Advances in Engineering and Innovation
Vol. 4, No. 8, pp. 24-35 Julio – Diciembre 2019
www.itsprogreso.edu.mx/revistaAEI
ISSN: 2448-685X
Recibido: 25/Octubre/2019 Aceptado: 20/Noviembre/2019
TecNM – Instituto Tecnológico Superior Progreso
Prototipo de mesa de trabajo para varilla metálica en
producción de trampas de especies marinas
Work table prototype of traps for marine species
Edylú Novelo-Cetina1*, Ramón Salvador Mezquita-Martínez1,
Erick del Jesus Tamayo-Loeza1 e Iván de Jesús May-Cen1
1Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico Superior Progreso, Boulevard. Víctor Manuel Cervera
Pacheco, S/N x 62, Progreso, Yucatán, México. C.P. 97320, Tel/Fax: (01969) 934 30 232.
*Corresponding author:
Resumen. El presente proyecto emerge de una
necesidad sustancial de poder brindar a las
pequeñas, medianas y grandes empresas, a las
actividades pesqueras del estado de Yucatán,
consiste en un dispositivo mecánico que logre
solventar problemas de producción, debido a la
manufactura de las partes constituyentes de las
trampas de pesca conformadas por varillas
metálicas, siendo esta actividad realizada con
equipos plenamente improvisados y no utilizando
herramientas especializadas para ello. La
investigación se dirige a la implementación del
diseño de un instrumento mecánico, que, con base
en su bajo costo y maniobrabilidad, permitirá
incrementar la producción de trampas de especies
marinas en un menor tiempo con optimización de
materia prima en comparación de los métodos
tradicionales y artesanales existentes en la zona.
Palabras clave: Máquina de corte, trampa de
pesca, especies marina, pesca
Abstract. The present project emerges from a
substantial need to be able to provide small and
medium-sized companies, in regards to the fishing
activities of the state of Yucatán, a mechanical
device that manages to solve production problems,
due to the manufacturing of the constituent parts
of the fishing rods of metallic rods, being these
activities carried out with fully improvised
equipment and not using specialized tools for it.
The research is aimed at the implementation of the
design of an electromechanical instrument, which,
based on its low cost and maneuverability, will
allow to increase the production of traps of marine
species in a shorter time with reduced wear
compared to traditional and artisanal methods
existing in the area.
Keywords: Cutting machine, fishing trap, marine
species, fishing
I. INTRODUCCIÓN
La presente investigación se desenvuelve en un área
de estudio, un área de estudio, en la que se tenga
como principal motivo el desarrollo de instrumentos
para las actividades típicas de la región como lo son
la pesca, el desarrollo de equipo electromecánico de
bajo costo, pero con el suficiente conocimiento de
áreas de la ciencia que permitan ofrecer un
dispositivo con la menor complejidad, pero de alta
fiabilidad y desempeño, que brinde la posibilidad de
obtener mayores beneficios que las acciones que se
encuentran desarrollando actualmente en la región por
parte de los nativos de esta zona.
Lo mencionado anteriormente se puede apreciar en
este proyecto de investigación, ya que el equipo
diseñado tiene como finalidad mejorar las
condiciones de trabajo, por su diseño, dimensiones, su
costo y los beneficios al poder realizar los cortes de la
materia prima con una herramienta especializada para
ello.
II. METODOLOGÍA
Para el estudio de la implementación de una máquina
de corte configurable de varilla metálica en
producción de trampas de especies marinas, se
empleará un enfoque experimental. El término
experimental tiene al menos dos acepciones, una
general y otra particular. Para efectos de este trabajo
de investigación se aborda la acepción general, la cual
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se refiere a elegir o realizar una acción y después
observar las consecuencias. Ésto se llevará a cabo
realizando un diseño que adapte elementos mecánicos
simples para su manufactura y posterior análisis
(Hernández, 2018).
El dispositivo electromecánico será manufacturado, y
se pondrá a prueba para poder registrar variables que
contrastarán los tiempos de producción por unidad de
elementos, eficiencia del aprovechamiento del
material, entre el presente proyecto y las diferentes
técnicas de seccionado que se emplean en la
población a estudiar.
Para el desarrollo de la investigación, se estará
dividiendo en diferentes etapas, desde su inicio hasta
su conclusión, como se menciona a continuación: 1)
la primera etapa consistirá en la búsqueda de
anterioridad del equipo en cuestión; 2) la segunda
etapa es el diseño de los componentes seleccionados
por el investigador que pueden afectar directamente
los resultados de las pruebas del dispositivo, ésto
compete tanto la manufactura como las pruebas del
artefacto; 3) la tercera etapa se enfoca en las
modificaciones que puede contar el equipo
electromecánico para maximizar su funcionamiento,
realizando las pruebas y obteniendo los resultados de
cada una de ellas, y 4) la cuarta y última etapa
consiste en obtener un análisis de las mediciones de
cada una de las pruebas para poder llegar a un
resultado concreto de la investigación.
En el punto 2 que es la etapa de diseño, fue necesario
aplicar el factor de seguridad como lo puntualiza Mott
(2006):
Un miembro, sometido a carga, falla cuando se rompe
o deforma en exceso, lo que lo hace inaceptable para
el propósito pretendido. Por ello es esencial que el
nivel del esfuerzo aplicado nunca exceda la
resistencia máxima a la tensión o la resistencia a la
cedencia del material (p.115)
Para sustentar lo anterior, se tuvo que realizar un
análisis de elemento finito como lo define Budynas y
Nisbett (2012), quienes mencionan que en diseño
mecánico, se emplea en mayor medida Software de
Diseño Asistido por Computadora (CAD), que en este
caso se utiliza un método de estudio denominado
Análisis de Elementos Finitos, (FEA por siglas en
inglés), entre las principales aplicaciones se
encuentran los estudio de esfuerzos, deflexión,
deformaciones, transferencia de calor entre otros, el
FEA divide (discretiza) la estructura en subestructuras
(elementos) definidas y finitas, que sirvió para el
desarrollar de las etapa 3y 4.
Entre los elementos principales que se ponderaron
para la realización del diseño se tomaron en cuenta
las dimensiones mínimas de área de superficie que
pueda ocupar el dispositivo mecánico, las longitudes
máximas a las que se debe llegar para poder realizar
los cortes variables con mayor longitud, al igual que
la comodidad de los operarios y la estabilidad en los
cortes, así como la estabilidad de las medidas. Por lo
que se obtuvieron como conjeturas los siguientes
elementos principales.
Soporte de esmeril;
Varilla extensible;
Prensa de soporte;
Estructura de banco.
La estructura del banco se vio concebido tomando en
cuenta la manipulación del dispositivo, siendo lo
mejor para el operario una altura de trabajo que se
acomode más a la postura del trabajador,
estableciéndose en 1 m de altura por 0.53 cm,
proporcionando estabilidad realizando uniones a
0.47m de altura, colocando dos piezas extras uniendo
por la parte más angosta a 0.72 m de altura que sirven
de apoyo a la estructura de varilla extensible a lo
largo de la estructura, otro enlace que sirve de base
para el soporte del esmeril, se encuentra una altura de
1m uniendo longitudinalmente a 0.285 m desde el
punto de posición del operario y una extensión a la
altura del apoyo del esmeril que sirve para la
estabilidad de la misma estructura.
A. Varilla extensible I
La varilla extensible es un componente que se ideó
para poder tener un mayor alcance en la longitud de
los cortes de las varillas, además se fungir como
patrón de medida, esta sirve como tope para asegurar
la distancia, este posee una estructura adaptable para
sostener una cinta métrica que visualice la medida de
corte alcanzado por el usuario a un costado como se
aprecia en la ilustración.
Figura 1.Varilla extensible y tope de varilla. Fuente:
Elaboración propia.
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B. Varilla extensible II
La varilla extensible, se encuentra sujeta a un
corredor que consta de tres piezas que conforman un
carril por el cual puede circular y mantiener su
posición sin importar que se encuentre exntedida mas
del 90% de su estensión, a lo largo de su estructura se
encuentran tres apoyos para evitar que se descarrile el
patron y corregir su desplazamiento.
Figura 2. Sujetador de varilla extensible. Fuente:
Elaboración propia.
C. Prensa de soporte
La prensa es un elemento escogido debido a su
versatilidad, gracias a su fuerza de sujeción, la
estabilidad que puede otorgar para dos labores
específicos del diseño, al corte de las varillas
metálicas de ¼ ubicado en su ingreso y otro punto
para terminar de otorgar suma seguridad a la varilla
extensible, se optó por diseños simples que puedan
fabricarse con elementos al alcance de los artesanos
del municipio de Progreso, Yucatán.
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Figura 3. Prensa para la varilla. Fuente:
Elaboración propia.
D. Soporte de esmeril
El soporte de esmeril es ideado para poder efectuar
cortes precisos, empleando una máquina que pueda
desprenderse y colocarse con suma facilidad; éste
elemento se conforma de tres partes principales, la
primera es un soporte rígido que es atravesado por
una varilla, donde se colocara la segunda parte
fundamental de este sistema siendo un brazo que
tendrá la función de servir como balanza, siendo en
un punto la herramienta seleccionada para las
operaciones y por otro lado un sistema de contrapeso
que sirve para proporcionarle estabilidad y por último
la tercera que es una estructura que sirve como base al
instrumento de seccionado.
E. Diseño de Estructura metálica.
En la Tabla 1, se describe el rango de masa y peso de
los equipos de corte potenciales a emplear.
Tabla 1. Dimensionamiento de cada parte. Fuente:
Elaboración propia.
Nombre de la
herramienta.
Rango
aproximado
de Masa
(Kg)
Rango
aproximado de
Peso (N)
Esmeril
Angular
1.6-5.5 15.696 - 53.955
Cortadora de
metales.
14.6-18 143.226 - 176.58
Cizalla 6-87 58.86 - 853.47
El primer elemento a analizar, es la estructura en la
que se apoya el instrumento de corte y los demás
componentes; este procedimiento se lleva a cabo
considerando el valor de la carga a la cual será
sometida y la ubicación de esta misma, debido a que
existe una variedad de herramientas para seccionar
metales, vistos en la tabla 1, se procede a seleccionar
para el análisis el instrumento que pueda generar el
mayor esfuerzo, realizando la inspección se llegó a la
conclusión de emplear la cizalla con un valor de
853.47 N.
La ubicación de la amoladora, se tomó como
referencia el punto de apoyo, considerando que la
abertura en la vista superior se encuentra en la misma
dirección de la zona y que partiendo de ese lugar se
halla el patrón de medida para el corte de las varillas
de acero, se estimó que el punto donde se ejerce la
carga, medida de derecha a izquierda. Siendo el punto
donde se concentra la fuerza ejercida por el
instrumento de corte, y la dimensión de la varilla que
soporta el esfuerzo, se procede a realizar un análisis
de vigas en ese elemento.
Figura 4. Vista de la viga empotrada. Fuente: Elaboración propia.
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Para el análisis de vigas, se buscaron las reacciones
de los apoyos, denominados con la letra A y B, estos
fueron hallados empleando un análisis estático, con
sumatoria de momentos situados en el punto de apoyo
B, ofreciendo las reacciones en dichos puntos para
realizar los diagramas normal y cortante obteniendo:
∑ 𝑀𝐵 = 0
𝐴 = 711.225N
∑ 𝐹𝑦 = 0
𝐵 = 141.245𝑁
Teniendo las reacciones de las cargas, las distancias y
el peso, se procede a realizar el análisis
correspondiente para la barra que se encuentra en la
figura número 19. Se analiza la barra por secciones
para obtener los diagramas de cortante y momento
flector. Siendo la longitud de 900 mm y el punto de
carga a 150 mm, como se muestra en la Figura 5,
manejando una viga empotrada.
Figura 5. Análisis para la barra. Fuente:
Elaboración propia.
Para el análisis de la viga se considera una barra de
acero ASTM A36 Acero, con una resistencia a la
cedencia (Sy) igual a 250 MPa, para ello se empleó la
fórmula de esfuerzo máximo, con el momento
máximo encontrado en el diagrama, para proceder a
realizar una evaluación del PTR cuadrado existente
en el mercado y disponible en la región, como se
aprecia en la Tabla 2.
Tabla 2. Selección del perfil del tubo cuadrado en
base a módulo de sección, esfuerzo máximo y
factor de seguridad. Fuente: Elaboración propia.
Tubo
Cuadrad
o en
Pulgadas
Módulo de la
sección S
Esfuerzo
máximo
Factor
de
segurida
d n
1.5 ∗ 1.5∗ 0.047
2.1023𝑥10−6𝑚3 50.7444𝑀𝑃𝑎 4.9265
1.5 ∗ 1.5∗ 0.075
3.1699𝑥10−6𝑚3 33.6540𝑀𝑃𝑎 7.4285
1.25∗ 1.25∗ 0.047
1.4324𝑥10−6𝑚3 74.4764𝑀𝑃𝑎 2.77
1.25∗ 1.25∗ 0.075
2.1353𝑥10−6𝑚3 49.9601𝑀𝑃𝑎 5.0040
1 ∗ 1∗ 0.047
8.9098𝑥10−7𝑚3 119.7333𝑀𝑃𝑎 2.088797
Para la realización del diseño, se tomó en cuenta,
tener un factor de seguridad alto, por los diferentes
usos y futuros implementos adicionales que pueden
colocarse en el espacio existente entre el canal para el
flujo de las varillas metálicas y la parte posterior de la
estructura, además se analizó la futura manufactura
del mismo y el proceso de soldado, siguiendo como
recomendación implementar el grosor de 0.105
pulgada.
F. Análisis de elemento finito de las piezas
Para el análisis de la estructura, se determinó
seleccionar partes de los componentes que reciben
carga y es vital para el funcionamiento global del
dispositivo mecánico, como se aprecia a
continuación, se pueden observar la designación clave
de cada uno de estos; como se señala en la figura, lo
macado como número 1, se puede encontrar el
mango por el cual se sujeta el esmeril para el
seccionado de varilla metálica, ubicado con el número
2 se encuentra una de las varillas extensibles, en este
caso la que servirá como patrón de medida,
seleccionado con el número 3 encontramos la
segunda varilla extensible que tiene como objetivo
soportar el peso combinado de las varillas de acero
inoxidable para facilitar su manipulación, con el
número 4 y 5 se encuentran las prensas, la primera
para dar soporte al corte de las varillas metálicas y la
segunda para sujetar la varilla extensible y limitar su
movimiento durante la operación.
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Figura 6. Máquina de corte configurable de varilla
metálica Fuente: Elaboración propia.
Para el primer análisis de elemento finito, se emplea
el mango se sujección del esmeril de corte, como se
aprecia acontinuación en la figura 7 , donde se llevó a
cabo un análisis mecánico de esfuerzos respecto a la
carga que debe soportar, es este caso al peso que
proporciona el uso del esmeril angular de corte
estimado en 15.696 - 53.955 Newton
Figura 7. Brazo del esmeril. Fuente: Elaboración
propia.
Las propiedades del estudio para este elemento son;
tipo de malla mixta, siendo un análisis estático, con
sistema de unidades métrico, el material efectuado es
para este caso el ASTM A36 Acero con tipo de
sujeción de geometría fija, aplicando una fuerza de 54
N en los puntos de soporte como se muestra en la
figura 8.
Figura 8. Puntos de carga del brazo. Fuente:
Elaboración propia.
En el análisis de Tensiones de Von Mises, empleando
una carga de 54 N en los puntos de apoyo como se
aprecia en la figura 9, donde se encuentra el máximo
a 57.068 M Pa y mínimo de 0 en la escala de colores
del azul oscuro al rojo, siendo los puntos de contacto
inferior donde se aprecia una mayor distribución de
este último tono.
Figura 9. Tensiones de Von Mises. Fuente:
Elaboración propia
Para el análisis de desplazamientos resultantes de la
carga de 54 N, tenemos valores máximos que llegan a
alcanzar los .37583 mm siendo estos los
desplazamientos mínimos vistos en la figura 10, con
una deformación unitaria que ronda de 0 a
0.000178631 como se aprecia en la figura 11,
logrando asegurar su viabilidad con un factor de
seguridad mínimo de 4.38071.
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Figura 10. Desplazamientos resultantes. Fuente:
Elaboración propia.
Figura 11. Valores de deformación unitaria. Fuente:
Elaboración propia.
Figura 12. Factor de seguridad del brazo. Fuente:
Elaboración propia.
Para la estructura, se llevó a cabo un análisis estático
en dos puntos de apoyo, siendo estos en la parte
superior, aplicando una fuerza normal de 62.7 N y
44.3 N en la figura continuación, siendo estos los
pesos respectivos del esmeril empleado para realizar
el seccionado y de los instrumentos para el rolado de
las varillas de acero.
Figura 13. Visualización de fuerzas en la estructura.
Fuente: Elaboración propia.
La malla empleada para el suscitado análisis al igual
que la mostrado anteriormente tipo de malla mixta,
siendo un análisis estático, con sistema de unidades
métrico, el material efectuado es para este caso el
ASTM A36 Acero con tipo de sujeción de geometría
fija. Los resultados obtenidos del análisis estático son
las siguientes: Von Mises con un mínimo de 0
N/m^2 a un máximo 5.84392e+006 N/m^2, los
desplazamientos resultantes van desde un mínimo de
0 mm hasta 0.0419125 mm, por su contraparte la
deformación unitaria va de 0 hasta 1.4247e-005, por
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último, obtenemos un factor de seguridad de un
mínimo 42.7795 hasta un máximo de 65595.2. como
se aprecia a continuación en las figuras.
Figura 14. Tensiones de Von Mises en estructura.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 15. Deformaciones resultantes de la
estructura. Fuente: Elaboración propia.
Figura 16. Deformaciones unitarias de la estructura.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 17. Factor de seguridad de estructura.
Fuente: Elaboración propia.
La varilla extensible vista en la figura 18 se empleó
para realizar un análisis estático, el cual fue tratado
como sólido, se empleó un tipo de malla mixta siendo
las unidades reflejadas en el sistema métrico para
longitud o desplazamientos, temperatura, velocidad
angular y presión o tensión, entre las propiedades del
estudio se tiene el ASTM A36 Acero, siendo el
modelo Isotrópico elástico lienal con límite elástico
de 2.5e+008 N/m^2, límite de tracción de 4e+008
N/m^2, módulo elástico 2e+011 N/m^2, coeficiente
de poison .26, la densidad en 7850 kg/m^3 y un
módulo cortante 7.93e+010 N/m^2.
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Figura 18. Varilla extensible. Fuente: Elaboración
propia.
El material empleado para este modelo es el acero
ATSM A36 Acero con un tipo de modelo Isotrópico
elástico lineal, la geometría empleada para el análisis
es fija, aplicando una fuerza de 10 N en el lugar
donde se coloca el flexómetro para registrar la
medida, con un contacto global de unión rígida y por
último el tipo de mallado empleado es mixto con un
mallador estandar.
Figura 19. Vista de varilla extensible. Fuente:
Elaboración propia.
Figura 20. Mallado de varilla extensible. Fuente:
Elaboración propia.
El análisis estático de la unión rigida evaluada dio
como resultado en en las mediciones de Tensiones de
Von Mises, siendo un mínimo de 0 N/m^2 a un
máximo de 1.49365e+007 N/m^2 siendo un espectro
de colores que va del azul oscuro hasta el rojo para
visualizar en su estructura, los desplazamientos
resultantes que arrojo el estudio al momento de
evaluar los 10 N van desde un mínimo de 0 mm hasta
un máximo 8.90087 mm siendo de coloración azul el
extremo donde se efectuó la geometría fija hasta el
tono de color rojo en el punto de incidencia de la
fuerza, por consiguiente la deformación unitaria
equivalente va desde 0 unidades hasta 3.22756e-005,
el último resultado evaluado es el valor del factor de
seguridad que va desde 11.1033 hasta 4.3548e+014.
Figura 21. Von Mises de varilla extensible. Fuente:
Elaboración propia.
Figura 22. Desplazamientos de varilla extensible.
Fuente: Elaboración propia.
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Figura 23. Deformación unitaria de varilla
extensible. Fuente: Elaboración propia.
Figura 24. Factor de seguridad de varilla extensible.
Fuente: Elaboración propia.
El segundo elemento extensible que se emplea para
sostener el peso completo de las varillas de acero
inoxidable ¼ de pulgada, se analizó por medio de
Software CAD, un análisis de elemento finito
empleando como material el acero ASTM A36
empleando un tipo de malla mixta, con sistema de
unidades métrico, empleando sujeción de geometría
fija, con una carga de 15 N que es la sumativa de las 4
varillas de 6 metros que pretende soportar al
momento de realizar los seccionados,
Figura 25.1. Fuente: Elaboración propia. Fuente:
Elaboración, Propia.
Se posee un contacto global de unión rígida, el
mallador empleado es la malla estándar de tipo de
malla mixta, realizando la simulación con la carga de
15 N correspondiente a las 4 varillas de 6 metros a ¼
de pulgada, teniendo una Tensión de von Mises de un
mínimo de 0 hasta un máximo de 9.97001e+006
N/m^2, los desplazamientos resultantes van de 0 mm
a 1.84673 mm, la deformación unitaria va de 0
unidades a 3.16637e-005 y por último el factor de
seguridad es de 19.8024 a 1.15425e+007.
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Figura 26. Tensión de Von Mises apoyo de varillas.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 27. Desplazamientos en apoyo de varillas.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 28. Deformaciones unitarias de varilla
extensible. Fuente: Elaboración propia.
Figura 29. Factor de seguridad de apoyo de varillas.
Fuente: Elaboración propia.
III. RESULTADOS
Como se observa en el desarrollo de investigación, el
prototipo analizado por medio de análisis de elemento
finito, obteniendo los resultados en la Tabla 3.
Tabla 3. Partes que conforman la mesa de trabajo,
desplazamiento, esfuerzo máximo y factor de
seguridad. Fuente: Elaboración propia.
Nombre
de la
parte
Desplazamient
o
Esfuerz
o
máximo
Factor de
segurida
d n
Brazo de
esmeril
0.3758 mm 57.07
MPa
4.4
Estructura
de la
mesa
0.0419 mm 5.84
Mpa
42.7795
Varilla
Extendibl
e
8.901 mm 14.94
Mpa
11.11
Soporte
de varilla
1.847 mm 9.97
Mpa
19.8
Se puede visualizar en la Tabla 3, que las partes
principales que conforman la mesa, el factor de
seguridad es de 2, en el diseño mecánico debe ser
arriba de 2 para que sea aceptado y como todos los
análisis de las piezas fue mayor a este, entonces se
puede concluir que estructuralmente la mesa de
trabajo está en condiciones para soportar el manejo y
operación de forma segura y confiable.
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IV. CONCLUSIONES
Con el desarrollo de este equipo se desea lograr que
las trampas manufacturadas que él, tengan en su
estructura una mayor calidad, y que estén más
estandarizadas en producción, logrando esto, se
pretende reducir el tiempo de producción, así como
aumentar el número de piezas construidas de la
misma.
Con lo expuesto en el párrafo anterior se lograría un
incremento económico en las personas, debido a que
su producción no solo beneficiaría a los empresarios
de la región, sino también a las empresas que se
encuentran en los puertos y ciudades aledaños.
La máquina además, resolverá el problema de
ergonomía física para los empleados, ya que el día de
hoy la producción de las trampas es 100 porciento
artesanal, utilizando herramientas convencionales,
como seguetas y esmeriles, que muchas veces no
cuentan con la guarda de protección, así como el
doblado de la varilla que lo hacen con objetos no
diseñados para su utilización, como por ejemplo
tubería de agua potable para hacer los dobleces, sin
importar a que altura se encuentre.
REFERENCIAS
Hernández (2018) Metodología de la investigación (1ª
ed) Perú. Editorial. MC Graw Hill.
Budynas y Nisbett (2012) Diseño en ingeniería
mecánica de Shigley (9 ed) Mexico. Editorial. MC
Graw Hill.
Mott (2006) Diseño de elemento de máquinas (4° ed)
México. Editorial. Person Education.
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