Diseño de un sistema de carga móvil para ensayos en probetas de pavimento y puentes

Abstract

El presente trabajo de título documenta el diseño mecánico de un sistema de carga móvil destinado a ensayos acelerados en probetas de pavimentos y puentes, enmarcado dentro del proyecto FONDEF IDEA ID25110357: CWIM (Continuous Weight in Motion). El objetivo principal consistió en desarrollar un equipo de laboratorio capaz de simular de manera repetible y controlada el paso de un vehículo pesado sobre superficies instrumentadas con sensores de fibra óptica, asegurando la manufactura y mantenibilidad del sistema. Para llevar a cabo el diseño, se adoptó la metodología sistemática VDI 2221, estructurando el proyecto en las fases de ingeniería conceptual, básica, de detalle y la elaboración de un plan valorizado de manufactura. Desde el punto de vista de los requerimientos dinámicos y estructurales, el sistema fue dimensionado considerando una masa de 500 kg para el carro —variable crítica para la estimación de las fuerzas inerciales y la selección del tren motriz—, mientras que el subsistema de carga vertical fue diseñado para aplicar y resistir una carga máxima de prueba de 2 [Ton-f] (aproximadamente 19,6 [kN]) directamente sobre el pavimento a una velocidad máxima de 5 [m/s], carga y velocidad son regulables. El desarrollo de la ingeniería de detalle contempló el modelado tridimensional y el cálculo de componentes críticos sometidos a cargas fluctuantes, tales como el eje y la maza, componentes fabricados en taller metalmecánico de la universidad. Mediante el uso de Análisis de Elementos Finitos (AEF) y la aplicación del método esfuerzo-vida, se validó la integridad estructural del rodado, garantizando un factor de seguridad apto para una vida útil a fatiga infinita. Asimismo, se integraron componentes estandarizados bajo los principios de Diseño para la Manufacturabilidad y Ensamblaje (DFMA). Como resultado, se entrega el diseño de un equipo de impulsado por un motorreductor de 30 [kW] controlado por un variador de frecuencia, el cual acciona el sistema motriz del equipo mediante un tambor, polea y cable hacia un carro móvil, el cual simula el peso de un vehículo en un neumático de camión mediano, mediante un actuador electromecánico sobre el bastidor del carro. Todos estos componentes se contienen en(...).

The design of the accelerated loading system is based on pavement testing equipment. A pneumatic wheel is connected to an articulated frame which, by means of an electromechanical actuator, is capable of simulating the desired load and retracting the wheel from the surface; a subsystem made of a metallic structure provides support and guidance to the carriage. This degree thesis documents the mechanical design of a mobile loading system intended for accelerated testing on pavement and bridge specimens, within the framework of the FONDEF IDEA ID25110357: CWIM (Continuous Weight in Motion) project. The main objective consisted of developing laboratory equipment capable of simulating, in a repeatable and controlled manner, the passage of a heavy vehicle over surfaces instrumented with fiber optic sensors, ensuring the manufacturability and maintainability of the system. To carry out the design, the VDI 2221 systematic methodology was adopted, structuring the project into the phases of conceptual, basic, and detailed engineering, along with the development of a cost-estimated manufacturing plan. From the perspective of dynamic and structural requirements, the system was dimensioned considering a 500 kg mass for the carriage—a critical variable for estimating inertial forces and selecting the drivetrain—while the vertical loading subsystem was designed to apply and withstand a maximum test load of 2 [Ton-f] (approximately 19.6 [kN]) directly onto the pavement at a maximum speed of 5 [m/s]. Both load and speed are adjustable. The development of detailed engineering included three-dimensional modeling and the calculation of critical components subjected to fluctuating loads, such as the shaft and the hub, which are components to be manufactured in the university’s metal-mechanic workshop. Through the use of Finite Element Analysis (FEA) and the application of the stress-life method, the structural integrity of the wheel assembly was validated, guaranteeing a suitable factor of safety for infinite fatigue life. Additionally, standardized components were integrated under the principles of Design for Manufacture and Assembly (DFMA). As a result, the machine’s design is presented, driven by a 30 [kW] gearmotor controlled by a variable frequency drive, which actuates the system’s drivetrain via a drum, pulley, and cable connected to a mobile carriage. This carriage simulates the weight of a vehicle on a medium-duty truck tire using an electromechanical actuator on the carriage frame. All these components are contained(...).