MARINA LÓPEZ HERNANDOJORGE DE RENTERÍA DE LA PEÑA

ESTER MARTÍNEZ FUENTESRICARDO MARTÍNEZ CORCHÓN

2011-2012......2º CURSO......1ER SEMESTRE

MECÁNICA

Trabajo de Módulo

Marina López Hernando Jorge de Rentería De LaPeña Ester Martínez Fuentes Ricardo Martínez Corchón

[INFORME DE MECÁNICA]

2

Índice

1. INDICE……………………………………………………………………………………………………………………………….1

2. INTRODUCCIÓN (breve descripción de la máquina, objetivos y descripcion del informe)….2

3. DEFINICIÓN DEL MODELO………………………………………………………………………………………………….

3.1. Descripción detallada del producto………………………………………………………………………………2-10

3.2. Materiales y propiedades……………………………………………………………………………………………10-11

3.3. Cálculos con Inventor…………………………………………………………………………………………………11-14

ANEXO 1: Cálculos de presiones y alargamientos………………………………………………………………….15

ANEXO 2: Cálculos de velocidad de poleas…………………………………………………………………………..15

ANEXO 3: Cálculos de diámetro y vueltas de poleas………………………………………………………...15-16

ANEXO 4:Espesores………………………………………………………………………………………………………………16

4. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………………………17

3

INTRODUCCIÓN

El trabajo consiste en el desarrollo de una mochila pulverizadora, cuya función principal es

fumigar a pequeña escala.

El objetivo principal del diseño es reducir el esfuerzo humano durante la actividad. Para ello, se

decidió modificar la forma de ejercer presión, sustituyendo el sistema palanca-émbolo de las

existentes, por unos resortes que ejercen presión al expandirse.

Otro de los objetivos propuestos ha sido mejorar la ergonomía del producto. Para ello, se

dividió el depósito en dos cilindros, de modo que se evitaban tensiones en las aristas, la fuerza

máxima que tenía que ejercer el muelle se reducía. Además, se conseguía acercar el centro de

gravedad de la mochila al de la persona.

En el informe explicaremos las características físicas y formales, los componentes principales y

sus medidas, los materiales utilizados, las tensiones soportadas y algunos cálculos mecánicos

realizados a lo largo del trabajo.

DESCRIPCION DEL MODELO

En este apartado se describen todos los componentes que forman el producto.

Encontramos tres partes claramente diferenciadas:

DEPÓSITOS

En primer lugar, destaca el depósito que estará dividido en dos cilindros colocados

tangencialmente.

Figura 1:

Depósitos

cilíndricos

4

En la parte interior de cada uno de estos, se encuentra un resorte que ejerce presión sobre el

líquido a pulverizar.

TUBOS TELESCÓPICOS

Estos muelles estarán unidos a unas plataformas que empujarán el líquido hacia el exterior.

Además, están protegidos con tres cilindros telescópicos que evitarán que estos muelles se

desvíen.

Este conjunto está compuesto por tres tubos concéntricos de acero F-1110 que se solapan

permitiendo la compresión y expansión de los muelles. Las dimensiones de los tubos son:

Figura 2: Medidas de los

depósitos

Figura 4: Render de la parte baja de la mochila

5

Tubo 1:

Diámetro mayor: 76 mm

Diámetro menor: 73 mm

Diámetro inicio solapa: 74 mm

Longitud total: 82,75 mm

Longitud menor: 82,25 mm

Tubo 2:

Diámetro mayor: 80 mm

Diámetro inicio de la solapa: 78mm

Diámetro interior: 76 mm

Diámetro otro tubo: 74 mm

Longitud mayor: 82,75 mm

Longitud menor: 82,25 mm

Figura 5: Medidas del tubo 1

Figura 6: Medidas del tubo 2

6

Tubo 3:

Diámetro mayor: 82 mm

Diámetro interior: 78 mm

Diámetro solapa: 80 mm

Longitud: 82,75 mm

Por otro lado se encuentra en la parte inferior una cavidad elíptica en la que se coloca en su

interior se coloca el mecanismo para comprimir el muelle.

POLEAS-TRINQUETE

Figura 8: Conjunto completo poleas-trinquete

Figura 7: Medidas del tubo 3

Figuras 8 y 9: Trinquete

7

Este sistema consta de tres poleas por las que irá una sierga inextensible uniendo las

plataformas del interior de los depósitos con la polea central. Esta polea central estará unida a

un trinquete para evitar que se pierda el esfuerzo ya realizado y bloquea la descompresión del

muelle.

El modo de poner en funcionamiento esta polea-trinquete es enroscando una manivela y

haciéndola girar. Cuando se vaya a proceder al uso de la mochila se desenroscará la manivela.

Medidas:

Trinquete: Polea grande

Polea pequeña

Figura 10: Medidas trinquete Figura 11: Medidas polea grande

Figura 12: Medidas polea pequeña

8

MANIVELA ENROSCADA

Las otras dos poleas se situarán a ambos lados de la polea central y tendrán como función

conducir la sierga desde la plataforma hasta la polea central.

Esta cavidad está unida con los depósitos mediante uniones atornilladas lo que nos permitirá

acceder al interior en caso de avería de alguno de los componentes.

Por último, la parte superior tendrá forma cónica, en un lateral se encuentra el tapón por el

que cual rellenaremos la mochila con el líquido a pulverizar y en la zona superior estará

conectada la manguera.

F

PARTE SUPERIOR CON TAPÓN Y MANGUERA

Figura 13: Manivela enroscada

Figura 14: Medidas de la manivela

9

Para proceder a su utilización nos aseguraremos de que el tapón quede totalmente cerrado y

nos colocaremos la espaldera o arnés de manera que la salida de la manguera quedará hacia

abajo.

MUELLES

Los resortes diseñados especialmente para esta función, se fabrican en acero, realizando, de

este modo, la fuerza necesaria máxima de 7246N y obteniendo como presión máxima 6bares

y mínima 1,5bares. Su constante de elasticidad k es de 21875N/m y las propiedades físicas que

los caracterizan son las siguientes:

D = 62mm

Figura 15: Medidas parte superior

Figura 16: Parte superior

10

d = 10mm

n = 16,6

L = 498,5mm

H = 166,5mm

Donde:

D… diámetro del muelle

d… diámetro del hilo

n… número de espiras

L… longitud del muelle

H… espacio mínimo del muelle comprimido

LOS MATERIALES

El material elegido para nuestra mochila es el aluminio debido a sus buenas

propiedades

Tiene alta resistencia a la corrosión.

Baja densidad.

Mediante aleaciones tiene bastante resistencia mecánica.

Se mecaniza con facilidad.

Es relativamente barato.

Tiene bajo punto de fusión.

Es un material blando y maleable.

Reacciona con el oxígeno formando la alúmina protegiéndolo. de

posteriores corrosiones.

Es normal que aparezca aleado con otros materiales para mejorar las propiedades

mecánicas, eso hace posible que pueda ser fundido, forjado, extrusión e incluso

soldadura, que es la que vamos a emplear en nuestro producto.

Por otro lado el material utilizado para los resortes será el acero inoxidable Tipo 302.

Se caracteriza porque es ligeramente magnético. La superficie del acero inoxidable

puede mostrar residuos de níquel en la superficie. Esto es algo normal y no afecta al

11

rendimiento del muelle. Además tiene buenas propiedades mecánicas y resistencia a la

corrosión.

CÁLCULOS CON INVENTOR

En este apartado, se expone el análisis de tensiones correspondiente al producto diseñado,

explicando con detalle los pasos seguidos y los métodos utilizados. De este modo, se muestran

las fuerzas y presiones a las que se ve sometido, así como las restricciones fijas aplicadas. Para

ello, se utiliza el programa Inventor, que permite obtener diversos datos mecánicos a partir de

un modelo 3D.

Como se ha observado anteriormente en la descripción detallada, el producto es simétrico, lo

cual hace posible su división. Esta fragmentación es realizada a causa de los problemas

surgidos con las secciones tangentes al ejecutar la malla y, de este modo, hacer una

simplificación formal. Una vez aplicado este cambio, se obtiene la malla que se observa en la

Figura 17. Esta simetría existente se refleja a partir de restricciones que se explican a

continuación.

Para simular el cilindro tangente, se aplica una restricción fija en el eje X a lo largo de la recta

marcada en la Figura 18. Esto evita el desplazamiento en esa dirección, ya que coincide con la

línea tangente entre los dos cilindros. Lo mismo ocurre con la sección de la parte superior

marcada en la Figura 19, que aplicando la simetría real formarían una solo pieza, lo que

también impediría su desplazamiento.

Figura 17:Malla

12

Además de estas restricciones por simetría, se aplica una tercera de sección circular en la base

del cilindro, como se muestra en la Figura 20. Puesto que el muelle se une en ese lugar, el

diámetro de la sección coincide con el del resorte (62mm). En este caso, la restricción de

realiza en todos los ejes, ya que esta unión evita el desplazamiento en todas las direcciones

Figura 18: Restricción fija en el eje X por cilindro

tangente

Figura 19: Restricción fija en el eje X por sección

de una pieza

Figura 20: Restricción fija en todos los ejes por

sujeción de muelle

13

La presión máxima que tendrán que soportar los depósitos se crea en el momento de máxima

comprensión del muelle, debido a la tendencia de este a la descompresión. Esta máxima

presión que se encuentra es de 6bares y estará aplicada tanto en las paredes del cilindro como

en la tapa superior, siendo esta última la zona más crítica. En la Figura 21, se puede observar el

conjunto de presiones creadas en la mochila.

Esta presión interna genera tensiones elevadas, obteniendo las máximas en las zonas de

aristas vivas y en las restricciones. Para saber con exactitud el valor de estas tensiones, se crea

ejecuta la simulación en el programa Inventor, que clasifica por colores estos valores. En la

Figura 22 puede observarse que los depósitos cilíndricos son las partes que menos sufren y

que la tensión de Von Mises máxima es de 269,4MPa. Como se ha dicho anteriormente, el

límite elástico del aluminio es 275Mpa, con lo que se prueba que la mochila soporta las

tensiones que se crean. En la Figura 23 se muestra una zona de mayores tensiones (aristas) y

en Figura 24 la restricción fija por la sujeción del muelle.

Figura 21: Presión interna creada por los muelles

Figura 22: Tensión de Von Mises

Figura 23: Tensión de Von

Mises en la arista

14

Del mismo modo se obtienen los desplazamientos mostrados en la Figura 26, obteniendo los

mayores valores de 0,62mm en la tapa superior.

Para la obtención de estos resultados, los espesores utilizados son los siguientes:

Pared cilíndrica = 2mm

Base del cilindro = 8mm

Redondeo interior del cilindro = 5mm

Base de la tapa = 6mm

Tapa = 3mm

Empalme interior de la tapa = 3mm

Figura 25: Tensión de Von Mises

en la restricción

Figura 26:

Desplazamiento

15

Anexo 1: Cálculo de presiones y alargamientos

Por elección del producto la capacidad será de 6 litros ya que será usada para cultivos

pequeños y por normativa la presión mínima será 1,5 bar.

Para relacionar el alargamiento máximo y el mínimo hemos usado esta fórmula que los

relaciona

Como

Despejando se usará esta fórmula:

El resultado final da:

Anexo 2: Cálculo de velocidad con la que girará la polea

Usando la ecuación de continuidad:

Y la ecuación de Bernoulli:

= 0,07031 m/min

Anexo 3:Cálculo de diámetro de la polea y número de vueltas:

Diámetro de la polea

Figura 27: Datos de la polea

16

En la figura 27 se muestran los datos que seguiremos en las ecuaciones

R= 3623 N

P= 75 kg=735 N

B₁=0,025m

B₂= longitud de la palanca= 0,607 m

Nº de vueltas para la carga

L = 0,25 m

Anexo 4: Cálculo de espesores

Se han usado estas fórmulas:

Como:

Von Mises:

e= 0,2mm

17

CONCLUSIONES

Tras haber realizado diferentes cálculos mecánicos se observa que el producto desarrollado

cumple correctamente las expectativas esperadas, ya que los muelles diseñados ejercen la

fuerza necesaria al líquido para que la presión de salida sea la requerida según la normativa.

La forma es la óptima para almacenar 6 litros de líquido evitando gracias a la forma cilíndrica el

mayor número de aristas vivas posibles.

Las conclusiones del apartado de inventor son que Observando los resultados mostrados

anteriormente se llega a la conclusión de que la mochila fabricada en aluminio con los

espesores determinados soporta las tensiones producidas por la presión de los muelles.

Los resortes diseñados especialmente para este uso, fabricados en acero, ejercen la fuerza

suficiente para garantizar que en todo momento la presión mínima de salida son 1,5bares.

En referencia al material utilizado, se observa que el aluminio soporta las tensiones obtenidas

con un grosor de 1 mm, lo que supera holgadamente el límite de seguridad.

Los objetivos han sido conseguidos de manera satisfactoria gracias al mecanismo del trinquete

que permite ejercer una fuerza inicial suficiente para elevar la superficie con los muelles y

evita el esfuerzo continuo que hay que ejercer en las demás mochilas.