La enseñanza del Diseño Mecánico con un enfoque medioambiental (página 2)

Existen criterios generales del diseño mecánico como son la seguridad, la confiabilidad, la facilidad para fabricar, facilidad de operación, costo de operación, mantenimiento bajos, tamaño reducido, poco peso, materiales adecuados, la apariencia y la ergonomía; en los que su concepción implica un enfoque ambientalista. Resulta necesario hacer un análisis de los siguientes aspectos:

Recursos minerales

El desempeño satisfactorio de un equipo obedece al comportamiento de los diferentes Elementos de Máquinas que lo componen, un aspecto significativo lo constituye la selección de los materiales. Los tipos de materiales son numerosos y diversos, para la ingeniería mecánica generalmente son los metales que pueden ser dúctiles o frágiles y los plásticos. Al incidir en dimensionamiento óptimo de las piezas, es decir, al garantizar la resistencia necesaria con las dimensiones mínimas posibles se está protegiendo el medio ambiente en lo que al uso racional de los recursos minerales se refiere. Se debe tener en cuenta en los diseños de árboles, ruedas dentadas, poleas, estrellas, uniones eje-cubo, selección de acoplamientos.

Según sea la aplicación concreta que se trate resulta necesario valorar las propiedades mecánicas de resistencia, rigidez, ductibilidad, durabilidad y facilidad de fabricación. Se debe tener presente lo siguiente:

• Los aceros de contenido de carbono bajo (menos de 0.30%) tienen poca resistencia pero buena capacidad para darle forma.
• Los aceros de contenido de carbono medio (entre 0.30% y 0.50%) tienen resistencia moderadas y altas, con ductibilidad satisfactoria y dureza moderada.
• Los aceros de alto contenido de carbono (mayor de 0,50%) tienen mejores propiedades en cuanto al desgaste.

Es necesario valorar, además, el tipo de tratamiento térmico, ya que las propiedades mecánicas finales están en función del que se les aplique (temple, normalizado, recocido, carburización y nitruración entre otros).

La durabilidad

La durabilidad es un aspecto muy unido a la selección del material en el que intervienen otros factores, representa la tensión a la que un material puede resistir para un número específico de ciclos de cargas. Por lo que un aspecto importante es la correcta definición del tipo de carga actuante, estas pueden ser (estáticas, variables, choques y aleatorias). Los otros aspectos se refieren a:

• Dimensiones de la sección
• Acabado de la superficie
• Concentración de tensiones
• Defectos internos
• Temperatura factores ambientales

Vibraciones mecánicas y ruidos.

Las vibraciones mecánicas, generalmente, provocan ruidos que, a su vez, tienen a contaminar el ambiente sonoro. Su efecto dañino afecta cualquier máquina y equipo, pero también recae sobre el hombre, que es quien generalmente las opera y se debe prestar especial atención en su protección. Es importante que en la decisión sobre el tipo de transmisión a utilizar e realice teniendo en cuenta estos aspectos, a partir del cálculo de las frecuencias para las cuales, en determinado momento, la máquina o elemento puede entrar en resonancia. De hecho a través del cálculo se pueden control las frecuencias de trabajo de dichas máquinas y elementos y, de esta forma, disminuir la producción de ruidos nocivos. Con el diseño adecuado de las máquinas se puede evitar el efecto nocivo de las vibraciones mecánica y la aparición de la resonancia.

Emisión de gases a la atmósfera.

Se conoce que el gasto de energía está estrechamente relacionado con la emisión de gases a la atmósfera, se pueden influir en este aspecto si logra que el dimensionamiento de las piezas sea el óptimo, con el cual deben disminuirse las operaciones de maquinado, montaje y explotación, que siempre traen consigo un consumo de energía.

Afectaciones al terreno

El peso de un equipo y en particular en las máquinas agrícolas es un factor que está estrechamente relacionado con la compactación del suelo, lo que constituye un factor negativo para los cultivos agrícolas. Este aspecto debe ser valorado a través de la correcta selección del material, los elementos de máquinas normalizados y el dimensionamiento óptimo de las piezas. En este aspecto resulta importante la correcta valoración de las cargas y el análisis de las fuerzas internas, pues al disminuir el peso disminuye la compactación del suelo; por otra parte reporta un ahorro considerable de materias primas y energía, generalmente provenientes de fuentes no renovables.

La mantenibilidad

Un aspecto que influye directamente en el medio ambiente es la mantenibilidad, entendida como la propiedad de un sistema o equipo mecánico de conservar su funcionamiento normal o la posibilidad para restituir una pieza una vez que se ha presentado un evento de falla. El método consiste en tener en cuenta la confiabilidad y mantenibilidad antes de que el equipo sea construido, desde las fases iniciales del diseño. Esto sin dudas es importante para el medio ambiente ya que va a permitir una mejor utilización de los productos, por un tiempo mayor.

En los planos y especificaciones debe darse toda la información necesaria, así mismo tanta información anticipada como sea posible para que el equipo, instalación y personal calificado puedan estar disponibles con los inconvenientes mínimos. Esto se manifiesta en los diseños con muchas partes, donde podría haber mezcla de partes, falta de componentes y mayor número de fallas o errores en las pruebas realizadas. Si algunas partes son semejantes, pero no idénticas, aumentan las probabilidades de que un armador use la parte equivocada.

Las partes o componentes que carezcan de detalles que eviten la inserción en el lugar o con la orientación incorrecta, darán lugar a una mala colocación o armado. Los pasos complicados de armado, o los procesos de unión donde se usen trucos pueden causar ensambles incorrectos, incompletos, no confiables, o con algún otro tipo de fallas. Por último al no tener debidamente en cuenta en el diseño, las condiciones a las que se han de sujetar las partes durante su ensamble, tales como humedad, temperatura, niveles de vibración, electricidad estática y polvo, pueden generar fallas durante sus posteriores pruebas y utilización. Para resumir, hay varias técnicas de diseño que pueden usarse para mejorar el diseño en la obtención de una mantenibilidad. Estas técnicas deben ser evaluadas cuidadosamente en cada caso, frente a las restricciones de diseño que pueden afectar a una solución en particular.

La importancia de la función de mantenibilidad en el proceso de diseño es directamente proporcional a la importancia de la función de diseño. Para que un diseño tenga una mantenibilidad inherente aceptable, se deben hacer provisiones para la mantenibilidad desde la fase de diseño conceptual hasta su finalización. Como métodos de diseño para lograr la mantenibilidad se deben señalar:

1. Accesibilidad y modularidad

La accesibilidad se refiere a la facilidad para llegar a un determinado elemento dentro de un conjunto, para la realización de tareas de ensamble y/o mantenimiento. La modularidad se refiere a la característica de algunos sistemas de ser ensamblados en módulos para disminuir el grado de complejidad y los errores dentro del proceso de ensamble. Todo equipo y subconjunto debe agruparse en módulos a los que se pueda acceder por separado y convenientemente, y estar compuesto de piezas que se pueden conectar y desconectar rápidamente ante cualquier imprevisto.

2. Simplicidad y normalización

La simplicididad quiere decir, sencillez, facilidad y capacidad de operación del conjunto. Al ser más bajo el nivel de complejidad utilizado, es mayor la facilidad de entender y lograr una mejor actuación y fiabilidad del sistema dinámico. La simplicidad en la estructura del producto mejora el ensamble, esto trae consigo que el proceso de fabricación y mantenimiento sea menos costoso. La simplicidad en el uso del sistema significa mayor libertad y menos costo, en la contratación y entrenamiento de los operadores.

La normalización refiere a la utilización de elementos normados dentro de la concepción de un producto. Conceptos que aunque se refieren a aspectos diferentes, por el vínculo con la temática, se tratan de forma conjunta, ya que son dos herramientas útiles para diseñadores que buscan una alta mantenibilidad.

En general, cuanto más simple es el diseño más favorable es la mantenibilidad. Sistemas tales como tecnología de grupo, análisis de valor, análisis de causa – efecto, métodos de Tagushi, ingeniería simultanea, diseño para la producción, diseños para el ensamble y la automatización, convergen todos en un solo gran objetivo que es el diseño para la simplicidad. Dicho diseño simplificado del producto tiene dos características que le son propias:  

1. La reducción en el número de partes integrantes de un producto;

2. El uso de partes estándares.

3. Prever las consecuencias del diseño de un producto.

El diseño de cualquier sistema o equipo no debe de desentenderse de las consecuencias que los mismos puedan ocasionar, las decisiones deben responder a las nuevas realidades en materia científica, tecnológica, social y económica. Simples detalles de diseño pueden alterar superlativamente los niveles de inversión necesarios para su fabricación. Las tolerancias asignadas a las piezas deben responder a la capacidad de los procesos de que se dispone.

Un aspecto importante, en el caso de agregados y máquinas agrícolas, es introducir las evaluaciones y pruebas de la evaluación del impacto ambiental.

4.- Factores humanos.

Muchos son los aspectos del diseño del producto que pueden afectar de manera adversa la facilidad en el proceso de fabricación, y consecuentemente su nivel de calidad. Algunas partes son diseñadas con características difíciles de fabricar en forma repetitiva, o con tolerancias que son innecesariamente estrechas. Algunas partes pueden carecer de detalles para auto alinearse, o de características que eviten la inserción en posición equivocada. En otros casos, las partes pueden ser tan frágiles o susceptibles a la corrosión o a la contaminación, que se puede dañar una parte de ellas en el embarque o por el manejo interno. A veces, debido a la falta de cuidado, un diseño tiene simplemente más partes que las necesarias para llevar a cabo las funciones deseadas, y entonces habrá mayor probabilidad de errores en su ensamble y posterior funcionamiento.

Por lo tanto, los problemas de mal diseño pueden surgir en la forma de errores, bajos rendimientos, daños o fallas en el funcionamiento durante la fabricación, ensamble, prueba, transporte y uso final. Para lograr una concepción óptima del diseño es necesaria la capacitación y el entrenamiento, dentro de lo que se da en llamar la gestión del conocimiento y de los activos intelectuales, es crítico y fundamental, a la hora de mejorar creativamente los diseños de los productos.

5. Capacidad de prueba.

Cuando sea posible la elección los diseñadores del equipo funcional deben crear un diseño que se pueda someter a pruebas funcionales completas, no destructivas. Anteriormente se incurría en grandes gastos producto a esta actividad de prueba, pues si existía un fallo que provocara la destrucción total o en el mejor de los casos parcial del equipo, había que utilizar nuevas piezas, en sustitución de las que resultaron dañadas y esto provocaba que aumentaran los costos de producción.

Simulación del diseño

Las simulaciones virtuales sin dudas van a permitir una mejor concepción del proceso de Diseño y por lo tanto una valoración de las posibles afectaciones ambientales, tienen como objetivos:

• Comprobar que las soluciones generadas están de acuerdo con los principios de la ciencia y de la técnica.
• Prever los efectos deseados.
• Optimizar las soluciones.

Una correcta evaluación de las tensiones y deformaciones permite tener en cuenta la influencia de aspectos como la corrosión en el tiempo, la acción del hombre o los elementos físicos que actúan sobre el.

La Ergonomía

Las relaciones entre el trabajador y la máquina se han hecho cada vez más complejas, por lo que el aumento de la productividad y la disminución de la fatiga y los accidentes en los operarios, requieren de un estudio de la forma de utilización de las máquinas. Es la Ergonomía la ciencia aplicada que estudia el sistema integrado por el trabajador, los medios de producción y el ambiente laboral, con el objetivo de obtener un trabajo eficiente y adecuado a las capacidades psicofisiológicas de cada trabajador. El campo interdisciplinario de la Ergonomía incluye (Anatomía y Fisiología, Psicología, Medicina del trabajo y las Disciplinas tecnológicas). Son sin dudas estos aspectos indispensables a tener en cuenta si se quiere un Diseño con enfoque medio ambiental.

Las relaciones que se establecen entre el trabajador y los medios de producción (máquinas) son relaciones informativas, relaciones de control y relaciones corporales. Por lo tanto, las características del ambiente laboral que se deben controlar son temperatura, humedad, sonido, vibraciones, presión atmosférica, entre otras. Las máquinas ejercen su influencia sobre el hombre, repercutiendo en los diferentes sistemas:

• Sistema cardiovascular y circulación sanguínea.
• Sistema respiratorio.
• Sistema muscular y óseo.
• Sistema nervioso.
• Receptores sensoriales, visión y audición.

Teniendo en cuenta muchos de estos aspectos, las dimensiones y formas de los medios de trabajo que va a utilizar el hombre influyen sobre éste. Estas dimensiones deben adecuarse con su cuerpo, o sea, con su antropometría. Es por eso que los principios de aplicación de la información antropométrica se deben utilizar en todos los elementos de los puestos de trabajo.

1. La actividad de diseño de medios de producción toma cada día mayor importancia en nuestro país, donde se diseñan y construyen variados equipos e instrumentos, maquinarias agrícolas y medios de transporte. Se hace necesario entonces estudiar los principios para diseñar, seleccionar y evaluar los dispositivos de control, en el aspecto de su conveniencia al operador.

CONCLUSIONES

En el Plan de Estudios del Ingeniero Mecánico se hace insistencia en la educación medio ambiental y se establece como una de sus estrategias curriculares y es precisamente porque en sus diferentes esferas de actuación tiene gran cantidad de procesos que tienden al incremento de la contaminación ambiental. En este caso se han valorado los aspectos concernientes al Diseño de elementos de Máquinas, aspectos que se cumplimentan y se llevan a la práctica de los estudiantes en la realización de Tareas y Proyectos lo que le permite analizar y valorar el impacto ambientadle una tarea de Diseño, como eslabón primario y decisivo en el desarrollo de un producto mecánico.

Evaluar con un criterio de sostenibilidad y medio ambientalista el diseño de elementos de máquinas significa tener en cuenta: la correcta selección del material, el análisis de las condiciones de trabajo, las formas constructivas adecuadas, la ergonomía y la valoración del proceso de fabricación y la mantenibilidad (sus implicaciones con el número de piezas a fabricar y el herramental).

BIBLIOGRAFÍA

• Altshuller Glenrych, S (1990): On the theory of solving inventive problems. Design Methods and Theories. Volume 24, Number 2, April-June 1990, P 1216-1222.
• Arana, M. Valdés, R (1998). La Tecnología apropiada: concepción para una cultura. En Tecnología y Sociedad. Editora "Félix Varela", Cuba. (p. 19-30)
• Arana Ercilla, M.; Calderín Valdés, A. y Valdés Montalvo, N. (1999): "La Cultura tecnológica en el ingeniero y el cambio de paradigma". En Tecnología y Sociedad. Colectivo de autores GEST. (P. 247-260)
• Bello Hernández, M. (1999): Hacia los principios de la educación ambiental. En Tecnología y Sociedad. Editora "Félix Varela". La Habana. Pág. 203-213.
• Cardoso, R.; Álvarez, N.; Moreno, M. (2001) Hacia la formación integral del estudiante universitario. p. 81-90. Revista Cubana de Educación Superior, Vol. XXI, No. 2, La Habana.
• Dobrovolski, V. Elementos de Máquinas. Moscú: Editorial Mir, 1980.

• Gómez Pais, G.; (1999): Reflexiones acerca de la empresa y el medio ambiente. En Tecnología y Sociedad. Editora "Félix Varela". La Habana. Pág. 185- 195.
• Gonzáles Hernández M.; (1999): La discusión: Una alternativa pedagógica para la educación medio ambiental. Revista Cubana de Educación Superior. Volumen XIX. No. 3 (Pág. 29-38).
• Horruitiner Silva, P. (2006): La universidad cubana: el modelo de formación. Editorial Félix Varela, La Habana. 249 p.
• Knezevic, Jezdimir. Mantenibilidad. España 1996.
• PNUD. .Desarrollo humano: Informe 1992, Editorial Tercer Mundo, Bogotá, pp48-49.
• Reshetov D. Elementos de Máquinas. Ciudad de La Habana: Editorial Pueblo y Educación.
• Rugarcía Torres, Armando (1997): "La formación de Ingenieros". Universidad Iberoamericana Golfo-Centro, 1997. 522 p.
• Starkey, C. V. Engineering Design Decisions, United Kingdon,1992
• Solano, Araceli. (2004): Código de ética del ingeniero mexicano (umai): En . Visita en Enero 2007.

Autores:

MSc. Idalia Isla Vilachá.

David Cabral Castro.

Datos de los Autores

MSc. Idalia Isla Vilachá

Prof. Auxiliar de la asignatura Elementos de Máquinas. Departamento de Mecánica Aplicada. Universidad de Holguín.

David Cabral Castro

Estudiante.