DESARROLLO DE METOLOGÍA DOCENTE BASADA EN EL EMPLEO DE HERRRAMIENTAS GRÁFICAS Y DE CÁLCULO APLICADAS AL DISEÑO DE UNA PINZA VIBRADORA ORBITAL Rubén Dorado, Francisco A. Díaz, Luís F. Mata Campos, José E. Mata Bago Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera, Universidad de Jaén,

Palabras clave: Pinza vibradora, simulación dinámica, software Resumen En el presente trabajo se plantea el desarrollo de una metodología docente basada en el la utilización de herramientas gráficas interactivas para el análisis de sistemas mecánicos. Se persigue emplear una herramienta virtual con la que los alumnos puedan evaluar de forma relativamente rápida y sencilla la influencia de los principales factores que afectan a la cinemática y al comportamiento dinámico de una máquina. Como ejemplo, se ha seleccionado una pinza vibradora orbital para plantación joven, dada la relevancia que el sector del olivar y su mecanización tiene en la provincia de Jaén. Los resultados obtenidos son altamente satisfactorios, metodologías docentes como la presentada en este trabajo motivan al alumno, aunque ello suponga un mayor nivel de esfuerzo y dedicación. 1. Introducción Dentro del entorno del Espacio Europeo de Educación Superior, y para el seguimiento de una asignatura por parte de los alumnos, en muchas ocasiones resulta interesante el empleo de herramientas virtuales con las que afianzar los conocimientos adquiridos en el transcurso de la misma [1]. La integridad estructural y el análisis cinemático de máquinas y mecanismos son aspectos fundamentales en la formación de un ingeniero mecánico. Sin embargo, en ocasiones el tratamiento de estos problemas presenta una gran complejidad matemática y el alumno puede llegar a perder el significado físico y la importancia del problema en cuestión. En este sentido, el empleo de software de diseño y análisis asistido por computador resulta muy interesante. Por este motivo, se plantea el desarrollo de una metodología docente basada en el empleo de herramientas gráficas interactivas aplicadas al análisis cinemático de una pinza vibradora orbital para plantación joven. Mediante una herramienta virtual, los alumnos pueden evaluar de forma relativamente rápida y sencilla la influencia de algunos de los múltiples factores que afectan a la cinemática y al comportamiento dinámico de una máquina. Como ejemplo se ha seleccionado una pinza vibradora orbital para plantación joven, dada la relevancia que el sector del olivar y su mecanización tiene en la provincia de Jaén. Con esta metodología se persigue que el alumno adquiera una visión más práctica [2] de la materia sin perder de vista los conceptos básicos y fundamentos de la cinemática y dinámica de maquinas, a la vez que se le ofrece la posibilidad de iniciarse en el uso de software comercial para diseño utilizando como reclamo un aspecto de gran relevancia social en la provincia de Jaén, el sector del olivar.

El resultado es un entorno gráfico en el que los datos de partida del problema son parametrizables, permitiendo analizar de forma gráfica diferentes posibles soluciones. 2. Marco teórico y objetivos Este trabajo presenta la metodología docente implantada durante los dos últimos años en la asignatura cuatrimestral Cinemática y Dinámica de Máquinas II (de carácter optativo) de la titulación de Ingeniería Técnica Industrial Especialidad Mecánica impartida en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Jaén [3]. La asignatura comprende 6 créditos de los cuales 4.5 son teóricos y 1.5 son prácticos. Uno de los campos que cubre esta asignatura es el estudio y análisis de vibraciones en máquinas. Las clases teóricas se combinan con sesiones prácticas en el laboratorio en las que se emplea un equipo docente para análisis de vibraciones (Figura 1). Durante los dos últimos años, junto a las sesiones prácticas, se decidió asignar a los alumnos la realización de un trabajo de curso de carácter voluntario, en el que tuvieran que poner en práctica los conceptos adquiridos en la asignatura (sesiones prácticas y teóricas). El tema seleccionado fue el diseño de una máquina consistente en una pinza vibradora orbital para plantación joven. La herramienta gráfica empleada fue el software de diseño y análisis Solidworks/COSMOS [4].

Figura 1. Imagen del banco de ensayo de vibraciones

Los objetivos perseguidos fueron los que se detallan continuación: •

Desarrollar e implantar una metodología docente interactiva, que posibilite al alumno analizar de forma fácil, rápida e intuitiva la influencia de los factores que intervienen en el diseño dinámico de maquinas y mecánicos (geométricos, dimensionales, etc.), utilizando como base el modelado gráfico y el análisis por elementos finitos.

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Iniciar al alumno en el manejo de software especializado permitiéndole un mayor acercamiento a la industria mediante la resolución de problemas reales de diseño.

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Permitir un enfoque más realista de la asignatura en la que el alumno pueda combinar resultados experimentales con resultados numéricos obtenidos mediante software de análisis.

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Extender esta metodología a otras materias afines y/o relacionadas

3. Método y proceso de investigación Para acotar la dimensión del trabajo se proporcionó a los alumnos algunos datos de partida. Se optó por una pinza de tamaño medio, para árboles con diámetros de tronco de hasta 35 cm. El sistema de vibrado seleccionado fue de tipo orbital, es decir, la respuesta a la excitación de la masa excéntrica era circular u ovalada. La pinza [4] se componía de un chasis central, en cuyo interior está la masa excéntrica, y un motor hidráulico sobre la tapa conectado directamente al eje de la excéntrica. Articulados en la parte trasera del chasis, se encuentran los brazos (Figura 2) que configuran la mordaza, los cuales se accionan mediante dos cilindros hidráulicos situados por delante del chasis, siendo estos los encargados de proporcionar el aprieto adecuado al tronco y transmitir la vibración de manera óptima.

Figura 2. Despiece de la pinza vibradora. La metodología, para llevar a cabo el proyecto de diseño de la pinza, fue la siguiente: • FASE I: DISEÑO Y CÁLCULO. En esta etapa el alumno debía definir el punto de funcionamiento óptimo de la pinza para el cual se consigue máximo porcentaje de derribo del fruto con el mínimo daño al árbol y mínimo consumo de potencia. Este punto depende de parámetros cinemáticos [5], tales como velocidad angular de giro de la masa excéntrica, la aceleración de derribo o la amplitud de la vibración. A su vez, para definir la amplitud de la vibración el alumno debía previamente seleccionar los parámetros fundamentales del diseño de la maquina, tales como masa de la excéntrica, masa total del sistema, distancia desde el eje de giro de la excéntrica al centro de gravedad de la misma, relación entre la frecuencia excitadora y la frecuencia natural del sistema o el coeficiente de amortiguamiento del tronco del árbol entre otros. La figura 3 ilustra de forma esquemática la metodología propuesta para el predimensionado previo al diseño, estableciendo como premisa de partida que la amplitud de la respuesta fuera 20 mm.

Figura 3. Esquema de ilustrativo del proceso de diseño y cálculo propuesto.

• FASE II: MODELADO, Para ello se empleó el software de diseño gráfico SolidWork 2007. • FASE III: SIMULACIÓN DINÁMICA Y ANÁLISIS DE TENSIONES POR ELEMENTOS FINITOS. Diseñada y modelada la máquina el alumno procedía a la simulación dinámica de la misma utilizando el programa COSMOS MOTION. El objetivo es obtener las reacciones en los apoyos y puntos de contacto en cada uno de los elementos que componen la pinza. Seguidamente estos valores debían ser exportados al programa de cálculo por elementos finitos COSMOSWork 2007 con el que poder obtener la distribución de tensiones en los diferentes elementos de la máquina. Finalmente, con el mismo programa el alumno procedía al análisis del comportamiento a fatiga de los diferentes componentes de la máquina, con el propósito de estudiar la durabilidad de los electos más críticos. Si el análisis resultaba satisfactorio se daba por concluido el proceso de diseño. En caso contrario, el alumno tendría que retornara a la FASE I para reajustar los parámetros de diseño y volver a iniciar el proceso descrito. La figura 4 ilustra en un diagrama de flujo el procedimiento descrito. • FASE IV: PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS (Figura 5). Obtención y presentación de los resultados de forma gráfica (variación temporal de la amplitud de la vibración, variación temporal de la fuerza de derribo, etc.) • FASE V: ELABORACIÓN DE MEMORIA DE RESULTADOS. En esta memoria se realizaba una discusión de los resultados comparándolos con los obtenidos por otros métodos alternativos (experimentales y cálculo manual)

Figura 4. Esquema de ilustrativo de la metodología adoptada para la simulación dinámica y análisis de tensiones.

Figura 5. Distribución del par de torsión transmitido por el motor. 4. Resultado y conclusiones Tras varios años utilizando esta metodología docente se llega a la conclusión de que los resultados son altamente satisfactorios tanto para el alumno como para el profesor. Al

finalizar el curso se han realizado encuestas sobre la calidad de la docencia (organización de la docencia, contenidos, métodos de evaluación de la asignatura, calidad del profesorado, etc.). Los resultados ponen de manifiesto que a los alumnos les resultan más atractivas e interesantes las metodologías docentes como la presentada en este trabajo, aunque ello suponga un mayor nivel de esfuerzo y dedicación. 5. Agradecimientos Los autores agradecen la inestimable ayuda y colaboración prestada por la Universidad de Jaén a través del programa de Innovación Docente y Formación del profesorado, gracias al cual los autores pudieron llevar a la práctica y materializar la metodología propuesta (Proyecto de innovación docente PID73B). 6. Bibliografía [1]

Mata, F., García, J., Álvarez, F. (2007), Desarrollo de herramientas informáticas de carácter didáctico en el ámbito de los PFC, Anales de Ingeniería Mecánica, 16 (1), pp.199-204.

[2]

Díaz Vázquez, J.E, Gerez Miras, J.M., González García, P., Vicario Llerena, F.J., González Palma, R.E., Adaptación de la enseñanza práctica de la Ingeniería Mecánica a los retos del Espacio Europeo de Educación Superior, Anales de Ingeniería Mecánica, 16 (1), pp.169-176.

[3]

Libro blanco de los Títulos de Grado de Ingenierías de la Rama Industrial, Agencia Nacional de Evaluación de la Calidad y Acreditación (www.aneca.es).

[4]

Mata Campos, L.F. (2006), Diseño de un vibrador para recolección de aceituna, Proyecto Fin de Carrera, Escuela Politécnica Superior de Jaén, Universidad de Jaén.

[5]

Porras Piedra, A. (1994), Recolección Mecanizada de Aceituna, Colección de Manuales Prácticos, Consejo Oleícola Internacional.