Recreación Virtual del Primer Barco de Vapor con Ruedas de Paletas

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DE SEVILLA
Recreación Virtual del
Primer Barco de Vapor
con Ruedas de Paletas
Proyecto Fin de Carrera
Francisco José Romero Gómez
Junio 2010
Tutores: Juan Martínez Palacios/ Mª Gloria del Río Cidoncha
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ............................................................................................. 5
1.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................ 5
1.2. OBJETIVOS DEL PROYECTO .............................................................................................................................. 6
CAPÍTULO 2. HISTORIA DEL MODELISMO ................................................................................................ 8
2.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................ 8
2.2. INICIOS DEL MODELISMO................................................................................................................................ 9
2.3. CONCEPCIONES Y EXIGENCIAS DEL MODELISMO NAVAL ....................................................................................... 10
CAPÍTULO 3. ANTECEDENTES DE LA MÁQUINA DE VAPOR ...................................................................... 12
3.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 12
3.2. ANTECEDENTES .......................................................................................................................................... 13
3.3. MÁQUINAS ATMOSFÉRICAS .......................................................................................................................... 16
3.4. LA MÁQUINA DE JAMES WATT ...................................................................................................................... 18
3.4.1. Introducción ................................................................................................................................... 18
3.4.2. Descripción del funcionamiento..................................................................................................... 19
CAPÍTULO 4. BARCOS DE VAPOR ........................................................................................................... 22
4.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 22
4.2. PRIMEROS INTENTOS DE BARCOS DE VAPOR ..................................................................................................... 23
4.3. PRIMEROS BARCOS DE VAPOR ÚTILES .............................................................................................................. 23
4.3. ROBERT FULTON ........................................................................................................................................ 25
CAPÍTULO 5. HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS DE DISEÑO GRÁFICO ........................................................ 29
5.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 29
5.2. SISTEMAS CAD/CAM/CAE ......................................................................................................................... 29
5.2. COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES SOFTWARE COMERCIALES .............................................................................. 31
5.3. CATIA V5 ................................................................................................................................................ 34
CAPÍTULO 6. DISEÑO DE PIEZAS EN CATIA V5 R19 .................................................................................. 42
6.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................... 42
6.2. MOTOR A VAPOR ....................................................................................................................................... 42
Pieza 101, Base ........................................................................................................................................ 42
Pieza 102, Válvula .................................................................................................................................... 44
Pieza 103, Culata Inferior......................................................................................................................... 47
Pieza 104, Palier exterior ......................................................................................................................... 48
Pieza 105, Cigüeñal .................................................................................................................................. 48
Pieza 106, Biela ........................................................................................................................................ 49
Pieza 107, Deslizadera ............................................................................................................................. 50
Pieza 108, Pistón ...................................................................................................................................... 51
Pieza 109, Tija del Pistón ......................................................................................................................... 51
Pieza 110, TornilloM2x6 .......................................................................................................................... 51
Pieza 111, Cilindro ................................................................................................................................... 52
Pieza 112, Cilindro Simétrico.................................................................................................................... 53
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Pieza 113, Cuadro de vapor ..................................................................................................................... 54
Pieza 114, Tapadera grabada .................................................................................................................. 54
Pieza 115, Volante de inercia ................................................................................................................... 54
Pieza 116, Excéntrica ............................................................................................................................... 55
Pieza 117, Biela de distribución ............................................................................................................... 56
Pieza 118, Corredera ................................................................................................................................ 56
Pieza 119, Culata superior ....................................................................................................................... 57
Pieza 120, Tija de distribución ................................................................................................................. 57
Pieza 121, Palanca de distribución .......................................................................................................... 58
Pieza 22, Biela de control ......................................................................................................................... 58
Pieza 123, Biela de corredera .................................................................................................................. 59
Pieza 124 y 125, Tornillos ........................................................................................................................ 59
Pieza 126, Anillo distribuidor ................................................................................................................... 60
Pieza 127, Distribuidor ............................................................................................................................. 60
Pieza 128, Palier interior superior ............................................................................................................ 61
Pieza 129, Brida del motor ....................................................................................................................... 61
Pieza 130, Brida para tubo....................................................................................................................... 62
Pieza 131, Tubo de admisión ................................................................................................................... 62
Pieza 132, Colector de admisión .............................................................................................................. 63
Pieza 133, Racor D6 ................................................................................................................................. 63
Pieza 134, Tubo de escape ....................................................................................................................... 63
Pieza 135, Colector de escape .................................................................................................................. 64
Pieza 136, Tuerca M2............................................................................................................................... 64
Pieza 137, Pie de biela ............................................................................................................................. 65
Pieza 138, Palier interior inferior ............................................................................................................. 65
Pieza 139, Eje de distribución .................................................................................................................. 66
Pieza 140, Tuerca M1.6............................................................................................................................ 66
Pieza 141, Prensaestopas D3 ................................................................................................................... 66
Pieza 142, Prensaestopas D2 ................................................................................................................... 67
Pieza 143, Tija M2 .................................................................................................................................... 67
Pieza 144, Eje cabeza de biela ................................................................................................................. 68
Pieza 145, Eje corredera .......................................................................................................................... 68
Pieza 146, Tornillo M2x3.......................................................................................................................... 69
Pieza 147, Tornillo M2x1.75..................................................................................................................... 69
Pieza 148, Tornillo M1.6x1.75.................................................................................................................. 69
Pieza 149, Tornillo M2.5x3.5.................................................................................................................... 70
Pieza 150, Tornillo M2x1.5....................................................................................................................... 70
6.3. CALDERA, TANQUE Y REGULADOR DE GAS ....................................................................................................... 70
6.3.1. Caldera ........................................................................................................................................... 70
6.3.2. Depósito de gas.............................................................................................................................. 72
6.3.3. Regulador de gas ........................................................................................................................... 74
Pieza 201, Cilindro de Gas ............................................................................................................................................ 74
Pieza 202, Racor D6 ...................................................................................................................................................... 76
Pieza 203, Cuerpo ......................................................................................................................................................... 76
Pieza 204, Membrana ................................................................................................................................................... 76
Pieza 205, Guía del Pistón ............................................................................................................................................ 77
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Pieza 206, Culata ........................................................................................................................................................... 77
Pieza 207, Pistón ........................................................................................................................................................... 78
Pieza 208, Resorte ......................................................................................................................................................... 79
Pieza 209, Anillo de Ajuste ........................................................................................................................................... 79
Pieza 210, Tornillo M2x8 .............................................................................................................................................. 80
Pieza 211, Tornillo M2x16 ............................................................................................................................................ 80
Pieza 212, Aguja de Ralentí .......................................................................................................................................... 80
Pieza 213, Junta Tórica ................................................................................................................................................. 81
6.4. CASCO DEL BARCO ...................................................................................................................................... 81
6.5. RUEDA DE PALETAS..................................................................................................................................... 97
6.5.1. Eje .................................................................................................................................................. 97
6.5.2. Brazos ............................................................................................................................................ 97
6.5.3. Conexión de brazos ........................................................................................................................ 98
6.5.4. Corona interior ............................................................................................................................... 99
6.5.5. Corona exterior .............................................................................................................................. 99
6.5.6. Palas............................................................................................................................................. 100
6.6. SISTEMA DE ENGRANAJES ........................................................................................................................... 100
CAPÍTULO 7. ENSAMBLAJE DE CONJUNTOS .......................................................................................... 109
7.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 109
7.2. MOTOR DE VAPOR .................................................................................................................................... 110
7.3. RUEDA DE PALETAS ................................................................................................................................... 118
7.4. CONJUNTO GENERADOR DE VAPOR .............................................................................................................. 120
7.4.1. Caldera de vapor .......................................................................................................................... 121
7.4.2. Depósito de Gas ........................................................................................................................... 123
7.4.3. Regulador de gas ......................................................................................................................... 124
7.5. MECANISMOS MOVIMIENTO....................................................................................................................... 127
7.6. CONJUNTO COMPLETO .............................................................................................................................. 129
CAPÍTULO 8. DMU FITTING.................................................................................................................. 134
8.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 134
8.2. ENSAMBLAJE DEL MOTOR ........................................................................................................................... 134
8.3. ENSAMBLAJE DEL CONJUNTO COMPLETO ....................................................................................................... 140
CAPÍTULO 9. DMU KINEMATICS ........................................................................................................... 145
9.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................... 145
9.2 MOTOR DE VAPOR ..................................................................................................................................... 146
9.3. CONJUNTO COMPLETO .............................................................................................................................. 149
CAPÍTULO 10. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS .................................................................... 152
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 156
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Capítulo 1. Introducción y Objetivos
del Proyecto
1.1. Introducción
El proyecto que a continuación se presenta consiste en la recreación virtual de la maqueta
de un barco de vapor mediante el software de diseño tridimensional CATIA V5. Concretamente se
trata del primer vapor de la historia que realizó una gran travesía, el Clermont.
Acompañando a esta maqueta se encuentran también diseñados todos los elementos que
permiten el avance del navío, como pueden ser el motor de vapor o el sistema de alimentación del
mismo, representando dicho motor la parte fundamental en la que se centrará el desarrollo de
éste documento.
El texto se puede dividir en dos grandes bloques. Un primer bloque recogido en los cuatro
primeros capítulos, en los que se suministra toda la información previa necesaria para poder
introducirse en el marco histórico en el cual se desarrollaron tanto los proyectos del Clermont
como del surgimiento de los primeros motores de vapor, así como del nacimiento y del uso que se
le ha dado a lo largo de la historia al mundo del modelismo, remontándose éste más atrás de lo
que en un principio cabría esperar.
Y otro segundo bloque donde realmente se genera esta maqueta digital, empezando por
comentar las diferentes herramientas existentes en el mercado para ello y terminando por
mostrar las grandes capacidades que presenta el software seleccionado, aunque realmente éstos
solo sean una pequeña muestra de todo su potencial. A lo largo de estas páginas se realizaran
explicaciones del cómo y por qué se realizan y eligen los diseños de las piezas, así como del
funcionamiento de los conjuntos generados. En los capítulos finales se muestran los procesos para
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
“dar vida” a la maqueta generada, pudiendo contemplarse los mecanismos de funcionamiento así
como el proceso de ensamblado del mismo. Por último se anexa los planos originales a partir de
los cuales se realizan la mayoría de las piezas aquí expuestas.
Aparte de lo ya comentado, al proyecto en papel se le adjunta un CD en el que se incluyen:
- Copia en formato digital del documento.
- Todas las piezas diseñadas que se muestran en la memoria en formato CATPart.
- Todos los conjuntos diseñados en formato CATProduct.
- Videos realizados con CATIA en los que se muestra el ensamblaje del conjunto
completo y el movimiento del mismo.
1.2. Objetivos del proyecto
El objetivo fundamental de la elección de un proyecto de estas características es aprender
y tener experiencia en el manejo del programa CATIA V5, por las enormes implicaciones que ello
conlleva, puesto que, como se explicará a fondo más adelante, se trata del mejor software
existente en este área, por lo que un buen conocimiento del mismo aumenta en gran medida las
competencias de todo ingeniero, sobre todo en el campo de la mecánica.
Dejando de lado la elección de la herramienta de trabajo, finalmente se optó por
representar este barco de vapor por la importancia histórica que supuso el hecho de poder
establecer líneas de transporte fijas entre ciudades, independientemente del estado
meteorológico existente en cada momento, permitiendo un gran avance aparte del aumento de
las relaciones personales, en el tema industrial principalmente, permitiendo a las empresas poder
expandirse rápidamente gracias a que tenían asegurado el suministro de las mercancías en un
periodo de tiempo fijo y más corto [1]. Aparte, la no existencia de ningún trabajo previo en este
campo supuso un aliciente para su elección, a la vez que un problema en algunas etapas de su
desarrollo.
Y qué decir sobre la importancia del motor de vapor. Seguramente nada hoy en día sería
igual sin ese pequeño gran invento que revolucionó el mundo por completo, permitiendo
conseguir al hombre hitos que, años antes, ni siquiera se podrían haber imaginado.
En definitiva, con este proyecto se quiere realizar un pequeño homenaje a esas personas y
hechos que cambiaron el mundo durante los siglos XVIII y XIX, transformando una economía
basada en la fuerza tanto humana como animal, en una economía basada en industrias en donde
las máquinas hacen la mayor parte del trabajo, sobre todo el trabajo físico. [1]
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Por último se remarca que éste documento carece de una finalidad tutorial o educativa en
el manejo de CATIA, aunque ello no impide que se expliquen algunos pasos complejos más
detalladamente, pero en la mayoría de los casos los resultados serán presentados directamente
sin explicación exhaustiva del proceso necesario para llegar al mismo.
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Capítulo 2. Historia del modelismo
2.1. Introducción
Durante miles de años los modelos han duplicado al mundo real para producir formas,
diversión y fantasía al diseño. Pero no todos son diminutos y juguetes. Los modelos también
forman parte de procesos de ingeniería y hasta ayudan al hombre a explorar Marte.
En verano de 2003, el Jet Propulsion Laboratory de la Nasa envió dos vehículos
todoterrenos de exploración,
denominados Pathfinder, a
Marte.
Pero antes, en 2002,
un modelo de prueba tuvo
que pasar por una habitación
de 220 m2 llena de más de
140 Tn de arena y rocas
marcianas simuladas. Esto se
realizó para validar el diseño
en el entorno y
si se
encontraba
alguna
interferencia o anomalía que
no se pudiera ver en CAD,
poniéndolo en un entorno
real y ver como se
comportaba. Esto es solo
Figura 2.1.Vehiculo Pathfinder [2]
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una muestra de la importancia que tienen los modelos hoy en día, a pesar de las tecnologías de las
que se disponen. [3]
2.2. Inicios del modelismo
Mucho antes de que las naves espaciales volaran, los humanos ya construían modelos de
tipo acuático. Las maquetas de barcos se consideran los primeros tipos de modelos. Se construían
porque a la gente le fascinaban los barcos, eran las máquinas más sofisticadas de la época.
Los primeros modelos de barcos se descubrieron en tumbas egipcias que datan del 2000
a.c. Los ponían ahí para ayudar al fallecido en su viaje al más allá. Artesanos privados tallaban a
mano miniaturas votivas que incluían incrustadas barcazas enterradas con la élite de Egipto. [4]
Figura 2.2. Barcas votivas de época egipcia [5]
En 1600, las maquetas de barcos tenían un significado religioso como modelos votivos
construidos por marinos y sus seres queridos. Estos modelos se colocaban mayormente en
iglesias, sobre todo en España y Portugal, pero también en el norte de Europa. Los ponían para dar
gracias por algún milagro o esperando tener suerte en algún viaje futuro. Los barcos modelos se
ponían en las naves de las iglesias para que los vieran la congregación. Como solo se veían desde
abajo, el diseño enfatizaba la línea del casco y la elaborada jarcia sobre el detalle del puente.
Pero en Inglaterra se construían modelos mucho más intrincados en 1700, principalmente
como regalos por lealtad al rey. Hasta el interior de la maqueta era fiel al original. Tenían
escaleras, chimeneas y accesorios de la mesa de armas. Estas maquetas imitaban tan bien a los
barcos que replicaban que, dejarlas en manos enemigas, se podía considerar un acto de traición.
El público británico apenas tuvo acceso a las maquetas hasta finales del siglo XVIII, cuando
los prisioneros de guerra desencadenaron una nueva industria. Los prisioneros que capturaron los
británicos durante las guerras del imperio francés, hacían maquetas con huesos para
complementar sus salarios. Los prisioneros recogían los huesos de la carne q comían, cortaban
esquirlas y las pegaban a un trozo de madera. Después les ponían mástiles y jarcias. El público
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británico se enamoro tanto de esas maquetas que los prisioneros de una cárcel tuvieron que hacer
una cadena de montaje para poder hacerlos rápidamente y venderlos al público.
No fue hasta la gran exposición de Inglaterra en 1851 cuando los modelos se exhibieron
ante las masas, obteniendo popularidad instantánea. En los siguientes 50 años, las asociaciones de
modelismo de barcos promoverían un autentico furor por las regatas, llegando en 1880 a Norte
América, justo cuando un periodo más imaginativo en el modelismo se acababa.
Los EEUU era el único país del mundo que requería una maqueta para adquirir una
patente. Su sistema de patentes se copio del sistema inglés, pero este último no requería de una
maqueta.
Desde 1790 hasta 1880 la oficina de patentes norteamericanas expidió 246.094 patentes y
almaceno casi 200.000 maquetas de sus inventores. Los modeladores trataban de convencer a los
inventores para que entregaran modelos elaborados porque, si parecían caros, entonces eran
atractivos y eso podía influir en el examinador para que expidiese una patente.
En 1836 y luego en 1877 dos incendios destruyeron miles de maquetas de patentes. Este
caro sistema se abandono finalmente en 1880. Pronto los modelos saldrían de los talleres de los
inventores a los patios de juego del mundo. A continuación trenes, coches y aviones formaron la
era dorada del modelismo. [3]
2.3. Concepciones y exigencias del modelismo naval
Tal y como refleja Bernard Frölich en su obra El arte del modelismo naval (2002) la primera
preocupación cuando se decide construir un modelo naval, suele estar basada en el respeto a la
autenticidad. Respeto en cuanto a la identidad histórica, cuidado del detalle llevado al extremo,
dejando de lado la inexactitud y reflejando el conocimiento profundo del entorno que el barco
representa, también con el afán de conseguir un objetivo didáctico.
Todo ello está presente en la variedad del modelismo que son las representaciones de los
modelos de astillero, a veces solamente de sus cascos, otras, de naves completamente aparejadas,
según el gusto del modelista al que hay que añadir el deseo de mostrar tal o cual aspecto de la
nave de la que ha hecho réplica.
A tal nivel, la exigencia de calidad está determinada por los materiales que han sido
elegidos y trabajados con el mayor esmero. Las mejores maderas (como el peral u otras
variedades, como pueden ser el ébano o el boj) se eligen, a la vez, por su color o las cualidades que
les son propias. También las más conocidas especies, como el enebro, acebo, pino o fresno,
empleadas en modelos a mayor escala, evocan lo rudo de la construcción y de la vida a bordo de
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tal o cual barco de pesca, se emplean al natural, con técnicas que no permiten descuido en el
ensamblado y claveteado de sus partes.
Para la jarcia, los modelistas exigentes no se conforman con los hilos de carácter
comercial. Casi todos disponen de un pequeño aparato para hacer con sus propias manos la
cabulleria en todas las menas necesarias, para betas, calabrotes o guindalezas, lo que tiene una
gran importancia, para conseguir la exactitud con relación a la escala. [6]
En general, el modelista de alto nivel se lo fabrica todo, nunca utiliza elementos
prefabricados. Tornea sus cañones, (ningún modelo comercial respeta las dimensiones precisas o
el tipo de molduras propias de tal calibre o cual época) conforma por si mismo sus forrados o
falcaceado de sus cordajes; corta cose y tiñe las velas y da la forma y grueso preciso a la madera
por sí mismo.
Dicha forma de practicar el modelismo requiere de una evidente polivalencia. En efecto,
será necesario ejercer el uso de numerosas técnicas, por no decir de diferentes oficios: trabajar la
madera o el metal, serrar, tornear, soldar, encolar, cortar velas, teñir, coser y toda una variedad de
habilidades manuales, inventando sin cesar nuevos trucos para utilizar toda una serie de
herramientas y otras maneras de elaborar hasta el menor de los detalles.
En definitiva, un modelista es una persona amante de las manualidades y la historia. Esto
debe ser así ya que es necesario invertir una ingente cantidad de horas pertenecientes a su tiempo
de ocio, al ser esta una profesión mayoritariamente amateur. No hay una profesión tipo,
encontrándose de todo: carpinteros, ingenieros, médicos, dentistas, mecánicos: su único punto en
común es la afición al modelismo. Es precisamente el carácter amateur, en el sentido noble de la
pablara (en francés, el que ama), el que le hace conseguir la calidad de las obras que realiza. Lejos
de todo móvil que conduzca a la rentabilidad, les guía únicamente la exigencia de perfección en el
resultado. El enfrentamiento amistoso con los mejores es el objetivo a alcanzar para el logro de la
obra maestra.
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Capítulo 3. Antecedentes de la Máquina
de Vapor
3.1. Introducción
La máquina de vapor ha sido, sin ningún lugar a dudas, una de las invenciones más
importantes que la ciencia ha dado a la humanidad. Su aplicación a procesos productivos y los
medios de transporte en un momento histórico en el que la mayoría de trabajos se realizaban de
forma manual, constituyó el puntapié inicial para la llamada Revolución Industrial a finales del
siglo XVIII. No existe punto del globo, por más alejado y remoto que sea, que no se haya visto
afectado, desde hace mucho tiempo, por estas importantísimas máquinas.
Aunque hoy en día la utilización de estas máquinas de vapor ha desaparecido casi
completamente de la faz de la Tierra, nadie podrá negar que todo lo que vino después ha sido, en
gran medida, heredero del primer camino abierto por aquella sencillísima máquina. Puede que
hoy en día parezca poco si se establece una comparación con las energías eléctrica y atómica,
cuando se piensa en máquinas que funcionen gracias a la luz solar o, más recientemente aun, en
las pilas de hidrogeno. Pero es muy difícil pensar, incluso en el presente, en un invento científico
tan revolucionario como aquella primera máquina de vapor. Su construcción significó un salto
inmenso en la conciencia que el hombre tenía de sus propias capacidades creativas. [7]
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Mucho se ha dicho al respecto de la creación de la máquina de vapor. Sin ir más lejos, las
reflexiones socioeconómicas de Carlos Marx (y del marxismo en general) solo pudieron nacer de la
mano de las transformaciones que la Revolución Industrial hizo posibles. Mientras algunos piensan
que la invención de la máquina de vapor significó el comienzo de una mejor calidad de vida, otros
prefieren sostener que ella ha sido la responsable de generar una explotación generalizada como
la humanidad no había visto nunca antes. Más allá de las discusiones, la máquina de vapor seguirá
siendo siempre el símbolo primero de la producción masiva, de la industria y de la capacidad
creativa e industrial del ser humano.
A continuación se repasaran los distintos inventos que desembocaron en una
transformación más o menos eficiente de la energía calorífica en energía mecánica a través de la
obtención de vapor de agua.
3.2. Antecedentes
La historia de los primeros pasos de la máquina de vapor exige algunas aclaraciones
previas sobre los principios en que está basada y en particular sobre la evolución de las ideas
referentes a la presión atmosférica.
Herón de Alejandría, en su obra original La pneumatica del siglo II a.c., desarrolló o
recopiló (no se sabe a ciencia cierta) una serie de ingeniosos inventos para la aplicación de la
energía del vapor o del agua mediante una serie de dispositivos como tornillos poleas, palancas,
etc. Uno de los ejemplos más impactantes por su originalidad es la eolípila, considerada como la
primera turbina de la historia. Se trata de una esfera de metal hueca que puede girar en torno a un
eje o diámetro horizontal y que está provista de dos tubos que penetran casi hasta su centro,
siguiendo un diámetro perpendicular al anterior. [8]
“Estos tubos rebasan la superficie de la esfera y, cada uno de ellos forma un codo de 90º,
cuya nueva dirección es normal al plano que contiene a los dos diámetros. La terminación de los
tubos acodados es de sentido inverso, de manera que cuando uno de ellos mira hacia el norte, el
otro tubo mira hacia el Sur.
Esta esfera se llena parcialmente de agua y debajo de coloca una fuente de calor. Cuando
el agua entra en ebullición, el vapor que se genera escapa por los dos tubos acodados que, por su
disposición y en virtud de la fuerza reactiva del vapor que se halla en movimiento, crean un par
motor que impulsa a la esfera y la hace girar”. [9]
Este artilugio puede observarse en la figura 3.1.
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Figura 3.1. Eolípila de Heron.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Aeolipile_illustration.JPG
En 1654, Von Guericke, con su famoso experimento de Magdeburgo, hizo una
espectacular demostración de la inmensa fuerza que la atmósfera podía ejercer. Mostró que
cuando dos hemisferios de 50 centímetros de diámetro perfectamente ajustados eran unidos de
manera que formasen una esfera (figura 3.2) y se hacía el vacío en su interior, dos tiros de ocho
caballos cada uno, no eran capaces de separarlos. En otro experimento más inmediatamente
relacionado con la historia de la máquina de vapor mostró que cuando se creaba un vacío parcial
bajo un émbolo de grandes dimensiones introducido en un cilindro, la fuerza sumada de cincuenta
hombres no podía evitar que la presión atmosférica llevase el émbolo al fondo del cilindro. [10]
Figura 3.2. Hemisferios de Magdeburgo [10]
Tales experimentos dieron vida a la idea de que si se pudiese encontrar algún medio
sencillo para crear el vacío repetidas veces se podría utilizar la presión atmosférica como una
ventajosa fuente de energía. En ello se basan las máquinas de vapor llamadas atmosféricas.
Thomas Savery, a principios del siglo XVIII obtuvo una patente de una máquina de vapor
utilizada para elevar cantidades considerables de agua, que en su época, constituyo un gran
avance en la industria minera.
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“En esos tiempos, el agua subterránea suponía un grave problema para la minería, y las
bombas alternativas no eran capaces de desarrollar una potencia capaz de extraer agua desde
elevada profundidad.” [11]
“El funcionamiento de esta máquina consistía esencialmente en inyectar vapor a un
recipiente lleno de agua hasta vaciar su contenido por un tubo vertical a través de una válvula de
seguridad. Cuando el recipiente se vacía, cesa el suministro de vapor y el vapor contenido se
condensa por medio de un chorro de agua fría que cae sobre las paredes exteriores de dicho
recipiente y que proviene de una cisterna colocada en su parte superior. Esto produce un vacio y
permite que otro tubo, controlado por otra valvula de seguridad, aspire agua del pozo distribuidor
de cualquiera que sea la fuente. Entre tanto, una operación paralela se lleva a cabo en otro
recipiente semejante al primero. El vapor se suministra de un horno que consiste en una caldera
principal que tiene una alimentación continua de agua caliente, la cual proviene de otro horno que
calienta agua fría por el fuego encendido en su hoguera. Los niveles de agua en las calderas se
controlan por sendas válvulas de presión.” [8]
Esta máquina puede considerarse la primera máquina de vapor y, además de utilizarse
para la extracción de agua en minería como ya se ha comentado, también fue utilizada para la
distribución de agua en pequeñas poblaciones así como para elevar agua para la posterior
obtención de energía mecánica mediante molinos.
Figura 3.3. Máquina de Thomas Savery
Fuente: http://www.history.rochester.edu/steam/savery/descrip.htm
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3.3. Máquinas atmosféricas
Las primeras máquinas de vapor fueron llamadas con bastante frecuencia máquinas
atmosféricas, puesto que era la presión de la atmósfera la que proporcionaba la fuente motriz.
Después de varios intentos con distintos sistemas para conseguir el vacío necesario, el
primero en utilizar el vapor de agua para este fin fue Denis Papín (1647-1714), profesor de
matemáticas que mejoró la máquina de Savery. En 1687 publica Descripción y empleo de la nueva
máquina para elevar el agua, obra en la que describe el funcionamiento básico de su máquina
neumática, sugiriendo que la condensación de vapor se debería usar para producir un vacio debajo
de un pistón que previamente se había elevado por la acción del vapor. [10]
“El motor del profesor contaba con un único cilindro que servía también como caldera. Se
colocaba una pequeña cantidad de agua en la parte inferior del cilindro y se calentaba hasta que
producía vapor, la presión del vapor empujaba un pistón acoplado al cilindro, tras lo cual se
eliminaba la fuente de calor de la parte inferior. A medida que el cilindro se enfriaba, el vapor se
condensaba y la presión del aire en el exterior del pistón lo empujaba de nuevo hacia abajo. Esta
fue la primera versión de una máquina de vapor usando un cilindro y un pistón. Construyo una
máquina de vapor de alta presión destinada al bombeo de agua.” [8]
La máquina de Papín no tenía demasiada importancia práctica, pero estableció el principio
vitalmente importante de que se podía utilizar el vapor para mover un émbolo hacia arriba y hacia
abajo en el interior de un cilindro.
A finales de 1705, Dennis Papin aplico su idea a un pequeño barco de vapor construido por
él mismo, pero no tuvo éxito en su intento.
“Thomas Newcomen desarrollo en 1712 una máquina que tuvo una vida útil más larga que
la máquina de Savery y fue mucho más exitosa. Al igual que la de su predecesor, se trataba de una
máquina atmosférica y su uso casi exclusivo era bombear agua fuera de las minas. Sin embargo, al
contrario que la máquina de Savery, la máxima altura a la que se podía elevar el agua no estaba
limitada por la máquina, sino por las bombas asociadas.” [8]
Con sus modificaciones, obtuvo una máquina que funcionaba a 12 revoluciones por
minuto y subía 540 litros de agua por minuto sobre 46 metros (según una nota encontrada al pie
de un croquis de la época). Aproximadamente daba una potencia de 5 cv y tenía una eficiencia
termal del 0.5%.
Esta máquina no usaba vapor de alta presión, y por lo tanto era segura, y básicamente
simple. No hacia exigencias más allá de los muy limitados recursos técnicos de principios del siglo
XVIII. Era asimismo una máquina poderosa y generalmente superior a cualquier otro método de
bombear agua conocido hasta la fecha.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 3.4. Máquina atmosférica de Newcomen
Fuente: http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/imagenes/newcomen2.gif
Newcomen resolvió el problema de la fuga de vapor con aletas de cuero en los bordes del
pistón y agregando agua a la parte superior del cilindro para mejorar el cierre. El agua impedía el
escape de vapor a través del juego existente entre el cilindro y el pistón. Esto era necesario dado
que la tecnología de la época no permitía construir cilindros de más de veinte centímetros con la
cilindricidad requerida en estos casos.
La máquina experimentada podría haber trabajado inicialmente bien y luego
gradualmente disminuiría la velocidad hasta detenerse debido al aire que se encuentra disuelto en
el agua y que se emite junto con el vapor que entra al cilindro y se va acumulando en forma
gradual. Es probable que Newcomen encontrara la solución al problema dejando que el vapor
fluya a través del cilindro unos pocos segundos por cada ciclo para asegurarse que el aire fuera
extraído. Invento una válvula situada en la cisterna de agua del caño de salida del cilindro gracias a
la cual, observando el burbujeo en cada ciclo, puede asegurarse de que el cilindro no contiene
aire.
Los materiales con los que contó para construir el invento pudieron tener muchos
problemas: roturas de cadenas, caños que estallan, cueros que se rasgan e incrustaciones que se
forman en la caldera. Todo ello llevo a que el proyecto se extendiera a lo largo de 10 años.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
No fue fácil la explotación de la idea de Newcomen. Tras la obtención de la patente para
usar la “fuerza del fuego para elevar agua” por parte de Thomas Savery, se vio obligado a asociarse
con él para poder llevar a cabo la explotación de su idea y vender motores.
La noticia de la existencia de la máquina de Newcomen se extendió por el continente
rápidamente, de forma que el primer motor fuera de Gran Bretaña se levantó en 1722 en Austria.
El primer motor en Francia se construyó en 1726 en un suburbio de Paris llamado Passy, para
surtir a la ciudad de agua desde el Sena. En 1729 ya había motores en funcionamiento en Francia,
Bélgica, Austria y, posiblemente en Alemania y España.
En 1733 expiró la patente, de forma que el uso del motor se extendió de forma muy rápida
dada la ausencia de competencia.
3.4. La máquina de James Watt
3.4.1. Introducción
Como todos los grandes avances, la máquina de vapor no es obra de una única persona,
sino de la evolución de los inventos a lo largo de muchos años de experiencia y de observación del
funcionamiento de máquinas anteriores. De esta forma, la máquina de vapor de Watt (figura 3.5)
no es más que la evolución de la máquina de Newcomen desde una idea brillante de un personaje
excepcional. La mejora introducida por James Watt consiste fundamentalmente en la aplicación de
la condensación en un recipiente aparte del cilindro. De esta forma se evita tener que calentar y
enfriar una y otra vez el cilindro con la perdida de energía que ello conlleva. Una idea simple pero
genial, que permitió un aumento del rendimiento de una forma espectacular.
Le fue encargado a Watt la reparación de una máquina de Newcomen propiedad de la
universidad de Glasgow, de forma que tuvo observar y estudiar el funcionamiento de ésta. Lo
primero que hizo fue construir un modelo de una máquina con un cilindro de dos pulgadas de
diámetro y seis de carrera. Llego a la conclusión de que el alto consumo de vapor se debía a las
perdidas por convección en las pareces del cilindro. Para minimizar las perdidas construyo otro
modelo con un cilindro de seis pulgadas de diámetro y doce de carrera en madera. Tras los
experimentos, llego a la nueva conclusión de que el alto consumo de vapor se debía al
enfriamiento del cilindro por el agua inyectada en cada ciclo de trabajo. [8]
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 3.5.Máquina de vapor Watt. Máquina de vapor situada en el vestíbulo de la Escuela Técnica Superior
de Ingenieros Industriales de la UPM (Madrid).
Durante su trabajo de investigación, descubrió de forma independiente el fenómeno del
calor latente del vapor. En palabras del propio Watt:
“He observado que, para hacer un mejor uso del vapor, es necesario
en primer lugar, que el cilindro sea mantenido siempre tan caliente
como el vapor que entra en él; en segundo lugar, que una vez que el
vapor condense, el agua que de aquí se obtiene y el agua inyectada
deben ser enfriadas por debajo de 100º o menos cuando sea posible.
Las razones de estos dos puntos no aparecieron de golpe, fue en 1765
cuando observé que si se abría un conducto entre un cilindro que
contenía vapor y otro del que se había extraído el aire y cualquier otro
fluido, el vapor como fluido elástico, fluía hacia el recipiente vacio
hasta que se alcanzaba el equilibrio, y si este recipiente era mantenido
muy frio mediante una inyección o cualquier otro método, más vapor
fluía hacia el recipiente hasta que condensaba todo el vapor.” [8]
3.4.2. Descripción del funcionamiento
No se puede hablar de una única máquina de vapor de Watt, dado que ésta fue
evolucionando a lo largo del tiempo. Fueron muchos los avances que se fueron introduciendo a lo
largo de los años. No obstante, el funcionamiento general siempre fue el mismo.
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“Mi método para reducir el consumo de vapor, y por tanto de combustible en las
bombas de fuego, reposa sobre los siguientes principios:
1º. La cámara en que la fuerza del vapor debe emplearse para hacer funcionar la máquina,
designada en las bombas de fuego ordinarias bajo el nombre de cilindros y que yo llamo
cámara de vapor, debe, durante el funcionamiento de la máquina, ser mantenida
constantemente a la misma temperatura que el vapor que viene a llenarla. Esto se
obtendrá, primeramente, rodeándola con una envoltura de madera o cualquier otro
cuerpo mal conductor del calor; seguidamente manteniéndola en contacto con una capa
de vapor o de una sustancia cualquiera preparada a una temperatura elevada; finalmente
teniendo cuidado de impedir que el agua, o cualesquiera otra sustancia más fría que el
vapor toque su pared.
2º. En las máquinas de vapor que deben ser puestas en movimiento por la condensación
del vapor, esta condensación se efectuara en recipientes cerrados, distintos de las
cámaras de vapor, aunque en comunicación con ellas. Estos recipientes a los que llamo
condensadores, deben, cuando la máquina está en marcha, ser mantenido
constantemente a una temperatura tan baja como por lo menos la del aire ambiente.”
Patente de Watt (1769) apud Mantoux: ob. Cit. P. 32
El vapor se genera en una caldera que se encuentra en una parte diferente de la
construcción. Éste pasa al cilindro que se encuentra rodeado por una camisa de vapor que
mantiene alta la temperatura del cilindro. La fuerza motriz se produce por una condensación del
vapor en un recipiente aparte, conocido como condensador. El juego de válvulas permite el paso
del vapor desde el cilindro hacia el condensador, de forma que, al ir llegando el vapor al
condensador, se transforma en agua líquida, disminuyendo su volumen y creando un vacio aun
mayor que el existente dentro del cilindro. La diferencia de presiones entre el vapor de la parte
superior del cilindro y el vacío creado en la parte inferior del pistón, tira de la palanca superior y
hace funcionar la máquina situada al otro lado de la palanca. Una vez terminado el ciclo, cuando el
pistón llega abajo, el juego de válvulas cambia de nuevo, impidiendo el paso de vapor hacia el
condensador desde el cilindro y volviendo a llenar este de vapor, de forma que se comienza un
nuevo ciclo. El agua líquida que hay ahora en el condensador es desalojada por la bomba de agua y
aire, creando un vacio que servirá para atraer el vapor en el siguiente ciclo.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 3.6. Esquema del funcionamiento de la máquina de vapor [12]
La máquina funcionó al principio para utilizarla como bomba de agua, de forma que en el
otro lado de la palanca había otro vástago, éste de una bomba. Posteriormente se incorporo el
movimiento rotatorio mediante la introducción de ciertos elementos, como un volante o un
regulador de presión que mantenía constantes las revoluciones inyectando más o menos vapor en
función de las necesidades de potencia.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Capítulo 4. Barcos de vapor
4.1. Introducción
Las ruedas de paletas han estado en uso durante siglos. Hay evidencias de que los
romanos experimentaron con ruedas de paletas en barcos, usando bueyes para suplir la potencia.
Parece que los experimentos no fueron muy exitosos como las galeras de remos largos, más
conocida como el típico barco de aquellos tiempos. Se piensa que los chinos usaron ruedas de
paletas utilizando la fuerza de los hombres en sus barcos de guerra durante el siglo VII. Diferentes
ideas han presentado esta forma de propulsión a lo largo de los años.
Leonardo da Vinci, quien invento casi de todo, realizo dibujos en el año 1500 mostrando
un buque propulsado por paletas y conducido mediante dos pedales, anticipando así el “pedalo”
por unos cuatro siglos. En 1543, el español Blasco de Garay presento planos al rey Carlos V de una
máquina que impulsaría un barco sin la ayuda de remos o velas. Se dice que la idea se probó en un
barco llamado Trinidad en la bahía de Barcelona. Cada una de las ruedas de paletas es girada por
veinticinco hombres y el buque alcanzaba una velocidad de 3,5 millas por hora. [13]
La llegada de la máquina de vapor revoluciono el mundo de la navegación, que durante
milenios había utilizado la vela como elemento motriz. La experiencia acumulada durante siglos
fue perfilando el casco y la arboladura de los barcos hacia líneas cada vez más estables y veloces.
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4.2. Primeros intentos de barcos de vapor
A finales del siglo XVIII, el orgullo de la ingeniería naval eran los clípers, barcos de mediana
eslora, cuyas finas líneas y largo bauprés (para aumentar el velamen a proa) los volvían muy
rápidos y atractivos. Sin embargo, el germen del cambio estaba presente antes de la llegada de los
mismos clipers. [1]
Dennis Papín, un francés, fue quien primero propuso el uso del vapor para propulsar un
barco. Es conocido que él construyo un bote con paletas en 1707, pero si era impulsado por vapor
o por la fuerza humana es un tema de discusión de los historiadores. Esta embarcación terminó
incendiada y hundida por los bateleros que la consideraban una amenaza para su trabajo El
siguiente año Papín presento un documento a la Royal Society proponiendo la construcción de un
bote de vapor. La propuesta nunca fue tomada en consideración, pero parece que Papín fue el
primer hombre que veía la posibilidad de unas prácticas ruedas movidas por vapor.
Después de la muerte de Papín en 1714, numerosos intentos de construcción de motores
de vapor para impulsar barcos fueron construidos, particularmente en Francia.
En 1783, el marqués Jouffroy D’Abbans, lanzo su barco de vapor, el “Pyroscaphe”, sobre el
rio Sena, cerca de Lyon. Éste navego bajo el poder del vapor durante unos 15 minutos. El ingenio
era un cilindro horizontal de doble efecto de 25,6 pulgadas de diámetro con una carrera de 77
pulgadas. El doble empuje del pistón producía un continuo movimiento de rotación en las paletas.
Algunos de los ingenios usados en estos primeros experimentos fueron diseñados por, o
basados en el diseño de, el inglés Thomas Newcomen quien tenía poco interés en la ingeniería
marina y delego los diseños a William Symington para dichos experimentos. [13]
4.3. Primeros barcos de vapor útiles
Tras varios años dedicados a tales experimentos, Symington tuvo cierto éxito en algunos
motores para barcos, debido al cual consiguió en 1801 que Lord Dundas financiara un nuevo
proyecto. En 1802 consiguió botar un buque reconocido como el primer éxito como barco de
vapor, el “Charlotte Dundas”.
Este navío fue construido en madera por Alexander Hart con una longitud total de 56 ft, 18
ft de ancho y 8 ft de altura. Symington introdujo importantes mejoras en el diseño de la máquina.
Un único cilindro de acción directa era utilizado, con 22 pulgadas de diámetro y 4 ft de carrera.
Este diseño entregaba una potencia de 10 cv nominales y una sola rueda trasera. El Charlotte
Dundas trabajo como remolcador en el `Forth and Clyde Canal’, Escocia.
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Los propietarios del canal, sin embargo, no estaban contentos. Ellos alegaron que los
remolinos del buque dañaban la orilla del canal y se le prohibió su uso. El Charlotte Dundas fue
abandonado en un arroyo y desguazado en 1861.
La miopía de los propietarios del canal evito que Gran Bretaña fuera el hogar del primer
éxito, comercialmente hablando, del barco de vapor. Este honor fue a parar hasta América, para
Robert Fulton y su barco, el Clermont en 1807. Fulton visito Escocia y adquirió muchos
conocimientos útiles de sus observaciones de los ensayos del Charlotte Dundas. Él trabajo un
tiempo en Francia, y sus primeras pruebas con el barco fueron en el rio Sena, pero fue en el rio
Hudson de New York donde el Clermont consiguió su éxito.
Éste barco tenía una longitud total de 133 ft y ancho de 13 ft, llegando a pesar 100
toneladas. Su creador, el ingeniero norteamericano Robert Fulton, encargo una máquina de vapor
a James Watt y la instalo en su barco adaptándole dos ruedas de paletas en los costados a media
eslora con un diámetro aproximado de 15 ft. Esta máquina era capaz de ofrecer una potencia de
20 cv nominales. El único cilindro, de 24 pulgadas de diámetro y 4 pies de carrera, conducían las
dos ruedas de paletas de los laterales a través de una serie de engranajes diseñados por el propio
Fulton. El primer ensayo tuvo lugar el 17 de Agosto de 1807, y la velocidad alcanzada fue de 4,7
mph. [13]
El Clermont corrió como una bala entre New York y Albany hasta 1808 cuando fue
reconstruido y renombrado North River. Esta embarcación continuó dando servicio durante los
siguientes siete años.
En comparación con la figura estilizada de los veleros, el Clermont con su ruidosa
maquinaria instalada en el centro, a la vista de los pasajeros, era descrito como “un monstruo que
vomitaba humo”, pero supuso un avance extraordinario consiguiendo ese primer viaje con un
total de 240 km. Su éxito acelero la construcción de vapores que, veinticinco años después, ya se
contaban por centenares. Las primeras naves de vapor utilizaban vapor a baja presión, producido
en una caldera donde ardía carbón o leña. El vapor entraba en un único cilindro, donde se
expandía y hacía girar el árbol.
Los primeros vapores de rueda de paleta, que al girar empujaban el agua hacia atrás, se
adaptaron muy bien a aguas poco profundas como la de los anchos ríos. Principalmente eran
barcos de carga que transportaban mercancías, aunque los había lujosos que también se
dedicaban al transporte de pasajeros, como algunos que recorrían el Mississippi realizando escalas
entre Memphis y Nueva Orleans.
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Figura 4.1. Vapor del Mississippi [14]
A lo largo del siglo XIX, los barcos de vapor fueron desplazando de las principales líneas de
navegación a los veleros, que, sin embargo, ofrecieron resistencia. Su última estrategia de
supervivencia consistió en aumentar su tamaño a dimensiones desconocidas hasta entonces. Los
“windjammer” (“estorbadores de viento” como llamaban despectivamente los vaporistas a estos
veleros gigantes de tres, cuatro y hasta cinco palos) podían superar los 75 metros de eslora y llegar
a ser muy rápidos. En contra de lo que se piensa, su velocidad (que podía llegar a 16-17 nudos) no
fue el factor que provoco su derrota frente a la nueva generación de barcos, si no el hecho de que
para alcanzarla se necesitaban unas condiciones meteorológicas óptimas y una numerosa
tripulación experta. En cambio, los vapores podían mantener una velocidad uniforme y, como su
maniobra era más sencilla, la podían realizar con una tripulación menor en número y en pericia,
con lo cual las travesías resultaban más cortas y económicas. [1]
4.3. Robert Fulton
Inventor norteamericano (nacido en Little Britain, actualmente Fulton, Pennsylvania 14 de
Noviembre de 1765, murió en Nueva York el 24 de Febrero de 1815). Desde muy joven se dedicó a
la pintura y a la mecánica. Pudo haberse interesado por primera vez en las máquinas de vapor en
1777 cuando, a la edad de 12 años, visitó al delegado de Láncaster William Henry, que había
estudiado la máquina de vapor de Watt en una visita a Inglaterra. A su vuelta, Henry construyó su
propia máquina y en 1763 (dos años antes del nacimiento de Fulton) intentó colocarla como
motor de un barco, que terminó hundiéndose.
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Figura 4.2. Robert Fulton [7]
En 1787, cuando alcanzo la mayoría de edad, se estableció en Gran Bretaña, donde pronto
se dio a conocer por sus trabajos y realizaciones en el campo de la mecánica. En este país crea su
primer invento, que consistía en un sistema de elevadores aplicado a la navegación interna.
En 1797 se traslado a Francia para proponer al gobierno el proyecto de un submarino
capaz de colocar debajo del casco de los navíos enemigos cargas explosivas, que denominaba
torpedos, y en 1798 construyo en Rúan el primer sumergible de hélices: el Nautulus (llamado
después Nautilus). Pese a que el gran interés de sus ensayos fue reconocido por Monge y Laplace,
dicho invento fue rechazado sucesivamente por el Directorio, la republica Bátava (Países Bajos) y
Napoleón (figura 4.3). Descorazonado, Fulton regreso a Gran Bretaña, donde, no obstante de
haber sido acogido con simpatía, no obtuvo mayor éxito. [15]
Dos años más tarde regreso a EEUU y consagró todos sus esfuerzos a la navegación a
vapor. En 1803 había ya construido un pequeño barco de vapor que navego en el Sena bajo la
atenta mirada de una multitud de personas. El barco tenía 20 metros de eslora, 2.4 m de manga, y
alcanzaba una velocidad de entre 5 y 6 km/h contra corriente.
Aproximadamente entonces Fulton escribió a James Watt, de la compañía Boulton&Watt,
solicitando la construcción de una máquina de vapor a partir de sus planos. Cuando en 1806 fue
completada la hizo enviar a Nueva York. Ahí se construyó el barco que se convertiría en el primer
barco de vapor a paletas comercialmente viable.
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Figura 4.3.Fulton presenta la primera máquina de vapor a Bonaparte en 1803 [7]
A menudo este barco recibe el nombre de Clermont, aunque de hecho, nunca llegó a
llamarlo así, y se solía referir a él como el Barco de Vapor del Río Norte. Clermont era el nombre
del lugar al que el barco de vapor se dirigió en su primer viaje, a 177 km de viaje por el río Hudson.
El viaje a Albany continuó después de una parada de 20 horas en Clermont. En 1807 inauguro, con
el Clermont, una línea regular entre Nueva York y Albany, que constituyo un rotundo éxito.
Figura 4.4. El Clermont, barco construido por Fulton [7]
El ministerio de marina, convencido al fin del merito de Fulton, le encargo en 1815 la
construcción del primer navío de combate norteamericano: la batería flotante Demologos. Pero,
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
agotado por los sinsabores, los largos años de lucha y de gestiones infructuosas y por los pleitos
que entablaron contra él los usurpadores, Fulton, autentico creador de la navegación a vapor,
murió aquel mismo año. [7]
Figura 4.5.El primer barco de guerra de vapor del mundo, el Fulton the First, también llamado Demologos, en
el puerto de Nueva York [7]
Fulton no solo fue un astuto ingeniero, sino que era un inteligente hombre de negocios.
Consiguió el monopolio de los barcos de vapor en el Hudson y fue de este modo indirectamente
responsable de la primera compañía de viajes en buques de vapor.
Otros dos americanos, John Stevens y su hijo Robert, construyeron su barco de paletas, el
Phoenix en 1807 en Hoboken, New York. Pero debido al monopolio de Fulton, se vieron obligados
a llevar el barco a través del mar abierto hacia Philadelphia donde permanecieron durante unos
cuantos años. [13]
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Capítulo 5. Herramientas Informáticas
de Diseño Gráfico
5.1. Introducción
El diseño y la fabricación asistidos por ordenador (CAD/CAM) es una disciplina que estudia
el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte en todos los procesos involucrados
en el diseño y la fabricación de cualquier tipo de producto. Esta disciplina se ha convertido en un
requisito indispensable para la industria actual que se enfrenta a la necesidad de mejorar la
calidad, disminuir los costes y acortar los tiempos de diseño y producción. La única alternativa
para conseguir este triple objetivo es la de utilizar las herramientas informáticas actuales e
integrar todos los procesos para reducir los costes económicos y el tiempo en el desarrollo de los
productos y en su fabricación. [7]
5.2. Sistemas CAD/CAM/CAE
CAD es el acrónimo de “Computer Aided Design” o “Diseño Asistido por Ordenador”.
Puede definirse como el conjunto de procedimientos y herramientas necesarias para la creación,
visualización, manipulación, análisis y representación de formas planas o espaciales. La función
principal en estas herramientas es la definición de la geometría del diseño (pieza mecánica,
arquitectura, circuito electrónico, etc.) ya que ésta es esencial para las actividades subsecuentes
en el ciclo del producto.
El término CAM (Computer Aided Manufacturing) se refiere a cualquier proceso de
fabricación automático que esté controlada por ordenadores. El control sobre las máquinas29
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
herramientas de fabricación se realiza a través del Control Numérico (CN). Este consiste en una
serie de instrucciones programadas que la máquina pueda entender, como el posicionamiento de
la punta de una broca, activar el lubricante, cambiar de herramienta, etc. Con el CAM se consigue
una automatización en la creación de estas instrucciones por el ordenador, evitando así posible
error humano, aumentar los niveles de producción con menor esfuerzo, ahorre de coste y tiempo,
mayor versatilidad de objetos fabricados y productos de mayor calidad. Esto se conoce como
Control Numérico Computerizado (CNC). [7]
La Ingeniería Asistida por Ordenador (CAE) es la tecnología que se ocupa del uso de
sistemas informáticos para analizar la geometría generada por las aplicaciones de CAD,
permitiendo al diseñador simular y estudiar el comportamiento del producto para refinar y
optimizar dicho diseño. Existen herramientas para un amplio rango de análisis: cinemática (para
determinar trayectorias y velocidades del mecanismo), dinámica (para obtener las cargas y
desplazamientos en productos complejos como automóviles) o el Método de los Elementos Finitos
(FEM). Este último es el análisis por ordenador ampliamente utilizado en ingeniería, ya que se
utiliza para determinar tensiones, deformaciones, transmisión de calor, flujo de fluidos y cualquier
otro problema de campos continuos que serian prácticamente imposibles de resolver utilizando
otros métodos.
El CAE permite hacer pruebas y análisis del comportamiento del producto bajo ciertas
condiciones. Es decir, se puede elegir el material que se planea utilizar en la producción de
determinadas piezas y obtener el desempeño no solo del material sino de la pieza en sí, bajo las
condiciones normales en las cuales se prevé su funcionamiento, determinando si tanto el diseño
como los materiales tendrán la resistencia suficiente y/o adecuada para los procesos de
fabricación, así como la utilidad para la cual fueron diseñados. [16]
Así pues, CAD, CAM y CAE son tecnologías que tratan de automatizar ciertas tareas del
ciclo del producto y hacerlas más eficientes. Hoy en día todos los principales programas
informáticos de diseño tridimensional traen estos tres grandes módulos interrelacionados, no
entendiéndose el uno sin el otro si se quiere obtener un producto económico y competitivo.
El uso cooperativo de herramientas de diseño y de fabricación ha dado lugar a la aparición
de una nueva tecnología denominada “Fabricación Integrada Asistida por Ordenador” (CIM) e
incluso se habla de la “Gestión Integrada por Ordenador” como el último escalón de
automatización hacia el que todas las empresas deben orientar sus esfuerzos. Esta tecnología
consiste en la gestión integral de todas las actividades y procesos desarrollados dentro de una
empresa mediante un sistema informático. [17]
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
5.2. Comparación entre diferentes software comerciales
Hoy en día existen una gran cantidad de softwares comerciales para el desarrollo del
modelado tridimensional. Se analizarán los tres programas utilizados principalmente en éste
sector:
•
SOLIDWORKS [7], este programa es desarrollado en la actualidad por
SolidWorks Corp. Su primera versión fue publicada en 1995 buscando ser un competidor
de bajo coste para los programas más utilizados de la época: Pro/Enginner, I-DEAS,
Unigraphics y CATIA. En 1997 fue comprado por la empresa Dassault Systèmes, sacando al
mercado una nueva versión cada año, siendo la más actual SolidWorks 2010.
La cuota de mercado de este software es bastante elevada, ya que se pudo ver
como el 30 de abril de 2009 en un comunicado publicado en su página web, felicitaba a la
empresa OGIO International por haber realizado la compra de licencia un millón,
cubriendo un amplio espectro de los distintos mercados de la fabricación. [18]
El programa utiliza una función paramétrica que permite una gran libertad a la
hora de realizar el diseño del producto, gracias a la cual, si una vez terminada la pieza se
decide cambiar un parámetro, el resto se reajusta automáticamente, siendo muy útil esta
característica a la hora de diseños preliminares donde aun no se tienen muy claras la
forma final deseada para obra. Estos parámetros pueden ser numéricos, como la longitud
de línea o diámetros de círculos y también parámetros geométricos tales como la
tangente a una curva, perpendicularidad entre rectas o concentricidad de circunferencias.
SolidWorks fue pionero en este desarrollo paramétrico que permite al usuario hacer
cambios, añadir características adicionales, o cambiar la secuencia en que se realizan las
operaciones establecidas.
Posee además módulos adicionales que permiten una gran variedad de procesos y
análisis que nos permitirán saber si el diseño realizado es adecuado para la aplicación que
deseamos. Algunos de estos módulos son:
- SolidWorks Simulation. Con este modulo se puede hacer un
análisis por elementos finitos del diseño, lo que proporcionara una primera
idea de los resultados más importantes, como pueden ser: tensiones,
desplazamientos, frecuencias, pandeo,…
- Indigo Renderer. Un renderizador de calidad fotográfica que
produce resultados muy realistas.
- SolidWorks Toolbox. Es una biblioteca de elementos de sujeción
predefinidos, engranajes, levas, clavos y otros accesorios. Esta base de datos
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
puede ser modificada. También se pueden crear piezas estándar creadas por el
usuario y añadirlas a esta biblioteca para su uso posterior en otros proyectos.
- SolidWorks Animation. Tiene la capacidad de la explosión del
ensamblaje. Puede producir la salida de video con el movimiento
implementado del conjunto, pudiendo comprobar si las piezas realizan la
acción deseada y si existe interferencias entre piezas.
Además de estas ayudas, este programa trae un interfaz de programación de
aplicaciones (API) para el desarrollo de macros que son muy útiles para tareas repetitivas.
Está desarrollado en una interfaz típica de Windows, que es muy familiar y fácil de
usar. Por todo esto, es uno de los programas más utilizados en la industria del diseño y
fabricación, sobre todo en donde no es necesaria una gran complicación en el diseño de
superficies, que es el punto más flojo del programa.
•
SOLID EDGE [7] es un programa de parametrizado de piezas en tres
dimensiones basado en un software de sistema de CAD. Permite el modelado de piezas de
distintos materiales, doblado de chapas, ensamblaje de conjuntos, soldaduras y funciones
de dibujo en plano para ingenieros.
Presentado en 1996, inicialmente fue desarrollado por Intergraph como uno de los
primeros entornos basados en CAD para Windows NT. Ahora pertenece y es desarrollado
por SIEMENS AG. Su kernel de modelado geométrico era originalmente ACIS, pero fue
cambiado a Parasolid. El nucleo Parasolid es desarrollado actualmente por Siemens PLM
Software y es usado ampliamente como el motor geométrico de otras herramientas CADs
(SolidWorks, IronCAD,…)
Con la reciente adquisición por parte de SIEMENS AG, está empezando a formar
parte de todas las plantas de producción e ingeniería, por lo que está sufriendo unas
mejoras considerables dentro del software. Dentro de las mejoras más notables en esta
última versión, cabe destacar la traducción de archivos de otras plataformas, lo que
permitirá sin duda que se abra paso en sectores antes condenados al uso de un
determinado software por la falta de compatibilidad de sus archivos con otros paquetes
de CAD.
En la última versión disponible, Solid Edge 2009, cuenta con las siguientes
capacidades [19]:
- Chapa sincrónica. Con este nuevo entorno se pueden desarrollar
trabajos importantes en chapa, ofreciendo una gran flexibilidad y rendimiento
rápido, pudiendo utilizar todas las herramientas del modelado incluso en
piezas importadas de otros sistemas tridimensionales.
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- Simulación de Elementos Finitos. Se pueden realizar análisis
estáticos, modales o de pandeo con el solucionador NX Nastran, para obtener
resultados fiables. Al concluir el análisis se puede generar un informe de los
resultados finales.
-
Migración de datos dimensionales a tridimensionales. Sustitución
de las cotas dimensionales automáticamente por cotas directoras
tridimensionales, editables durante la creación del modelo. Este proceso se
puede emplear con los formatos de diseño dimensionales más utilizados,
como AUTOCAD.
•
CATIA [7] (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) es
un programa CAD/CAM/CAE comercial desarrollado por Dassault Systemes, Francia. El
programa está desarrollado para proporcionar apoyo desde la concepción del diseño hasta
la producción y el análisis de productos. Actualmente la versión V6 es la más puntera de
este grupo, aunque la mayor parte de empresas tiene implantada la versión V5.
CATIA fue inicialmente desarrollado para servir en la industria aeronáutica, por lo
que se ha hecho un gran hincapié en el manejo de superficies complejas. Prueba de ello es
que fue el programa con el cual se realizo el diseño del museo Guggenheim en Bilbao, ya
que ningún otro programa era capaz de trabajar con tales superficies. Aparte de la
aeronáutica y la construcción, también es ampliamente usado en la industria del
automóvil para el diseño y desarrollo de componentes de carrocería. Concretamente
empresas como el Grupo VW, BMW, Renault y Porsche hacen un gran uso del programa.
Provee una arquitectura abierta para el desarrollo de aplicaciones o para
personalizar el programa. Los APIs se pueden programar en Visual Basic y C++.
También es un programa que se conforma por una gran cantidad de módulos que
nos facilitan el diseño de las piezas o conjuntos. Eligiendo el más adecuado para cada
aplicación se puede llegar a ahorrar mucho tiempo, siendo necesario un gran
conocimiento del programa para poder sacarle todo su potencial. Algunos de las últimas
innovaciones incorporadas al software son [20]:
- CATIA Composites Design, que permite el diseño contextual
de materiales compuestos. Esto resulta en la optimización de la definición de
grandes piezas que se correspondan con subestructuras, como palos, costillas
y vigas, así como en el perfeccionamiento de la definición de capas en piezas
pequeñas o piezas metálicas trabajadas.
- CATIA Shape Sculptor y CATIA Digitized Shape Editor. Esto permite
la modelización, planificación e ingeniería de excavaciones y movimientos de
tierra, la modelización de construcciones in-situ y la precisa cimentación de
estructuras.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
- CATIA Imagine & Shape contribuye a la rápida creación de
superficies a partir de curvas o redes de curvas y permite que
el usuario cree sus propias primitivas para iniciar el diseño.
- CATIA Real Time Rendering y CATIA photo studio ofrecen la
posibilidad de probar la configuración de los materiales en tiempo real y
explotan la percepción de la calidad del producto final. Ahora, las sombras
adquieren un aspecto más realista, gracias a la incorporación de múltiples
fuentes de luz, y el usuario puede calcular y almacenar mapas de luz off-line.
CATIA Cast & Forged Part Optimizer asegura que el espesor de la
pieza cumple con los requisitos del proceso de fabricación, a fin de anticipar y
solucionar potenciales problemas.
Todo esto se desarrolla bajo el familiar entorno Windows, con una interfaz muy
agradable que ayuda a reducir la fatiga visual, consiguiendo ser el programa de generación
tridimensional más importante a nivel mundial.
Tras esta breve introducción sobre los principales programas de representación grafica, se puede
comprobar que el más importante de todos es el CATIA, ya que contiene todas las funciones del
SolidWorks mejoradas y ampliadas en algunos módulos (algunos expertos consideran CATIA como
el “hermano mayor” del SolidWorks) y aunque el SOLIDEDGE está mejorando mucho su
rendimiento gracias a la incorporación de Siemens, CATIA aun tiene mucho margen sobre éste. Por
lo tanto, a pesar de que el nivel de complejidad del proyecto no es tan alto para no poder usar los
otros programas, se utilizara éste por ser el mejor y el más incorporado en todas las empresas del
mundo.
Concretamente el diseño se desarrollara sobre la plataforma CATIA V5 R19; V5 significa
que se trata de la versión quinta del programa (la más reciente es la V6), y R19 significa que se
trata de la actualización diecinueve de dicha versión. Este software es la última actualización antes
del cambio a la versión V6 en 2009 del producto, pero sigue estando muy extendida en las
empresas debido a que siempre los cambios son paulatinos y a las reticencias de las empresas a
cambiar un producto conocido y que cumple con creces los requerimientos necesarios por un
producto nuevo y que difiere bastante su utilización con la versión anterior.
A continuación se extenderá la información sobre el software elegido finalmente para el
desarrollo del proyecto.
5.3. CATIA V5
Actualmente existe una gran variedad de programas de diseño asistido por ordenador,
pero CATIA V5 es más que eso.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
CATIA V5 es un programa de CAD/CAM/CAE de gama alta. Es uno de los softwares más
potentes requeridos en el mundo por su rapidez en diseñar en 3D, considerándose una
herramienta muy importante en la industria del diseño, proporcionando nuevas soluciones de
diseño y fabricación.
Consiste en un conjunto de aplicaciones informáticas que cubren todos los aspectos del
diseño productivo: CAD (diseño asistido por ordenador), CAE (ingeniería asistida por ordenador) y
CAM (fabricación asistida por ordenador), permitiendo que los usuarios adapten su capacidad de
desarrollo a sus propias necesidades. [16]
CATIA V5 posee una estructura modular, donde cada módulo se utiliza para realizar una
tarea diferente. Los módulos se agrupan en talleres de trabajo, de forma que un taller posee
varios módulos destinados a un mismo objetivo, pero realizando funciones diferentes.
Los talleres más importantes son los siguientes:
Infrastructure. Utilizado para controlar el aspecto del diseño, elaborar catálogos e
interactuar con otras versiones de Catia.
Mechanical Design. Es un conjunto de módulos destinados a la concepción de piezas.
Shape. Conjunto de módulos destinados al diseño de superficies.
Analisys and Simulation. Usado para hacer cálculos mediante el método de los elementos
finitos.
NC Manufacturing. Se utiliza para elaborar programas de control numérico.
Digital Mockup. Conjunto de módulos destinados a realizar animaciones y análisis de los
conjuntos.
Equipments and Systems. Se usa en el diseño de tuberías, equipos y todo tipo de sistemas
en general.
Ergonomics Design. Agrupa los módulos destinados al estudio de la interacción humana
con el conjunto diseñado.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Knowledgeware. Son módulos de conocimiento (Knowledge).
Los módulos, que en mayor o menor medida van a ser usados para la realización de este
proyecto son:
-
Mechanical Design: Part Design, Sketcher, Assembly Design, Wireframe and
Surface.
-
Digital Mockup: DMU Kinematics Simulator, DMU Navigator, DMU Fitting.
-
Infrastructure: Real Time Rendering, Photo Studio.
Para arrancar CATIA V5 desde Windows, se hace doble clic en el icono
se abrirá una nueva sesión de CATIA.
, de modo que
Cuando arranca una sesión de CATIA V5, se suele iniciar con el módulo de Assembly
Design, aunque podría comenzar con cualquier otro como el DMU, o el Infrastructure.
En la pantalla de CATIA se visualizan los siguientes elementos:
Menú Principal. Es el menú que permite ejecutar la mayoría de los comandos ubicados en los
menús del entorno, el cual cambiará dependiendo del módulo en el que se esté trabajando,
permitiendo realizar unas tareas u otras.
Compás.
Es un elemento muy utilizado, sobre todo en los módulos de conjuntos, en donde
hay varias piezas insertadas. Se utiliza para mover una pieza respecto a otra dentro del conjunto.
Es el lugar donde se van recogiendo todas las operaciones
Árbol de especificaciones.
que se realizan en el documento. Tiene una estructura vertical y lineal. Un elemento situado más
abajo que otro no implica obligatoriamente que haya sido creado después.
Menús del entorno. Son los menús donde se contienen los comandos que por defecto vienen en
cada uno de los módulos. Por un lado se encuentra la paleta de funciones (derecha de la pantalla)
del módulo activo. Y por otro lado, la barra de herramientas (debajo de la pantalla), prácticamente
común a todos los módulos, la cual permite realizar acciones tales como abrir o guardar
documentos, medir, aplicar materiales, cambiar el modo de visualización, etc.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 5.1. Pantalla de inicio de CATIA
Estos menús son personalizables, pudiendo insertar o eliminar comandos de un menú.
Además de estos menús, existe el menú contextual que no es más que el menú que posee
cada elemento que se crea. Este menú se despliega seleccionando en el árbol de especificaciones
el elemento y pinchando con el botón derecho del ratón. Este menú permitirá realizar operaciones
para el elemento seleccionado tales como cortar, copiar, mover, etc.
Figura 5.2. Menu contextual de un elemento del árbol
Para cambiar de un módulo a otro se debe pinchar en Start del menú principal, y
seleccionar cualquiera de los que aparece en la lista.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 5.3. Cambio entre los módulos existentes de CATIA
Al cambiar de módulo el entorno de CATIA cambia y los menús se adaptan a la nueva
configuración apareciendo las nuevas herramientas que facilitan un trabajo u otro dependiendo
del cual sea activado.
Existen varios tipos de documentos en CATIA V5, y que a cada tipo de documento le
corresponde un conjunto de módulos determinados.
Los documentos que van a ser utilizados son los siguientes:
Part. Es el documento que contiene la geometría de la pieza. En un Part se almacenan todos los
elementos necesarios para construir dicha geometría. La extensión que poseen estos archivos es
CATPart. Los módulos más importantes compatibles con este tipo de archivos son: Part Design,
Sketcher, Wireframe and Surface Design, Generative Shape Design, Knowledge Advisor, etc.
Product. Un Product está constituido por una serie de Parts orientados unos con respecto a otros
formando un conjunto. En este documento se almacena el posicionamiento de los Parts que
contiene. También guarda otras informaciones relativas a los Parts, como los enlaces que se
establezcan entre piezas dentro del Product, las simulaciones, los análisis de interferencias, etc. La
extensión de este archivo es CATProduct y los módulos más usados son: Assembly Design, todos
los del Digital Mockup, Photo Studio, Real Time Rendering, Knowledge Expert, Knowledge Advisor,
etc.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Material. Estos documentos se utilizan para crear catálogos de materiales. Los materiales creados
en este documento pueden ser aplicados tanto a un Part como a un Product. La extensión que
corresponde q estos archivos es CATMaterial, y sólo se pueden crear con el módulo Material
Library.
En cuanto a las herramientas de recreación virtual, CATIA V5 ofrece numerosos módulos,
de los cuales, en este documento, se usaran los siguientes:
DIGITAL MOCKUP
Este módulo permite verificar la corrección del diseño realizado permitiendo realizar
una gran variedad de simulaciones para comprobar la validez del mismo, puesto que el diseño
es en realidad una “maqueta digital”.
Figura 5.4. Submódulos de DMU
DMU Kinematics Simulator
Define, simula y analiza mecanismos de todos los tamaños, usando una amplia
variedad de tipos de juntas, uniones y articulaciones, incluso generándolas automáticamente
transformando las restricciones del ensamblaje. Proporciona análisis de interferencias y
distancias mínimas durante el movimiento, de modo que es posible verificar la corrección del
mismo durante la simulación del movimiento. Permite simulaciones combinadas mediante la
integración de otras aplicaciones DMU.
DMU Navigator
Desarrolla utilidades de revisión, visualización, navegación y comunicaciones. De gran
capacidad gráfica, permite una productiva navegación 3D a lo largo de la maqueta mientras
muchas herramientas de anotación, hipervínculos, animaciones… facilitan el trabajo entre los
distintos grupo que trabajen en la DMU. Permite el tratamiento de maquetas de todos los
tamaños y una óptima visualización en 2D y navegación en 3D con varios modos (sobrevolar,
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
andar, examinar...). Permite generar videos de las animaciones y asociar objetos con
documentos de audio o crear hipervínculos con otros documentos.
INFRASTRUCTURE
Los módulos de los que se compone este espacio son para complementar y estructurar
el diseño, no para realizar el diseño en sí mismo.
Figura 5.5. Submódulos de Infrastructure
Real Time Rendering,
Photo Studio
Permiten crear fácil e interactivamente imágenes y animaciones foto-realistas de un
producto. También puede servir para validar la calidad del diseño dando una simulación
realista de la apariencia del modelo. Es posible definir las características del escenario,
personalizando las luces, fondos, posición de la cámara…
Material Library
Permite definir las especificaciones de los materiales: propiedades físicas y mecánicas,
representación 3D y 2D, las cuales serán compartidas en otro módulos de CATIA, así como
representadas las texturas de los materiales para generar imágenes foto-realistas. Los
materiales se organizan por bibliotecas, bien una biblioteca por defecto o una creada por
nosotros.
En definitiva, la elección de CATIA V5 para la realización de este proyecto frente a la gran
variedad de programas de diseño asistido por ordenador, como Solid Edge, SolidWorks.., es
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
debido a que CATIA es considerado un sistema mucho más potente, amplio, versátil y profesional
que los otros existentes en el mercado.
El programa permite realizar el ciclo completo de una pieza, esto es, diseñarla en 3D, hacer
el plano en 2D, insertarla dentro de un conjunto-mecanismo, simular el comportamiento de dicho
mecanismo, e incluso, mediante su librería de materiales, elegir el aspecto visual que tendrá cada
pieza en las vistas renderizadas, y todo ello, de una manera muy sencilla e intuitiva. Y esto no es
más que lo buscado en este proyecto.
Sin embargo, uno de los problemas de este programa es que no está tan extendido, como
por ejemplo, el famoso software Autocad. Esto es así debido a que la calidad hay que pagarla y
realmente solo está implantado en industrias como la automoción o la aeronáutica donde
realmente se exigen grandes perfecciones a los elementos diseñados. Por lo tanto no es fácil
encontrar cursos o manuales donde aprender el manejo de éste software.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Capítulo 6. Diseño de piezas en CATIA
V5 r19
6.1. Introducción
La realización de este proyecto se puede dividir en cuatro partes claramente diferenciadas:
la estructura del barco (casco y engranajes), el motor de vapor que produce el movimiento de las
ruedas, el conjunto generador de gas que alimenta el motor y por último, las ruedas de paletas. Se
analizaran los conjuntos de cada una de estas partes por separado, explicando en cada momento
sus características principales, su desarrollo en CATIA y las modificaciones realizadas en cada una
de ellas, si las hubiera, respecto de los planos originales [21] en que está basada su generación.
Tras la exposición de cada una de las piezas que intervienen en todo el sistema, en el
siguiente capítulo se realizará el ensamblaje de cada una de las partes por separado.
6.2. Motor a vapor
La información que se dispone para la realización del modelo tridimensional son los planos
[21] que para mayor comodidad del lector se adjuntan en el apéndice 1 del proyecto.
Pieza 101, Base
Se trata de una pieza de latón, sobre la cual se fijara el conjunto del motor y la que
permitirá unir éste a la superficie de cubierta del barco. Es por tanto una pieza fija dentro del
movimiento del conjunto, o en el movimiento total, por lo que no será necesario que tenga una
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
gran precisión en su contorno (por el tema de interferencias), pero si será necesaria una gran
exactitud a la hora de efectuar los taladros en su superficie, ya que estos asientan tanto al eje
como a la válvula. Si estas dos piezas no están bien alineadas se producirían mayores vibraciones y
posibles rozamientos que aumentarían la fatiga de las piezas, reduciendo por tanto su vida útil.
Partiendo de un bloque macizo, se ha ido eliminando material hasta conformar el aspecto
final mostrado en la figura 6.1. Se trata de una pieza que requiere la creación de bastantes sketch
y pocket, pero no tiene una gran complejidad, por lo que no se parara a explicar el proceso de
elaboración mediante CATIA.
Figura 6.1. Proceso generación de la base
Figura 6.2. Pieza 1
En los planos no se especifica el radio de acuerdo que suaviza las intersecciones en la cara
superior de la pieza. Se ha procedido a realizar estos acuerdos con un radio de 0,5 mm.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Pieza 102, Válvula
Esta pieza también está fabricada de latón y se puede considerar el cuerpo del motor. Una
de sus funciones principales es acoger el mecanismo biela-manivela en su interior hueco para
impedir que ningún otro elemento entre en contacto con este mecanismo, pues si se produjese
este contacto se romperían totalmente debido a las altas velocidades de giro que se alcanzan.
También evita que se puedan introducir accidentalmente los dedos de la persona que ponga en
funcionamiento el motor.
Su función más importante es la de guiar el recorrido de la deslizadera (pieza 107)
verticalmente. Existe un acople perfecto entre los diámetros interior y exterior de válvula y
deslizadera respectivamente. Esta última desliza por el interior de la otra, permitiendo así un
desplazamiento totalmente vertical tanto hacia arriba como hacia abajo.
También se observa como en el exterior, sujetado gracias a los nervios de la pieza, tiene un
pequeño cilindro hueco que permite el paso de un elemento circular, que más adelante se
comprobara que se trata de la palanca de distribución (pieza 121).
Posiblemente se trate de la pieza más complicada de representar gráficamente de este
conjunto, pues aúna una gran cantidad de elementos diferentes, por lo que es necesario utilizar
una gran variedad de órdenes y módulos diferentes. Por consiguiente, no se pondrá el resultado
final obtenido, si no que se mostraran los diferentes pasos seguidos para su construcción
mediante CATIA V5 R19.
Lo primero de todo es pararse a mirar la pieza y pensar cuál es la manera más fácil y
cómoda de realizarla. Así que deteniéndose un instante a observar la figura 6.3, se llega a la
conclusión de que lo más práctico es empezar por el disco de la parte superior, ya que todas las
cotas están referidas a su plano superior, tomándose éste como origen de referencia.
Figura 6.3. Plano de cotas de la válvula
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Las dos primeras partes en generarse son el mencionado disco y el cilindro alargado que se
encuentra seguidamente y que está totalmente definido a través de las cotas presentadas. El
siguiente paso seguido es la creación de la parte inferior y de los pequeños cilindros puesto que no
se tienen datos para realizar ningún otro elemento. Tras estos pasos la pieza queda de la siguiente
forma.
Figura 6.4.Primera parte del proceso de generación de la válvula
Ahora ya se puede comenzar el diseño del elemento curvo que conecta las placas soportes
inferiores con el cilindro. Para ello se realizan dos Sketch de un rectángulo a las diferentes alturas
necesarias, generando una superficie gracias a la herramienta Sweep. Dicha superficie se muestra
en la figura 6.5.
Figura 6.5. Superficie generada para unir soporte y cilindro
Una vez terminado esto, es necesario recortar la superficie para que a medida que se va
subiendo en altura, la anchura del elemento decrezca. Esto no se ha realizado directamente
poniendo un rectángulo de menores dimensiones en la parte superior porque generaba más
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
problemas, obligando a crear 4 curvas guías en los extremos para obtener buenos resultados. De
esta manera, solo es necesaria la creación de dos planos como los que se muestran en la figura 6.4
para poder recortar la superficie mediante un Split. Repitiendo los mismo pasos al otro lado de
forma simétrica, se obtiene el resultado mostrado en la figura 6.6.
Figura 6.6. Creación de las 2 superficies que soportan el cilindro
Para terminar la geometría de la pieza, solo falta añadirle los nervios laterales. Esto se
hace mediante la herramienta Stiffener [22] aplicada sobre un sketch como el que se muestra en
la figura 6.6. En dicha figura también se muestra el resultado final de aplicar esta herramienta.
Figura 6.7. Sketch para la generación de los nervios y finalización del mismo
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
El último paso, se recomienda que siempre se realicen al final, es la generación de los
agujeros de la pieza, ya sean taladros roscados como los que van en los soportes o formen parte
de la geometría principal del elemento como el hueco interno por donde se desplazara la
deslizadera, puesto que de esta manera no se invadirán dichos huecos con elementos generados
posteriormente. Realizándose los agujeros al final del proceso, si se invaden dichos huecos, cosa
que pasa muy a menudo, al realizar los taladros se eliminan.
Figura 6.8. Resultado final del cilindro
Pieza 103, Culata Inferior
Esta pieza de latón se coloca atornillada a la pieza anteriormente, con cuidado de que la
hendidura realizada quede en el lado exterior para que al unirse al resto de piezas permita el paso
del vapor. Como se aprecia, en su cara inferior sobresale un corto cilindro roscado para insertar un
prensaestopas.
La función básica de esta pieza sería la de confinar el vapor y dejar pasar la tija del pistón
con las menores perdidas del gas posibles. Para ello se utiliza una rosca de paso fino en la unión de
ambas piezas.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.9. Culata inferior
Pieza 104, Palier exterior
Pieza de bronce debido a que esta va a sufrir unas mayores exigencias mecánicas que las
vistas anteriormente y dicho material presenta unas mejores propiedades frente al latón. Estas
piezas se colocaran en los extremos de la base, introduciéndose el eje por ellas y permitiendo el
deslizamiento entre las superficies. Para mejorar este contacto y disminuir al máximo la fricción
entre ambos metales, se efectuara en el centro del plano superior un pequeño orificio con forma
cónica que atraviesa la pieza hasta la cara interna del cilindro. Este orificio se rellena de aceite que
se irá colando gravitacionalmente por su interior, lubricando las superficies.
Figura 6.10. Palier exterior
Cabe destacar que este palier también sirve como tope del cigüeñal, para que éste no se
desplace longitudinalmente, evitando que el conjunto biela-manivela salga de su plano de trabajo.
Pieza 105, Cigüeñal
En este se ha elegido acero para su fabricación, como en el resto de piezas donde las
fricciones son elevadas o están sometidas a elevadas fuerzas de inercia. En este caso tenemos los
dos tipos de problemas.
Se observa como el desfase entre las manivelas son de 90º como ya se había comentado
anteriormente, teniendo estas unas longitudes de 6,5. También se aprecia como en la salida del
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
cigüeñal se ha realizado en el eje una zona plana, para facilitar la unión al mecanismo de
transmisión del movimiento.
Figura 6.11. Cigüeñal
Pieza 106, Biela
Eligiendo el latón como material para realizar esta pieza, se ha generado una biela que
transfiera el movimiento circular de la manivela hasta un movimiento lineal en el pistón. Como
ocurría en la pieza 104, en este caso también existe un mecanismo de lubricación debido a las
altas fricciones a la que está sometido dicho elemento en constante giro respecto al cigüeñal.
Se trata de una geometría de complicación media que podría ser interesante desarrollar,
pero como se ha comentado, el objetivo con que el que se realiza este proyecto no es el de dar
una explicación de cómo se utiliza CATIA. En cambio, no se enseñara el resultado final
directamente, sino que se presentaran una serie de imágenes durante el proceso de construcción
para ayudar a su mejor comprensión.
Figura 6.12. Biela
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.13. Etapas de generación de la biela
Pieza 107, Deslizadera
Este elemento se une al extremo de la biela y por tanto debe tener un movimiento lineal
vertical. Dicho movimiento se consigue gracias a que la deslizadera es introducida en el interior de
la válvula y, como los diámetros interior y exterior son idénticos, no le permiten a ésta pieza que
pueda realizar otro tipo de movimiento. Se trata de un par cilíndrico.
Figura 6.14. Etapas generación pieza 107
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Pieza 108, Pistón
Se trata de un pequeño disco de bronce de diámetro 13 totalmente axisimétrico. De hecho
se ha realizado su diseño mediante esta función de simetría de revolución (Shaft). Debe su
geometría a que va a recibir el empuje del vapor en ambas caras, necesitándose que están sean lo
más planas y perpendiculares posibles a la dirección vertical de desplazamiento para aprovechar al
máximo el empuje de la presión ejercida.
Figura 6.15. Pistón
En los laterales se le ha practicado una serie de incisiones primeramente para dificultar el
paso del fluido entre las paredes laterales y segundo para reducir la superficie de contacto lateral.
Pieza 109, Tija del Pistón
Elemento de revolución cuya única función es conectar y transferir rígidamente el
movimiento desde el pistón hasta la corredera, produciendo finalmente el movimiento del eje.
Figura 6.16. Tija del pistón
Pieza 110, TornilloM2x6
Pieza roscada de métrica M2 y de longitud 6. Se emplea en las fijaciones más importantes
que constituyen el esqueleto del motor. Todos los tornillos son de latón.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.17. Diferentes vistas de un tornillo
Para eliminar material de la cabeza hexagonal se emplea la herramienta Groove con un
triangulo de inclinación 60º respecto al eje del tornillo.
Pieza 111, Cilindro
Aparte de realizar la función propia de lo que se considera un cilindro (crear una
cámara estanca donde aumente la presión que mueva el pistón), esta pieza tiene la particularidad
de tener en su geometría los canales de distribución del vapor, tanto para la zona alta como la
baja. Además, en el centro tiene abierto un canal que comunica con el tubo de escape para
permitir la eliminación del fluido sin presión.
Estos tres canales están relacionados entre sí mediante la pieza 127, o distribuidor, que se
mostrara más adelante. Esta relación consiste en que mientras por uno de los dos canales de los
extremos está entrando el vapor de la caldera, los otros surcos (el del otro extremo y el del centro)
están conectados para realizar la evacuación del gas a través del tubo de escape sin ejercer
resistencia al movimiento del pistón. Mientras que éste termina su carrera, el distribuidor ha ido
desplazándose hasta permitir la entrada de presión por el canal que antes estaba tapado y unir los
canales del centro y el extremo contrario para eliminar el vapor que había entrado.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.18. Diferentes detalles del cilindro
Figura 6.19. Cilindro
Pieza 112, Cilindro Simétrico
Como su propio nombre indica, es la pieza simétrica de la anterior. Esto es así para que
coincidan los lados tanto de admisión como de escape del vapor, para facilitar la entrada y salida
del fluido mediante un solo tubo por cada lado.
Sin ninguna otra particularidad se muestra el resultado en la siguiente figura.
Figura 6.20. Cilindro simétrico
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Pieza 113, Cuadro de vapor
Este elemento es la cámara donde se descarga el vapor a través del tubo de admisión. A
partir de aquí se distribuye a través de los canales mencionados anteriormente. Esta unido
rígidamente a los cilindros.
Figura 6.21. Corte y perspectiva del cuadro de vapor
Se observa como tiene dos orificios. En el más pequeño es por donde se le conecta la
alimentación del fluido. En cambio, el mayor tiene la función de permitir el paso a la tija de
distribución a través de un prensaestopas.
Pieza 114, Tapadera grabada
Esta pieza es el cierre del cuadro de vapor para evitar su fuga. En el frontal está grabado
con un símbolo que representa las iniciales F,R,G.
Figura 6.22. Tapadera con detalle de las iniciales
Pieza 115, Volante de inercia
La inclusión de este elemento se debe a que el régimen de giro presenta muchas
fluctuaciones y picos en cada periodo de giro porque al ser la distribución del vapor de forma
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
mecánica mediante levas, la sección de paso varia, y por tanto, la presión ejercida en la cara del
pistón también varia y por tanto, la velocidad del giro.
Con este disco se consigue un régimen de giro a la salida del eje más constante, a la vez
que también se impide que el mecanismo pueda variar su sentido de giro cuando llegue a puntos
muertos gracias a la inercia de giro acumulada.
Figura 6.23. Perspectiva volante de inercia
Para su sujeción al eje, se le ha dispuesto un agujero roscado. Éste resulta inclinado para
poder introducir la llave correspondiente, si no sería imposible. El correspondiente tornillo no se
define en los planos originales, por lo que al final se incluirá un posible diseño de este.
Pieza 116, Excéntrica
Este elemento es muy importante en el mecanismo, puesto que ella es quien controla el
movimiento alternativo de distribución de vapor. Consiste en dos levas simétricas, respecto al
plano vertical, de diámetro 12 con una excentricidad de 2 respecto a su eje, y un ángulo de -30º
referido al plano horizontal. La excéntrica, de acero inoxidable, gira solidariamente al eje.
Figura 6.24. Excéntrica
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Las levas poseen un canal interior, de 1.6 de ancho, en el cual se depositará el lubricante
necesario para el buen deslizamiento entre la pieza y las bielas de distribución. Además este surco
sirve como guía/tope para que dichas bielas no se desplacen de su plano de funcionamiento.
Pieza 117, Biela de distribución
En este caso se trata de una biela enteriza, puesto que son elementos que están en el
exterior y no tiene ningún impedimento para su introducción en la excéntrica. Se puede apreciar
como se ha rectangularizado una pequeña zona exterior para poder colocar un pequeño orificio
cónico por el cual se introduce el lubricante hasta el canal comentado en la geometría exterior.
Figura 6.25. Perspectiva biela de distribución
Se ha tenido que realizar un cambio en las dimensiones del roscado inferior.
Originalmente presentaba una rosca de métrica M2, pero como se comento anteriormente, el
surco por el cual debe introducirse el tornillo que vendría aquí roscado tiene unas dimensiones de
1.6, por lo que sería imposible introducirle un tornillo de diámetro 2.
Pieza 118, Corredera
Esta pieza se fija a las dos bielas de distribución, eliminando un grado de libertad del giro y
convirtiendo las piezas 116, dos 117 y 118 en un mecanismo de cuatro barras con un solo grado de
libertad.
Figura 6.26.Corredera
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
La función principal de esta pieza es la de contener en su guía al tornillo que fija la tija de
distribución, consiguiendo que esta suba y baje lo suficiente como para distribuir el vapor por los
diferentes canales del cilindro. Por este motivo, al tener tanto rozamiento, se construye en acero
inoxidable.
Pieza 119, Culata superior
Es prácticamente igual que la culata inferior, solo que en este caso no está abierta para
permitir el paso de ninguna otra pieza, por lo que se elimina el pequeño cilindro que contenía el
prensaestopas. La otra diferencia es que se ajusta al cilindro a través de 6 tornillos, no cuatro
como en el caso de la culata inferior.
Figura 6.27. Culata superior
Se comprueba como también existe una pequeña muesca para permitir el paso del vapor,
en este caso el vapor que entra y sale por el canal inferior.
Pieza 120, Tija de distribución
Se trata de un simple vástago cuya única posibilidad de movimiento es vertical debido a
que esta introducido en el cuadro de vapor como se había comentado anteriormente. La longitud
que se desplaza viene definida por la posición en que se encuentra el cuatro barras citado con
anterioridad, pero más adelante se comentara este punto del mecanismo.
Figura 6.28. Perspectiva Tija de distribución
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Pieza 121, Palanca de distribución
A través de esta pieza se controla el único grado de libertad del mecanismo. Al moverla se
define el punto donde permanecerá y girara la corredera. Con esto queda determinado el
mecanismo de cuatro barras.
Figura 6.29. Palanca de distribución
Variando la posición de esta palanca, se puede conseguir que no se introduzca vapor al
cilindro, es decir, parar el movimiento del motor y también producir el movimiento con diferentes
caudales del fluido, obteniendo una velocidad de giro diferente para cada posición.
Pieza 22, Biela de control
Esta pieza se fija a la palanca de distribución, transmitiendo el movimiento que se le
aporta a esta. También sirve para fijar dicho elemento longitudinalmente, puesto que la palanca
únicamente está unida a las válvulas por pares cilíndricos que permiten tanto el giro como el
desplazamiento longitudinal, gracias a la coplanariedad impuesta por la biela de corredera (pieza
123) entre la corredera y la biela de control.
Figura 6.30.Biela de control
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La fijación entre este elemento y la pieza 121 se realiza mediante un tornillo de rosca M2
que no aparece en los planos originales y cuya propuesta de solución se presenta más adelante en
la pieza 148.
Pieza 123, Biela de corredera
Se trata de un simple elemento de conexión entre las piezas 118 y 122. No se trata de una
fijación rígida, si no que se permite el giro a través de los ejes de unión. Se colocan dos bielas de
corredera en cada unión de este tipo.
Figura 6.31. Biela de corredera
Al frotarse las superficies de la pieza en las uniones, se ha optado por acero inoxidable
para su construcción.
Pieza 124 y 125, Tornillos
Tornillos de métrica M2, cuyas longitudes de cuerpo son respectivamente 116 y 108. La
pieza 124 une el cuadro de vapor al cilindro, mientras que la 125 une las bridas del mecanismo.
Figura 6.32. Izquierda tornillo 124; derecha tornillo 125
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Pieza 126, Anillo distribuidor
Esta pieza es un pequeño cilindro al cual se le han practicado una rosca para permitir su
fijación a la tija de distribución y un corte plano para mejorar el contacto con el distribuidor (pieza
127). Estas dos piezas se acoplan perfectamente al montarse dentro del conjunto, no permitiendo
que exista separación entre ellas. Por tanto, al desplazarse la tija de distribución, el anillo fijado a
ella se desplaza igualmente, produciendo el movimiento del distribuidor.
Figura 6.33. Anillo distribuidor
Pieza 127, Distribuidor
Como se explico anteriormente, este elemento es el encargado de distribuir la entrada y
salida del vapor dentro del cilindro. La entrada la facilita dejando totalmente libre (o parcialmente
dependiendo del punto donde se encuentre la palanca de distribución) un orificio, el superior o el
inferior, y la salida del vapor se ejecuta conectando los dos orificios restantes practicados en la
pared del cilindro mediante un Pocket rectangular generado en la cara plana de la pieza que está
en contacto con la cara plana del cilindro.
Figura 6.34. Vistas del distribuidor
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Se recuerda que el canal central del cilindro estaba en contacto con el tubo de escape del
motor, y los otros dos canales distribuían el vapor hacia la parte superior e inferior del cilindro
respectivamente.
Pieza 128, Palier interior superior
Este elemento sirve de anclaje al eje en su punto medio evitando que pueda combarse, lo
que produciría que el pistón no pudiera alcanzar sus posiciones extremas, o por el contrario, que
las sobrepasara y colisionara con las culatas inferior o superior.
Realmente este es solo uno de los dos elementos que existen de fijación en el interior del
mecanismo, más concretamente el elemento superior. Se necesita de un elemento inferior para
asegurar el buen funcionamiento del eje.
Figura 6.35. Vistas del palier interior superior
Se puede observar como en la cara plana superior se ha practicado un pequeño orificio por
donde se lubricará el contacto entre el palier y el eje. Esta lubricación se realiza por gravedad. Se
llena el orificio mayor y poco a poco se va trasvasando por el menor de los orificios hasta la
superficie del eje.
Pieza 129, Brida del motor
Es el elemento que une dos componentes de un sistema de tuberías, en este caso las
tuberías de entrada y salida con el cuadro de vapor y el cilindro respectivamente. Este método de
unión de tuberías permite ser desmontado sin operaciones destructivas gracias a uniones
atornilladas y son necesarias dos bridas que se acoplen a las tuberías que se desean conectar.
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Pieza 6.36. Perspectiva brida del motor
Pieza 130, Brida para tubo
Son las piezas que acompañan a las bridas del motor para poder conectar a las tuberías
tanto de escape como de entrada, ya que tienen un diámetro diferente y no se pueden utilizar las
mismas bridas para conectar las tuberías.
Figura 6.37. Brida para tubo
Pieza 131, Tubo de admisión
Transportan el vapor desde el regulador de vapor hasta el cilindro. Están realizadas en
cobre. Presentan un giro de 90º, pero con un radio bastante amplio de 4 que evita grandes
pérdidas de carga.
Figura 6.38. Tubo de admisión
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Esta tubería tiene una longitud de 65 con un diámetro de paso de 3.
Pieza 132, Colector de admisión
Este elemento se encarga de unir las tuberías que transportan el vapor desde la caldera y
repartirlo hasta los canales de admisión del cilindro.
Las conexiones no van roscadas, si no introducidas a presión. Con esto se evidencia que no
se alcanzaran grandes presiones en el interior del sistema, por lo que no se podrá mover un
sistema pesado.
Figura 6.39. Corte y perspectiva del colector de admisión
Pieza 133, Racor D6
El racor es una pieza que se utiliza para conectar mangueras o tubos que, gracias a su
roscado de paso fino, evita posibles fugas del fluido que pasa por su interior.
Figura 6.40. Perspectiva y corte del racor D6
Normalmente tendrían dos roscas, una en cada sentido para conectarse a las dos partes,
pero como se comento anteriormente el colector de admisión no posee rosca, así que solo se
realizara un roscado para la conexión exterior.
Pieza 134, Tubo de escape
Se trata de una tubería exactamente igual que el tubo de admisión, solo que tiene una
longitud menor de 47.
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Figura 6.41. Tubo de escape
Este elemento conecta las salidas del vapor que se ejercen por el canal intermedio de cada
uno de los dos cilindros, para su posterior unión y expulsión.
Pieza 135, Colector de escape
Como en el colector de admisión, con esto se consiguen unir las dos corrientes de salida
del vapor para, de forma contraria que en la admisión, su posterior eliminación a través del racor
correspondiente.
Figura 6.42. Perspectiva y corte del colector de escape
Pieza 136, Tuerca M2
Figura 6.43. Perspectiva tuerca
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Pieza 137, Pie de biela
Esta geometría completa a la pieza 106, uniéndose ambas partes mediante tornillos y
generando una biela completa que pueda girar alrededor del cigüeñal sin salirse y transmita el
movimiento del pistón al eje.
Figura 6.44. Perspectiva pie de biela
Pieza 138, Palier interior inferior
Como ya se comento en la pieza 128, el cigüeñal necesita de apoyo en el centro del
mecanismo para no deformarse. Como es imposible introducir una pieza que se ajuste a lo largo
del perímetro, este apoyo se ha dividido en dos partes, y aquí se presenta la segunda parte de la
sustentación.
Esta pieza se coloca debajo del eje, encajada en la base sin posibilidad de salirse a pesar de
no estar atornilladas o unidas de manera alguna entre ellas, debido a la forma constructiva del
propio cigüeñal.
Figura 6.45. Perspectiva palier interior inferior
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Pieza 139, Eje de distribución
Se trata realmente de un pasador con rosca únicamente al final y que se introduce entre
las bielas de control y las bielas de distribución para mantenerlas unidas y que puedan rotar entre
si a lo largo de la caña sin roscar de esta pieza.
Figura 6.46. Eje de distribución
Pieza 140, Tuerca M1.6
Es la tuerca con que se aprieta el eje de distribución.
Figura 6.47. Perspectiva tuerca
Pieza 141, Prensaestopas D3
Este prensaestopas permite el paso de la tija del pistón a la vez que impide que se escape
el fluido del cilindro. Esto se consigue gracias a un paso de rosca más fino de lo habitual, que
aumenta la perdida de carga que el vapor debe vencer para salir, creándose una cámara
prácticamente estanca.
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Figura 6.48. Perspectiva y corte pieza 41
Se denomina de diámetro 3 porque este es el diámetro del vástago al que permite el paso
por su interior.
Pieza 142, Prensaestopas D2
En este caso el elemento que pasa a través de esta pieza es la tija de distribución, de
diámetro 2, impidiendo que el fluido salga del cuadro de vapor.
Figura 6.49. Corte y perspectiva pieza 42
Pieza 143, Tija M2
Esta pieza es el elemento que une las dos partes que conforman la biela del motor (piezas
106 y 137). Básicamente se trata de un tornillo de métrica 2, que en los planos originales tiene una
longitud de 12, pero que se ha decidido cambiar a 10 para que no sobresalga el vástago por
razones estéticas sobre todo.
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Figura 6.50. Perspectiva pieza 143
Pieza 144, Eje cabeza de biela
Es el elemento de unión entre la biela y la deslizadera. No se trata de una unión fija, más
bien de un eje que permite el giro de una respecto a la otra.
Figura 6.51. Perspectiva eje cabeza de biela
Pieza 145, Eje corredera
Se trata de una pieza exactamente igual que la 139, solo que en este caso la longitud de la
caña sin roscar es menor, tan solo de 5.
Figura 6.52. Perspectiva pieza 145
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Este elemento sirve para unir las bielas de distribución con la corredera, permitiendo el
giro entre ellas. También se utiliza esta pieza como guía por el interior de la corredera y que
transmite el movimiento a la tija de distribución.
Las siguientes piezas no están definidas en los planos originales del motor, pero son
necesarias para el buen funcionamiento del conjunto. Se trata en todos los casos de tornillos, por
lo que no será necesario una mayor explicación en la mayoría de los casos.
Pieza 146, Tornillo M2x3
Figura 6.53. Pieza 146
Pieza 147, Tornillo M2x1.75
Figura 6.54. Perspectiva pieza 147
Pieza 148, Tornillo M1.6x1.75
Figura 6.55. Pieza 148
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Pieza 149, Tornillo M2.5x3.5
Con hueco interior hexagonal para poder ser roscado sin que sobresalga la cabeza del
volante de inercia.
Figura 6.56. Tornillo hexagonal
Pieza 150, Tornillo M2x1.5
Figura 6.57. Pieza 150
6.3. Caldera, Tanque y Regulador de gas
Este grupo de elementos forma el grupo generador del vapor de agua a partir de una
mezcla de butano/propano. Las tuberías que conectan los elementos no se incluirán por la
simpleza que representa su diseño.
6.3.1. Caldera
Es conveniente señalar que no se han encontrado en bibliografía planos o esquemas de
una caldera típica del mundo del modelismo naval, por lo que para su diseño simplemente se ha
intentado imitar los modelos que se pueden encontrar en las tiendas especializadas [23] o por
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internet [24], sin llegar a entrar en excesivo detalle de las recreaciones internas como pueden ser
los elementos electromecánicos de generación de calor.
Una vez hecha la recolección de datos de las calderas típicas del mundo comercial del
modelismo, se mostrara el diseño realizado mediante el programa. Se ha optado por las siguientes
dimensiones características:
-
Diámetro: 50 mm.
Longitud: 110 mm.
Altura de chimenea: 150 mm.
Con estos datos, la caldera toma la siguiente forma:
Figura 6.58. Vistas de la caldera
Como se ha comentado anteriormente, dentro de las calderas existen dos partes: el
depósito del agua que se evapora y el quemador. Para separar estas dos zonas se ha dispuesto una
lámina delgada de espesor 2 mm. Como se puede comprobar no se ha representado el quemador
debido a que elevaría mucho la complejidad del proyecto sin aportar ningún dato significativo al
mismo.
Véase como existen 3 orificios en la pieza, uno para la entrada de la mezcla del
combustible, otro para la salida del vapor y el más grande de ellos para la salida de los gases de
combustión hacia la chimenea.
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Figura 6.59. Corte de la caldera
Esta última se trata básicamente de un cilindro hueco, roscado en su parte inferior, por el
cual se evacuan los gases resultantes de la quema del carburante a cierta altura para evitar
desperfectos en las piezas del modelo una vez esté en funcionamiento.
Figura 6.60. Perspectiva de la chimenea
6.3.2. Depósito de gas
Al conjunto de la caldera se le debe añadir el tanque donde se almacena el combustible
que es necesario aportarle al quemador de manera continua. Dicho elemento se trata
simplemente de un recipiente a presión, al cual debe añadírsele una válvula para la entrada y
salida del gas.
Con la intención de tener un depósito dentro del rango de tanques grandes, se eligen las
siguientes dimensiones:
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-
Diámetro: 60 mm
Longitud: 100 mm
Espesor: 5 mm
Con estas referencias se obtiene un tanque muy similar a los comerciales [23] [24] y que
se puede observar en la siguiente figura.
Figura 6.61. Depósito de gas
A esta pieza le falta una válvula que controle tanto la entrada como la salida del
gas y que se ha construido de la manera más sencilla posible; un cilindro hueco atravesado por un
tornillo que, dependiendo de la posición en que se ajuste, permite un mayor o menor área de paso
del gas.
Los extremos de la pieza son roscados para ajustar tanto al depósito como a la
tubería que transporte la mezcla de propano/butano.
Figura 6.62. Perspectiva y corte de la válvula del depósito
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Por último se mostrará el tornillo de ajuste que regula el paso de gas. Se trata de un
tornillo de apriete manual, por lo que se le practica un moleteado en la superficie exterior.
Figura 6.63. Tornillo de ajuste de la válvula
Con estas tres piezas se da por terminado este elemento, al que luego deben unirse las
tuberías necesarias hasta el regulador de gas.
6.3.3. Regulador de gas
El regulador de gas es un elemento que viene en conjunto con la caldera al comprarse esta
en cualquier tienda. Pero en este caso, se han encontrado unos planos [21] donde se detallan
claramente las piezas que componen el conjunto, por lo que se va a optar por colocar este
elemento pieza por pieza. Estos planos se muestran en el apéndice 1.
Como ocurría con el motor de vapor, el proceso que se va a seguir es mostrar todas las
piezas que componen éste elemento, para más adelante mostrar montado el conjunto completo
del regulador de gas explicando su funcionamiento.
Pieza 201, Cilindro de Gas
Se trata probablemente de la pieza más importante del conjunto, puesto que es la
encargada de repartir el gas de combustión procedente del tanque hasta la caldera. En el interior
de este elemento se han trazado varios taladros estratégicamente para permitir la regulación del
flujo que lo atraviesa y parar dicho flujo en el caso que fuera necesario.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.64. Diferentes vistas del cilindro de gas
Para comprender un poco mejor la función de este cilindro, se mostrara una imagen
(figura 6.65) en la que se pueda observar los taladros practicados en su interior.
El taladro dispuesto en la parte superior de la figura 6.65, es donde se colocará el tornillo
de ajuste del paso de gas. Dicho agujero, en su parte final, tiene comunicación con la cara interna
de la pieza, por lo que podría salir el gas también por esta zona. El otro taladro perpendicular es
por donde sale el fluido en dirección a la caldera. A través del agujero en el centro de la cara plana
pasara el combustible. Es importante destacar, que si el tornillo se aprieta hasta su tope, solo
queda una vía libre por la que pueda traspasarse el flujo de gas desde el tanque hasta la caldera.
Figura 6.65. Imagen del interior del cilindro
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Pieza 202, Racor D6
Se trata de la misma pieza que ya se comento en el apartado 6.2 referente al motor, por lo
que no se volverán a repetir sus características aunque si su imagen.
Figura 6.66. Racor D6
Pieza 203, Cuerpo
Como su nombre indica, esta pieza forma el cuerpo del conjunto. No presenta ninguna
otra utilidad, salvo la propia de los esqueletos de mantener y alojar las piezas en su posición
correcta.
Figura 6.67. Cuerpo del regulador de gas
En la parte central se elimina material para poder tener acceso al anillo de ajuste.
Pieza 204, Membrana
Una membrana no puede ser bien simulada mediante CATIA, puesto que este software no
es capaz de modelar elementos que no sean rígidos, pero de todos modos se presenta a
continuación el diseño final para que no haya fugas y que no estorbe a los tornillos cuando estos
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sean introducidos para asegurar el conjunto. Debido a estos problemas la única solución
corresponde con un anillo estrecho de espesor fino.
Figura 6.68. Membrana
Pieza 205, Guía del Pistón
Este elemento se coloca en contacto con la cara interior del cilindro formando, gracias a la
membrana, una cámara estanca donde solo puede salir el flujo de gas por los orificios previstos
para tal efecto.
Figura 6.69. Vistas de la guía del pistón
Además, la pieza cuenta con un vástago hueco por el cual se introducirá el pistón,
sirviendo también esta pieza como guía al pistón en su movimiento a lo largo del eje central del
conjunto.
Pieza 206, Culata
La culata cierra el conjunto. Por ella, a través de un nuevo racor, se introducirá, o mejor
dicho se pondrá en contacto, el vapor generado en la caldera. Este fluido en principio no tiene
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salida al exterior, debido a otra cámara estanca generada entre el pequeño hueco que se puede
apreciar de la pieza y la cabeza del pistón. Como ocurría anteriormente, para asegurar que la
cámara no presenta fugas, se colocara otra membrana entre la junta de la culata y el cuerpo.
Figura 6.70. Culata del regulador de gas
Pieza 207, Pistón
En esta ocasión se denomina pistón a una pieza con forma de seta que puede moverse por
el interior de la pieza 205, la cual representaría el cilindro de este elemento. Se dota con esta
geometría particular al pistón con una doble intención:
Figura 6.71. Diferentes vistas del pistón del regulador de gas
Generar una cámara estanca para el vapor proveniente de la caldera gracias a la
parte ancha del elemento.
Ser capaz de taponar la salida del combustible mediante el largo vástago en la otra
punta del conjunto, es decir, en la pieza 201.
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Pieza 208, Resorte
Elemento que gracias a sus propiedades elásticas es capaz de generar una fuerza de
empuje que evite el desplazamiento del pistón. Sus extremos se colocan sobre las piezas 207 y
209, pudiendo acortarse o alargarse dicha distancia.
Figura 6.72. Perspectiva del resorte
Para la recreación de esta geometría es necesario crear mediante superficies una hélice y
después darle espesor a esta superficie. Nótese los cortes planos practicados en la parte superior e
inferior para conseguir un buen ajuste del muelle en las piezas de contacto.
Como se comento anteriormente, no es posible la simulación de elementos elásticos
mediante este software, por lo cual se elimina la posibilidad de contraer éste elemento.
Pieza 209, Anillo de Ajuste
Este elemento va roscado en el exterior de la guía del pistón. Gracias a esta rosca puede
graduarse la distancia que se acorta el muelle y por lo tanto la presión ejercida sobre el pistón. En
la superficie exterior se le generan ranuras para facilitar el manejo mediante los dedos de una
mano aumentando la fricción existente.
Figura 6.73. Anillo de ajuste
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Pieza 210, Tornillo M2x8
Tornillo que atraviesa las piezas 203 y 206, permitiendo rigidizar la parte inferior del
conjunto.
Figura 6.74. Tornillo M2x8
Pieza 211, Tornillo M2x16
Tornillo que atraviesa las piezas 201, 203 y 205 permitiendo rigidizar la parte superior del
conjunto.
Figura 6.75. Tornillo M2x16
Pieza 212, Aguja de Ralentí
Se trata simplemente de un tornillo, al cual se le añade una pequeña superficie para la
colocación de la junta tórica y dificultar la salida indeseada del gas combustible a través de este
taladro.
Mediante esta aguja se regula el flujo a través de uno de los dos taladros existentes para
ello en el cilindro. Si llegase a roscarse completamente se llegaría a impedir totalmente su paso.
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Figura 6.76. Perspectiva de la aguja de ralentí
Pieza 213, Junta Tórica
Elemento cuyas funciones son similares a la membrana vista anteriormente. Se coloca en
el pequeño hueco que se observa en la figura 6.76 anterior para asegurar la estanqueidad del flujo
de gas ya que éste se encuentra a una cierta presión.
Figura 6.77. Junta tórica
Realmente estas piezas son anillos cilíndricos que se aplastan con la presión aumentando
la estanqueidad en vez de presentar caras planas como aquí se muestra, pero para facilitar el
montaje se diseña de esta manera.
6.4. Casco del barco
En este caso para la representación se ha elegido, como ya se comento en la introducción,
el barco histórico Clermont. Para ello solo ha podido conseguirse algunas viejas fotos de este
impresionante modelo y que se muestran a continuación en las figuras 6.78 y 6.79.
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Figura 6.78. Antigua imagen del Clermont [7]
Figura 6.79. Imagen de una maqueta del Clermont [25]
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En las imágenes se muestran las dos variantes de cascos encontradas. Tras horas de
investigación no se ha podido concluir cual de los es la correcta pero finalmente se decide realizar
la maqueta digital similar a la imagen 6.78, cuya diferencia principal es la presencia o no del
bauprés. Esta decisión se fundamentada en el pensamiento de que el Clermont original seria una
adaptación por parte de Fulton de los barcos de velas existentes en la época, los cuales
mayoritariamente presentaban dicho elemento. Más tarde seguramente evolucionarían los
diseños al mostrado en la figura 6.79.
A través de las figuras mostradas se va a realizar un diseño lo más fiel posible de este
navío, a pesar de las grandes limitaciones que existen en torno a la información existente en este
ámbito. Finalmente se mostrara un diseño bastante aproximado a las ilustraciones previas.
Primeramente se van a comentar unas nociones básicas de nomenclatura de un buque
que serán muy útiles para aprender las distintas partes de las que consta, mostrando dibujos y
fotografías que ayudaran a comprender mejor el habitualmente desconocido “argot” marinero.
[26]
Todos los barcos tienen unas partes especificas, tales como: casco, proa, babor estribor,
obra viva y obra muerta.
- Casco: es el cuerpo del buque sin contar con su arboladura, máquinas ni
pertrechos.
- Arboladura: es el conjunto de palos, mástiles, vergas y perchas de un
buque.
- Proa: se llama así a la parte delantera del buque que va cortando las aguas
del mar. Esta extremidad del barco es afinada para disminuir en todo lo posible su
resistencia al movimiento. Los tipos de proas más comunes se muestran a
continuación:
Figura 6.80. Nomenclatura de las diferentes proas [26]
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- Popa: se designa con este nombre a la terminación posterior de la
estructura del buque. Al igual que la proa y a fin de evitar los remolinos y pérdida de
energía, esta parte del casco es también afinada. Según su forma se denomina popa
llana, redonda, tajada, lanzada, ancha, de cucharro, caída y levantada. Sin embargo,
los tipos más generalizados son la popa de crucero y la de espejo o estampa, que se
muestran a continuación.
Figura 6.81. Nomenclatura de las diferentes popas [26]
Para reconocer en qué lado del buque se encuentra un objeto, hay que situarse en la parte
de popa en la línea imaginaria que divide el barco por la mitad (línea de crujía) y mirando hacia
proa, todas las partes del buque situadas a la izquierda se dicen que están a babor, mientras que
sus opuestas se dicen que están a estribor. Cada banda y costado correspondientes se llaman
babor y estribor respectivamente.
Figura 6.82. Nomenclatura de las diferentes zonas de cubierta [26]
Las amuras comprenden las zonas más curvadas de proa. Existe una amura de babor y una
amura de estribor. Lo mismo ocurre con las aletas, pero en la parte de popa.
Se llama obra viva a la parte sumergida y está delimitada por la línea de flotación, que es la
línea marcada en el casco por la superficie del agua del mar. En contrapartida, se llama obra
muerta a la parte del casco comprendida desde la línea de flotación hasta la borda.
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Figura 6.83. Línea de flotación del barco [26]
La estructura del barco es el conjunto de piezas que le dan su forma más o menos
uniforme y de las cuales se obtienen las cualidades esenciales para navegar como son: solidez,
estanqueidad, flotabilidad, estabilidad, velocidad y facilidad de gobierno.
Las partes principales de la estructura del casco de un buque y sus funciones son las
siguientes [27]:
Entramado de refuerzo estructural, del que se distinguen dos sistemas típicos: estructura
transversal y estructura longitudinal, construyéndose con frecuencia estructuras mixtas. El
primero, típico de los buques con dos o más cubiertas que le confieren resistencia longitudinal,
sigue el sistema tradicional de construcción. Desde la "quilla", viga metálica continua situada en el
eje longitudinal del fondo del buque que va desde el codaste a la roda, parten hacia ambos
costados vigas transversales horizontales llamadas "varengas continuas" que llegan hasta los
"pantoques", donde se unen a las "cuadernas" o costillares verticales de los costados por medio
de "consolas de pantoque" o "pies de cuaderna". Las varengas continuas van unidas entre sí por
"vagras intercostales" paralelas a la quilla. En el sistema longitudinal, propio de petroleros y, en
general, de buques con una sola cubierta, las "vagras continuas" longitudinales y paralelas a la
quilla se enlazan a ésta y entre sí por medio de "varengas discontinuas". Sobre las varengas
extremas o de pantoque se apoyan las "bulárcamas" o costillares verticales de los costados, unidos
entre sí longitudinalmente por medio de "palmejares".
Planchas del casco y chapas del forro, que no sólo aíslan el barco del agua, sino que
contribuyen a la resistencia del casco, igual que los forros o pisos de cubierta. Las chapas del casco
se disponen longitudinalmente de proa a popa, formando "tracas" o hiladas. Las chapas
inmediatamente adyacentes a la quilla en ambos lados se llaman "tracas de aparadura", las que
forman la curva que enlaza el fondo con los costados verticales se llaman "tracas de pantoque" y
las que quedan a la altura de las cubiertas sirviendo de apoyo a los trancaniles de éstas se llaman
"tracas de cinta".
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.84. Estructura del casco de un barco [26]
Cubiertas o puentes, formados por chapas dispuestas de proa a popa en planos
horizontales. La "cubierta superior" cierra la parte superior del casco y las demás dividen el
interior en espacios denominados "entrepuentes". Las chapas extremas de cada banda se llaman
"trancaniles". Las cubiertas están reforzadas por los "baos", vigas que van de babor a estribor
apoyándose en las cuadernas por medio de "consolas de baos". Las cubiertas suelen estar
"arrufadas", es decir, curvadas en forma que presenten mayor altura por la proa y por la popa que
por el centro. También presentan curvatura en sentido transversal, siendo más bajas a babor y a
estribor que en el centro. Esta curvatura llamada "brusca de los baos" facilita la evacuación del
agua que caiga sobre cubierta.
Mamparos, o tabiques de chapas verticales y planas que subdividen longitudinal y
transversalmente el espacio interno del buque, contribuyen a la resistencia estructural y, si son
estancos, limitan las inundaciones en caso de colisión.
Doble fondo, o piso inferior del buque, formado por hiladas de chapas sobre las varengas y
las vagras, sobre el cual se sitúa la maquinaria propulsora, ofrece protección al buque en caso de
varada y debajo del cual se sitúan las sentinas y los tanques de lastre y de almacenamiento.
Codaste y roda. El primero, unido al extremo de popa de la quilla, está construido en acero
moldeado, por lo general en una sola pieza, aunque en los grandes buques puede estar dividido en
dos o tres trozos, y soporta el extremo del árbol de la hélice, la charnela del timón y la estructura
de popa. La roda es un perfil de acero laminado al cual confluyen las chapas del casco formando el
ángulo de la proa.
Como se puede desprender de la descripción general de las propiedades y geometría de
los cascos de las embarcaciones, realizar un buen diseño paso por paso y pieza por pieza del
esqueleto de un barco, podría considerarse propiamente como un proyecto completo en sí mismo,
ya que acarrearía un enorme esfuerzo y trabajo de diseño. Por tanto, para el proyecto que se está
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
realizando se va a simplificar el diseño del casco, generando únicamente la superficie exterior del
barco, o como se ha definido anteriormente, el forro exterior o planchas del casco.
Para ello, se va hacer uso de los planos de formas [28] de una falúa canaria que se
encuentran en el apéndice 1. La denominación falúa se utiliza para denominar distintos tipos de
embarcaciones en distintas partes del mundo mediterráneo, pero casi siempre el destino de la
embarcación es el mismo: trasladar autoridades de una embarcación a otra, para embarcar o
desembarcar, pasar revistas navales y en actos religiosos trasladar al santo reverenciado o a las
autoridades. Es la embarcación preferida por la nobleza en muchos lugares [7].
Se ha decidido a utilizar estos planos porque de entre los que se disponían, era con el que
se conseguían unos resultados más similares al objetivo final de similitud con el Clermont.
El plano de formas de un navío se trata de un plano en el cual se representan las líneas
que se generan por el corte de la superficie exterior del casco con una serie de planos tanto
longitudinal como transversalmente. Gracias a estas líneas, y conociendo la distancia entre los
diferentes cortes practicados, se puede obtener una especie de malla que más tarde puede
interpolarse para generar la superficie real del buque. Queda claro, que cuanto mayor sea el
número de cortes utilizados, mejor será la aproximación de la recreación a la realidad.
En este caso se han utilizado un total de 12 cortes transversales, separados entre sí 50 cm.
La longitud total de la falúa representada en el plano es de 709 cm. Como se puede observar, va a
ser necesario realizar una serie de cambios para conseguir que el resultado final se asemeje lo
máximo posible al objetivo final. Simplemente se va a utilizar esta geometría como una base real
para la obtención del casco, intentando conseguir así el mayor realismo posible de la superficie.
A continuación se va a proceder a describir el proceso de creación de la geometría del
ingenio de Fulton.
Inicialmente es preciso introducir en la ventana de trabajo de CATIA el plano de formas
obtenido de la falúa para poder trabajar sobre el de forma exacta cogiendo del mismo las líneas y
puntos necesarios para la definición de la superficie. Para ello, este programa es capaz de abrir
varios tipos diferentes de archivos. Entre ellos se encuentra el formato .dwg, que corresponde a
los ficheros generados por el programa AutoCAD, y desde el cual se han obtenido los datos del
plano.
Esto se consigue simplemente abriendo el documento FaluaLZE_2.dwg (que se puede
encontrar en el CD-ROM adjunto con el proyecto) de manera similar a cualquier otro archivo de
CATIA. Solo hay que asegurarse que en la pestaña inferior que muestra el programa a la hora de
abrir un archivo aparezcan todos los tipos de archivos, o en todo caso, los archivos de tipo .dwg
que corresponden a los ficheros de AutoCAD.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Una vez abierto el documento aparecera la ventana del programa CATIA como la que se
muestra en la figura 22.
Figura 6.85. Importación del archivo AutoCad a CATIA
De este plano solo se van a necesitar las líneas de forma que aparecen en la esquina
superior derecha y que representa en un simple dibujo las formas que se obtienen tras los 12
cortes practicados transversalmente. Hay que reseñar que la superficie es simétrica respecto al eje
medio, o línea de crujía del barco, por lo que solo se están representando por cada corte una de
las dos mitades, a la izquierda los cortes de popa y a la derecha los cortes de proa.
Seleccionando esta zona del plano a través de un cuadro generado con el ratón, como se
muestra en la figura 6.86, se utilizará la opción copiar para luego poder importar esta
configuración en un nuevo documento Part que será necesario crear con el nombre Casco
Clermont.
Una vez abierto este nuevo documento, o pieza del conjunto, se selecciona uno de los tres
planos cartesianos en el cual se creara un nuevo Sketch donde se copiara la geometría anterior. En
este caso se va a seleccionar el plano YZ por considerarse que su perspectiva es más aclaratoria en
el proceso de diseño, pudiéndose seleccionar cualquier otra sin afectar al proceso.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.86. Selección de las líneas de formas del plano
Después de haber copiado las líneas en el Sketch se debe tener en cuenta que esta
geometría corresponde con un barco de algo más de 7 metros, y que el modelo que se quiere
realizar en primera instancia debe tener alrededor de 1 metro de longitud. Por tanto, debe
escalarse todo el conjunto de líneas de formas hasta un séptimo de su valor. Esto se consigue
fácilmente con el botón Scale
. Por último, es necesario fijar toda la geometría para poder
utilizarla como referencia en los pasos posteriores del proceso de diseño.
Figura 6.87. Lineas de formas del casco en el espacio de trabajo de CATIA
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
El siguiente paso sería definir los diferentes planos transversales en los que se proyectaran
las líneas de superficie del casco. En el plano original se puede comprobar que la distancia entre
planos tiene un valor de 0,50 metros, por lo que se ha decidido tomar un incremento entre planos
de 0,05 metros. Con este valor se consigue tener un valor aproximado de unos 0,70 metros de
eslora, ya que el conjunto de planos no corta el barco original justamente desde el principio al
final, si no que deja un margen fuera de los planos inicial y final de aproximadamente un metro
por cada lado.
Con todo esto, se realizan 12 planos igualmente espaciados 0,05 metros, teniendo en
cuenta dejar el Sketch con los formas en el medio de los planos de trabajo creados para facilitar las
operaciones de proyección de líneas en cada una de las etapas de generación de la curva del casco
del navío.
Después de haber generado todos los planos de trabajo, ya se puede empezar a generar
las curvas que darán lugar al forro del buque. Este es un proceso sencillo y repetitivo, pero en el
que es fácil confundirse debido a la gran cantidad de líneas que se van creando. Por ello se
realizaran los pasos de forma metódica, aunque solo se explicaran los primeros ya que el resto es
totalmente análogo.
El método a aplicar es el siguiente:
Se empezara por la proa. Para ello se elige uno de los dos planos de trabajo más alejado
del centro, es decir, el comienzo de la proa. Se crea un nuevo Sketch en este plano, y teniendo
cuidado de que, al pasar a la vista en 2D, el plano de referencia (el que contiene todas las líneas de
formas) quede por detrás de este plano. Entonces se señala la primera curva que aparece en el
semilado izquierdo, considerando primera a aquella que se encuentra más próxima al centro y
que viene señalada con un -1. Una vez señalada se proyecta con el botón Project 3D elements
dicha curva y también la línea media del dibujo, transformándola en una línea de eje.
A continuación se genera la curva simétrica a la proyectada por la línea del eje medio. Una
vez hecho esto se cierra la curva por la zona de abajo con una línea entre los puntos extremos.
Terminado esto se sale del Sketch.
Una vez realizado estos dos pasos, se repiten ambos para el segundo plano de trabajo y
para la segunda curva más próxima al centro, que aparece indicada con un 0.
El resultado de estas operaciones puede comprobarse en la imagen mostrada a
continuación por la figura 6.88.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.88. Generación de los primeros Sketch del casco
Cuando se ha terminado de generar esta segunda curva y estando en el espacio
tridimensional del programa, se debe cambiar al modulo de trabajo “Wireframe and Surface
Design”. El cambio a este modulo es necesario para conseguir por interpolación entre las dos
curvas, una superficie que sea tangente a ambas curvas. Esta superficie se genera mediante la
orden Blend
, a la que solo hay que introducirle las dos curvas entre las que debe generar la
interpolación y la orientación con la que se recorren los puntos de las curvas para su posterior
unión a través de la superficie.
Se obtiene el siguiente producto final mostrado en la figura 6.89 despues de la orden
Blend, que simplemente es una superficie sin espesor ninguno ni material, a la que
posteriormente abra que definirle estas propiedades.
Repitiendo este proceso para los 6 planos que se encuentran en el lado de proa, teniendo
cuidado de ir proyectando cada curva en su correspondiente plano y haciendo exactamente lo
mismo pero para el lado de popa (se creo el plano de referencia en el centro de los planos de
trabajo para que siempre las curvas a proyectar fueran las del lado izquierdo, siempre que se
trabaje con este plano al fondo como se comento en los pasos anteriores) se generara la superficie
practicamente completa del casco, a expensas de terminar el frontal de la nave. En la figura 6.90
se muestra una perspectiva de la superficie creada.
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Figura 6.89. Generacion de la primera superficie del casco
Figura 6.90. Superficie generada a partir del plano de formas original
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Como se ha comentado, la superficie se puede dar por valida a falta de trabajar la forma
final de la proa, ya que faltaría este último tramo de superficie por crear. Antes de emprender este
trabajo, se va a proceder a cerrar la parte trasera del casco mediante la orden Fill
, que lo que
hace es generar un plano delimitado por un contorno cerrado. Como no se tiene dicho contorno
cerrado, es necesario generar una recta entre los dos extremos de la curva. Esta recta no puede
realizarse desde el Sketch propio de la curva, ya que en ese caso se cambiaria las condiciones del
Blend creado entre ambas curvas, modificando la superficie generada y obteniéndose un
resultado que no tiene nada que ver con el deseado. Entonces la recta se generará directamente
desde el espacio tridimensional del programa para que el programa lo reconozca como una
geometría independiente. Una vez hecha ésta, se procede a cerrar la parte de popa como se
muestra a continuación.
Figura 6.91. Cierre del contorno de popa
Ahora toca el momento de terminar la superficie de proa. Para ello, en primera instancia,
se ha decidido realizar un nuevo plano a una distancia de 50 mm del último plano creado, es decir,
la misma distancia que existe entre el resto de planos. En este plano se creado un Sketch con un
rectángulo abierto por arriba, y de anchura la misma que la de la quilla y a la misma altura. Tras
esto, se procede como anteriormente generando una nueva superficie y cerrando el contorno
superiormente para poder cerrar la superficie final de la proa.
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Con esta geometría queda claro que más adelante va a ser necesario retocar esta parte,
pero es lo más rápido y también lo mejor para no obtener superficies complicadas que después el
programa puede no soportar a la hora de conferirle volumen a las superficies que se están
creando. El resultado de estas operaciones es el siguiente.
Figura 6.92. Generacion del final de la proa
El siguiente paso consiste en cerrar la superficie superior que se muestra en la figura
anterior 6.92 para posteriormente poder rellenarlo. Inicialmente se considero la opción de generar
dicho cerraje con la aplicación Fill, pero el programa generaba una superficie que no se adecuaba
al resultado esperado, generando una superficie con una especie de joroba en el centro que se
muestra a continuación.
Figura 6.93. Cerramiento de la superficie final mediante Fill
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Como este resultado es inaceptable, se termino optando por la creación mediante
extrusión de una línea recta, de un plano paralelo al plano XY, el cual intersecciona la geometría
obtenida anteriormente del casco del barco a una altura un poco inferior a la cota de mínima
altura de la superficie. Hay que tener en cuenta que el plano debe cortar a toda la superficie, por
lo que debe ser lo suficientemente ancha y larga para ello.
Figura 6.94. Corte entre plano y superficie
Tras esto, es necesario realizar un corte entre las superficies y eliminar todo el material
que no sirve. Para ello se va a utilizar la herramienta Trim
que además de hacer todo esto,
une las superficies resultantes obteniéndose, por tanto, una sola geometría totalmente cerrada a
la cual se la puede dotar de volumen. Para realizar esta última operación es necesario volver al
modulo “Part Design” y, en él, utilizar el botón Close Surface
seleccionando la geometría
obtenida anteriormente. El resultado de estas operaciones es el siguiente.
Figura 6.95. Aplicación de volumen a la superficie creada tras el corte de superficies
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Como se puede observar, al realizar el corte entre las secciones, la parte superior ha
quedado totalmente plana, por lo que se aprovechara para que esta superficie forme la cubierta
del barco donde posteriormente se montaran el resto de piezas del conjunto como el motor o la
caldera. Entonces es necesario levantar una nueva superficie por encima de este plano que tenga
las funciones de barandilla. Para ello se genera un Sketch sobre el plano horizontal de la cubierta,
y se proyecta todo el perímetro de ésta. Tras lo cual, y cambiando de nuevo al modulo “Wireframe
and Surface Design”, se produce el extrusionado del contorno hasta una altura de 20 mm gracias a
la herramienta Extrude
y posteriormente se le concede un espesor de 2 mm hacia el interior a
la nueva superficie generada.
Por último hay que añadirle al diseño básico final el característico bauprés de todos los
barcos de la época, que como se comento anteriormente, se adapto un velero para alojar el
mecanismo de engranajes y motor. Además se colocan un par de pequeños mástiles para
desplegar velas en caso de necesidad a semejanza de las imágenes tomadas como referencia para
crear el diseño de este elemento, como se muestra en la figura 6.78.
Este elemento se ha diseñado con una longitud total de 275 mm y a partir de dos tramos
de sección rectangular, con una inclinación respecto del plano horizontal de unos 4º. Tras esto,
solo queda practicarle así casco los huecos y agujeros necesarios para atornillar los elementos
exteriores y colocar tanto los ejes como ruedas dentadas necesarias para la transmisión del
movimiento.
A continuación se muestra el resultado final del casco del Clermont y, comparando con el
Clermont original que se muestra en la figura 6.78, se puede decir que el resultado obtenido es
bastante satisfactorio.
Figura 6.96. Resultado final del diseño del casco del Clermont
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
6.5. Rueda de Paletas
Una rueda de paletas está constituida de cuatro partes fundamentales: eje, brazos, corona
y palas. Todas ellas se comentaran posteriormente junto con la presentación de su diseño en
CATIA. Para su realización se han utilizado como base planos [16], [29] de proyectos similares que
utilizan ruedas hidráulicas y las propias fotografías [25] de una maqueta del Clermont. Todo el
conjunto se realizara en madera.
6.5.1. Eje
Es la pieza que trasmite el movimiento a todo el conjunto. Se ha decidido que la
transmisión entre el mecanismo y esta pieza sea a través de un eje hexagonal para evitar los
deslizamientos que se producirían en si ésta fuera a través de un eje cilíndrico.
Figura 6.97. Eje de la rueda de paletas
En cambio, para la transmisión de movimiento a la parte exterior de la corona, se ha
optado por la colocación de 8 brazos, por lo que el exterior del eje tiene una geometría de
octógono para aumentar la superficie de contacto entre eje y brazo, disminuyendo por tanto las
fuerzas que éstos deben soportar.
6.5.2. Brazos
Como se comento anteriormente se dispondrán 8 brazos para la transmisión y sujeción de
la corona exterior. Obsérvese como en el extremo inferior existe una pestañita, la cual se
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
introduce en los huecos de la pieza Eje, para conseguir una mayor precisión a la hora de su
colocación y para evitar que los brazos pierdan su posición respecto al eje. Además se le ha
practicado un vaciado para colocar un prisma de refuerzo que interconecte los brazos entre sí.
En la parte superior se ha trazado una superficie curva sobre la cual descansaran las piezas
de la corona exterior.
Figura 6.98. Perspectiva y detalles del brazo de la rueda de paletas
A lo largo de todo el brazo existen 3 agujeros pasantes por los cuales, durante la
construcción del conjunto de la rueda, se insertaran unas barras para afianzar las conexiones entre
piezas.
6.5.3. Conexión de brazos
Se trata de un simple prisma que consigue aumentar la resistencia de los brazos al unir los
brazos dos a dos. Aparte de colocarse en los huecos de los brazos, está totalmente apoyado en
cada lado del octógono, adquiriendo una mayor firmeza el conjunto.
Figura 6.99. Perspectiva de la pieza conexión de brazos
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
6.5.4. Corona interior
Como su propio nombre indica, se trata de una pieza con forma de corona y cuyos
diámetros son la mitad de la corona exterior. Tiene como función la de mantener los ángulos entre
los distintos brazos, evitando un posible pandeo de los mismos.
Se une mediante remaches a los brazos, uno por cada brazo.
Figura 6.100. Corona interior
6.5.5. Corona exterior
Este elemento exterior no se trata de una pieza maciza completa, si no que es una pieza
que se repite hasta 8 veces. Tras esta superposición se consigue generar una corona circular de
150 mm de diámetro exterior.
Se realiza así debido a la dificultad que entraña generar una pieza maciza de tales
dimensiones y también porque facilita bastante su posterior montaje.
Figura 6.101. Vistas de la corona exterior
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Estas coronas se acoplan con los brazos en su parte más exterior, reposando sobre ellos.
Además son las que ensamblan con las palas de la rueda. Estas tres piezas están unidas entre sí
mediante pasadores.
6.5.6. Palas
Hay un total de 8 palas. Su función es la empujar el agua sobre la que se navega,
impulsando al barco hacia delante. Por lo tanto se busca una superficie vasta para conseguir
desalojar una cantidad mayor de líquido.
Estas piezas van encajadas tanto en los brazos como en la corona exterior, aparte de tener
unos pasadores o pernos que aseguren su posición.
Figura 6.102. Perspectiva de la pala
6.6. Sistema de engranajes
Una vez generado el movimiento de un eje gracias al motor de vapor, es necesario
transmitir esta rotación a las ruedas para que puedan desplazar el barco. Esto se consigue
mediante un sistema de engranajes que, además de transferir el movimiento, multiplica la
velocidad de giro de las palas. Es lo que comúnmente se denomina una multiplicadora de giro.
A continuación se procede a explicar el proceso seguido para su diseño así como las
definiciones y aclaraciones teóricas necesarias para un mejor entendimiento, siguiendo las pautas
indicadas en la referencia [30].
Cilindros primitivos: Son aquellos que como ruedas de fricción transmitirían el mismo
movimiento que las ruedas dentadas.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Módulo: Se llama módulo al cociente entre el diámetro primitivo y el número de dientes.
Tiene que ser el mismo para que las dos ruedas y su valor esta normalizado. Se demuestra que el
esfuerzo que puede soportar un diente es aproximadamente proporcional al cuadrado del
módulo.
Paso: Es la longitud del arco de circunferencia primitiva correspondiente a un diente y a su
intervalo o hueco entre dientes consecutivos.
’
Diámetro exterior: Se denomina de esta manera a la suma del diámetro primitivo más dos
veces el modulo de la rueda.
Diámetro interior: De acuerdo con las normas UNE,
Eligiendo un módulo dentro de los normalizados y la relación de transmisión que van a
tener las ruedas se pueden determinar todos los parámetros que las definen de la manera que se
detalla a continuación. Se toma m=2, distancia entre ejes igual a 60 mm y la relación de
velocidades igual a 2 para el desarrollo.
Como se sabe la relación entre velocidades angulares es igual a la inversa de la relación de
los números de dientes, por lo tanto: Z2/Z1= 0,5.
Como Z1 y Z2 deben ser números enteros, se puede poner
Z1 =2k
Z2= K, siendo k un número entero.
Otra relación conocida es la distancia entre los dos ejes, que es igual a la semisuma de los
diámetros primitivos y que se puede expresar por el siguiente producto
Siendo 3k=60, por lo tanto k=20, con lo que se obtiene
Z1 =40 dientes
Z2= 20 dientes
El cálculo de las dimensiones de los dentados es:
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Para la rueda conductora
Z1 =40 dientes
dp1= 2x40 = 80 mm
de1= 2(40+2) = 84 mm
Para la rueda conducida
Z2 =20 dientes
dp2= 2x20 = 40 mm
de2= 2(40+2) = 44 mm
Una vez obtenidas las características principales de las ruedas, se debe obtener el perfil de
los dientes con ayuda del Odontografo de Grant, figura 6.103. Este es un método aproximado para
sustituir el trazado de la envolvente por dos arcos de circunferencia cuando el número de dientes
está comprendido entre 10 y 36, y por un solo arco cuando el número de dientes es superior a 36.
Figura 6.103. Generación envolvente de los dientes del engranaje [30]
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Los radios de los arcos de circunferencia se obtienen multiplicando los coeficientes de la
tabla de Grant por el módulo m. Los centros se encuentran en la circunferencia base o deferente.
La tabla está dada para un ángulo de ataque de 15º.
Figura 6.104. Tabla de Grant, [30]
Para la rueda conductora
Z= 40 dientes
m= 2
α = 15º
diámetro interior: di= dp -2,5m = 75 mm
radio arco: r= 4,2m= 8,4 mm
diámetro circunferencia deferente: db= dp cos 15= 77,27
Para la rueda conducida
Z= 20 dientes
m= 2
α = 15º
diámetro interior: di= dp -2,5m = 35 mm
radio arco de cabeza: r1= 3,32m= 6,64 mm
radio arco de pie: r2= 1,89m= 3,78
diámetro circunferencia deferente: db= dp cos 15= 38,64
Con estos parámetros quedan definidas las ruedas que van a ser utilizadas en esta parte
del proyecto y que se pasa a mostrar su diseño con CATIA.
Lo primero en realizarse fue una rueda del tamaño de los diámetros exteriores obtenidos,
a la que posteriormente se le tallaron los dientes con el perfil calculado anteriormente. No es
necesario hacerlo diente por diente, sino que se dibujan los perfiles de dos dientes continuos, tal y
como se muestran en las figuras 6.105 y 6.106, y posteriormente se repite el vaciado mediante la
orden Circular Pattern
.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.105. Perfil rueda 40 dientes
Figura 6.106. Perfil rueda 20 dientes
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Los resultados obtenidos tras los vaciados se muestran en las siguientes imágenes:
Figura 6.107. Detalle de los dientes rueda 40 dientes
Figura 6.108. Perspectiva rueda 20 dientes
Como se puede apreciar, también se han generado unos agujeros con forma hexagonal
para la colocación del eje de forma adecuada sin que pueda llegar a resbalar la rueda respecto al
eje, transmitiéndose las fuerzas en su totalidad. Las dimensiones del polígono no son arbitrarias,
sino que son todas iguales, entre los engranajes e incluyendo también las ruedas de paletas puesto
que irán colocadas en el mismo eje posteriormente.
Excepcionalmente existe una rueda, que ira colocada en la salida del eje del motor de
vapor que tiene una cogida diferente. Esta cogida tiene forma de circunferencia truncada, la
misma que presenta el cigüeñal en su parte extrema. Dicha rueda motora no se representara
porque solo varía este punto respecto de la rueda de 40 dientes antes expuesta, por lo que no se
considera necesaria su representación.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Para el sistema que se va a montar son necesarios 4 ejes diferentes, estando uno de ellos
formado por dos piezas para que sea factible su colocación dentro del modelo. Todos los ejes
tienen un diámetro de 7 mm y, al menos, una zona rebajada en forma hexagonal donde se
colocaran posteriormente las ruedas dentadas. Los ejes serán construidos en acero.
Primeramente se muestra el eje que soporta las ruedas de paletas. Obsérvese el agujero
pasante realizado en la punta para evitar que se salga la rueda del eje. Este elemento se repetirá
en el resto de ejes.
Figura 6.109. Eje rueda de paletas
En la misma línea pero en la zona interior del casco se coloca el siguiente eje mostrado en
la figura 6.110, que presenta un tamaño mucho menor puesto que las ruedas dentadas son
bastante finas.
El siguiente eje atraviesa todo el casco y en él van colocadas 4 ruedas, dos de las pequeñas
en el lado interior y las dos grandes por el exterior. De esta manera se consigue aumentar la
velocidad de giro de las ruedas exteriores. Éste elemento se muestra en la imagen 6.110.
Figura 6.109. Eje 1 de las ruedas internas
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 6.110. Eje 2 que atraviesa todo el casco
El último eje que se ha diseñado atraviesa todo el interior del barco, pero no llega hasta el
exterior, por lo que no puede introducirse directamente por un lado como en el caso anterior. Esta
vez es necesario dividir el elemento en dos piezas: un eje macho y otro hembra que puedan ser
ensamblados fácilmente en el espacio disponible.
Figura 6.111. Eje 3 macho
En este eje se colocaran 3 ruedas, siendo la del centro la que se conectara directamente
con el motor. Se realiza sendos agujeros pasantes para poder unir las piezas mediante un pasador.
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Figura 6.12. Eje 3 hembra
Con esta pieza se termina de presentar todas las piezas que van a ser usadas en el
proyecto, y que en los próximos capítulos serán utilizadas al menos una vez en la construcción de
ésta maqueta del Clermont.
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Capítulo 7. Ensamblaje de conjuntos
7.1. Introducción
En este capítulo se va a mostrar el ensamblaje de los distintos elementos creados, para dar
lugar primeramente a una serie de subconjuntos que, más tarde, se unirán al final del capítulo
para generar el objetivo final de este proyecto que, como se recuerda, consiste en la
representación grafica del primer modelo de barco a vapor útil: el Clermont.
Todo este proceso se realizará en el espacio de trabajo Mechanical Design, haciendo uso
de un solo modulo, el Assembly Design que permite de forma sencilla establecer restricciones
entre los elementos mecánicos del montaje y reposicionar de forma automática los elementos que
no se encuentran en su posición una vez han sido restringidos.
Una vez terminados los conjuntos, se pasará a su análisis mediante la herramienta Clash
, donde se comprobara si existen interferencias en su montaje, provocando los pertinentes
cambios en el diseño de las piezas para evitar dichos problemas.
Después de comprobar que el diseño ha sido correcto, finalmente se creara el ensamblaje
completo de los cuatro conjuntos, su pertinente análisis de interferencias y se podrá observar en
movimiento, en el capítulo 8, a todo el bloque de este pequeño modelo Clermont.
A continuación se darán unas nociones básicas del funcionamiento de este modulo para
que el lector pueda seguir el posterior desarrollo de los conjuntos, pero sin entrar en excesivos
detalles como ocurría en el capitulo anterior con la generación de las piezas.
Lo primero que se debe hacer es elegir que pieza será fijada para posteriormente, a partir
de ella, crear todas las restricciones del resto de piezas quedando totalmente definidas en su
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
posición. Una vez introducida dicha pieza y fijada mediante la orden Fix Component
, el
siguiente paso sería ir introduciendo las piezas una por una y, mediante la ayuda del compás,
situarlas aproximadamente en su posición final. Por último, se deben elegir las restricciones que
componen dicha unión y aplicárselas a las piezas.
Las restricciones que el programa ofrece al usuario son las siguientes:
De izquierda a derecha el significado de los símbolos aquí representados son:
-
Coincidencia de ejes.
-
Contacto entre caras.
-
Distancia entre caras.
-
Angulo entre planos.
-
Fijar pieza.
-
Fijar un conjunto de piezas.
-
Restricciones rápidas.
-
Subconjuntos rígidos o flexibles.
-
Cambiar restricción.
-
Patrón de piezas.
Seguidamente se presentaran los 4 subconjuntos que componen el conjunto final junto
con una breve descripción de su funcionamiento y comparación con otros elementos similares
existentes.
7.2. Motor de vapor
Como se ha comentado en los objetivos al inicio de este proyecto, se va a representar el
modelo de un motor de vapor que se utiliza principalmente en el modelismo naval. Como se
comprobará, no se trata de una copia a escala del motor que diseño el propio Robert Fulton, si no
que se ha optado por un modelo actual debido a la imposibilidad de obtener datos suficientes con
los que poder obtener una representación fiel del mismo. No obstante, de este modo ha sido
posible una elaboración completa de un modelo real al que no le falta ni un solo detalle para que
pudiera funcionar y que resulta también un aspecto muy interesante el de poder estudiar el
funcionamiento de estos mecanismos.
Pero antes de ver el diseño del motor elegido, se van a presentar dos modelos diferentes
que pueden ser encontrados en cualquiera de las tiendas especializadas de modelismo [23] [24]
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
para tener un primer contacto con estos artilugios y poder comparar con el mecanismo elegido
finalmente bajo una mayor perspectiva.
-
Máquina de vapor de dos cilindros D-49
Dos cilindros de latón fijos de acción doble con
engrasador con chorro de vapor en forma de “V”, de
auto arranque con válvula de reversión de regulación
continua.
Caldera de latón vertical con un volumen de
300 cm3, que transfiere una autonomía de 15
minutos. Utiliza combustible sólido.
Apto para maquetas de barcos con una
longitud de hasta aproximadamente 800 mm.
Medidas placa base con caldera: 180x150x120 mm.
Figura 7.1. Imagen del motor D-49, sacada de [24]
-
Modelo Stuart 10V
Este modelo ha sido durante muchos años el
mecanismo más popular dentro de su categoría. Es lo
suficientemente potente para conducir a modelos de
barcos de hasta 120 cm de longitud.
Su diseño ofrece una gran potencia cuando trabaja
a alta velocidad y un bonito interés visual cuando opera a
una velocidad lenta del cigüeñal.
Figura 7.2. Imagen del motor 10V
sacada de [24]
-
Altura: 15,24 cm
-
Diámetro volante inercia: 7,62 cm
Está fabricado en hierro fundido, latón y acero.
Una vez hablado sobre estos modelos, se procede a la descripción del motor elegido para
que mueva este modelo del Clermont.
Se trata de un motor bicilíndrico en línea vertical, con inyección del vapor de doble
sentido. El desfase en el movimiento de los pistones es de 90º. Gracias a esta configuración se
consigue que en todo momento se tenga par en el eje de salida del motor.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 7.3. Perspectiva del conjunto completo del motor a vapor
Además se dispone de un volante de inercia en el eje para reducir los picos en la velocidad
de salida del eje y obtener un régimen de giro prácticamente constante para cada nivel de fluido
aportado a los cilindros. La distribución del vapor se realiza gracias a un ingenioso mecanismo que
consta de una excéntrica (pieza16), solidaria al eje de salida, unida a dos bielas de distribución
(pieza 17). Estas a su vez están unidas con la corredera (pieza 18) que tiene la función de servir de
guía a un vástago (pieza 20), quien es el responsable de crear el movimiento oscilatorio de subir y
bajar la distancia justa para, sincrónicamente, dejar pasar el fluido por arriba cuando el pistón
Figura 7.4. Diferentes vistas del conjunto Motor de vapor
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
(pieza 8) se encuentra en su carrera de descenso, y para que cuando éste ejecute su movimiento
de ascenso, quede descubierto el canal inferior permitiendo al vapor pasar y ejercer presión en la
cara inferior del pistón.
A continuación se resaltaran algunos detalles del conjunto que merecen una mención
especial, como pueden ser el mecanismo de biela-manivela en el interior de los cilindros,
Figura 7.5. Detalle del mecanismo Biela-manivela
el mecanismo de distribución del vapor en el interior del cuadro de vapor,
Figura 7.6. Detalle de la distribución del vapor en el interior del cuadro de vapor
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 7.7. Detalle de los canales de distribución vertiendo el vapor al pistón
y, por último, el mecanismo de bielas y excéntrica que generan el movimiento alternativo de
distribución del vapor que antes se ha mostrado.
Figura 7.8. Detalle mecanismo de distribución del vapor
Una vez montado este conjunto, se procede a su análisis de interferencias. Éste se realiza
conjunto por conjunto para ir depurando fallos, y que en el montaje final aparezcan el menor
número de interferencias posibles. Para ello, como se comento anteriormente en la introducción
del capítulo, se utiliza la herramienta que se encuentra dentro del espacio de análisis, Clash.
Al ejecutarlo, el programa muestra la siguiente ventana donde se pueden analizar los
diferentes casos de interferencias existentes, comprobándose si estos resultan normales o
implican un problema en el diseño de forma rápida gracias al preview ofrecido por el programa.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
CATIA diferencia tres tipos diferentes de interferencias:
-
Clash, existe penetración entre los cuerpos implicados. Las existencias de estas
interferencias no son únicamente debidas a que dos cuerpos ocupan el mismo
volumen de espacio, sino que también clasifica de esta forma a las uniones
roscadas, como el siguiente ejemplo que se muestra a continuación.
Figura 7.9. Detalle de un Clash
-
Contact, las caras de los cuerpos están en contacto, pero no llega a existir
penetración entre ambos. (Figura 7.10)
Figura 7.10. Detalle de un Contact
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
-
Clearance, indica si los elementos en cuestión están separados una distancia
menor a una determinada, o más comúnmente si existe cierta holgura
especificada entre los cuerpos especificados. En este caso, al no existir ninguna
restricción de este tipo, no se ha marcado este análisis.
Como se observa en los cuadros de los ejemplos anteriores, el resultado de ejecutar este
análisis han sido un total de 283 interferencias, de las cuales 87 pertenecen al género de
solapamiento y 196 al de contacto. De
todas estas, realmente solo son
importantes revisar las primeras de ellas.
Se obtienen dos problemas relevantes,
que vienen etiquetadas con los números
49 y 50 en el cuadro de análisis.
En realidad, estos dos casos son
simplemente uno, lo que ocurre que se
repite dos veces en el conjunto. Se trata
de las piezas 2 y 7, que corresponden con
la válvula y deslizadera respectivamente.
Entre
ambas
existe
un
deslizamiento a través de las caras interna
y externa. Según el programa, la
deslizadera penetra en el interior de la
válvula, como se muestra resaltado en rojo
en la imagen de la derecha.
Figura 7.11. Clash entre deslizadera y válvula
El problema podría deberse a que la elección de los diámetros de cada una de las piezas
no se ajustaran entre sí. Pero se comprueba que las dos circunferencias a partir de las cuales están
definidas tanto el Pad como el Hole tienen un diámetro de 10 mm, por lo tanto habría que buscar
una nueva explicación al problema surgido. Otra posibilidad sería que los ejes de deslizamiento no
coincidieran, pero una vez más, se puede comprobar que esto no es lo que ocurre tanto en las
constraints aplicadas a las piezas como en el dibujo previo mostrado, pues si esta posibilidad fuera
cierta, no estaría toda la superficie resaltada en rojo, sino simplemente el lado por donde esta
desplazado el eje.
Por tanto, la única posibilidad plausible para este problema, es que el programa reconoce
como penetración este ajuste aunque en realidad no esté ocurriendo. Se trata de uno de los pocos
y pequeños fallos que le quedan al programa por depurar, ya que con cada una de release que se
van sacando, problemas como estos han sido solucionados de una versión a la siguiente. Como
confirmación a este hecho, se va a proceder a modificar uno de los parámetros del programa
como es la distancia de poligonalización de las curvas con que trabaja, las superficies de contacto
que muestra el programa cambian, llegando incluso a desaparecer el problema, considerando el
programa la existencia de un contacto, como es la realidad.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 7.12. Diferentes poligonalizaciones: 0.1, 0.01 y 1 respectivamente.
Una vez realizado este análisis con satisfacción, se puede dar por válido el diseño del
motor que se ha seguido y pasar al siguiente conjunto. Aunque también es posible realizar otros
análisis que ofrece el programa, pero realmente el más importante es el que se ha mostrado
anteriormente de interferencia.
A título de ejemplo, se va a realizar uno de estos varios análisis que ofrece el programa y
que sirve también como resumen del trabajo realizado en la generación del conjunto. Se procede
al análisis de las restricciones del conjunto. Para ello se sigue la ruta Analyze>Constraints…
obteniéndose como resultado el siguiente cuadro.
En él aparecen el número de piezas que componen el conjunto y el número de las mismas
que no tienen impuesta ninguna restricción.
Aparece también un cuadro con el estado en que se encuentran todas las restricciones
usadas, como por ejemplo el numero de ellas q se cumplen, las que son imposibles de cumplir, las
que no están actualizadas,…
En este caso se observa cómo se han utilizado 374
restricciones para colocar adecuadamente las 163 piezas que
componen este motor, estando todas ellas totalmente
verificadas.
Con esto se llega al final del análisis de este conjunto
que queda listo a la espera de su inserción en el modelo
completo.
Figura 7.13. Menú análisis de restricciones
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
7.3. Rueda de paletas
Este es el elemento que finalmente mueve al barco. Se trata de la primera herramienta
que se diseño para producir el movimiento en los barcos de forma mecánica, sustituyendo a velas
y remos. Su funcionamiento es tan simple como que, al girar la rueda, las palas penetran en el
agua empujando el navío hacia delante.
Figura 7.14. Frontal Rueda de Paletas
Se trata de una pieza poco eficiente puesto que el contacto de las 8 palas con el agua es
intermitente, por lo que no se obtiene un aprovechamiento total de la energía consumida en su
movimiento. Tampoco presenta un diseño en la superficie de la pala (que es totalmente plana)
que permita desalojar una mayor cantidad de agua, aumentando la velocidad de la embarcación,
pero se trata posiblemente del elemento más característico de la embarcación. No en vano, estos
tipos de barcos han pasado a la historia reconocidos por el nombre de “barcos de ruedas de
paletas”.
Figura 7.15. Detalle de las palas
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
A pesar de tratarse de un mecanismo tan rudimentario y precario, gracias a estos sistemas
se conseguían recorrer grandes distancias independientemente de si soplaba el viento o no,
pudiendo establecerse servicios regulares de transporte tanto de personas como de mercancías.
Figura 7.16. Perspectiva Rueda de Paletas
Varios años más tarde, en 1835 se patento la hélice y al poco tiempo desbanco a las
ruedas de paletas como sistema de propulsión de los buques, pues se conseguía una mayor fuerza
de propulsión con la misma potencia de motor. No se llego a esta conclusión tras un largo periodo
de discusiones y donde convivían ambos sistemas. Finalmente, se propuso un experimento que
despejo todas las dudas existentes al respecto: se unieron dos barcos de peso y potencia similares
con una soga por las popas, uno con paletas y el otro con propulsión de hélices. Al poner los
barcos a toda máquina y a pesar de contar con el viento a favor, el barco de hélices arrastraba al
de paletas con una velocidad de 2,5 nudos. [31]
Este resultado supuso el fin de las ruedas de paletas, aunque siguen existiendo defensores
de esta propulsión, habiéndose perfeccionado su funcionamiento con un mecanismo de palas
móviles que permiten que éstas permanezcan siempre perpendiculares a la dirección de avance,
aumentando su rendimiento enormemente.
Otro tipo de análisis que se puede realizar al conjunto, y que se muestra a continuación, es
el Explode
. Con esta función lo que se consigue es separar todas las piezas del conjunto como
en las imágenes mostradas.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 7.17. Explosionado del conjunto y detalle del mismo
Una vez realizado el explosionado, si todas las piezas han sido bien restringidas entre sí,
pulsando el comando Update All
el conjunto debe volver a unirse quedando desencajadas, y
por tanto muy visibles, las piezas a las que le falte alguna restricción pudiendo subsanarse éste
error sin mayor contratiempo. En este caso todas las piezas están bien definidas, volviendo a su
posición inicial.
Tras aplicar un análisis de interferencias y comprobar que todo está en orden, se da por
valido el diseño de éste elemento, que a pesar de no disponer de grandes detalles de su
construcción, ha sido posible una reconstrucción bastante real de la usada por los barcos de
antaño. No se ha encontrado información sobre si la rueda estaba fabricada sobre metal o
madera, eligiéndose para su fabricación ésta última por tratarse de un material más fácil de
trabajar.
7.4. Conjunto generador de vapor
En este apartado se van a tratar los elementos depósito de gas, caldera y regulador de gas,
que bien podrían considerarse un único conjunto ya que dichos subconjuntos están
estrechamente relacionados para la generación del vapor y de ahí el motivo de tratar su
descripción de manera conjunta.
Primeramente será necesario ensamblar cada uno de los elementos completamente, a
pesar de no contener ninguno de ellos gran cantidad de piezas, pero facilita el trabajo final
además de permitir una mejor comparativa frente a los modelos comerciales existentes.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
7.4.1. Caldera de vapor
Estos son tres modelos de caldera que se pueden encontrar [24] típicamente dependiendo
del tipo de motor que se necesite alimentar, de menor a mayor tamaño del sistema. Cada
elemento consiste en un quemador cerámico junto al depósito de agua para elevar su
temperatura y conseguir vapor a alta presión que sale a través de las válvulas con dirección a los
cilindros del motor y de un regulador de gas.
a) Modelo caldera Stuart HB3
Esta caldera es ideal para ser usada en los barcos de rango pequeño. Cada caldera se
suministra en conjunto con un quemador cerámico, chimenea de cobre, tubo para el suministro
del gas y regulador para la mezcla combustible de butano/propano.
Las dimensiones características de este equipo son:
-
Diámetro: 4 1/8 pulgadas
-
Longitud: 5 7/8 pulgadas
-
Altura: 6 ½ pulgadas
-
Peso: 2 kg.
-
Presión de trabajo: 60 psi
Figura 7.18. Caldera comercial HB3 [24]
a) Modelo caldera Stuart SH4
Esta caldera es ideal para usarse en el rango de medianos ingenios. Se trata del modelo
inmediatamente superior al anterior. Esta caldera se suministra con un quemador integrado de
llama. La mezcla de combustible necesaria para funcionar es de butano/propano.
Las dimensiones características de este equipo son:
-
Diámetro: 4 1/8 pulgadas
-
Longitud: 9 1/2 pulgadas
-
Altura: 7 ¼ pulgadas
-
Presión de trabajo: 60 psi
-
Superficie de calentamiento: 150 in2
Figura 7.19. Caldera comercial SH4 [24]
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b) Modelo caldera Stuart HB6
Esta caldera es ideal para usarse en el rango de grandes motores. Se trata del modelo de
mayores dimensiones que se ha encontrado. Cada caldera se suministra en conjunto con un
quemador cerámico, tubo para el suministro del gas y regulador para el combustible de
butano/propano. Las dimensiones características de este equipo son:
-
Diámetro: 6 ¼ pulgadas
-
Longitud: 9 1/2 pulgadas
-
Altura: 10 1/4 pulgadas, sin chimenea
-
Peso: 5,8 kg.
-
Presión de trabajo: 75 psi
Figura 7.20. Caldera comercial HB6 [24]
Una vez hecha la presentación de estos equipos, se pasa a mostrar este pequeño
subconjunto formado únicamente por 4 piezas: caldera, chimenea, válvula y tornillo de ajuste.
Estas dos últimas piezas son las mismas que se utilizan en el depósito de gas, para facilitar
intercambios entre las piezas si alguna de ellas llegara a estropearse.
Figura 7.21. Conjunto caldera de vapor
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
7.4.2. Depósito de Gas
En este caso solo se van a mostrar dos modelos de depósitos de gas con unos tamaños que
se pueden considerar medio y grande ya que no parece lógico elegir un volumen pequeño que
disminuya considerablemente el tiempo de recreo del barco y requiera rellenarlo constantemente,
teniendo la opción de que se quede guardado el combustible si no se gasta en un tanque mayor.
A continuación se presentan los dos modelos de tanques elegidos. Se trata de dos modelos
prácticamente iguales, de la misma marca donde únicamente cambian las dimensiones del
depósito y que se encuentran en [24].
a) Modelo de depósito medio
Tanque de gas recargable a través de una válvula superior y que prioritariamente se utiliza
en modelos de barcos donde no hay suficiente espacio disponible para colocar un cilindro de gas.
Tener en cuenta que solo debe ser usado para mezclas de gases butano/propano (relación
70/30) en bajas presiones.
Especificaciones técnicas:
-
Diámetro: 2 pulgadas
Longitud: 3 11/16 pulgadas
Altura: 3 3/8 pulgadas
b) Modelo de depósito grande
Tanque de gas recargable a través de una válvula superior y que prioritariamente se utiliza
en modelos de barcos donde no hay suficiente espacio disponible para colocar un cilindro de gas.
Tener en cuenta que solo debe ser usado para
mezclas de gases butano/propano (relación 70/30) en
bajas presiones.
Especificaciones técnicas:
-
Diámetro: 2 1/2 pulgadas
Longitud: 4 1/8 pulgadas
Altura: 3 13/16 pulgadas
Figura 7.22. Tanque de gas [24]
A continuación se muestra el conjunto ensamblado de las piezas que componen este
subconjunto: depósito, válvula y tornillo de ajuste.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 7.23. Conjunto depósito de gas.
En esta ocasión no se mostraran los resultados de los análisis realizados al no aportar nada
nuevo, pero ello no quiere decir que no hayan sido realizados tras la unión de las piezas que
conforman el conjunto superándose todos ellos de manera satisfactoria.
7.4.3. Regulador de gas
En esta ocasión no se han encontrado dispositivos similares en el mercado con los que
poder comparar el diseño elegido ya que normalmente este elemento viene incluido en el interior
de la propia caldera, pero en esta ocasión se opta por hacer la regulación del gas fuera de la
misma.
Como ya se comento anteriormente durante el diseño de las piezas que componen este
conjunto, el diseño se extrajo de los planos expuestos en el apéndice 1 a los que no le
acompañaban ningún tipo de explicación sobre su funcionamiento o montaje, por lo que éste ha
sido supuesto bajo la siguiente argumentación, que se apoyará sobre la figura 7.24, que
representa un corte del conjunto y que viene incluido en los planos antes citados.
El gas conducido desde el tanque a la caldera, se hace pasar por la pieza que viene
indicada por el número 1. En esta se hace una nueva regulación, aun más fina si cabe, de la
cantidad suministrada del combustible mediante el regulador 12. Esta pieza tapa parcialmente uno
de los orificios practicados en el cilindro, permaneciendo constante esa área de paso, pudiéndose
incluso anular. Esta parte se puede considerar simplemente como una pequeña válvula donde
regular el caudal. La parte que distingue a este mecanismo se encuentra la zona de la derecha de
la imagen, y se pasa a explicar.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 7.24. Corte del conjunto Regulador de Gas
En el racor de este lado se conecta la salida del vapor de la caldera que va en dirección al
motor. Esta entrada es estanca gracias a las piezas 6, 7 y la arandela entre ellos, por lo tanto en el
interior existe la misma presión que en el interior de la caldera. Esta presión esta únicamente
soportada por el resorte existente entre las piezas 7 y 9, por lo que si la presión sobrepasara la
resistencia del muelle, el pistón se desplazaría dejando escapar vapor a la atmosfera,
reduciéndose así la presión en el interior de la caldera. Por lo tanto, este elemento aparte de servir
de regulación para el gas, se trata de una válvula de seguridad regulable, puesto que la fuerza
ejercida por el elemento elástico se puede cambiar al girar la pieza 9, ya que se produce un
alargamiento o encogimiento del resorte, y por tanto, de la presión soportada por el conjunto.
Aparte de esta vía de escape, si la presión es lo suficientemente grande para desplazar el
pistón hasta que haga contacto con la pieza 1, se produce un corte parcial del suministro de gas a
la caldera, ya que se tapona la mayor vía de paso del gas. De esta manera se produce una mezcla
de los dos sistemas de seguridad que aporta este elemento: el escape del vapor y la detención de
la producción de más vapor.
Una vez hecha esta pequeña explicación del funcionamiento del sistema completo, se
presentan varias imágenes del mismo.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 7.25. Perspectiva Regulador de Gas
Figura 7.26. Imagen de las piezas ensambladas en el cilindro de gas
Figura 7.27. Pistón próximo a cortar el suministro de gas a la caldera
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Para terminar se muestra el corte del conjunto obtenido para comprobar que coincide con
el mostrado al principio de este apartado.
Figura 7.28. Corte del conjunto regulador de gas
7.5. Mecanismos movimiento
En este apartado se presentaran los elementos que hacen posible el movimiento de las
ruedas de paletas a partir del movimiento de giro del eje del motor montados sobre el casco del
Clermont. Para ello se han tenido en cuenta los documentos existentes referentes al mecanismo
original, así como una maqueta existente en la colección particular del modelista naval Carlos
Ortega Navarcorena [25].
A continuación, en la figura 7.28, se mostrará la parte del documento más interesante a
este respecto que corresponde con una copia de los planos originales que se encuentran en el
MUSEO DE MARINA Y BOUCHER INC., que fueron publicados en la revista Hobby en el número 193
de Septiembre de 1952 y que se pueden encontrar en [25].
En estos se puede observar como los cilindros del motor mueven una rueda dentada de
grandes dimensiones a cada lado, la cual transmite el movimiento a una rueda menor. Esta última
rueda está conectada a través de su eje a una rueda exterior con mayor número de dientes y que
finalmente transmite el movimiento al eje de las ruedas de paletas. Por tanto, existen 3
multiplicaciones de la velocidad de giro del eje del motor respecto al eje de las ruedas de paletas.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 7.28. Copia de los planos originales del Clermont facilitada por Carlos Ortega [25].
Al disponer solamente de una salida como elemento motriz, es necesario insertar un
nuevo eje con dos ruedas dentadas que conecten con la rueda transmisora del movimiento
acoplada al eje del motor y con las ruedas exteriores.
Figura 7.29. Detalle del nuevo eje necesario para la trasmisión del movimiento
El método para su correcta colocación consiste en introducir primeramente por el lado de
estribor una de las dos partes del eje y llevarla hasta el fondo del orificio que tiene holgura
suficiente para evitar que las piezas se choquen. Una vez hecho esto, la pieza restante puede
introducirse sin problemas en su eje, colocándose ambas piezas posteriormente en sus posiciones
y uniéndose a través de un pasador.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
A continuación se mostrara un detalle de cómo encajan los dientes de los engranajes
ocultando el casco que impedía verlo con claridad, confirmando que la teoría del diseño de Grant
es válida para estas ruedas.
Figura 7.30. Engrane de las ruedas
Para acabar se presenta la perspectiva de este subconjunto terminado, que es el último
antes de completar el conjunto final.
Figura 7.31. Perspectiva del casco con sistema de engranajes
7.6. Conjunto completo
En este último apartado se mostrará el resultado de unir todos los subconjuntos creados
anteriormente, de manera que el archivo final presente pocas restricciones, estando de esta
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
manera más ordenado, resultando más fácil modificar los elementos si existiese algún problema
como ocurría anteriormente.
Después de añadir el motor al conjunto, se advierte de que el volante de inercia tiene un
radio mayor que la distancia entre el eje y la cubierta del barco, por lo que colisionan dichas
piezas. Para evitar esto se realiza un rebaje de la superficie de cubierta en la zona afectada, como
se muestra en la figura 7.32.
Figura 7.32. Detalle rebaje de la cubierta para evitar colisión del volante de inercia
Se mostrará en la figura 7.33 el detalle de las tuberías que han sido necesarias construir que
por su sencillez no se habían presentado anteriormente. Son un total de tres tuberías con un
diámetro de cuatro mm cada una.
Figura 7.33. Detalle de las tuberías
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
A continuación se mostrara el conjunto completo en sus cuatro vistas, junto con una
perspectiva en la que se aprecia un poco mejor el conjunto completo y finalmente, a página
completa un rendering de la maqueta finalizada.
Figura 7.33. Vistas del conjunto completo
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Figura 7.34.Perspectiva del conjunto completo
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Capítulo 8. DMU Fitting
8.1. Introducción
El subconjunto de módulos Digital Mockup (DMU) es un concepto que permite la
descripción del ciclo de vida de un producto. Con ellos se van a realizar todas las simulaciones en
las que las piezas se desplacen virtualmente, para descubrir los posibles choques que puedan
producirse y analizar las trayectorias de las piezas móviles si son compatibles con los resultados
buscados para la máquina.
En esta ocasión se analizara el montaje de las piezas que componen toda la maqueta
digital mediante una simulación dinámica del proceso. Para ello se utiliza concretamente el
modulo Fitting, a través del cual es posible generar trayectorias tanto de una simple pieza como
de un conjunto de piezas para observar como seria su montaje paso por paso de todo el conjunto.
La generación completa de trayectorias se realiza en dos partes para facilitar el trabajo:
inicialmente con el ensamblado del motor de vapor y posteriormente la unión del resto de piezas
del conjunto.
8.2. Ensamblaje del motor
Para la realización de los Tracks que recorrerán las piezas, es más cómodo y preciso partir
desde el conjunto ya ensamblado anteriormente en el capítulo 7 y en vez de hacer el montaje del
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
motor, realizar el desmontaje del mismo ya que las piezas parten de su posición correcta y su
posición final no es realmente importante, pudiendo elegirse una cualquiera que esté lo
suficientemente alejada del conjunto.
Una vez hecho esto, se pasa la secuencia al revés, volviendo a montarse el conjunto
perfectamente si se ha tenido el suficiente cuidado de hacer el despiece en su orden correcto,
previendo si las piezas pueden entrar o salir sin chocar con el resto de elementos.
Como se comento en la introducción, existe la posibilidad de mover una sola pieza, o un
conjunto de piezas agrupadas anteriormente mediante una herramienta definida como Shuttle. En
este último caso, todo el conjunto de piezas se desplazan como si fuera un único elemento, siendo
muy útil para una serie de piezas, como los tornillos de la figura 8.1, en las que todas ellas van a
recorrer el mismo camino y se trataría de una tarea repetitiva con cada una de ellas por separado,
siendo mucho más rápido esta forma de generar sus Tracks.
Una vez seleccionada la pieza o conjunto de piezas que debe ensamblarse en el conjunto,
se pica sobre el botón Generate Track
, apareciendo sobre el elemento en cuestión el típico
compas de desplazamiento de CATIA con el que se generara la trayectoria que seguirá éste.
Figura 8.1. Shuttle de los tornillos del cilindro
Otro parámetro que se debe tener en cuenta al estar generando cada recorrido es la
velocidad con que la pieza los recorrerá. Existen dos formas de hacerlo, introduciendo
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
directamente la velocidad deseada o introduciendo el tiempo que debe invertir en recorrer el
Track, con lo cual calcula automáticamente la velocidad constante del elemento.
El camino que seguirá cada una de las piezas se trata básicamente de rectas que crea el
propio programa a partir de una serie de puntos que han de ser introducidos al mismo mediante la
barra de herramientas siguiente:
De estas 5 opciones solo serán utilizadas las 3 primeras, que se pasan a explicar cada una
de ellas de izquierda a derecha.
-
-
-
Record. Esta herramienta graba el punto en que se encuentra actualmente el
elemento, insertándolo al final de la secuencia de puntos tomados y generando una
trayectoria recta desde el anterior punto a éste último.
Modify. Al picar sobre este icono lo que se consigue es modificar el último punto
grabado eliminándolo y poniendo en su lugar la posición que ocupa actualmente el
elemento seleccionado.
Delete. Con esta tercera herramienta se elimina la última posición grabada.
Con estas tres simples herramientas se han generado todos los Tracks que se han utilizado
en esta simulación. En la figura 8.2 se muestra un ejemplo de Track del conjunto de piezas
anterior.
Figura 8.2. Ejemplo de Track de un Shuttle
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Ahora simplemente queda organizar la posición de todos ellos mediante la herramienta
Edit Sequence
que se
muestra a la derecha. Esta
herramienta permite una gran
libertad a la hora de generar la
secuencia de imágenes que se
mostrara en la simulación. Por
ejemplo es capaz de simular más
de una trayectoria a la vez, con lo
cual es posible ensamblar más de
un elemento a la vez en
diferentes puntos del conjunto y
con
diferentes
direcciones.
También permite modificar el
tiempo de espera en la
reproducción de una secuencia y
la siguiente, así como el tiempo que se invierte en recorrer cada Track.
Existe una posibilidad de generar una secuencia de un despiece automáticamente con
CATIA mediante la herramienta Explode si se selecciona la pestaña prevista para ello en el menú
propio de la aplicación. Con ella se genera un track para cada pieza, pero éste es una recta
perpendicular al centro del conjunto, sin tener en cuenta el orden en que deben ser sacadas las
piezas, o si esta tiene espacio suficiente para salir sin colisionar con el resto de elementos. Esta
opción es interesante para conjuntos pequeños y de fácil montaje, ya que una vez realizados los
tracks se pueden reordenar para obtener un resultado coherente.
A continuación se presenta la imagen en que finalmente quedan todas las piezas después
de desarmar el conjunto y haber generado los tracks. Éstos han sido ocultados porque si no el
resultado sería una maraña en los que no se apreciaría nada.
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Figura 8.3. Despiece del conjunto Motor de vapor
Y por último se mostraran una serie de imágenes de algunas secuencias del proceso de
montaje en las que se mostrara como poco a poco se van ensamblando las diferentes piezas y va
tomando forma el conjunto final. En el CD adjunto se incluye tanto el fichero de generación del
ensamblado como el correspondiente video del proceso.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 8.4. Secuencia de ensamblaje del Motor de vapor
Una vez terminado este ensamblaje, se pasa al ensamblaje del conjunto completo.
8.3. Ensamblaje del conjunto completo
Esta segunda parte es más sencilla, puesto que existen un menor número de piezas que
componen el nuevo conjunto, pero el desarrollo y realización de la simulación será exactamente
igual que en el caso anterior.
Partiendo del conjunto final ensamblado en el capitulo anterior, se procede al despiece del
mismo, grabando el recorrido que realizan las piezas o, más usualmente en esta ocasión, los
subconjuntos formados a lo largo del capítulo 7.
En esta ocasión no se continúa con el trabajo realizado en el punto anterior porque
supone cargar al ordenador con una gran cantidad de datos que ralentizan su funcionamiento y
seria una verdadera locura manejarse entre tantas líneas dibujadas de trakcs por el espacio de
trabajo. Además los videos generados de esta manera ya tienen un peso importante (alrededor de
los 800 Mb), si se construyera solo una secuencia ocuparían demasiado espacio.
Esta vez, al existir un menor número de piezas es posible mostrar en la figura 8.5 una
panorámica de todo el conjunto despiezado con sus respectivas tracks que indican el camino
seguido por cada pieza desde una posición arbitraria en el espacio hasta colocarse adecuadamente
para el desarrollo de su función.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 8.5. Conjunto completo despiezado con sus respectivos tracks
Durante la realización de esta simulación hay que tener en cuenta un par de puntos
importantes:
-
A la hora de ajustar los ejes denominados como macho, hembra y el eje 3 que
atraviesa todo el casco con sus respectivas ruedas dentadas, existe una
interpenetración de los cuerpos durante el montaje puesto que los ejes poseen
ligeramente mayor diámetro que el hexágono por donde deben entrar. Este problema
en la realidad se soluciona calentando un poco las ruedas para que dilaten.
Figura 8.6. Detalle problema de colisión en el ajuste
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
-
La otra cuestión importante es al montar los ejes macho y hembra, que aunque ya se
comento en el capitulo anterior se reitera aquí. Sabiendo que el taladro practicado en
el lado de estribor es el mayor, se debe introducir primeramente un eje en este lado
para dejar hueco al otro y poder introducirlo posteriormente. Este detalle se ha tenido
en cuenta a la hora de realizar la simulación y se aprecia en el video generado y
aportado en el CD adjunto.
Para finalizar este capítulo se mostrara una secuencia de imágenes que resumen el video
generado, tal y como se hizo con el motor de vapor.
Figura 8.7. Montaje del eje que atraviesa el casco
Figura 8.8. Montaje del eje macho-hembra
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 8.9. Montaje de la caldera
Figura 8.10. Montaje de las tuberías
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 8.11. Montaje de las ruedas de paletas
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Capítulo 9. DMU Kinematics
9.1 Introducción
Este modulo está dentro del conjunto DIGITAL MOCKUP, a través del cual se realizan todas
las simulaciones en las que el mecanismo en cuestión este en movimiento. Con este módulo en
particular se consigue, finalmente, poder recrear virtualmente el funcionamiento real del conjunto
a partir de los grados de libertad del mecanismo.
Para ello cuenta con todas las restricciones que pueden existir entre dos piezas y que es
necesario definir, al menos, todas aquellas que van a ser utilizadas en este capítulo.
-
Revolute Joint. Con este icono se imponen dos restricciones: coincidencia de 2 ejes y 2
planos. Se puede generar un movimiento angular al eje.
-
Cylindrical Joint. Solo se impone una restricción, coincidencia de dos ejes. Se puede
generar un movimiento tanto de desplazamiento a lo largo del eje como de giro
respecto al eje.
-
Rigid Joint. Elimina cualquier tipo de movimiento entre las piezas, se vuelven
solidarias.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
-
Slide Curve Joint. Se obliga a que dos curvas giren una sobre la otra sin rozamiento. Se
utiliza solamente entre la corredera y el eje de corredera para que las curvas de ambos
elementos rueden una sobre la otra.
-
Gear Joint. Es una unión de engranajes, válido para cualquier tipo de transmisión entre
ejes.
Mediante estas restricciones que se aportan, el programa ya es capaz de generar el
movimiento de todo el conjunto, siempre y cuando a los grados de libertad del mecanismo se le
asigne un movimiento definido, ya sea un determinado desplazamiento o ángulo girado.
Para la generación de los movimientos se puede partir de un conjunto ya ensamblado, o
empezar desde un producto en blanco e ir generando poco a poco las restricciones tanto de
posición como de movimiento. Este último será el método seguido en el presente proyecto debido
a la dificultad que conlleva, en un proyecto de esta envergadura, diferenciar que piezas han sido
ya restringidas y cuáles no, facilitando el proceso el hecho de ir colocando una pieza y a la vez
restringir sus movimientos.
Inicialmente es necesario elegir una pieza para que sea fija y a partir de la cual se definen
el resto de elementos y acciones. Se trata de elegir un punto de referencia. En este caso se elige
como tal la base del mecanismo, que posteriormente se atornillara a la cubierta del Clermont.
En estas simulaciones se prescindirán de piezas como tornillos que permanezcan fijas en
su posición sin intervenir para nada en el movimiento, por lo que no aportan nada al mecanismo.
En cambio, añaden una gran cantidad de datos al programa que ralentizan los procesos y cálculos
del mismo.
Se realizaran dos productos diferentes, uno principal únicamente con el movimiento del
conjunto del motor de vapor y otro donde se incluya todo el conjunto visto en los capítulos
anteriores.
9.2 Motor de vapor
Este elemento es el corazón del sistema al poner en funcionamiento el giro de las paletas
que finalmente desplazan el barco por el mar. Es por ello por lo que se elige este mecanismo para
simularse en primer lugar y por sí solo, representando uno de los objetivos principales del
proyecto.
Para llevar a cabo este propósito, el principal problema que se plantea es la elección del
movimiento de entrada a partir del cual gira el resto de elementos. Físicamente este parámetro
está claro, el grado de libertad principal es el movimiento oscilante de los pistones movidos por el
vapor de entrada. Pero a la hora de ser simulado mediante este comando, el programa se
encuentra con un problema que impide que pueda ser simulado el mecanismo. Este consiste en el
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
hecho de que durante un recorrido completo del pistón, el mecanismo entra en dos puntos
muertos, que ocurren tanto en la parte superior como inferior del movimiento, tal y como se
muestra en las siguientes imágenes.
Figura 9.1. Puntos muertos del mecanismo
En dichos puntos, al existir la posibilidad de que gire el eje en cualquiera de los dos
sentidos posibles, al avanzar el desplazamiento del pistón CATIA avisa de este suceso y, no
soportando dicha ambigüedad, detiene la simulación.
Físicamente este hecho no sucede debido a que existen dos pistones desfasados 90º y
cuando uno de los dos alcanza uno de estos puntos, el otro pistón se encuentra en posición de
máxima transmisibilidad de potencia, con lo cual se posibilita únicamente un sentido de giro del
cigüeñal. Así que una posible solución sería incluir un segundo foco de movimiento en el otro
pistón, pero al presentar este mecanismo un solo grado de libertad el programa no permite la
incorporación de dos articulaciones conductoras del movimiento, por lo que esta solución no es
válida para conseguir la simulación del mecanismo.
Solo existe una posibilidad para poder generar el movimiento, que aunque no sea
físicamente real, se puede considerar valida a todos los efectos para los supuestos que se
desarrollan a lo largo del presente proyecto y que no es más que hacer girar el cigüeñal a lo largo
de su eje para que éste arrastre al resto del conjunto de piezas evitando de esta manera cualquier
problema de puntos muertos del sistema, y consiguiendo una velocidad de giro totalmente
uniforme, cosa que no ocurriría si el movimiento fuera implementado a través de la carrera de los
pistones.
Es preciso hacer una aclaración antes de proseguir el capítulo, y es que realmente el motor
presenta dos grados de libertad a pesar de que anteriormente siempre se ha hablado de que solo
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
poseía uno. El grado de libertad que no se contabilizaba en los párrafos anteriores hace referencia
a la posición de la palanca de distribución y que regula la cantidad de caudal que entra a los
cilindros. Pero una vez fijado este, el mecanismo solo necesita de la posición de una pieza para
quedar totalmente determinado, por eso siempre se ha hablado de un grado de libertad, porque
se supone definida y fija la posición de dicha palanca.
A continuación se presentaran una serie de fotogramas en los que se presenta la secuencia
a través de la cual el eje gira 360º, colocándose inicialmente la palanca de distribución 2º por
debajo de la horizontal que corresponde con el punto de máxima admisión de los cilindros como
se comprobara más adelante. El video completo se puede ver en el CD adjunto al proyecto.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 9.2. Secuencia del movimiento del motor con el detalle de la distribución del vapor
En esta secuencia se ha centrado la imagen sobre el mecanismo de distribución del gas,
presentándose en las imágenes de la derecha como está colocado el distribuidor de la admisión
del vapor para los casos representados en la imagen de la izquierda que corresponden con los
ángulos girados del cigüeñal de 0, 90, 180 y 270 grados.
9.3. Conjunto completo
En este apartado se mostrara el movimiento del sistema completo. Partiendo del
movimiento del motor generado anteriormente, se le unirán el resto de piezas que componen el
conjunto completo del Clermont, aunque realmente como piezas móviles solo se encuentran el
sistema de engranajes y las ruedas de paletas, siendo el resto de piezas (caldera, deposito,…)
unidas rígidamente al casco del barco.
Para facilitar el montaje, los conjuntos creados independientemente de caldera, tanque,
regulador de gas y sobre todo las ruedas de paletas, se introducirán como conjuntos rígidos para
evitar tener que volver a colocar todas las piezas. De esta manera solo habrá que unir los
conjuntos con una unión del tipo RIgid Joint, facilitando el trabajo y creando un entorno más
limpio en el árbol de trabajo. Sin embargo, el sistema de engranajes tiene que volver a ser
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
introducido pieza por pieza porque si no CATIA lo interpretaría como si se tratase de una sola pieza
rígida siendo imposible dotar al conjunto de movimiento.
La transmisión de movimiento a través de las ruedas engranadas se simula mediante la
orden Gear Joint. Para poder aplicar esta función, es necesario tener previamente definido dos
Revolute Joint, con la salvedad de que ambos deben tener en común el mismo soporte del eje de
giro. Es por ello por lo que se hace necesario una nueva modificación al casco del barco,
levantando una pequeña pestaña por la cual pasa el eje del motor para hacer posible la definición
del casco como soporte de este primer engrane entre el eje del motor y el eje definido como “Eje
3 macho”.
Figura 9.3. Detalle pestaña del casco
Realmente para definir correctamente en CATIA un engranaje no es necesario tener
diseñado perfectamente las ruedas dentadas, pues realmente el programa solo tiene en cuenta los
ejes de los engranajes, transmite el movimiento a estos, independientemente de la distancia entre
ellos o de los elementos que se encuentren en medio, sirviendo este Joint tanto para
transmisiones del tipo cilíndrico, con cadenas, con correas o ruedas dentadas como es el caso que
aquí se presenta. Debido a esta particularidad, es necesario introducirle además el parámetro del
ratio de velocidad entre los ejes y si el giro tiene el mismo sentido, caso de cadenas y correas, o si
por el contrario los giros tienen sentidos contrarios como ocurre con los engranajes.
Se puede dotar de movimiento de entrada a cualquiera de las dos ruedas, o dejarlas sin
movimiento a ninguna de las dos, que es lo que ocurre en todos los casos de este proyecto.
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Figura 9.4. Menú del Gear Joint
En esta ocasión no se van a mostrar las secuencias del movimiento debido a que no se
apreciaría cambio alguno entre un fotograma y el siguiente en el conjunto global, simplemente un
pequeño cambio de posición de las ruedas de paletas. Se invita a visualizar el video del
movimiento de este conjunto en el CD adjunto porque, en cambio, se puede apreciar
perfectamente el movimiento de cada una de las ruedas tanto de los engranajes como de paletas,
incluso del motor.
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Capítulo 10. Conclusiones y Desarrollos
Futuros
Para poder analizar el resultado de este trabajo con rigor y poder sacar las conclusiones
del mismo, se va a comparar en la medida de lo posible, la maqueta digital construida frente a las
piezas reales para comprobar la validez del proyecto y la utilidad que presenta realizar los diseños
con el programa CATIA.
Con este fin se utiliza la página personal de D. Alfonso Martínez Rubí [32], un modelista
español con muchos años de experiencia en este campo al que se dedica como hobby. En ella
muestra sus creaciones realizadas totalmente a mano, entre las que se encuentran este mismo
motor de vapor que se ha desarrollado en este proyecto, basándose en los mismos planos
franceses que se muestran en los anexos al final del mismo.
De esta manera, se presenta una serie de imágenes tanto del conjunto despiezado, figura
10.1, como de algunos detalles que él considera más interesantes. A continuación se mostraran
algunas de dichas imágenes y su correspondiente imagen virtual para poder comparar los
resultados obtenidos.
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Figura 10.1. Despiece del conjunto con los planos utilizados al fondo [32]
Primeramente se comienza con la presentación de una perspectiva completa del motor,
en la que se observan los dos conjuntos pudiendo comprobar a primera vista que existe una gran
diferencia entre ambas imágenes, la palanca de distribución no aparece en la fotografía del motor
real.
Figura 10.2. Perspectiva motor real [32] y maqueta digital
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
Tras este primer vistazo en que puede parecer que no se parecen en nada ambas
imágenes, si se profundiza algo más en ellas, se puede llegar a la conclusión de que ambos casos
son idénticos, con la excepción ya comentada del cambio de lado en que D. Alfonso coloca la
palanca. Pero esto es debido a que, como aparece comentado en su propia página web, él realiza
ciertos cambios que considera convenientes respecto a los planos originales para un mejor
funcionamiento, mientras que en este proyecto se opta por seguir fielmente los planos, salvo en
contadas excepciones donde es necesario realizar algún cambio para que encajen las piezas más
tarde en el conjunto.
Figura 10.3. Comparación detalle del mecanismo de distribución real [32] y con CATIA
En esta última imagen se vuelve a apreciar como ambos conjuntos son prácticamente
idénticos. En esta ocasión, además del cambio de lado de la palanca, la imagen real presenta en el
eje de salida una rueda aligerada a través de la cual se transmitirá el movimiento al barco en que
vaya a ser montado dicho conjunto y que como es natural falta a la maqueta digital por haber
elegido aquí un sistema diferente de transmisión del movimiento.
Antes de poder obtener las conclusiones pertinentes, se muestra en la figura 10.4 una
imagen tomada mediante Rendering de la maqueta digital completa, que aumenta las bases sobre
las que comentar posteriormente el resultado del proyecto.
Con todo esto, se llega a la conclusión de que mediante CATIA se pueden obtener grandes
resultados respecto al realismo de las maquetas como se ha demostrado a lo largo de este
proyecto, habiendo conseguido con creces todos los objetivos expuestos al principio del mismo a
pesar de la escasa información existente al respecto. En este punto sobre todo se valora el acierto
en la elección del software debido a que permite realizar cambios rápidamente en los diseños de
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Recreación virtual del primer barco de vapor con ruedas de paletas
las piezas, como ocurría con el casco del barco, que se ha tenido que modificar a medida que se
avanzaba tanto en el resto de diseños como en las simulaciones al comprobar que se producían
interferencias entre las piezas o faltaba algún detalle sobre el cual no se había recalado en un
principio.
Además, puede considerarse éste programa muy válido, no ya solo por obtener imágenes
que son difíciles de diferenciar de fotos reales o por el perfecto modelado del contorno de las
piezas que se consiguen, sino también por como ayuda el módulo DMU Kinematics a la hora de
entender el funcionamiento del conjunto estudiado, en esta ocasión del motor de vapor, pero es
perfectamente aplicable a cualquier otro conjunto. Gracias a las simulaciones generadas con dicho
módulo, se pueden observar los desplazamientos de cada una de las piezas y comprender por qué
tienen dicha geometría o están colocadas en una posición específica, cosa que no suele suceder
inmediatamente y que en mecanismos arduos como este conllevarían grandes quebraderos de
cabeza.
Como contrapartida se encuentra el pequeño fallo de software que se comento durante el
capitulo 7, en el cual el programa detectaba unas interpenetraciones entre dos piezas que
realmente no debería ocurrir. Aparte de esto, esta versión ha sido muy depurada respectos a las
iniciales y es difícil encontrarse algún fallo más.
Un tema que se echa de menos en este software y que resolvería muchos problemas es la
imposibilidad de tratar elementos elásticos, como sería el muelle aquí utilizado. Este hecho seguro
que no ha pasado desapercibido por los miles de usuarios del programa, pero probablemente el
esfuerzo necesario para poder incorporar esta función a CATIA es tan grande y costoso que no
merece la pena. Además este programa es básicamente una herramienta gráfica, para temas de
deformaciones existen gran cantidad de programas compatibles con CATIA que pueden ser
utilizados con este fin.
Tras este análisis se concluye el proyecto, no sin antes dejar una puerta abierta para
futuros trabajos que amplíen y mejoren este proyecto, como podrían ser el diseño detallado de los
elementos del quemador de la caldera, reproduciendo la segunda opción mostrada para el diseño
del casco del Clermont, o incluso con la maqueta del motor real encargado por Fulton y fabricado
por Watt que se instalo en aquellos primeros vapores de paletas.
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