Selection
of an alternative material for the design and manufacture of knives on the =
motocultor YTO DF151, for work on soils of the central
region of Ecuador.
Patricio Abarca Pérez.[1], Marcelo Castillo Cárdenas.
The objective of this study is =
to
select a material that replaces and improves the performance shown by the s=
teel
AISI 1030, used for the manufacture of the blades of tillage of the YTO DF =
15I
tractors of Chinese origin, intended for work in the soils of region's cent=
er
of Ecuador. AISI 1030 steel presents a low reliability for this type of
applications. The material selection procedure is based on the method propo=
sed
by ASHBY. The design requirements of the blades, consider restrictions for =
the
material, such as: minimum specified yield strength, specified hardness,
feasibility of being forged and feasibility of being thermally welded. In
addition, the objective is to maximize the fracture tenacity and, of course,
minimize the price of the material; to achieve that, a material index is us=
ed
to identify the best performing materials, which optimizes the selection. W=
ith
the help of a material selection software, it was possible to debug all
available information, and it turned out that the low alloy steel AISI 4135,
hardened and tempered, could be a strong candidate to replace the AISI 1030
steel, since, apart from to comply with all the restrictions required for t=
he
design, it also has the highest value of fracture/price tenacity ratio =
Keywords:
Material
Selection, Tillage Blades, Performance, Reliability, Material Index<=
/span>.
Resumen.
El objetivo de este estudio es seleccionar un material que reemplace=
y
mejore el rendimiento mostrado por el acero AISI 1030, utilizado para la
manufactura de las cuchillas de labranza o aspas =
del
motocultor YTO DF 15I de origen chino, destinado para trabajos en suelos de=
la
región centro del Ecuador. El acero AISI 1030 presenta una baja fiabilidad =
para
este tipo de aplicaciones. El procedimiento de selección del material se
fundamenta en el método propuesto por ASHBY. Los requerimientos de diseńo de
las cuchillas empleadas en el motocultor, consideran
Palabras
Claves: Selección
de Materiales,
Cuchillas de Labranza, Rendimiento, Fiabilidad, Índice de Material.
Introducción .
El motocultor es considerado como un tractor de =
un
solo eje, el cual es conducido por medio de unos brazos o manceras, mientra=
s el
operador camina sobre el terreno. Su funcionamiento se basa en el arado
rotativo (rotavator o rota=
vación),
en donde cuchillas o aspas de labranza dispuestas simétricamente alrededor =
de
un eje (el cual es accionado por la toma de potencia del motocultor), giran=
con
movimiento circular, de tal manera que arranca, corta y mezcla el perfil del
terreno sobre el cual trabajan (Gonzales et al., 2007). Uno de los <=
/span>problemas más
significativos en la utilización de arados rotativos, es la fractura de las
cuchillas cuando las mismas impactan con rocas y/o suelos duros, lo que obl=
iga
generalmente a emplear sistemas de embrague que mitigan el impacto, de esta
manera se disminuye el riesgo de fractura de las cuchillas debido a las
sobrecargas (Wilkinson & Braunbeck,
1977).
Las cuchillas, a parte de los elevados nivel=
es
de esfuerzos que le ocasionan deformación plástica, también se exponen al
contacto permanente con partículas duras y/o abrasivas, que le causan
desprendimiento de material, estos dos parámetros son una de las principales
causas de falla y pérdida de desempeńo de las cuchillas (Hutchings=
,
1992). En general, los aceros son el material básico de las cuchillas de
labranza, los cuales deben poseer una adecuada combinación de tenacidad a la
fractura y resistencia al desgaste (Gonzales et al., 2007), dichas propiedades
mecánicas variarán según su microestructura y composición química (ASTM, 1987).
Impor=
tancia
del problema.
Actualmente en el Ecuador no existe un documento
específico, que regule las exigencias mínimas para la adquisición de
herramientas de labranza agrícola, de tal manera que sea un apoyo técnico p=
ara
prevenir la falla prematura de estos elementos. Las cuchillas o aspas son un
caso particular de esta problemática, lo que ocasiona paros perjudiciales e=
n las
tareas agrícolas, y consecuentemente pérdidas económicas y de producción
(Castillo & Bravo, 2017).
Las cuchillas de labranza o aspas utilizadas en = el motocultor YTO DF 15I de origen chino, son fabricadas de acero AISI 1030, y presentan un serio inconveniente, su índice de fiabilidad es bajo, esto se justifica puesto que un 30 a 40 % de estas, sufren fracturas en su base, lo= que desencadena en una serie de problemas en el desempeńo del motocultor y por = ende malestar en el operador, puesto que las áreas de terreno por donde pasan las cuchillas rotas, quedan enteras o sin labrar (Castillo & Bravo, 2017).<= o:p>
Uno de los parámetros más importantes para atenu=
ar
la falla de las cuchillas y extender su vida útil, tiene que ver con el dis=
eńo
de las mismas, y dentro de este, la selección del material con el cual serán
manufacturadas, juega un papel determinante. Por lo referido, en la presente
investigación se expone un estudio acerca de la selección de los posibles
materiales o metales que podrían sustituir al ya aplicado (acero AISI 1030)=
, y
que permitan superar la fiabilidad de las cuchillas actualmente utilizadas.=
Metodología.
Para seleccionar los materiales o metales más
idóneos que superen en rendimiento al metal vigente (acero AISI 1030) en las
aspas, se implementará el método de Ashby que a continuación se especifica.=
Métod=
o de
selección de materiales propuesto por Ashby.
El procedimiento básico para la selección de un material, es establecer el vínculo entre el material y la función del eleme= nto. Un material tiene atributos (propiedades), tales como: su densidad, resiste= ncia mecánica, costo, resistencia a la corrosión, entre otros. Un diseńo exige cierto requerimiento de estos: una baja densidad, una alta resistencia, un = bajo costo y resistencia a algún ambiente en especial. La selección de materiales implica buscar la mejor combinación estos requisitos de diseńo, de tal forma que satisfagan adecuadamente la aplicación para la cual fueron diseńados (Ashby, 2011). Las etapas para seleccionar un material son los siguientes:<= o:p>
Interpretación.
Es el primer paso para abordar la selección de un
material, aquí se traducen los requisitos de diseńo del componente (se defi=
ne
lo que debe hacer) en una descripción para el material, se definen las
condiciones de contorno para poder seleccionarlo. La etapa de interpretación define los
siguientes ítems (Ashby, 2011):
La fu=
nción: Cualquier componente de ingeni=
ería
tiene una o más funciones: soportar una carga, contener una presión, transm=
itir
calor, entre otros.
Restr=
icciones: Un elemento tiene restriccione=
s,
tales como: que la geometría sea fija, que el componente resista cargas o
presiones sin falla, que sea aislante o conductor, que trabaje en un cierto
rango de temperatura y en un ambiente dado, entre otros.
Objet=
ivo: El trabajo de diseńo involucra=
un
objetivo, por ejemplo, hacer que el elemento sea tan ligero como sea posibl=
e, o
que sea muy barato, o una combinación de estos, entre otros.
Varia=
bles
libres:
El diseńador puede ajustar ciertos parámetros, por ejemplo, puede variar las
dimensiones que no interfieran con los requisitos de diseńo, y lo que es más
importante, puede elegir libremente el material para el componente.
Filtración:
límites de atributos.
La selección imparcial requiere que todos los
materiales se consideren candidatos hasta que se demuestre lo contrario. Por
tanto, se debe realizar una filtración, es decir, se elimina a los candidat=
os
en los cuales uno o más de sus atributos se encuentra fuera de los límites
establecidos por las restricciones (Ashby, 2011).
Clasificación:
índices de materiales.
Los materiales que han pasado la etapa de
filtración, se los clasifica para determinar cuáles de ellos pueden tener el
mejor desempeńo, para lo cual es necesario aplicar criterios de optimización
más conocidos como índices de materiales. La propiedad o el grupo de
propiedades que maximiza el rendimiento para un diseńo se denomina índice de
material. Los índices brindan criterios de excelencia que permiten clasific=
ar
los materiales, según su capacidad para un buen desempeńo en la aplicación
determinada. El maximizar o minimizar una sola propiedad puede maximizar el
rendimiento, pero generalmente el rendimiento está limitado no por una sola
propiedad, sino por una combinación de ellas, por ejemplo, los mejores
materiales para un elemento fuerte y ligero, son aquellos con el mayor valo=
r de
resistencia específica, es decir, la mayor relación &#=
963;f/ρ,
donde σf es la resistencia a la falla y &#=
961;
es la densidad. Hay muchos índices de este tipo, cada uno asociado con la m=
aximización
de algún aspecto del rendimiento (Ashby, 2011).
Equipos
y materiales utilizados.
Para facilitar o simplificar el estudio, se llev=
ará
a cabo una selección asistida por computadora, en donde el software de
selección y procesos contiene una base de datos actualizada, es decir un
registro completo de materiales aplicados en ingeniería. Cada registro cont=
iene
datos de atributos (propiedades) estructurados para un material en particul=
ar,
y cada atributo (propiedad) contempla un rango típico (o a menudo su rango
permitido).
Selec=
ción
del material para las aspas.
Antes de proceder a la selección de un material
alternativo que incremente el índice de fiabilidad de las aspas, es necesar=
io
presentar los datos técnicos del acero AISI 1030 al cual se busca reemplaza=
r y
superar en rendimiento, tales datos se presentan a continuación en la Tabla=
1.
Tabla 1<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Hlk533493475'> Propiedades
del acero AISI 1030, material actual de las cuchillas del motocultor YTO DF=
151.
|
Propiedades
físicas |
Valor
|
|
Densidad |
7.85
g/cm3 |
|
Propiedades
mecánicas |
|
|
Dureza
|
47.5
HRC |
|
Resistencia
última a la tracción |
525
MPa |
|
Resistencia
a la fluencia |
345
MPa |
|
Porcentaje
de elongación |
32% |
|
Módulo
de elasticidad |
206
GPa |
|
Razón
de poisson |
0.29 |
Fuente: (Castillo & Bravo, 2017).
Seguidamente, de acuerdo a la metodología plante=
ada,
se inicia el proceso de selección.
La
Interpretación=
.
Mecánicamente hablando, el aspa se comporta como=
una
viga en voladizo expuesta a una carga distribuida de
Figura 1. Simulación de carga distribuida aplicada a las a=
spas
del motocultor YTO DF151.
Fuente: (Autores).
El criterio del esfuerzo equivalente de Von-Misses (Budynas &=
Nisbett, 2012) se define como:
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:195pt;height:1=
3.5pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:164.25pt;heigh=
t:15pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:109.5pt;height=
:13.5pt'>
Puesto que la geometría de la cuchilla tiene que=
ser
fija, y para un factor de seguridad de 2 (Budynas
& Nisbett, 2012), el límite de fluencia mín=
imo
que se requiere para el material sería:
El material de las aspas debe también poseer u=
na
adecuada combinación de tenacidad a la fractura y resistencia al desgaste <=
/span>(Muńoz, 2000).
Los requerimientos básicos para un implemento agrícola, en este caso las aspas que se desenvuelven en suelo normal, indic= an que la dureza del material debe estar en el rango de 38 45 HRC (363 454 HV) (Cańavate, 2014). <= o:p>
Puesto que los motocultores se desenvuelven en
comunidades indígenas, el precio del material con el cual serán manufactura=
das
las cuchillas es muy importante, debido a que son comunidades de escasos
recursos económicos.
Otro aspecto muy importante es el proceso de
manufactura de las cuchillas, y para ello es condicionante que el material
tenga la factibilidad de ser forjado y, de darse el caso, sea idóneo para
soldadura mediante algún procedimiento térmico.
Los requerimientos de diseńo para una cuchilla se resumen en la Tabla 2=
.
Tabla 2<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Hlk533493475'> Requerimientos de diseńo para las cuch=
illas
utilizadas en el motocultor YTO DF151.
|
Función |
Cuchilla
o aspa viga rígida |
|
Restricciones |
Geometría
especificada Límite
de fluencia mínimo especificado Dureza
especificada Factible
de forja Factible
de soldadura térmica |
|
Objetivo |
Maximizar
la tenacidad a la fractura y minimizar el precio |
|
Variables libres |
Elección
del material |
Filtr=
ación:
límites de atributos.
En el software de selección se ingresa las
restricciones del material ya definidas, dando como resultado que de todo el
universo de materiales (3905 materiales de ingeniería posibles), solo 267
pasaron el filtro, y estos pertenecen a la familia de metales y aleaciones
metálicas, tal resultado se expone en la Figura 2. Aunque sólo se muestra l=
os
resultados para las condiciones acerca del límite de fluencia mínimo y rang=
o de
dureza, los requisitos de que el material también pueda ser forjado y solda=
do
ya están involucrados en dicho filtro.
|
Figura 2.=
=
Etapa de filtración, en dónde solo 267 materia=
les
(que resultan ser sólo metales y aleaciones metálicas) de 3905 pasaron la=
s restricciones
de diseńo: a) Gráfico de barras en donde se muestra la filtración en func=
ión
del rango de dureza Vickers, b)
Gráfico de barras en donde se muestra la filtración en función del mínimo
límite de fluencia permitido. Nota: Los requerimientos acerca de que el
material pueda exponerse a la forja y a la soldadura ya están involucrado=
s en
dicho filtro. a) |
|
b)<= o:p> |
Fuente: (Autores).
Como se había mencionado, el precio y la tenacid=
ad a
la fractura tienen mucha influencia para la selección del material, es por =
eso
que evaluando el Gráfico 3, se puede ejecutar un nuevo filtro.
Se puede evidenciar que las aleaciones especiales
(burbujas de color rojo), además de cumplir con las restricciones, también
poseen los más altos niveles de tenacidad a la fractura, pero su precio sale
del alcance económico para poder adquirir el material.
En cambio, los metales ferrosos (burbujas de col=
or
celeste) ofrecen una mejor condición de ahorro y sin descuidar la tenacidad=
a
la fractura que sigue siendo relativamente buena.
Es por eso que el siguiente filtro (Figura 4) se
basa en seleccionar únicamente a los metales ferrosos, dando como resultado
que, de 267 materiales, ahora quedan 178 candidatos posibles.
Se nota también que en este grupo ya aparece el
acero AISI 1030 (burbuja de color amarillo) que es el material actual de las
cuchillas y a quien se desea reemplazar y superar en rendimiento.
Figura 3.<=
/span> Gráfico de burbujas Precio vs Tenacidad a la
fractura de aquellos materiales que pasaron las restricciones.
Figura 4. Gráfico de burbujas Precio vs Tenacidad a la
fractura, sólo de metales ferrosos, puesto que presentan una mayor factibil=
idad
económica, en donde se ha reducido de 267 a 178 candidatos posibles. Aquí ya
aparece el acero AISI 1030 (burbuja amarilla), material actual de las cuchi=
llas
Clasi=
ficación:
índice del material .
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:102pt;height:1=
4.25pt'>
<=
v:shape
id=3D"_x0000_i1025" type=3D"#_x0000_t75" style=3D'width:48.75pt;height=
:13.5pt'>
Donde:
Si se despeja la tenacidad a la fractura de la
ecuación 2, y se aplica logaritmos a ambos miembros, se tiene:
<=
span
style=3D'font-size:11.0pt;line-height:115%;font-family:"Calibri",sans-serif;
mso-ascii-theme-font:minor-latin;mso-fareast-font-family:"Times New Roman";
mso-fareast-theme-font:minor-fareast;mso-hansi-theme-font:minor-latin;
mso-bidi-font-family:"Times New Roman";mso-bidi-theme-font:minor-bidi;
mso-ansi-language:ES;mso-fareast-language:ES;mso-bidi-language:AR-SA'>
La ecuación 3 es análoga a la recta
Figura 5. Gráfico de burbujas Precio vs Tenacidad a la
fractura, en donde la línea guía de selección ha logrado depurar sólo aquel=
los
metales ferrosos que superan en rendimiento (relación
Análisis
de Resultados.
La línea guía de selección elimina aquellos
materiales que estén por debajo y que tampoco intersequen a la misma. A pes=
ar
de que el número de candidatos se había reducido a 31, únicamente se van a
considerar a aquellos que estén total o al menos más del 50% por encima de =
la
línea guía. Mediante esta consideración ahora la lista final de candidatos =
se
reduce a 11 (Tabla 3).
Tabla 3<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Hlk533493475'> Lista de materiales ferrosos, potencia=
les a
reemplazar al acero AISI 1030, en donde se expone la relación
|
Denominación |
Clasificación |
Estado |
Límite elástico
(Mpa) |
Precio promedio
(Euro/kg) |
Tenacidad a la fractura promedio (Mpa*m^0,5) |
Relación Tenacidad/precio |
|
AISI 1030 |
Acero al carbono |
Revenido a 205 °C y templado en agua |
580 - 715 |
0,47 |
42 |
89,4 |
|
AISI 1030 |
Acero al carbono |
Templado a 315 °C y templado en agua |
555 - 685 |
0,47 |
42 |
89,4 |
|
AISI 1095 |
Acero al carbono |
Templado a 425 °C y templado en aceite |
690 -855 |
0,47 |
49 |
104,3 |
|
AISI 5150 |
Acero de baja aleación |
Revenido a 540 °C y templado en aceite |
925 - 1,14e3 |
0,445 |
50 |
112,4 |
|
AISI 5160 |
Acero de baja aleación |
revenido a 540 °C y templado en aceite |
935 - 1,15 e3 |
0,445 |
55 |
123,6 |
|
AISI 5046 |
Acero de baja aleación |
Revenido a 315 °C y templado en aceite |
1,04e3 - 1,28 e3 |
0,43 |
55 |
127,9 |
|
AISI 5046 |
Acero de baja aleación |
Revenido a 425 °C y templado en aceite |
840 - 1,02e3 |
0,43 |
60 |
139,5 |
|
AISI 8735 |
Acero de baja aleación |
Normalizado |
483 - 534 |
0,59 |
100 |
169,5 |
|
YS1200 |
Acero matensítico |
Laminado en
caliente |
900 - 1,15e3 |
0,71 |
140 |
197,2 |
|
AISI 4135 |
Acero de baja aleación |
Normalizado |
483 - 586 |
0,5 |
100 |
200,0 |
|
AISI 4135 |
Acero de baja aleación |
Templado y revenido |
690 - 1,21e3 |
0,5 |
100 |
200,0 |
Evaluando la Tabla 3, claramente se evidencia qu=
e el
mejor candidato para reemplazar al acero AISI 1030 son los dos aceros de ba=
ja
aleación AISI 4135, los mismos que se muestran al final de la tabla
respectivamente, esto debido a que cualquiera de estos dos ofrecen una rela=
ción
aproximada de
Tabla 4 =
Valores de rendimiento mejorado en el caso de un
posible reemplazo del AISI 1030 por el AISI 4135, como material para las
cuchillas del motocultor YTO DF151.
|
Acero AISI 1030 |
Acero AISI 4135 templado y revenido |
Rendimiento mejorado |
|
|
Precio promedio
(Euro/kg) |
0,47 |
0,5 |
-6,40% |
|
Tenacidad a la fractura (MPa*m^0,5) |
42 |
100 |
138% |
|
Límite elástico
(MPa) |
620 |
950 |
53,23% |
|
Densidad (kg/m^3) |
7,85*10^3 |
7,83*10^3 |
0,25% |
Todos los valores de rendimiento mejorado que se observa en la T=
abla<=
/span> 4, tienen signo positivo, exce=
pto
el valor con respecto al precio que tiene signo negativo, lo cual indica qu=
e el
acero AISI 4135 resulta ser levemente más caro que el acero AISI 1030.
Conclusiones
.
ˇ
Se concluye que el acero de baja aleación AISI 4135
templado y revenido, podría ser un firme candidato para poder reemplazar al
acero AISI 1030, puesto que, aparte de cumplir con todas las restricciones
(límite de fluencia mínimo especificado, dureza especificada, factibilidad =
para
la forja, factibilidad para la soldadura térmica) requeridas para el diseńo,
también cuenta con el valor más alto de relación tenacidad a la fractura/pr=
ecio
ˇ
Si bien es cierto es cierto, el
acero AISI 4135 resulta ser un 6.4% (0.03 Euro/kg) más caro que el acero AI=
SI
1030, este valor resulta despreciable si comparamos el rendimiento ganado e=
n el
resto de propiedades, que por obvias razones aumentaran la vida útil de las
cuchillas.
ˇ&nb=
sp;
La diferencia de densidades (pe=
so),
no es un factor preponderante puesto que ambos aceros tienen prácticamente =
el
mismo valor.
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de
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McGraw-Hill.
Cańavate, O. (2014). Las
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Para
citar el artículo indexado.
Abarca P, Castillo M., Bravo D., Sánchez F. & Motúfar
P. (2018). Selección de un material
alternativo para el diseńo y manufactura de cuchillas del motocultor YTO DF=
151,
para trabajos en suelos de la región centro del Ecuador. Revista electrónica Ciencia Digital 2(3), 479-492. Recu=
perado
desde: http://cienciadigital.org/revistacienciad=
igital2/index.php/CienciaDigital/article/view/170/150
El
artículo que se publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no
necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Ciencia Digital.
El
articulo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela Sup=
erior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, =
edison.abarca@espoch.edu.ec
[2] Escuela Sup=
erior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, edison.castillo@espoch.edu.ec
[3] Escuela Sup=
erior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, victor.bravo@espoch.edu.ec
[4] Escuela Sup=
erior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, esanchez_c@espoch.edu.ec
[5] Escuela Sup=
erior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, paul.montufar@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org
Vol. 2, N°3, p. 47=
9-492,
Julio - Septiembre, 2018