas de screening en dos turnos de 8.5 horas/día era de 95,760 receptores/semana, mientras que la capacidad de las tres líneas de reparación en dos turnos de 8.5 horas y un tercer turno de 6 horas por día era de 29,025 receptores/semana. El cliente ubicado en Memphis, EUA realizó un análisis y se percató de que la empresa utilizaba el sistema ultimas entradas-primeras salidas (UEPS) y solamente estaba reparando los receptores que tenían poco tiempo de haber sido enviados a reparación, además observó que había receptores que presentaban añejamiento de más de 90 días de haber sido enviados a reparación, como castigo le estableció una multa económica consistiendo en que por cada receptor que presentará añejamiento se cobraría la cantidad de $0.35 dólares al mes, una penalización que ascendió a más de $110,000 dólares al mes.

Objetivo

Diseñar una estrategia de mejora al proceso de logística inversa del proceso de reparación de receptores satelitales para reducir su añejamiento en inventario y como consecuencia evitar pagar la multa establecida por el cliente en promedio de $130,000 dólares al mes.

Desarrollo del Estudio

Para realizar el diseño del estudio y las estrategias a seguir fue necesario llevar a cabo reuniones periódicas cada dos días con los representantes de los diferentes departamentos involucrados con el proceso de reparación como son: el de Sistemas, Ingeniería de Pruebas, Control de Inventarios, Manufactura, Planeación, Ingeniería de Manufactura, Procesos y Negocios, donde se recolectó información de las incidencias, el análisis causa raíz del problema de añejamiento y mediante la lluvia de ideas se establecieron prioridades de mejora. A través del diagrama causa-efecto se hicieron los análisis correspondientes con la finalidad de brindar las propuestas o soluciones a la optimización del proceso de reparación de receptores satelitales y se establecieron las tareas necesarias para tener un mejor control y reducir el nivel de las unidades en el inventario añejo. El proceso de mejoramiento y las actividades realizadas se describen a continuación:


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1. Se realizaron eventos Kaizen en donde todos los departamentos involucrados aportaron diversos puntos siendo el más importante el de utilizar la herramienta XELUS que corresponde al sistema SAP de la empresa, para disminuir y controlar inventario añejo. Cabe mencionar que, actualmente XELUS se utiliza solamente en la jaula de producto terminado, durante el proceso de flejado y consiste en capturar e imprimir todos los números de serie con toda la información de los receptores de producto terminado que se encuentran ya colocados en un pallet y listos para ser enviados al cliente. Se propuso realizar la misma actividad, pero ahora con los pallets de receptores que se encuentran en almacén especialmente en inventario añejo. Todos los departamentos llegaron a la conclusión de que al utilizar el software del cliente XELUS provoca tener un mejor sistema de información y permite un mejor control y conocimiento del flujo de entrada en todos los procesos que involucran a los receptores añejos.

2. Un punto fundamental fue establecer el control visual por colores y rango de antigüedad de los receptores en los pallets en inventario; por ejemplo: se propone el color verde para el rango de antigüedad de 1 a 30 días, el color amarillo de 31-90 días y del rojo para mayor de 90 días. Asimismo se propone que exista un área dedicada a segregar los pallets de receptores por colores y rangos de añejamiento y asegurar que los receptores añejos sean ingresados al área de reparaciones lo más pronto posible, esto es utilizar la estrategia primeras entradas primeras salidas (PEPS).

3. Otro punto importante fue analizar la capacidad actual de la célula de trabajo de DIRECTV. Analizando la capacidad de las siete líneas de revisión se tiene que entre el primer y segundo turno se revisan y limpian 13,680 receptores por cinco días a la semana, multiplicado por siete líneas da un total de 95,760 receptores revisados por semana en líneas de screening, de esa revisión cerca de 40,000 unidades o sea un 40% es enviado a las líneas de reparación. Por otro lado, la capacidad de una línea de reparación es de tres turnos por día, el primero de 8.5 horas trabajadas, el segundo de 7.5 y el tercero de 5.5 horas trabajadas en cinco días a la semana; la productividad entre el primer, segundo y tercer turno es reparar 9,675 receptores por cinco días a la semana, multiplicado por tres líneas de ruta de reparación sería un total de 29,025 receptores reparados por semana en contraste con las casi 40,000 unidades que llegan. El equipo tomó consciencia de que la capacidad era insuficiente, por lo que el Departamento de Ingeniería de Manufactura hizo los arreglos necesarios para hacer las líneas de revisión flexibles, es decir, que las líneas de revisión puedan convertirse en áreas de reparación para poder reparar el inventario acumulado.

4. Por último, un punto a mejorar fue el inventario que se encuentra en espera de ser reparado por falta de algún componente. La propuesta fue que los equipos de trabajo de Ingeniería de Manufactura, de Ingeniería de Pruebas y el de Compras desarrollaran un proceso de recuperación de componentes, se definió un área para asegurar que los receptores con fallas y sin componentes fueran clasificados como scrap, ya que esto permite recuperar los componentes funcionales que aún tiene el receptor y re-clasificarlos en otra área, así con esto se reduce el inventario por añejamiento.

RESULTADOS


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Después de haber realizado las diferentes actividades de mejora, se obtuvieron resultados satisfactorios y que para su explicación han sido englobados en seis rubros como sigue:

Primero. La implementación del sistema XELUS en SAP, que se expandió para permitir registrar e ingresar todos los pallets de receptores satelitales, demostró aportar un excelente control sobre el inventario de los pallets de receptores con fallo y destinados a las líneas de reparación, a este proceso, tipo software se le denominó sistema Defective Good Inventory (DGI). La Figura 1 muestra los índices de tendencia de los receptores ingresados antes de implementar la propuesta, donde se puede observar que en el primer semestre de 2011, el promedio del inventario no estaba registrado. La Figura 2 muestra la tendencia de los receptores ingresados, donde se muestra el nivel creciente de los receptores con fallo en espera de reparación una vez utilizado el DGI.

Figura 1 Índices de tendencia de receptores ingresados en DGI antes de la mejora

Figura 2 Índice de la tendencia de receptores ingresados en DGI después de la mejora

Segundo, después de haber ingresado los receptores al sistema DGI y de haberlos clasificado por colores de acuerdo al rango de añejamiento, se percató que lo pallets de menor cantidad eran de rango verde (entre 0 a 30 días) los de rango rojo (mayor a 90 días) eran en mayor cantidad, como se muestra en la Figura 3. Esto trajo como resultado la implementación de una segregación de receptores en bodega antes de ser ingresados a líneas de reparación o revisión. El objetivo del proyecto de segregación es clasificar, identificar y localizar los receptores por el añejamiento y


169

ruta o condición. Esta actividad sí permitió apuntar a los receptores con el mayor añejamiento y acelerar su proceso a través de las líneas de reparación o revisión. La Figura 4 muestra las mejoras efectuadas al layout del proceso donde se puede observar las áreas de segregación de los pallets en inventario.

Figura 3 Nivel del inventario por añejamiento por rango de antigüedad

Figura 4 Mejora al layout de segregación por añejamiento

Tercero. Como resultado de la implementación del sistema DGI, se desarrolló un proceso de seguimiento, que emite un informe que permite conocer la exacta ubicación de receptores pendientes de reparación por falta de algún componente, así como una relación de los componentes solicitados pendientes de recepción. Asimismo, este proceso se convierte en un sistema de re-orden para reabastecer los componentes de forma automática a través de generar las solicitudes de compra y se evite la falta de material. El resultado inmediato fue recuperar 60000 componentes en menos de seis meses.


170

Cuarto. Como consecuencia de convertir las líneas de revisión en líneas de reparación, cuatro de ellas fueron seleccionadas en primera instancia, dando como resultado un incremento de la capacidad de reparación. La capacidad de una línea de screening ahora es de cuatro turnos a la semana de 11.5 horas trabajadas en siete días a la semana. La productividad ahora es reparar un total de 43,470 receptores por semana.

La capacidad de una línea de reparación ahora es de dos turnos por día, el primero de 8.5 horas trabajadas y el segundo de 7.5 horas trabajadas en cinco días a la semana. La productividad total con estas mejoras es de 50,400 receptores reparados por semana en líneas de reparación.

Quinto. Como consecuencia de la implantación del DGI y el rápido flujo del proceso de ingreso y el proceso de segregación, se obtuvo como resultado una reducción del inventario añejo de receptores en DIRECTV. En la Figura 5 se puede observar la tendencia decreciente del inventario en añejamiento durante el periodo de este estudio, todo gracias a las mejoras señaladas.

Sexto. Por haber reducido el inventario añejo, la penalización económica mensual que estableció el cliente, se redujo de $101,084 en 2009 a $61,221 en 2011, es decir, un 40% de reducción solamente en el primer año al aplicar las mejoras producto de esta investigación.

Figura 5 Tendencia del inventario de añejamiento en 2011-2012

La Tabla 1 muestra el proceso de disminución del costo de penalización. También, en la Figura 6 se muestra la tendencia de la disminución del costo de penalización.


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Tabla 1. Proceso de reducción de la penalización económica por incremento del inventario añejo en 2011

28-Feb 7-Mar 1-Abril

Rango/

Días

Incentivo:

$/pieza

Penalización: $/pieza

Cantida

d

Total

Cantida

d Total

Cantida

d

Total

0-30

$0.10 $0.00 221

615

$22,161.50

197088

$19,708.80

173665

$17,366.50

31-90

$0.00 $0.00 186

388 0.00 204517 0.00 243

666 0.00

91 y más

$0.00 -$0.35 341

703

119,596.05

345124

120,793.40

315182

110,313.70

Gran Total

74971

-97,434.5

5

746729

-101,084.60

732513

-

92,947.2

0

0-30 DIAS 29.56% 26.39% 23.71%

31-90 DIAS 24.86% 27.39% 33.26%

91 DIAS o MÁS 45.58% 46.22% 43.03%


172

Figura 6 Tendencia de la penalización económica después de las mejoras en 2011

CONCLUSIONES

El estudio demuestra que el trabajo en equipo y la utilización del análisis de causa raíz de problemas es efectivo cuando una organización está comprometida a mantenerse competitiva. Se logró la optimización de la capacidad de las líneas de la célula de trabajo de DIRECTV, a través de implementar células flexibles y convertir cuatro líneas de revisión a reparación, esto produjo una regularización del inventario añejo y la reducción de la penalización económica. Se aprovechó la utilidad sistema XELUS que ya tenía la empresa, ampliando sus funciones y creando el sistema DGI, que permitió al Departamento de Control de Inventarios ubicar los receptores, clasificarlos por rango de tiempo de añejamiento, mejorar la veracidad de los inventarios a nivel número de serie, impulsar el proceso de reparación en que se encuentra y debe ser reparado y sobre todo que evita se incremente el nivel del inventario.

La implementación del sistema de información DGI apoyó la recuperación de receptores que se encuentran en scrap, por falta de componentes, logrando una reducción del 70%. También el sistema DGI permitió reducir el tiempo muerto que carga el Departamento de Manufactura a Control de Inventarios por entregar pallets de receptores al inicio de la línea y que no podían ser ingresados es decir, una reducción del tiempo muerto por segregación que va de 5,525 minutos por mes en el año 2011 a 1,126 minutos al inicio del año 2012 y una tendencia de cero tiempo muerto a partir del mes de junio del 2012 en delante.

También se desarrolló un procedimiento efectivo, la implementación de la segregación por añejamiento, para hacer más rápido el flujo de receptores añejos a las líneas de reparación. El proceso de segregación por añejamiento siempre va a ser requerido, debido a que todos los días


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existen receptores que se encuentran en el rango amarillo (31-90 días) que brincan al rango rojo (mayor de 90 días) situación que debe de ser evitada, mediante el control.

Al inicio de esta investigación en el año del 2010 se contaba con 249,938 receptores añejos en inventario, pero debido a la optimización en el proceso de reparación y el rápido ingreso de receptores a repararse se redujo considerable a 4,420 receptores añejos en el mes de enero del año 2013, es decir, una reducción del 98% del inventario añejo. Con la reducción del inventario de receptores añejos, la multa de $0.35 US por receptor añejo, pasó de $101,084 en 2009 a $61,22, en 2011 y a $7,829 en 2012 y a inicio del año 2013 a $1,547 con tendencia a librar la penalización económica para los meses de febrero y marzo del presente año.

Es importante destacar la importancia que tienen los sistemas logísticos inversos y se aprovecha este estudio para recomendar que se deben de tratar administrativamente igual que la logística normal y que deben de cumplir con tres factores base: la coordinación, la sincronización y el flujo de información.

Esta investigación da paso a una investigación a futuro que consiste en mejorar efectivamente toda la cadena de suministros a partir de un value stream mapping, que permita mejorar el proceso en cada eslabón de la cadena de valor de la empresa y apoyarse en una metodología de simulación.

REFERENCIAS

Buffa, E. (1999), Dirección Técnica y Administración de la Producción, Editorial Limusa, México.

Chopra S. & Meindl, P. (2006), Supply Chain Management. Ed. Prentice Hall, Estados Unidos.

Chase, J & Aquilano, J. (2009), Administración de Operaciones: Producción y Cadena de Suministros. 12ª Edición. Mc-Graw-Hill / Interamericana de México.

Harrell, C.; Ghosh, B. y Bowden, R. (2004). Simulation Using ProModel. (2a. ed.) Mc Graw-Hill.

Schroeder, R. (2011), Administración de operaciones. Conceptos y casos contemporáneos. 5ª. Edición. Editorial Mc-Graw Hill. Interamericana Editores, México.

Wilde, O. (1967), Foundations of Optimization, Ed. Prentice Hall, Estados Unidos.

Walters, D. (2003), Inventory Control and Management. Ed. Wiley, Nueva York.


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DISEÑO MECÁNICO APLICADO A UN SISTEMA DE DISPENSADO Y SELLADO AUTOMATIZADO

Abraham Pérez Delgado13 Omar Arizmendi Cid14

Eduardo Iván Juárez Rosas15 Bernardo de Jesús Landero Rosas16

Mecatrónica.

Resumen

El tema a tratar en este artículo es sobre el diseño de un sistema de dispensado y sellado automatizado para cualquier dulce con ciertas características (sin requerimiento de sellado al vacío, empaquetado por dos cubiertas plásticas (BOPP), cuya viscosidad sea mayor a 300 cps, su masa no superior a 13 grs. con una densidad de .404g/cm3, temperatura promedio de 80° C y de forma en general esférica) solicitado por una empresa cuyo nombre los autores se dan el derecho de reservar. La composición general del dulce en este caso es pulpa; los señalamientos marcados anteriormente la definen.

De forma introductoria es preciso mencionar que la automatización de los procesos industriales en la sociedad moderna es uno de los ejes principales en el desarrollo tecnológico de la misma pues soluciona muchos problemas que plantean retos que deben ser superados con el único fin de optimizar la producción y su calidad, que en este caso se elabora de forma manual. Lo anterior da paso a señalar que objetivo general para el equipo diseñador del sistema tiene como la solución al problema que se indica en la sección pertinente.

Con base a lo anteriormente indicado se procede a dar un trato superficial de distintos temas relacionados al diseño de este sistema en <<marco teórico>>, así como definición de ciertos conceptos importantes para la adecuada interpretación de este artículo. Así se puede describir brevemente la metodología llevada a cabo para la realización del diseño de dicho sistema.

Palabras claves: Automatización, Sellado, Transportador helicoidal, Potencia.

13IngenieroElectrónico.EstudiantedelaMaestríaenIngenieríaIndustrialenelInstitutoTecnológicodeTehuacán,[email protected]écnicoSuperiorUniversitarioenMecatrónica.EstudiantedeIngenieríamecatrónicaáreadesistemasdemanufacturaflexibleenlaUniversidadTecnológicadeTehuacán,[email protected]écnicoSuperiorUniversitarioenMecatrónica.EstudiantedeIngenieríamecatrónicaáreadesistemasdemanufacturaflexibleenlaUniversidadTecnológicadeTehuacán,[email protected]écnicoSuperiorUniversitarioenMecatrónica.EstudiantedeIngenieríamecatrónicaáreadesistemasdemanufacturaflexibleenlaUniversidadTecnológicadeTehuacán,[email protected].


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Introducción

En el mundo de la industria de la actualidad, no existe un proceso que no traiga consigo una parte de automatización, la automatización de procesos industriales se ha convertido en algo prioritario para la sociedad de nuestros días.

La automatización se compone de todas las teorías y tecnologías encaminadas de alguna forma a sustituir el trabajo del hombre por el de una máquina. El presente trabajo nos dará una visión más amplia de lo mucho que la automatización para los procesos industriales puede aportar a una empresa.

Planteamiento del problema

La fabricación del tipo de dulce que se menciona en el resumen de este documento ha sido manual desde el comienzo de su producción, por lo tanto se ha visto afectada negativamente por distintos factores que abarcan: la posible inexperiencia del personal que recién ingresa a laborar a la empresa. Las ausencias no predecibles por parte de algunos miembros del personal elaborador de este producto. Lesiones que podrían afectar el desempeño de los operadores y otras tantas limitantes relacionadas, esto al final lleva a la deficiencia en la uniformidad de la producción del objeto a empaquetar (en cuanto a la cantidad de producto final elaborado). Por tanto, esta deficiencia en la uniformidad de la producción debe ser erradicada.

Objetivo

• Diseñar de un sistema de dispensado y sellado automatizadopara la línea de producción, del producto alimenticio tipo paleta de pulpa.

Marco teórico

Sistema para el proceso de sellado

A continuación, se explican algunos conceptos y temas sobresalientes referidos al diseño del SDSA.

Ley de movimiento trapezoidal o triangular: Acorde a Selección de un servomotor y transmisión por el método de las potencias transitorias de los ingenieros Héctor Fabio Quintero R, Gabriel Calle T y Alexander Díaz A el análisis del desplazamiento de un sistema guiado por un servomotor puede ser evaluado conforme a estas leyes, ya que <<ambas leyes deben cumplir con la condición del desplazamiento total, la cual se obtiene cuando el área bajo la curva de velocidad sea igual a dL>> (desplazamiento total) (Fabio, Calle T., & Díaz A., 2006), esto último es necesario para el desarrollo del proyecto.


176

Torsión: El momento de una fuerza, torsión o torca (MO), se define como la capacidad que tiene una fuerza al actuar sobre un brazo de palanca, de generar un movimiento de rotación con dirección perpendicular al plano en el cual se encuentran tal como lo menciona (García Goiz, 2008).

En virtud de que la tendencia de la fuerza F a hacer girar al cuerpo rígido alrededor de un eje fijo perpendicular a la fuerza depende tanto de la distancia de F a dicho eje como de la magnitud de F, se observa que la magnitud de M0 mide la tendencia de la fuerza F a hacer rotar al cuerpo rígido alrededor de un eje fijo dirigido a lo largo de M0. (Beer Ferdinand, Johnston E., & Eisenberg R. Elliot, 2007)

Método de flexión por pequeñas aproximaciones: Este método puede ser utilizado para determinar el material de una viga en voladizo (Sólido Rígido, n.d.).

Por lo tanto mediante su uso, es factible calcular también, el grado de flexión de dicha viga con un mínimo margen de error.

Engranaje: mecanismo utilizado para la transmisión de potencia mecánica entre las distintas partes de una máquina. (Definición, 2016)

AGMA (American Gears Manufacturers Association): Es una asociación voluntaria de compañías, consultantes y académicos con un interés directo en el diseño, manufactura, y aplicación de engranes, acoplamientos, y demás componentes y equipo de transmisión de poder relacionados (About us, 2016).

Picadura (engrane): Es una función de los esfuerzos de contacto Hertziano (compresivo) entre dos cilindros y es proporcional a la raíz cuadrada de la carga del diente aplicada como lo menciona (Criteria for tooth capacity, 2004).

Esfuerzo de flexión (engrane): Medida en términos del esfuerzo de tensión en un plato en voladizo y es directamente proporcional a la misma carga (Criteria for tooth capacity, 2004).

Rodamiento: Un rodamiento es un componente de precisión y de alta ingeniería que habilita maquinaria para movimientos a una elevada velocidad y soporte de cargas con facilidad y eficiencia (What are Bearings, 2016).

ATmega8: Es un microcontrolador de 8 bits del tipo CMOS de bajo poder basado en la arquitectura RISC AVR.

AISI 4340 (normalizado): Es una aleación de acero baja y tratable por calor, contiene cromo, níquel y molibdeno. Tiene alta dureza y resistencia al tratarse por calor.

AISI A2: Acero grado herramienta de media aleación (medio carbón, medio cromo), de temple al aire que alcanza durezas de 60-62 HRC.

BOPP (Polipropileno biorentado): El polipropileno se obtiene a partir del propileno, un gas obtenido de los procesos de craking del petróleo. Este gas, sometido a ciertas condiciones de


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temperatura y presión, en presencia de catalizador produce como resultado un polímero compuesto por miles de unidades “propileno” unidas entre sí de forma lineal. A comienzos de los 70’s, Montecatini en Italia desarrolló el proceso para convertir este polímero en una película biorientada (QuimiNet.com, 2008).

Sistema de dispensado por medio de un transportado helicoidal

La tecnología moderna ha hecho del transportador de tornillo sin fin uno de los métodos más ideales para el movimiento continuo de materiales al granel a cortas distan (Rodríguez Galbarro, 2010).

El transportador de paso estándar tiene un paso igual al diámetro, se utilizan para todas las aplicaciones comunes de transporte continuo de materiales.

El transportador de cinta es ideal para transportar materiales pegajosos y viscosos. El espacio abierto entre el borde interior de la espiral y el tubo, evita la acumulación del material conducido (Delgado & Socorro, 1996).

El diámetro de la hélice suele ser inferior en unos 2 cm al de la carcasa, ya que no deberá rozar las paredes de la misma cuando el eje del tornillo gire. Las paredes metálicas que cierran y envuelven forman la carcasa del tornillo, y sirve para contener el material y separarlo del ambiente exterior (Rodríguez Galbarro, 2010).

En general, la dimensión para el paso de los transportadores de tornillo suele estar comprendido entre 0,5 y 1 veces el diámetro del mismo, siendo mayor cuanto más ligera sea la carga que se vaya a transportar con el tornillo. En cuanto al diámetro de la hélice del tornillo, su dimensión es inversamente proporcional a la velocidad de giro del eje, es decir, para velocidades de giro más elevadas supondrá un tornillo de hélices más estrechas (Miravate & Larrodé, 1996).

Un mecanismo es un conjunto de elementos, conectados entre sí por medio de articulaciones móviles y cuya misión es:

• Transformar una velocidad en otra velocidad. • Transformar una fuerza en otra fuerza, • Transformar una trayectoria en otra diferente. • Transformar un tipo de energía en otro tipo distinto.

Según el número de elementos, los mecanismos se pueden clasificar como:

• Simples: si tienen dos elementos de enlace. • Complejos: si tienen más de dos elementos de enlace.


178

A partir de aquí, definimos sistema mecánico:

Un sistema mecánico o máquina es una combinación de mecanismos que transforma las velocidades, trayectorias, fuerzas o energías mediante una serie de transformaciones intermedias (Castillo, 2010).

Metodología

Sistema de transporte de película de BOPP (STPBOPP)

El procedimiento para la elaboración del producto se expone a como sigue:

Los contenedores con forma de paleta (7) se van colocando, mediante los operarios, de manera equidistante en un disco que con movimientos pausados pasa desde el llenado simultáneo (sistema de dispensado por medio de un transportador helicoidal) de los mismos con el dulce hasta el sellado independiente (STPBOPP y sistema de sellado) de cada producto. Posteriormente, en la última etapa, se dejan caer dentro de un recipiente adecuado para una cantidad específica.

Para el diseño de esta parte del sistema de dispensado y sellado automatizado, primero se toma en cuenta las dimensiones físicas de rollos de BOPP ocupados para el sellamiento de las golosinas. Posteriormente se considera la torsión generada por el mismo, esto entrega una fuerza resultante necesaria para mover los cilindros sobre los que giran dichos rollos.

Con base a esta fuerza se puede determinar por igual el grosor y el largo del eje necesarios para soportar el peso del rollo.

Lo anterior a su vez da paso al cálculo del engranaje que desplazará los STPBOPP (pues la idea es que el producto sea empaquetado con dos caras de distintas películas de BOPP, una cara en la parte inferior y otra en la superior).

Finalmente, esto conlleva al cálculo de los rodamientos para cada eje sobre el que descanse un rollo.

En forma resumida se proporcionan los datos y los resultados necesarios de los cálculos para esta parte del sistema.

Dimensiones del rollo:

El rollo tiene un largo de 0.13 m, y su masa es de 4.52 Kg.

La torsión resultante de cuatro ejes (portadores de los rollos de BOPP) llega a valer 0.0044951 N·m. La simulación en SolidWorks indica que las dimensiones especificadas para los ejes (17.4 cm de largo y 3 mm de diámetro) es aceptable para las cargas que soporta, incluida la torsión. Véase las figuras 1 y 2.


179

Para este diseño se considera un engranaje recto con geometría de cara involuta para los dientes (esto asegura una relación constante de velocidad angular), de 0.044 m de diámetro de paso o diámetro primitivo; según el sistema ANSI métrico el número de dientes para un módulo de 2 que se adecue al diámetro ya mencionado es de 22, lo que supera el número de dientes mínimos para evitar interferencia en los engranajes para un ángulo de presión de 20° de profundidad total.

El material para el engranaje ,es Acero SISA A2 (through hardened). Estos datos y las cargas estimadas sugieren los siguientes resultados según AGMA:

El esfuerzo de contacto permisible es 103,160 lb/in2 y el factor de seguridad es de 29.750.

El esfuerzo de flexión permisible es 30,579 lb/in2 y el factor de seguridad es de 1,497.

El tiempo mínimo de vida para uno de estos engranes al ritmo de uso desempeñado por la empresa que requiere dicho sistema es de 3 años.

El rodamiento por asignación es el 61800 de SKF; de acuerdo a distintos factores que afectan su vida y mediante el uso de la herramienta de calculador de SKF dicha duración de trabajo abarca más de 10 millones de horas de vida.

Sistema de sellado

Para el sistema de sellado también se consideran cargas, la suma de los componentes que el respectivo servomotor impulsará, no sobrepasen los 2 Kg.

Figura 1. Tensión de Von Mises en eje.

Figura 2. Torsión en eje.


180

Para el desplazamiento vertical del sellador (pues el sellador actúa como una prensa sobre el producto) se incorpora el mecanismo piñón cremallera.

El sellador requiere de poco más de 40 amperios para funcionar adecuadamente.

Los tiempos que se asignan para el proceso de transporte y sellado operan en conjunto con un sistema de sensores y así, se garantiza un adecuado funcionamiento del sistema en general.

El manejo de la resolución del DAC es a través de protocolos de comunicación, como es el SPI.

Así que, para esto se ocupa el microcontrolador Atmel® AVR® ATmega8 que cuenta con este tipo de interface.

La ejecución del movimiento indicado al principio del documento para el cilindro base, es en forma trapezoidal. Por ahora, sólo se incorpora una técnica de aproximación a este tipo de desplazamiento.

Debido a la naturaleza de los dispositivos incorporados en el diseño (son digitales) el seguimiento ideal de una parte de la señal análoga, generada por la aceleración, no es posible, ya que el mejor desempeño tanto del microcontrolador como del DAC (sin considerar los efectos de naturaleza digital posibles del Driver) para dichas aceleraciones, sólo alcanza a reproducir dicha señal (distancia en función del tiempo) de manera segmentada, por efecto de las velocidades constantes.

Esta técnica de aproximación es admisible para aceleraciones reducidas o casi nulas, aun así, requiere de una fuerte optimización (no es lo más adecuado para el control).

Ya que no es posible reproducir la señal de aceleración (distancia en función del tiempo) con exactitud, el diseño sólo se limita a generar una señal que logre alcanzar la misma distancia en el mismo lapso de tiempo en el que lo haría la aceleración. A esta señal, los diseñadores lo llaman, velocidad equivalente (por las razones anteriormente mencionadas).

Si se considera la fórmula para el cálculo de la distancia de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado también se puede observar que al igualarla con la fórmula despejada de la velocidad para la obtención del mismo factor se puede encontrar la velocidad equivalente, basta con realizar un nuevo despeje.

d = (T)(ve) = (a)(T2)/2

Donde

d es la distancia recorrida, m;

ve es la velocidad equivalente, m/s;

a es la aceleración, m/s2.

Al saber por ecuaciones anteriores que la distancia recorrida en 0.75 s de aceleración por el cilindro base es 0.01166653125 m se determina que ve vale 0.015555375 m/s.


181

Lo que es igual a 1.22 rad/s ó 11.650422 rpm.

Al cabo de los 0.75 segundos, la velocidad debe reajustarse a 23.38 rpm por 1.5 s, y finalmente volver a la velocidad inicial durante el mismo lapso de tiempo que al principio, acorde al diagrama de movimiento trapezoidal.

Es necesario señalar que la máxima resolución alcanzable por el DAC es 1 milivoltio, equivalente a 3 rpm en el motor; esto debe ser tomado como referencia para una futura optimización del código que controla dicho motor.

A pesar de todo, cabe destacar que este método puede ser utilizado para los demás motores que forman parte del diseño de la máquina, ya que tienen un comportamiento similar. En realidad, lo único que se vería afectado sería el tiempo que dure en ejecutarse cada paso del proceso.

Es un hecho, señalar también, que, si la película de BOPP rebasase el límite definido para la distancia recorrida, un sensor infrarrojo debe activar una señal (a través de un foto-transistor, por ejemplo) que inhabilite por completo las funciones operativas de los IC que controlan al sistema.

Por obvias razones, este sistema de seguridad activaría de nueva cuenta la operación normal de la maquinaría de dispensado y sellado, una vez que la corrección de la banda se efectuará.

Los motores indicados para la operación en esta máquina junto con sus complementos, así como su etapa de control son:

• BN34HS-25AF-01LSD de Silencer® Series de MOOG • BDO-Q2-50-40 (Etapa de control por señal analógica de los motores). • SE-450-24 de Mean Well (Fuente de poder para cada motor). • TLC 5618A (Convertidor digital a analógico). • ATmega8 (Controlador de sistema). El programa para el control de este sistema de transporte se muestra a continuación. Fue elaborado en AVR Studio 4 de Atmel®. #define F_CPU 16000000UL //Ajuste de reloj principal a 16 MHz. #include <avr/io.h> //Habilitación de entradas y salidas en microcontrolador #include <util/delay.h> //Habilitación de <<retrasos>> void spi_ini_maestro (void) // Subrutina de configuración de SPI { DDRB = (1<<5)|(1<<3)|(1<<2); //Configurar MOSI, SCK y PB2 como salidas SPCR = (1<<SPE)|(1<<MSTR)|(1<<CPOL); //Habilitar SPI, modo maestro, lectura de datos en cada borde descendente de r SPSR = (1<<SPI2X); //Prescaler: Fosc/2 } unsigned char spi_transmision (unsigned char data) // Subrutina de enviar datos {


182

SPDR = data; //Cargar datos while(!(SPSR & (1<<SPIF) )); //Esperar a que se complete transmisión de datos PORTB = 0X24; // Inhabilitar CS y bloquear en High a SCK. } int main(void) // Programa principal { spi_ini_maestro(); //Mandar a llamar subrutina SPI_ini_maestro unsigned char data; //Datos provenientes del transmisor se cargan en este apartado uint16_t x = {110000000000100,}; //Valor inicial que se envia durante la transmisión while(1) { spi_transmision(x); //Enviar <<x>> _delay_ms(750); // Inicia movimiento spi_transmision(x + 4); //sumar 12 rpm _delay_ms(1500); spi_transmision(x - 4); // Reducir velocidad _delay_ms(750); spi_transmision(x - 40960); //Se detiene por un momento _delay_ms(2500); spi_transmision(x + 40960); //Se restituye su valor original } }

El diagrama eléctrico para una configuración básica se muestra en la figura 3.

Este

diagrama de conexión fue elaborado en ISIS Proteus; no contiene el DAC TLC5618A, por tal

Figura 3. Etapa de control de STPBOPP 1 y 2


183

motivo fue sustituido por otro, pero el diagrama de conexión no se ve alterado. Lo único de lo que este convertidor carece es de la segunda salida, la B y tiene de más DOUT.

Sistema de dispensado por medio de un transportador helicoidal

Para materiales Heterogéneos, el diámetro del tornillo será 4 veces mayor que el mayor diámetro de los pedazos a transportar (Rodríguez Galbarro, 2010). Diámetro del hueso = 3cm.

(D.h)(4)= 12cm Diámetro del tornillo = 12 cm.

Paso de la Hélice = 12cm.

La velocidad de giro (n) de los transportadores depende, entre otros factores, de la naturaleza del material a transportar, la velocidad de giro del tornillo suele estar comprendida, con buena aproximación, entre los siguientes rangos:

• Para materiales Pesados n=50 r.p.m. • Para materiales ligeros n = 150 r.p.m.

En la tabla 1 se indica la velocidad de giro recomendada para un transportador de tornillo en función de la clase de material y del diámetro del tornillo (Castillo, 2010):

El área de relleno (S) del canalón que ocupa el material que mueve el transportador, se puede obtener mediante la siguiente expresión:

Tabla 3. Velocidad de giro de la hélice.

Figura 4. Diagrama de función de un transportador helicoidal


184

π · D2

S = λ ·

4

En la tabla 2 se indican los valores del coeficiente de relleno (λ) en función del tipo de carga que transporta el tornillo: (Castillo, 2010)

𝑆 = 19.25𝑚4

La velocidad de desplazamiento (v) es la velocidad con la que desplaza el material en la dirección longitudinal del eje del tornillo. Depende tanto del paso del tornillo como de su velocidad del giro, la siguiente expresión nos permite conocer la velocidad de desplazamiento.

p · n

v =

60

p= paso del tornillo, en m.

n= velocidad de giro del eje del tornillo, en r.p.m.

Por lo tanto, la operación matemática quedaría de la siguiente manera:

𝑣 =(.12m)(70r. p.m)

60

𝑣 = .14𝑚/𝑠

La capacidad de transporte viene determinada por la siguiente expresión que calcula el flujo de material transportado (Miravate & Larrodé, 1996):

Tabla 4. Valores del coeficiente del relleno


185

Q = 3600·S·v·ρ·i

ρ = densidad del material transportado, en t/m3. i = coeficiente de disminución del flujo de material (inclinación del transportador). Por lo tanto, la operación matemática queda de la siguiente manera Q= (3600)(19.25)(.14)(851)

Q=8256.402 t/h

La potencia de accionamiento (P) de un transportador de tornillo sin fin se compone de la suma de tres componentes principales (Chávez E. , 2004), según se refleja en la siguiente expresión: P = PH + PN + Pi

PH = potencia para el desplazamiento del material. PN = potencia para el accionamiento del tornillo en vacío. Pi = potencia para el caso de un tornillo sin fin inclinado.

La potencia necesaria para realizar el desplazamiento horizontal del material se calcula mediante la siguiente expresión:

Q · L

PH (kW) = c0 ·

367

Q = flujo de material, en t/h.

L = longitud del transportador, en m

c0 = coeficiente de resistencia del material transportado.

Para conocer el valor de este coeficiente, se puede emplear la tabla 3 obtenida empíricamente a partir del ensayo con materiales de distinta naturaleza (Castillo, 2010):


186

PH (kW)= 4 ¶4·¸ (.@)7¸¹

P

H (kW)= .359hp

La potencia necesaria para el accionamiento del tornillo en vacío se puede calcular con bastante aproximación mediante la siguiente expresión:

D · L

PN (kW) =

20

Normalmente, el valor nominal de esta potencia es muy pequeño en comparación con la potencia necesaria para el desplazamiento del material del punto anterior.

Por lo tanto, la operación matemática queda de la siguiente manera:

PN (kW)= (>@)(@?)4?

PN (kW)= .28

Ahora calculemos la potencia total necesaria.

P= .359 + .28

P= .639 hp

Conclusión

Como conclusión el equipo puede señalar que se dieron múltiples propuestas a la empresa y finalmente se logró que ellos avalarán una y esta tomó como nombre “Sistema de dispensado y sellado automatizado para la línea de producción”. Cabe destacar, que el proceso de diseño llevó poco más de dos meses y con ello también se puede determinar que se ha generado un diseño adecuado que puede ser implementado dentro de poco, en un lapso planteado por la empresa. El sistema como ya se mencionó fue desarrollándose más y fue contando con aprobaciones periódicas de la empresa, así que este objetivo por tanto también ha sido cumplido.

Tabla 5. Valores de coeficiente de Resistencia del material


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Ya que este proyecto fue avalado, se dividió en tres partes (generación de propuestas, selección de propuesta y desarrollo) que debían ser cumplidas a fin de verificar el carácter de adecuación del proyecto para la empresa; así que si estos tres puntos eran verificados y también aprobados esto indicaba que el proyecto en general había cumplido su propósito en cuanto al diseño, pues este debe ser adecuado para su implementación

Ya en la etapa de desarrollo, el primer punto a tratar, era la generación de un sistema adecuado y este sistema consto de dos partes a nivel general que es dispensado, cuyo principal componente es un tornillo sinfín que es el que transporta el producto hasta el empaquetado de la golosina y su envoltura. En cuanto al dispensado, la empresa aprobó el uso de un tornillo específico mediante revisiones continuas de otros sistemas parecidos al propuesto

El segundo punto a verificar consiste en el sellado, para el sistema de sellado también se logró generar una configuración de sistema capaz de producir lo que la empresa demanda; en cuánto a este logro siendo un más específico el sistema de sellado puede dispensar 7 golosinas cada 3 segundos y sellarlas en un lapso equivalente a 2 - 3 segundos. El sistema de sellado se compone de una parte individual para cada cuchara consistente de su propio sellado y corte para su posterior reubicación en contenedores. Así que esa fue la solución para resolver el problema de la producción de 7 golosinas cada 7 segundos que es el promedio de generación de productos por parte de los operarios de la empresa. En cuanto al dispensado también es un llenado simultáneo por parte del transportador helicoidal así que está también es la solución a esta problemática. Es así como se logró solucionar los anteriores problemas en cuanto al diseño.

El o los autores del presente artículo autorizan al Instituto Tecnológico de Monterrey para publicar el escrito en su respectiva Revista. El Instituto o los editores no son responsables ni por el contenido ni por las implicaciones de lo que se expresado en el escrito

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CONVERSIÓN DE UN SISTEMA DE PRODUCCIÓN POR LOTES A “ONE-PIECE FLOW” CON LA APLICACIÓN DE HERRAMIENTAS DE LEAN MANUFACTURING

González-Hernández, Cecilia Fernanda1; Sánchez-Balderas, Nora Cecilia2; González-González, Alejandro3; Hernández-Rodríguez, Felipe4; Galindo-Cota Edber5

1,2,3,4,5 Tecnologico de Monterrey, Campus Saltillo.

Prolongación Juan de la Barrera # 1241 Ote, Colonia Cumbres, Saltillo, Coahuila

1 [email protected], 2 [email protected],

[email protected], 4 [email protected], 5 [email protected]

RESUMEN

Este artículo describe la implementación de distintas herramientas “Lean” con la finalidad de transformar una línea de producción por lotes a un ambiente de producción continua como “One-Piece flow”. Para demostrar los beneficios de la transformación se propone un caso de estudio aplicado en una línea de ensamble de cajas de acero inoxidable y galvanizado para centros de carga, donde se contrastan y discuten las métricas relacionadas con el rendimiento del sistema. A través de la metodología de Lean Manufacturing e investigando las fallas potenciales para la línea de ensamble se busca corregir el problema de cumplimiento con la demanda diaria y producir artículos de calidad. A lo largo del documento se mencionan las actividades realizadas, como la colocación de una línea móvil, implementación de kanban, programación de andón, así como el rebalanceo de línea y reducción del tiempo de cambio de modelo, para así tener una mejora en el flujo del producto y reducir los tiempos de entrega. Como resultado del proceso de transformación, la empresa experimentó un aumento en la productividad, una reducción del tiempo de producción y del WIP (Work In Process), además de un menor tiempo de preparación y el aumento de la proporción de VA/NVA.

PALABRAS CLAVE: Lean, Sistema Andon, Takt Time, One piece flow, línea móvil, kanban

ABSTRACT:


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Lean Manufacturing is a business processes philosophy that allows companies to be more competitive and attractive by reducing or eliminating the 7 wastes (overproduction, inventory, waiting, motion, transportation, rework and over processing). This paper describes the implementation of lean manufacturing tools in a production line in order to transform this main assembly line from batch production to a more adequate “One Piece Flow” production. In order to show the benefits that this change of production system brings, there was a study case within an assembly line of steel boxes for electrical loadcenters. Following the lean manufacturing methodology, the flaws and problems in the assembly line were identified in order to optimize the production of the line and achieve the daily products demand of the customers, which was unable to be done before the application of the “Lean tools”. Along the lines of this document there are some of the main activities that were done including the implementation of a moving line, Kanban systems and an andon program, these implementations allowed the rebalancing of the line, increased the Value added time VS Non Value added time Ratio and improved the production flow and the ergonomics of the assembly line. As a result the company increased the daily production while also reducing the downtime, setup time and WIP (Work In Progress) within its processes.

INTRODUCCIÓN:

La creciente demanda de sistemas de producción eficientes en la industria manufacturera ha permitido la generación de estrategias de mejora continua que facilita reducir tiempos de producción, mejorar la calidad de los productos, reducir desperdicios, entre otras.

La idea principal de la estrategia one-piece flow o flujo continuo es maximizar el valor mientras se reducen desperdicios, es decir crear más valor para los clientes usando menos recursos, minimizando problemas de stock, material acumulado, tiempos muertos y exceso de inventario (Protzman, 2015). En contraste, el procesamiento por lotes crea un gran número de productos o trabaja en un gran número de operaciones a la vez, mandándolos todos a la vez a través de cada proceso (Liker, 2004). La metodología de Lean Manufacturing17 fue creada en 1990 con la finalidad de mejorar un proceso determinado con reducción de desperdicios y mejora de calidad, esto con la intención de que el tiempo de producción y el costo de creación se reduzcan y las actividades que no agregan valor al producto sean eliminadas (Ortiz, 2008). Este modelo de gestión fue diseñado y basado en la compañía TOYOTA (Liker, 2004); con la implementación de las herramientas Lean se busca crear una cultura en toda la planta con la meta de incrementar la velocidad de respuesta en todos los procesos.

En (Brown et al., 2006) se describe una transformación similar, donde se tomó en cuenta el paso de una producción por lotes a un aplicación de Lean manufacturing. La demanda requerida para la línea de ensamble en estudio era de 140 unidades por dia de las cuales se cumplia sólo con el 75.7%, lo que significa una producción de 106 unidades por día. La velocidad de producción original era de 21.3 minutos para producir una caja, lo que significa 6 veces más que el tiempo de 17 En manufactura la palabra “Lean” se refiera a la descripción de una empresa que está libre o busca eliminar lo más posible los desperdicios o ineficiencias con el mínimo de recursos necesarios.


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procesamiento ideal para producir cada una según el estudio de tiempos. Las herramientas implementadas buscan modificar la línea de ensamble, ajustarla para tener la habilidad de poder producir cajas de diversos modelos y tamaños sin que estos cambios afecten de manera considerable al proceso y que el flujo de la línea sea constante, es decir producir one-piece flow.

Se sabe que la eficiencia y la competitividad son vitales para asegurar el éxito de una empresa, la filosofía de Lean ayuda a cumplir con las metas establecidas, lo primero que se busca hacer es que las personas se familiaricen con el término de la filosofía para poder entender y gestionar las herramientas con la finalidad de que todos los procesos mejoren, aumenten valor y ayuden a poder entregar un producto con calidad y en la fecha establecida.

METODOLOGÍA:

La metodología utilizada es Lean Manufacturing donde se habla de un modelo de gestión enfocado a la creación de flujo para poder entregar el máximo valor para los clientes, utilizando para ello el mínimo recurso posible. Con el objetivo de reducción de los desperdicios en productos manufacturados. A continuación se describen los elementos de Lean implementados durante la transformación:

Tiempo de espera.

El proceso de creación del modelo antes de llegar a la línea de ensamble se realiza en el área de fabricación, la cual debido a la falta organización en el proceso toma mucho tiempo de espera durante el cambio de modelo. También, se tiene el caso de cómo la línea no está balanceada con respecto al Takt Time18 y Cycle Time19, ya que se tiene tiempo de espera entre surtimiento de sub-ensamble o el flujo no es continuo en la línea principal. Para ello se tomó la acción de organizar la producción entre el área de fabricación y ensamble para que al momento que empiece el turno, la línea corra sin ningún problema ni falta de material y se tomaron tiempos para balancear la línea con el propósito de que no haya más carga para algunos operadores ni tiempos vacíos.

Inventario.

En la línea de ensamble descrita no se tenía un inventario para los materiales que se utilizan. Alrededor del área de trabajo se tienen cajas donde el surtidor coloca el material, algunas de las cajas exceden sus capacidades con unidades sin utilizar, otras no tienen material y otras cajas no están bien identificadas o simplemente no están identificadas. Para ello hubo una solicitación de un rack exclusivo para un determinado proveedor con la cantidad específica dependiendo de la demanda y todo el material que se necesitaba. Así, para el material grande que llega del almacén

18 El Takt Time, se calcula dividiendo el tiempo disponible para trabajar entre la cantidad de piezas a producir por día.19 El Cycle Time se define como el tiempo en el que se llevan a cabo todas las operaciones del proceso.


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se tiene un rack con su demanda específica y los bines20 se identificaron correctamente. Todo el material excesivo fue eliminado de entre las operaciones y fue reubicado en una sola área con el nuevo diseño del layout.

Rebalanceo de línea.

El mapa del proceso presentaba desperdicios considerables en cuanto al tiempo perdido entre operaciones u operaciones sin valor agregado, donde se tenía muchos movimientos que no tenían importancia. Se redujeron los elementos de NVA, considerando movimientos y actividades innecesarias gracias a la toma de tiempos y rebalanceo de la línea en el contexto de diseño del trabajo.

Kanban

Es una palabra proveniente de Japón que significa tarjeteo visual, es un sistema basado en señales que controla la fabricación de los procesos que se deben llevar a cabo en las empresas. Básicamente consiste en utilizar tarjetas que se pegan en los contenedores utilizados, esto muestra alguna necesidad del material y exige la reposición del mismo. Actualmente utilizan otros símbolos de alerta, marcadores, imanes, pelotas, carros vacíos, etc. Esta metodología fue inventada por Toyota ante la necesidad de mantener niveles altos de producción (Sundar, 2014).

5s

Es una metodología para organizar el trabajo de una manera que minimice el desperdicio, asegurando que las zonas de trabajo estén sistemáticamente limpias y organizadas, mejorando la productividad, la seguridad y proveyendo las bases para la implementación de procesos esbeltos. (Moral Monclús, 2009)

Las 5´s21 han tenido una amplia difusión y son numerosas las organizaciones de diversa índole que lo utilizan, tales como: empresas industriales, empresas de servicios, hospitales, centros educativos o asociaciones.

Los cinco aspectos que componen esta filosofía son seleccionar, organizar, limpiar, estandarizar, mantener.

Visual management

20Un bin es un contenedor de almacenamiento, varía de material y de capacidad, estos bines fueron de plástico y utilizados para almacenar tornillería 21 Se les llama 5´s por sus palabras en japonés seiri, seiton, seiso, seiketsu, shitsuke que corresponden al español seleccionar, organizar, limpiar, estandarizar, mantener, respectivamente


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Consiste en una serie de técnicas para crear un ambiente de trabajo con mucha más comunicación, control y efectividad. Las ventajas de este método son la comunicación, eliminación de desperdicios, respuesta rápida, prevención y mantenimiento para evitar paros y/o cortos por material.

Esto representa problema principal en esta línea de ensamble, ya que no existía información accesible y esto causaba confusión entre los distintos departamentos.

Sistema andon

Este sistema es una herramienta visual y auditiva que permite saber el estatus del proceso, en este caso la línea de ensamble, si algo estaba mal y la línea estaba parada este sistema visual se enciende y alerta a los responsables para que brinden el soporte adecuado y poder reanudar actividades. Si el problema no es resuelto en un determinado tiempo se escalaría el rango de avisos hasta llegar a la gerencia general, por medio de un correo se explicaría porque la línea está parada, quien es el responsable y cuánto tiempo tiene el paro.

Pareto

Un diagrama de Pareto es una representación gráfica de datos ordenados de orden descendente, este permite asignar prioridades y observar cuales son los principales aspectos que elevan los promedios para poder tomar una decisión correcta dentro de una organización. Este diagrama facilita el estudio de principales causas que afectan un determinado problema. Una vez hecha una gráfica de este tipo se observa que el 80% es representado por las causas más críticas del sistema y son en las cuáles se debe enfocar para atacar primero.

Value stream map

Esta herramienta visual de Lean Manufacturing denominada como VSM permite identificar todas las actividades involucradas en la planeación, programación y fabricación de productos dentro de las empresas, con el fin de encontrar cuáles son los puntos que cuestan tiempo en exceso al realizarse y buscar la manera de eliminar esos excesos. En el gráfico 1. VSM situación actual, se puede ver detalladamente datos específicos de las operaciones de trabajo, como el takt time, la cantidad de operadores, el tiempo de tránsito desde que inicia la operación hasta que se embarca. Con esta metodología se busca una calidad perfecta, eliminar actividades que no agregan valor al producto, una mejora continua en la línea, tener un proceso pull y tener las cosas, en su lugar, momento, calidad correcta y siempre estando abierto al cambio.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

Realizar un VSM, es una de las actividades más complejas de un proyecto, se deben tener datos de las diferentes áreas de la planta, saber interpretarlos y expresarlos en este mapa. Al inicio del proyecto no se contaba con un VSM para el área en la que se comenzó a trabajar, se realizó un


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VSM con la información relacionada con la situación original, para poder observar los principales puntos críticos del proyecto y saber qué mejorar.

Figura 1. VSM situación original

Como se puede observar en la figura 1, se detectaron 3 puntos de suma importancia en el proceso, estos indican que son las situaciones que se deben atacar primero; la falta de comunicación entre los diferentes departamentos fue uno de los principales acontecimientos que hacían parar la producción, el método de comunicación entre el área de programación, materiales, fabricación y ensamble era deficiente. El segundo problema a resolver fue el tiempo que los sub-ensambles reaccionan ante el cambio de modelo. En tercer lugar, la falta de material fue un factor que causaba problemas, este se le atribuye al departamento de compras y a la falta de comunicación, como ya se mencionó anteriormente.

Análisis de paro de línea.

Con la finalidad de atacar las causas principales que provocan que la línea pare constantemente se realiza una gráfica de pareto en la cual se registran todos los motivos, y la tarea en esta actividad fue atacar de raíz estas fallas.


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Figura2. Causas principales por paros de línea

En la figura 2 se pueden ver cuáles son los motivos por los que la línea para más tiempo, con este resultado se toma la siguiente acción:

Se realizó la implementación de un pizarrón mostrado en la figura 3, en el cual los encargados de cada una de las áreas involucradas deberían de estar presentes, esto con la finalidad de que día siguiente se pudiera correr la línea sin tener algún faltante.

Figura 3. Visual management


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El principal problema de las fallas es la falta de comunicación entre las áreas de fabricación, materiales, y ensamble por esta razón para atacar este problema se convoca una junta de personal antes de finalizar el turno para aclarar pendientes y saber si se cuenta con todo lo necesario para poder correr un determinado número de parte. Con esta implementación se logró una reducción de tiempos de 3.897 horas a 2.62 horas, lo que indica que se redujo en un 32.76% el tiempo en paro de línea.

Implementación de línea móvil.

La finalidad de hacer que una línea se mueva a “One-piece flow” es reducir el “Working in process”, así como bajar los niveles de stock que se encuentran en planta. Para hacer posible el proceso de una pieza a la vez fue necesario minimizar los tiempo de cambio (SMED), maximizar la eficiencia de los equipos (OEE), asegurar que el material de fabricación llegue justo a tiempo para poder producir la cantidad necesaria especificada en el plan maestro de producción, así como reducir las distancias del proceso.

Una cinta transportadora es un sistema de movimiento continuo formado por una banda que se mueve entre dos tambores, con esta implementación se logra reducir el tiempo de cycle time en todos las familias de productos de la línea de ensamble. Para poder cumplir con el takt time de la empresa que es de 231 segundos se decidió realizar la implementación de una línea móvil, la línea de ensamble estaba apta para este tipo de dispositivo debido a que el producto que se realiza son unidades de tamaño pequeño, esta línea fue adecuada para cada uno de los diferentes modelos, esto debido a que el cycle time de los modelos varía de uno a otro esto relacionado con la complejidad del producto, de igual forma se necesitan más componentes en ciertos tipos de modelo, la línea está adecuada para que cuando cambie de modelo, la banda corra al cycle time indicado dependiendo del producto especificado.

Para poder decidir si la implementación del one-piece flow es indicado debemos de reconocer cuales son los defectos del sistema de producción en lotes que se utiliza para saber si la estrategia aplicada producirá un cambio importante y relevante. La producción en lotes hace que el “lead time” es decir el tiempo desde que una pieza es pedida hasta que se entrega al cliente sea mayor. Este tipo de producción demanda una gran cantidad de espacio para poder tener el banco de materia terminada. La cantidad de scrap producida es considerable debido a que si un error se detecta cuando ya se estaba produciendo el lote la cantidad de material que es defectuoso es mayor. En la tabla 1 se pueden observar características específicas de la producción en bloques y de la producción “una pieza a la vez”.

Para comenzar con el proceso fue necesario decidir cuáles productos o familias de productos iban a ser incluidas en la celda de trabajo, debido a que los tiempos de ciclo no son iguales para los modelos se implementó un documento de “rates” en el cual dependiendo del requerimiento solicitado por parte de planeación se calcula el personal necesario para cumplir con esta demanda dependiendo del modelo y de la cantidad requerida. Con esta implementación se logró atacar el métrico del lead time, reduciendo de 29 horas a 12 horas lo que equivale a un 58.62%.


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Característica Producción en lotes “One piece flow”

Cálculo de capacidad

Unidades producidas por hora.

Tiempo que tarda el operador menos capacitado en producir una pieza.

Tipo de operación Las personas en la estación están sentadas debido a que el material se encuentra apilado en las estacione.

Las personas se encuentran de pie, debido a que el flujo de operaciones es continuo.

Método de ensamble

Se va ensamblando por partes el producto.

El producto no puede pasar la siguiente estación hasta que esté completo.

Tipo de layout Layout es una línea recta.

Layout en forma de U con sub-ensambles perpendiculares al ensamble general.

Tabla 1. Tabla comparativa entre sistemas de producción

a) b)


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b) Figura 4. a) Área de trabajo situación anterior, b) Área de trabajo situación actual

Con esta línea móvil se logran reducir riesgos de ergonomía, debido a que las personas ya no deben cargar los productos, estos se mueven a lo largo de la línea sin algún esfuerzo humano. La seguridad es una prioridad para toda empresa es por esto que para poder realizar la implementación se debió verificar que el área fuera segura para los trabajadores, aunado a esto se pusieron guardas a lo largo de la banda para evitar algún tipo de atrapamiento.

Modificación layout

Con la intención de poder realizar la implementación de la línea móvil fue necesario adecuar el layout en forma de que el flujo de las operaciones se pudiera realizar de forma continua, de igual forma se requería un layout en el que el surtido de material fuera de forma adecuada por parte del almacén.

Antes de los cambios los sub-ensambles se encontraban de forma perpendicular a la línea general, esto provocaba que las estaciones contarán con un espacio muy reducido, de igual forma los trabajadores acumulaban excedente material en cajas y ocultaban este material para cuando fuera necesario usarse, se tenía en la línea un WIP de aproximadamente 2 días, este material estaba centrado en un espacio que había entre la línea principal y los sub-ensambles, de igual forma los espacio entre cada uno de los sub-ensambles eran de menos de .98 mts, lo cual era una condición insegura para los trabajadores. Se decidió por estas razones hacer un cambio de layout moviendo los sub-ensambles de forma paralela a la línea general para que el surtido de material fuera directo, y la comunicación entre estaciones se fortaleciera.

Debido a este cambio se logró bajar el métrico de line set-up de 40 min a 12 min lo que significa una reducción del 70% y el espacio aumentó en un 54.51%. El cambio le produjo una mejoría notable a la línea en cuanto “visual management”, como se puede apreciar en la figura 5, ahora el material se encuentra distribuido, tenemos más espacios para los sub-ensambles, ya no hay forma de que se quede material guardado ya que ahora sí es visible.

a) b)

Figura 5. a) Área de trabajo situación anterior, b) Área de trabajo situación actual


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Sistema Andon

Este sistema se caracteriza por el tiempo corto de respuesta que existe ante cualquier situación que esté afectando la línea de producción, para este proyecto se instaló un sistema andon en la línea de ensamble en la cual se le atribuyeron los paros a 4 departamentos distintos; calidad, mantenimiento, fabricación o almacén, estos departamentos involucrados fueron seleccionados gracias a la gráfica de pareto que nos arrojó las 4 causa principales de para de línea.

Cuando había algo interfiriendo con la producción de la línea, se accionaba el departamento correspondiente e inmediatamente inicia una alarma sonora y una visual para alertar que hay un problema. En primera instancia se le avisa al supervisor del área y al responsable del departamento a solucionar el problema, quienes tienen 15 minutos para estar al tanto y tomar decisiones de cómo solucionar este problema, si nuevamente en 15 minutos aún no se da una solución al problema, se escala la situación hasta llegar al gerente de producción y nuevamente, del departamento correspondiente. La figura 6 muestra la implementación del sistema Andon.

Figura 6. Sistema andon implementado

Este sistema agiliza la resolución de los problemas, ya que alerta a todos los involucrados del proceso. Apoya a evitar que el empleado pierda tiempo de producción buscando a los responsables para que resuelvan el problema y proporciona datos exactos sobre cuánto tiempo está la línea detenida para futuros análisis y programación de mantenimiento del mismo sistema. Facilita el trabajo de los supervisores y destruye hábitos que no permiten optimizar las áreas de trabajo.


200

Exceso de material

Como se había hablado anteriormente, uno de los principales problemas era el exceso de materias que se encontraba en la línea, esto generaba un problema muy grande ya que mucho de este material no se corría de manera frecuente, si no que se tenía programado y por falta de algún otro número de parte de dejaba ese modelo a un lado y se continuaba con otro, esto poco a poco fue generando un WIP hasta de 2 días. La figura 7 muestra el estado original del exceso de material.

Figura7. Situación inicial del exceso de material

De acuerdo a la metodología de 5´s se seleccionó cuál era el material que se debía tener en la línea para correr continuamente, se organizaron los racks de material de acuerdo al uso frecuente que se tenía, se regresó al almacén todo el inventario de material que se tenía alrededor de la línea de ensamble y para mantener este espacio limpio se creó un sistema de Kanban para el surtimiento de la línea, así se evitó que el problema de material en exceso volviera a existir.

Como se puede observar en la figura 8 después del reacondicionamiento, había una gran cantidad de racks con material no identificado y en una ubicación que no correspondía, eran 170 ft2 que se redujeron a 75.96 ft2, esto generó un cambio en el WIP de 0.75 días a solamente 0.25 días, esto representa un cambio del 66.7%.

Figura 8. Situación actual del exceso de material aplicando 5’s


201

VSM final

La figura 9 corresponde al VSM final que representa al sistema después de todas las mejoras aplicadas, como se puede observar se redujo el Lead Time de 29 horas a 12 horas, además, se puede apreciar el cambio que hay en el valor agregado, anteriormente había, 845 segundos y se disminuyó a 516. 85 segundos, generando un cambio en el porcentaje de proporción de VA/NVA inicial de 0.81% a 0.98%.

Figura 9. VSM situación final

CONCLUSIONES:

La correcta aplicación de las herramientas “Lean” han brindado el beneficio de poder reducir tiempos de cycle time, el lead time del proceso y la reducción de desperdicios. Estas herramientas hacen posible la obtención de ventajas competitivas, reducir costos y maximizan los recursos de las compañías. Las aplicaciones de dichas herramientas son infinitas y como se observó en este caso, se lograron beneficios cuantificables para la empresa, además de educar en los trabajadores e involucrados a una cultura de cero desperdicios, alta calidad y mejora continua. One piece flow es uno de los principales conceptos de la manufactura esbelta (Lean Manufacturing). Es por esto que se decidió implementarlo en el caso que se acaba de mencionar y así optimizar la línea de ensamble. A pesar de que esta metodología no puede ser aplicada a todos los procesos de la línea de ensamble, se buscó la implementación en la línea principal de para asegurar el flujo continuo y óptimo de las piezas a ensamblar. Esto tuvo como consecuencia la reducción drástica del WIP


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(Work In Progress), lead time en la línea de ensamble y también el aumento en la calidad de los productos ensamblados. La implementación de este concepto mejoró también el tiempo de preparación en los cambios de modelos, la ergonomía de los operadores de la línea y el flujo de los materiales a través de la línea

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203

ESTUDIO DE LOS SERVICIOS BÁSICOS DEL MUNICIPIO DE SANTA BÁRBARA, CHIHUAHUA 2016

Karla Cecilia Bustillos Duran* [email protected]; Arwell Nathán Leyva Chávez* [email protected] (Autor de Correspondencia);

Julio César López Díaz* [email protected]; Silvia Amanda García Muñoz* [email protected]

* Facultad de Ciencias Agrotecnológicas de la Universidad Autónoma de Chihuahua Campus I Tel. (614) 4391844

Resumen

Esta investigación recopila datos de la población del municipio de Santa Bárbara derivados del Plan de Desarrollo Municipal (PDU), en donde se observó que los servicios básicos es uno de los temas que carece de información al respecto y por tanto existe incertidumbre para la toma de decisiones. El objetivo de este estudio, de carácter descriptivo, fue determinar si existe deficiencia en los servicios públicos de energía eléctrica, agua potable y drenaje. Los datos fueron recabados principalmente a través de los sitios web del Consejo Nacional de Población (CONAPO), Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), Instituto Nacional para el Federalismo y el Desarrollo Municipal (INAFED), Integración Territorial a nivel Localidad (ITER). Esta información fue utilizada para analizar y comparar la percepción de la población con relación a los datos reales. Los resultados muestran que no existe un rezago de abastecimiento en los servicios básicos.

Palabras clave: servicios básicos, percepción, regresión lineal, correlación, geo- referenciación.

Introducción

La existencia de rezago al disfrute de bienes y servicios mínimos necesarios para el bienestar de la población, tiene una expresión regional asociada a dificultades de acceso en zonas de terreno difícil, lo que conlleva a una exclusión social de las localidades rurales, tal es el caso del municipio de Santa Bárbara, el cual es uno de los 67 municipios de Chihuahua que se encuentra situado al sur de la entidad, y donde se localiza también la ciudad más antigua a nivel estatal que lleva el mismo nombre. El municipio de Santa Bárbara tiene 49 localidades de las cuales 48 son rurales y una superficie de 347.89 kilómetros cuadrados, lo cual representa el 0.17% del estado (INAFED, 1998

Población


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Del total de la población municipal 5244 son mujeres (50.29%) y 5183 son hombres (49.70%), lo que en relación a la población total del municipio representa 0.3% de los 3’406,465 habitantes que conforman la estructura demográfica estatal (figuras 1 y 2).

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1980, 1990, 1995, 2000, 2005 y 2010, Tabulados Básicos, Población.

Figura 1. Población de Santa Bárbara (1980-2010).

Fuente: INEGI. Censos de Población y Vivienda, 1990, 2000 y 2010. Conteo de Población y Vivienda 2005. Nota: La tasa se calculó con el modelo geométrico. Cifras correspondientes a las siguientes fechas censales: 12 de marzo (1990); 5 de

noviembre (1995); 14 de febrero (2000); 17 de octubre (2005) y 12 de junio (2010).

Figura 2. Comparación de tasa de crecimiento poblacional municipal-estatal.

Tasa de crecimiento de la población 4.

0

2.7 2.

0 2.3 1.

8 1.0

1.2 1.

0 0.0

0.0

0.6 199

5 2000

2005

2010

Chihuahua

Santa Bárbara


205

En el periodo 2000-2005, la tasa de crecimiento media anual estatal fue de 0.1% y para el 2010 llegó al nivel de 3.3%, colocándose por debajo del indicador estatal que corresponde al 1.0 por ciento.

Proyecciones de población

El Consejo Nacional de Población, de acuerdo a sus proyecciones de crecimiento para el 2030, prevé que la población en el municipio de Santa Bárbara llegará a los 12,167 habitantes (tabla 1).

Tabla 1. Proyecciones de la población 2015-2030.

Proyecciones de población 2015-2030 Año Estado de Chihuahua Santa Bárbara 2015 3,710,129 11 229 2016 3,746,281 11 307 2017 3,782,018 11 382 2018 3,816,865 11 455 2019 3,850,428 11 524 2020 3,882,739 11 589 2021 3,914,404 11 652 2022 3,945,972 11 714 2023 3,977,085 11 775 2024 4,007,711 11 835 2025 4,037,778 11 894 2026 4,067,186 11 952 2027 4,095,910 12 007 2028 4,123,949 12 062 2029 4,151,277 12 115 2030 4,177,815 12 167

Fuente: Consejo Nacional de Población. (31 de agosto de 2007). Proyecciones de la Población de México 2005-2050.

A su vez, la población total del Estado alcanzará en ese mismo año poco más de 4 millones.

La importancia de las proyecciones de población radica en la necesidad de contar con escenarios a corto y mediano plazos sobre el volumen, estructura y ritmo de crecimiento de la población, con la finalidad de hacer previsiones sobre sus necesidades en un periodo determinado. En la elaboración de cualquier proyección es necesario analizar el comportamiento demográfico de la población en el pasado reciente, con el propósito de establecer tendencias y proponer supuestos


206

que describan un comportamiento futuro factible.

Localidades

La manera en que se ha distribuido la población en las localidades del municipio de Santa Bárbara obedece a sus particularidades económicas y sociales, con lo que se han propiciado significativos contrastes que han impedido un equilibrio en el desarrollo regional. La mayor cantidad de población del municipio se concentra en solo tres localidades: Santa Bárbara que cuenta con 8765 habitantes, Punto Alegre que tiene 440 habitantes, y Corral de piedras que cuenta con 406 habitantes. De lo anterior observamos que 92% de la población del municipio se concentra en localidades con perfiles rurales. Las personas asentadas en estas localidades con importantes centros económicos e industriales, representan 0.28% en la geografía total del estado de Chihuahua.

En el municipio existen dos localidades con una población superior a los 65 habitantes, a saber: Casa Colorada (Francisco I. Madero) con 70 habitantes y Empalme Aguilera con 68 habitantes. La población de estas dos localidades conforma el 1.32% de la población del municipio.

La concentración de la población en localidades urbanas y grandes ciudades es uno de los fenómenos demográficos más importantes de los últimos años que no es privativo del estado de Chihuahua. En general, es un asunto que se reproduce en diversas latitudes del país y del mundo. De acuerdo a resultados del Censo de Población y Vivienda 2010, se observa una presencia de población en localidades de 500 mil y más habitantes en las que residen 2 de cada 3 habitantes del estado, perfil que obedece, como se ha señalado, a factores de carácter geográfico, económico, social y cultural. Por su parte, los resultados del II Conteo de Población y Vivienda del año 2005, presentaron la misma proporción (INEGI, 2006).

El bajo ritmo de crecimiento de la población durante el año 2010 en algunas localidades de las zonas rurales se puede explicar como consecuencia de la migración principalmente de las localidades rurales hacia las urbanas. Dicha migración resulta de la insuficiencia de medios de subsistencia adecuados en las áreas rurales, empleos bien remunerados, así como también de la búsqueda de más y mejores oportunidades de educación, trabajo y esparcimiento, por citar algunas.

Población rural y urbana en las localidades

Para el año 2010 el municipio de Santa Bárbara registró un total de 49 localidades en las que habitan 2557 personas. El 2.1% de la población habita en 4 localidades de menos de 100 habitantes, proporción que representa la población no urbana, mientras que se identifican solo tres localidades superiores a los 400 habitantes: Santa Bárbara con 8765 y Punto Alegre con 440 y Corral de Piedras con 406 habitantes. En conjunto, estas tres localidades concentran al 83% de la población municipal.


207

Tabla 2. Población por localidad 2010 (municipio de Santa Bárbara, Chihuahua).

Localidades Número de habitantes

Santa Bárbara 8765

Punto Alegre 440

Corral de Piedras (Cenzontle) 406

San Pedro (Ejido San Rafael) 165

Casa Colorada (Francisco I. Madero) 70

Empalme Aguilera 68

Localidades de una vivienda 62

Cabras 59

Santa Rita (Noriega y Anexo) 59

El Granillo 56

Santiaguito 47

Resto de las localidades 222

Fuente: Instituto Nacional de Estadística y Geografía. (9 de marzo de 2011). Censo de Población y Vivienda 2010, Censo de población y vivienda 2010.

Servicios básicos municipales

El servicio de agua potable consiste en el conjunto de actividades que tienen por objetivo llevar agua libre de contaminantes, ya sean físicos o químicos, con características de calidad que le permitan ser ingerida y utilizada para fines domésticos, sin que existan riesgos para la salud. La provisión del agua potable debe ser uniforme y continua. Los sistemas de abastecimiento de agua potable son complejos, integrados por un conjunto de componentes (Municipal, 2015).

El drenaje y alcantarillado es uno de los principales servicios públicos proporcionados por los municipios. Éste consiste en la disposición final de las aguas residuales generadas en el municipio por medio de una red de recolecta y su conducción hacia el sistema general de desagüe en donde se le trata o desaloja. La estructura básica de un sistema de drenaje consiste en un sistema de caños o tubería que capta el agua de las redes de uso doméstico y de alcantarillado para realizar desalojo de desechos (Municipal, 2015).

El servicio público de energía eléctrica es aquella actividad técnica destinada a satisfacer la necesidad de carácter general consistente en general a conducir, transformar, distribuir y abastecer de energía eléctrica, cuyo cumplimiento, uniforme y continuo, debe ser permanente asegurado, regulado, y controlado por el poder público, con sujeción a un régimen de derecho


208

público, para aprovechamiento indiscriminado de toda persona (Salas, 2005).

Según datos de SEDESOL (2010) en su diagnóstico de alternativas de la población rural en pobreza para generar ingresos sostenibles, particularmente en el ámbito rural, la deficiencia de los servicios básicos comprende temas relacionados con la geografía, la cultura, la historia, los mercados y las políticas públicas. De manera que en México, las zonas rurales abarcan más del 80% del territorio del país y alojan aproximadamente a 38 millones de personas, es decir, el 36% de la población total. Los municipios con mayor pobreza se encuentran ubicados en zonas montañosas y de difícil acceso, lo que encarece la construcción de infraestructura y el suministro de servicios públicos.

De acuerdo con los cálculos del CONAPO, tres de cada cuatro localidades rurales tienen un alto o muy alto grado de marginación y en ellas reside 61% de la población rural.

La tabla 3 presenta el número de viviendas y superficie por Km² de las localidades del municipio de Santa Bárbara.

Tabla 3. Número de viviendas y superficie por Km²

Población

T

otal de viviendas

Total de viviendas habitadas

Superficie Km²

m² Santa Bárbara 8

765

2939

2472

0.00251644

2516.44

Punto Alegre 440

128

113

0.00066023

660.23

Corral de Piedras (Cenzontle)

406

118

103

0.0004572

457.2

San Pedro (Ejido San Rafael)

165

61

49

0.00058484

584.84

Casa Colorada (Francisco I. Madero)

70

42

21

0.00024573

245.73

Empalme Aguilera 68

33

25

0.00019502

195020

Cabras 59

24

16

0.00006825000

68250

Santa Rita (Noriega y Anexo)

59

28

18

0.00010546

105.46

El Granillo 56

14

13

0.000214618

214618

Santiaguito 47

12

10

0.0002989

298.9

Alamito 70

31

18

0.000331054

331054

Resto de las localidades

222

Localidades de una vivienda

62

Fuente: INEGI (Agosto de 2010). Inventario nacional de vivienda (Datos calculados 2015).

La marginación en los asentamientos rurales tiende a aumentar conforme se alejan de asentamientos humanos mayores y de las vías de comunicación añadiendo a esto la ubicación geográfica correspondiente a cada localidad, como es el caso de las localidades en el municipio de Santa Bárbara donde corresponde a la zona montañosa, de la Sierra de Santa Bárbara colindando ésta con el estado de Durango.


209

La tabla 4 presenta el suministro de servicios básicos por Km² de las localidades más habitadas de Santa Bárbara.

Tabla 4. Suministro de servicios básicos por Km² de las localidades más habitadas.

Drenaje

% Suministro/km²

Agua potable

% Suministro/km²

Energía eléctrica

% Suministro/km²

2257

91.3

1.1E-06

2211

89.4

1.13815E-06

2282

92.31

1.1E-06

103

91.15

6.4E-06

111

98.2

5.94802E-06

112

99.11

5.9E-06

92

89.3

5.0E-06

101

98.1

4.52673E-06

103

100

4.4E-06

19

38.8

3.1E-05

46

93.9

1.27139E-05

46

93.87

1.3E-05

12

57.1

2.0E-05

20

95.2

1.22865E-05

21

100

1.2E-05

22

88.0

8.9E-06

25

100.0

7.8008E-06

25

100

7.8E-06

14

87.5

4.9E-06

16

100.0

4.26563E-06

15

93.75

4.6E-06

17

94.4

6.2E-06

3 16.7

3.51533E-05

18

100

5.9E-06

7 53.8

3.1E-05

13

100.0

1.65091E-05

13

100

1.7E-05

4 40.0

7.5E-05

6 60.0

4.98167E-05

9 90

3.3E-05

17

94.4

1.9E-05

16

88.9

2.06909E-05

18

100

1.8E-05

Fuente: INEGI (Agosto de 2010). Inventario nacional de vivienda (Datos calculados 2015).

Se requiere recopilar información y plantear escenarios sobre el volumen, ritmo y necesidades de la población, con la finalidad de establecer tendencias a futuro para el mejoramiento de la infraestructura y servicios a los que tienen derecho los habitantes.

Una buena planeación da como resultado dotar de los servicios indispensables a una vivienda, más aún, si esta se encuentra en determinada zona donde la ubicación no permite un acceso inmediato.

Es por eso que dentro de la planeación se requiere utilizar modelos adecuados que permitan dar una proyección a futuro sobre los servicios básicos que requiere el territorio a desarrollar.

Pregunta y Objetivo de Investigación

Considerando lo anterior, surge la pregunta de investigación: ¿En las localidades rurales y la ciudad de Santa Bárbara se cuenta con los servicios básicos de drenaje, agua potable y energía eléctrica? Así, el objetivo de este estudio fue determinar la percepción de la población mediante la información oficial en los sitios antes descritos y su relación entre ellos.

Método

Para saber las deficiencias o rezagos en temas más relevantes de un municipio, se tomó en cuenta los datos de población del Plan Municipal de Desarrollo de Santa Bárbara, siendo notorias las proyecciones de CONAPO donde es importante considerar los escenarios en los plazos que se


210

requiera. Así mismo, con datos obtenidos de ITER e INEGI se analizó el número de habitantes de cada localidad, generando un comparativo con las proyecciones ya mencionadas, relacionando datos para identificar el ritmo de crecimiento de la población.

El tema con menor información fue los servicios básicos en una vivienda, donde al localizar geográficamente las localidades del municipio de Santa Bárbara, y con la histórica serie de datos que se arrojan a nivel nacional, el estudio se basó primero en la ubicación de las figura 4 para comenzar a generar información de cada una de las localidades referente a los servicios y posibles rezagos que estas pudieran tener.

Geo-referenciando cada una de las localidades es visible en los Sistemas de Información Geográficos (SIG) utilizados para poder determinar que el acceso a estas zonas es limitado, dado que se encuentra en la sierra Santa Bárbara, con el relieve que esto indica, los servicios básicos en las viviendas suponen no ser suficientes (figuras 3 y 4).

Figuras 3 y 4. Delimitación del municipio de Santa Bárbara y ubicación de las localidades de la investigación.

El conteo de cada servicio por vivienda en cada una de las localidades se realizó por medio de sistemas de información geográfica (SIG) tales como Google Earth Pro y el Inventario Nacional de Vivienda (INEGI, 2010), tomando el número de viviendas y la superficie por km² que se ha medido con estos mismos SIG en cada localidad y el servicio de agua potable, drenaje y energía eléctrica. Se utilizó estadística tanto descriptiva como inferencial para comprobar la hipótesis del rezago de estos servicios, obteniendo correlaciones simples y múltiples entre servicios, así como regresión lineal simple.

Variables

Tres variables de interés fueron examinadas:

1. Agua potable. 2. Energía eléctrica. 3. Drenaje.


211

Resultados

La figura 5 muestra que no existe rezago del servicio de drenaje en las localidades con menor número de viviendas. Existe correlación simple ascendente alta (𝑟= 0,9999)entre las viviendas que cuentan con drenaje y el total de viviendas en la localidad. El 99.98%de la variabilidad total de viviendas es explicado por el modelo.

Figura 5. Regresión lineal simple del servicio básico de drenaje.

La figura 6 muestra que no existe rezago del servicio de energía eléctrica en las localidades con menor número de viviendas. Existe correlación simple ascendente alta (𝑟 =0,9999) entre las viviendas que cuentan con energía eléctrica y el total de viviendas en la localidad. El 99.98%de la variabilidad total de viviendas es explicado por el modelo

Figura 6. Regresión lineal simple del servicio básico de energía

2500

2000

1500

1000


212

La figura 7 muestra que no existe rezago del servicio de agua potable en las localidades con menor número de viviendas. Existe correlación simple ascendente alta ( =0,9999) entre las viviendas que cuentan con agua potable y el total de viviendas en la localidad. El 99.98%de la variabilidad total de viviendas es explicado por el modelo.

Figura 7. Regresión lineal simple del servicio básico de agua potable.

Existe una correlación perfecta entre las variables analizadas, es decir, no existe alguna vivienda que cuente con un solo servicio ya que cuentan con los tres o no cuentan con ninguno de ellos.

Tabla 5. Correlación de los servicios básicos de drenaje, energía eléctrica y agua potable.

Drenaje Energía eléctrica Agua potable Drenaje 1.000 Energía eléctrica 1.000 1.000 Agua potable 1.000 1.000 1.000

Conclusiones

La demanda de estos servicios crece conforme lo demuestran los indicadores de crecimiento poblacional de las zonas rurales, por tanto el tener el dato por Km² es de utilidad para las mismas proyecciones que el CONAPO arroja, ya que se presume, Santa Bárbara tendrá 12,167 habitantes para el año 2030, donde las zonas rurales crecerán al igual que la superficie de la misma localidad (CONAPO, 2010).

2500

2000

1500

1000


213

Analizar el crecimiento demográfico de la población del pasado, permite proponer modelos que explicarán un comportamiento factible para los siguientes años de la población.

La geografía, la cultura, la historia, los mercados y las políticas públicas de las localidades rurales complican la obtención de información y su actualización, por lo que hay que tomarlo en cuenta.

La percepción de la comunidad con respecto a los servicios básicos en el municipio de Santa Bárbara no fue la correcta, aunque la información a priori demuestre que existe rezago dependiendo de la ubicación geográfica como ya lo hemos discutido. El municipio de Santa Bárbara, podemos decir, refleja un sentido de excepción a la regla, en donde de manera local, estatal y nacional se cuenta con una deficiencia en estos servicios.

Las viviendas habitadas en el municipio de Santa Bárbara de la ciudad de Chihuahua cuentan con los servicios básicos de agua potable, energía eléctrica y drenaje.

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