DISEÑO Y CALCULO DE UN CAÑÓN

DE GAS COMPRIMIDO PARA ENSAYO

DE PARABRISAS FERROVIARIOS Y

PROTECCIONES BALÍSTICAS

• Alumno: Ariel Marcelo J. López . Director: Dr. Ing. Elvio Heidenreich

Objetivo

• Diseñar estructuralmente un cañón de gas comprimido y su sistemas de control asociado.

Introducción

• Las pruebas de impacto a altas velocidades se caracterizan porbrindarnos numerosos parámetros que pueden predecir elcomportamiento de un material ante el choque de un proyectilde diferentes geometrías, material de construcción, ángulo deimpacto, distancia de impacto, etc.

• Estos parámetros son estocásticos, por lo tanto, surgió la necesidad de desarrollar estándares y/o normas de prueba según el país y materiales a estudiar.

Norma UIC 651

• El parabrisas se debe impactar con un proyectil cilíndrico con unapunta hemisférica, con peso completo de 1kg.

• La prueba del parabrisas se considerará satisfactoria si el proyectilde prueba no penetra en el parabrisas y además permanece en sumarco.

• Para la prueba, el parabrisas se fijará como se encuentra montadoen la cabina del vehículo.

• El número de pruebas deben ser cuatro y todas debenconsiderarse satisfactorias. Se realizan dos pruebas con elparabrisas completo a 15°C UIC (BS 0°C ± 0,5) y dos pruebas serealizarán con el parabrisas completo en 35°C UIC (BS 20°C± 5).

• La trayectoria del proyectil deber ser perpendicular al parabrisas,o en su defecto el parabrisas puede ser montado con el mimosángulo en el que se encuentra montado en el vehículo.

• Se usa un nuevo proyectil para cada disparo• Para que las pruebas sean válidas, se deberá demostrar que la

temperatura del parabrisas completo durante cada prueba estádentro del rango de temperatura requerido.

• La velocidad de impacto del proyectil se determinará de lasiguiente manera:

• Vp= Vmax + 160km/h• Vp es la velocidad del proyectil en km/h en el impacto;• Vmax es la velocidad máxima desarrollada por el tren en km /

h.• La velocidad del proyectil debe ser medida dentro de los 4m

del punto de impacto, se recomienda a 2,5 m de la boca delcañón.

• El punto de impacto debe estar en el centro geométrico delparabrisas.

Norma UIC 651

Norma UIC 651

Cálculos teóricos

• La ecuación para el calculo de velocidad del proyectil surge de acoplar la ecuación de Newton, con la ecuación de los gases en expansión para un proceso isentrópico (proceso adiabático reversible sin transferencia de calor)

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑀𝑀

=2𝑐𝑐2

ƴ + 11 +

ƴ + 12

𝑣𝑣𝑐𝑐 − 1

1 − ƴ − 12

𝑣𝑣𝑐𝑐

ƴ+1ƴ−1

• P presión de disparo del gas. L longitudo del cañon. A área del cañon .M masa del proyectil. C velocidad del sonido. Ƴ relación de calor especifico de los gases (Cp/Cv)

• V velocidad del proyectil

Cálculos teóricos

• Sabemos por Norma UIC que el proyectil debe alcanzar:

• Vp= Vmax + 160km/h • Suponemos una velocidad final del tren Vmax=120km/h• Lo que resulta Vp = 280km/h = 77,77 m/s

Cálculos Teóricos

• introducimos en Matlab la ecuación y realizamos una iteración.

Cálculos Teóricos

• introducimos en Matlab la ecuación y realizamos una iteración.

Cálculos Teóricos

• introducimos en Matlab la ecuación y realizamos una iteración.

Cálculos Teóricos

• En gases de bajo peso molecular (helio o hidrógeno), lavelocidad del sonido es superior que en aire, por lotanto la onda de presión se propaga mas rápidamente,alcanzando velocidades de lanzamiento del proyectilmayores..

Cálculos Teóricos

• velocidad del sonido

Cálculos Teóricos

• Aumentamos las presiones iniciales y podemos alcanzar en 1metro de longitud la velocidad del proyectil deseada porNorma.

Tipos de Cañones a gas comprimido

• Sabemos que para lanzar un proyectil debemos almacenar gasa presión en un recipiente y liberar el gas repentinamente, laenergía cinética almacenada en el gas se encarga de acelerar elproyectil que impactará contra el material en estudio.

Tipos de Cañones a gas comprimido

• Cañón de 2 etapas alcanzan hipervelocidades (> 2000 m/s),

Tipos de Cañones a gas comprimido

• Cañón de 2 etapas

• Los cañones de 2 etapas alcanzan hipervelocidades , pero eso dificulta la construcción, dado que además de tener 2 válvulas tipo membrana, tienen un pistón que disminuye el rendimiento.

• La dificultad constructiva además provoca relativa imprecisión en la velocidad de impacto. Lo cual limita la determinación del límite balístico de un material en cuanto a su repetitividad.

Tipos de Cañones a gas comprimido

Cañón de I Etapa

• El control de la repetitividad es posible lograr con cañones de unasola etapa.

Porque mencionamos la repetitividad:En la practica el límite balístico de un material se obtiene promediandolas velocidades de impacto, las cuales tres impactos deben perforar elmaterial y tres no lo tienen que hacer.Para esto se recomiendan intervalos de velocidades de 60 m/s entre lamínima y la máxima velocidad. El intervalo de velocidades es acotado,por esto es necesario controlar con mucha precisión la velocidad deimpacto.

Tipos de Cañones a gas comprimido

• Cañón de I Etapa

Tipos de Cañones a gas comprimido

• Cañón de I Etapa

• ventaja de estos cañones es el diseño, lo cual los hace mas simple

• Desventaja la velocidad final alcanzada por el proyectil en estos cañones no supera 1500 m/s.

Sistema de Control del Cañón

Diseño del Cañón

Diseño del tanque de almacenamientoEspesor de pared (tp) mínimo recomendado del contenedor de Gas

𝑡𝑡𝑡𝑡 =𝑃𝑃 𝑅𝑅

𝑆𝑆 𝐸𝐸 − 0.6𝑃𝑃(1)

E eficiencia recomendada de la unión de 0.90P una presión de diseño de 3.45MPa, 15% superior a la presión máximade operación como factor de seguridad (Megyesy, 1992).R radio interno del contenedor de 25 cmS valor del esfuerzo para acero A516 grado 60 de 103.42 MPa,

𝑡𝑡𝑡𝑡 = 9,477 mm

Diseño del Cañón

Dimensiones del tanque de almacenamiento 157 litros

Diseño del Cañón

Dimensiones del tanque de almacenamiento 150 litros

𝛥𝛥𝑃𝑃𝛥 = (𝑉𝑉𝑡𝑡+𝑉𝑉𝑡𝑡+𝑐𝑐)𝜌𝜌𝑁𝑁100𝛥𝑉𝑉𝑡𝑡

3

Para el cálculo de la caída de presión (ΔP%) se involucra elvolumen del tanque (Vt) cargado a una presión determinada, asícomo el volumen del cañón (Vt+c), que representa la situaciónmostrada en la figura b.

Diseño del Cañón

Dimensiones del tanque de almacenamiento 150 litros

Para este diseño se consideró un volumen de cañón de 150000 cm3(150L) con una caída de presión de alrededor de 5%.

Diseño del Cañón

Sistema de disparo• El sistema de disparo es la parte principal del cañón a gas

comprimido, ya que para generar altas velocidades finales delproyectil, se necesita un tiempo de disparo menores a 1 ms.

Diseño del Cañón

Sistema de disparo (a)• El primero método utiliza el llamado envolvente de la culata

que rodea el cañón y está conectado internamente con él pormedio de aberturas radiales. La aberturas radiales estáncerrados y sellados por el cuerpo del proyectil cuando está ensu posición de disparo. Para lanzar el proyectil, basta condesplazarlo hacia adelante para despejar las aberturas, y elvolumen de gas contenido en el tanque alta presión seconduce hacia la culata del proyectil para acelerarlo a lo largodel cañón.

Diseño del Cañón

Sistema de disparo (b)• El proyectil se separa del gas en la culata a través de un sistema de

dos diafragmas de ruptura• El llenado de la culata se realiza en dos etapas. En primer lugar, la

cámara de los diafragmas se llena una presión exactamente igual ala mitad de la presión de disparo.

• En la segunda etapa, el llenado se limita solamente el tanquecontenedor de gas, este se llena hasta la presión de disparo.

• Para lanzar el proyectil, el gas en la cámara de los diafragmas sedeja escapar lentamente.

Diseño del Cañón

Sistema de disparo ( c )Este sistema funciona por medio de un diafragma o válvula deruptura calibrado, estos son de polímeros, los cual retienen elgas del tanque contenedor hasta la presión requerida. Estediafragma está instalado en un sistema de mordazas que poseeun sistema de resistencias eléctricas concéntricas al disco deruptura, de modo que al calentarse lo suficiente reblandecen aldiafragma, esto provoca la falla del polímero y disparainstantáneamente la presión contenida en el tanque

Diseño del Cañón

Sistema de disparo (d)Por electroválvula, en este caso es un sistema sencillo de activarelectromecánicamente, pero los tiempos de apertura paracaudales elevados se extienden, eso provoca que perdemosvelocidad final en el misma longitud que los sistemas de disparopreviamente explicados, pero podemos cambiar la longitud totaldel cañón para compensar l y alcanzar la velocidad final deseada.

Diseño del Cañón

Diseño y construcción del cañón de disparo

• Para construir un cañón decidimosmecanizar el caños en piezas de 1 mde largo. Y en caso de necesitarlongitudes mayores de caño, seenclavan tubos, cada uno de 800 a1000 mm de largo, con 94 mm dediámetro interior y 120 mm dediámetro exterior.

• La Figura muestra las ranuras deencastre entre los tubos.

• Se colocan a lo largo de una viga dehierro tipo I 8WF48 y sobre estesoportes mecanizados Tipo Y paracalibración.

Diseño del Cañón

Diseño y construcción del cañón dedisparo

• Para minimizar vibraciones o posiblesdaños en el sistema debido al estampidocuasi-instantáneo del gas, se puedeconsiderar maquinar frenos de boca enla punta del cañón.

• Este freno puede generar un pequeñoincremento en el ruido por disparo, peroreduce considerablemente el empuje deldisparo generado en el equipo

Diseño del CañónDiseño y construcción del cañón de disparo• Para alojar y contener cualquier impacto que pudiera rebotar de la muestra, es

necesario diseñar y construyó una cámara de contención.• Esta cámara no debe permitir la salida del proyectil y partes del material a

analizar.• Esta “trampa”, permiten pasar el gas sin problema. Esta cámara tiene una

ventana de acceso que cuenta con una pantalla transparente de policarbonato,para observar o montar una cámara para grabar el momento del impacto.

• Estas cámara debe ser diseñada en función del tamaño del material a analizar.

Diseño del Cañón

• Diseño y construcción del cañón de disparo

Diseño del CañónSistema de medición de velocidad• El sistema de medición de velocidad es una

de las partes más importantes de este dispositivo, ya que los resultados de las pruebas son la velocidad incidente del proyectil sobre la muestra

• El dispositivo utilizado para registrar la velocidad del proyectil es un cronógrafo, pueden ser infrarrojos u ópticos. Esto equipos establecen el periodo de tiempo que transcurre para que el proyectil recorra una longitud determinada entre los 2 sensores.

• Cámara de Alta Velocidad. En el caso ideal se puede contemplar montar una cámara de alta velocidad para evaluar la dinámica en el momento del impacto.

Bibliografía

• Design operation and test of a light gas gun in a developing country (M. de leaza, C. Renero, and F. E. Prieto)

• Institutode Ysica, Universidad Nacional Autonomade Mexico, Apdo. Postal20-364, Mexico, D.l':(Received 23 May 1989; accepted forpUblication 28 June 1989)

• Lightweight ballistic composite for Military and law-enforcement application CRC Press, (2006) Ashok Bhatnagar. Ashok, 2006

• Ballistic performance of thermoplastic compositelaminates made from aramid woven fabric and polypropylene matrix. Polymer Testing, volumen 4 (número 31), 2012. Carrillo J.G., Gamboa R.A., Flores-Johnson E.A., Gonzalez-Chi P.I.

• Advantages of low energy adhesion pp forballistics, en: Adel Zaki El-Sonbati, Croacia, InTech, 2011, pp. 193-212. Carrillo J.G., Gamboa R.A., Cantwell W.J.

• A two-stage light gas gun for the study of highspeed impact in propellants. Defence science & technology organisation, 20 (2001),

• http://dx.doi.org/10.1016/j.archoralbio.2015.03.009 Medline

• Dirección General de Normas . Niveles de protección de materiales para blindajes resistentes a impactos balísticos-Especificaciones de seguridad y métodos de prueba. México, Diario Oficial de la Federación, vol. 142-SCFI-2000. 2001.

• Ballistics: theory and design of guns and ammunition. E. Donald,S. Carlucci,S. Jacobson

• Estructuras sometidas a impacto. Goigolea, 2000. Universidad Politécnica Madrid, (2000)

• Design and construction of a helium gal gun forhypervelocity impact. Hardage et al., 1964

Bibliografía

• Physical Sciences, 10 (1964), B.A. Hardage,F.C. Todd

• Manual de recipientes a presión, diseño y cálculo, México, Limusa, 1992. Megyesy, 1992

• The dynamics of projectiles launched by a two-state light-gas gun, Kent. Mueller A.C., Fernando E.M. Washington, QUEST Integrated Inc, 1991.

• Metodología para la simulación de fenómenos de perforacíon en placas, debido a fallas del tipo no contenida de turbinas de avión (maestría en tecnología avanzada), Perez-Campos J.A. México. Instituto Politécnico Nacional, Posgrado en tecnología avanzada, 2008.

• Registro Nacional de Armas. Chalecos Antibalas. Ministerio de Justicia, Seguridad y Derechos Humanos, Buenos Aires, volumen 01, 2001.

• The theory of high speed guns. Seigel, 1965

• ADARDograph, 91 (1965), Smith et al., 1958.

• Stress-strain relationships in yarns subjected to rapid impact loading. Textile Research Journal, 4 (1958),

• https://es.wikipedia.org/wiki/Prueba_de_impacto

• http://www.abs-group.com/News-and-Events/News/ABS-Group-Demonstrates-Blast-Test-at-WorldClass-Shock-Tube-Test-Facility/

• https://engineering.olemiss.edu/mechanical/research/blast.html

• https://en.wikipedia.org/wiki/Light-gas_gun

• https://en.wikipedia.org/wiki/Light-gas_gun#Design_physics

Gracias

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