“DISEÑO Y MODELAMIENTO EN SOLIDWORKS® DE UN EL HORNO DE...
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2 “DISEÑO Y MODELAMIENTO EN SOLIDWORKS® DE UN MECANISMO MECÁNICO PARA EL CAMBIO DE CARGADORES EN EL HORNO DE LA PLANTA SPECIALITIES DE O-I PELDAR® EN SOACHA”. ORIANA GALEANO GALÁN PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERA MECÁNICA TUTOR: GERMAN SICACHA ROJAS INGENIERO MECÁNICO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERIA MECÁNICA BOGOTÁ 2015
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“DISEÑO Y MODELAMIENTO EN SOLIDWORKS® DE UN
MECANISMO MECÁNICO PARA EL CAMBIO DE CARGADORES EN
EL HORNO DE LA PLANTA SPECIALITIES DE O-I PELDAR® EN
SOACHA”.
ORIANA GALEANO GALÁN
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERA
MECÁNICA
TUTOR:
GERMAN SICACHA ROJAS
INGENIERO MECÁNICO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERIA MECÁNICA
BOGOTÁ
2015
3
NOTA DE ACEPTACIÓN:
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______________________________
FIRMA DEL TUTOR
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FIRMA DEL JURADO 1
______________________________
FIRMA DEL JURADO 2
BOGOTÁ, JULIO DE 2015
4
DEDICATORIA
Este proyecto lo dedico a mi padres quienes han sembrado en mi los
valores humanos que se requieren para ser un persona útil en la
sociedad. A mi hermana quien a pesar de mis errores ha decidido
tomarme como ejemplo a seguir. A mi esposo quien paso varias noches
acompañándome en el último tramo de este camino.
5
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios la sabiduría y entendimiento para lograr este objetivo.
A PELDAR O-I por permitirme desarrollar mis habilidades y aplicar mis
conocimientos en sus instalaciones y encontrar una oportunidad de
creación e innovación.
A la Universidad Distrital por acogerme en su campus y entregarme las
herramientas necesarias para llegar al final del camino. Con excelentes
maestros, compañeros inolvidables y momentos memorables.
6
CONTENIDO
CONTENIDO DE TABLAS ............................................................................... 8
CONTENIDO DE FIGURAS ............................................................................ 9
INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 11
1. OBJETIVOS ............................................................................................. 14
2. MARCO TEORICO ................................................................................. 15
2.1 DESCRIPCIÓN DEL MECANISMO ............................................... 15
2.2 FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO ...................................... 17
2.2.1 Descripción básica del funcionamiento ................................. 17
2.2.2 Principio de trabajo ................................................................... 17
2.2.2.1 Elevadores hidráulicos .......................................................... 17
2.2.2.2 Elevadores neumáticos ........................................................ 17
2.2.3 Ventajas y desventajas de los sistemas: ............................... 18
2.2.4 Tipos de elevadores según su estructura ............................. 19
2.2.5 El Principio de Pascal: .............................................................. 22
2.3 COMPONENTES HIDRAULICOS ................................................. 24
2.3.1 Cilindros Hidráulicos ................................................................. 24
2.3.2 Bombas ....................................................................................... 26
3.3.2.2 Bombas de caudal variable ...................................................... 29
2.3.3 Accesorios Hidráulicos ............................................................. 31
2.3.4 Fluidos Hidráulicos .................................................................... 36
2.4 ESTRUCTURA METALICA ............................................................. 41
2.4.1 Vigas ............................................................................................ 41
2.4.2 Soldaduras ................................................................................. 42
3. EL DISEÑO .............................................................................................. 45
3.1 Factores de diseño ........................................................................... 45
3.2 Análisis del diseño ............................................................................ 45
3.3 Modelo de Diseño ............................................................................. 46
3.4 Matriz QFD ......................................................................................... 47
3.5 Aplicación del software de diseño: SOLIDWORKS .................... 55
3.5.1 Estructura completa ................................................................. 55
3.5.2 Tijera ............................................................................................ 59
7
3.5.3 Estructura de la guía ................................................................. 64
3.5.4 Estructura carro de piso ........................................................... 68
3.5.5 Conjunto uñas, estructura guía, y porta uñas. ...................... 69
3.6 Circuito hidráulico ............................................................................. 72
3.6.1 Diseño del cilindro ..................................................................... 72
4. CONSIDERACIONES DE CONSTRUCCIÓN .................................... 78
4.1 Definición del proceso ...................................................................... 78
4.2 Diagrama de operaciones ............................................................... 78
4.2.1 Materiales .................................. ¡Error! Marcador no definido.
4.2.2 Planos constructivos de fabricación ....................................... 79
4.2.3 Estudio de tiempos y movimientos ......................................... 94
5. OPERACIÓN, MANTENIMIENTO Y SEGURIDAD ........................... 95
5.1 Montaje del elevador electrohidráulico .......................................... 95
5.1.1 Requisitos mínimos ................................................................... 95
5.2 Mantenimiento ................................................................................... 96
5.2.1 Revisión diaria: .......................................................................... 96
5.2.2 Mantenimiento mensual: .......................................................... 96
5.2.3 Mantenimiento anual: ............................................................... 97
5.3 Normas de seguridad ....................................................................... 97
5.3.1 Clasificación de los Riesgos .................................................... 98
5.3.2 El Equipo en General .............................................................. 101
5.3.3 Seguridad personal ................................................................. 102
5.3.4 Seguridad en el lugar de trabajo ........................................... 102
CONCLUSIONES .......................................................................................... 107
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 108
8
CONTENIDO DE TABLAS
Tabla 1 Grados de viscosidad ISO. (MOTT, Página 46) ....................... 38 Tabla 2 Valores del módulo volumétrico para líquidos seleccionados, a presión atmosférica y 68°F (20°C). (MOTT, página 14). ....................... 39 Tabla 3 Tensión superficial de algunos líquidos comunes. Tabla sesgada en unidades del Sistema Internacional. (MOTT, página 20) ... 40 Tabla 4 Tipos de uniones soldadas. Propiedad de la autora. ............... 43 Tabla 5 Características y métrica del mecanismo. ................................ 52 Tabla 6 Nivel de importancia para cada característica. ........................ 54 Tabla 7 listado de elementos que componen el sistema para elevación de cargas. ............................................................................................. 56 Tabla 8 selección del mecanismo existente. ......................................... 59 Tabla 9 Listado de elementos que componen la tijera. ......................... 60 Tabla 10 Sistema de unidades para análisis estructural y térmico en ANSYS. ................................................................................................. 60 Tabla 11 Factor de seguridad de la tijera. ............................................. 63 Tabla 12 Tabla de tubería de acero al carbono ASTM A53 .................. 73 Tabla 13 Clasificación de riesgos. GENIE ............................................ 98 Tabla 14 Altura libre obligatoria de acuerdo a los kV de la lína de tensión más cercana. GENIE página 8. .............................................. 103
9
CONTENIDO DE FIGURAS
Figura 1 Cargador lado derecho del horno ........................................... 11 Figura 2. Cargador sobre soporte de tubo en el primer nivel ................ 12 Figura 3 Elevador de Tijeras ................................................................. 20 Figura 4 Elevador de dos columnas ...................................................... 20 Figura 5 Elevador de cuatro columnas ................................................. 21 Figura 6 Elevador articulado ................................................................. 21 Figura 7 Principio de Pascal ................................................................. 22 Figura 8 Cilindro tipo buzo o de simple efecto ...................................... 24 Figura 9 Cilindro estándar de doble efecto ........................................... 25 Figura 10 Cilindro diferencial ................................................................ 25 Figura 12 Corte transversal de una bomba de paletas no equilibrada .. 27 Figura 13 Bomba de pistones axiales de caudal fijo ............................. 28 Figura 14 Bomba de paletas de caudal variable ................................... 29 Figura 15 Esquema explicativo bomba de pistones radiales de caudal variable ................................................................................................. 30 Figura 16 Bomba de pistones axiales de caudal variable ..................... 31 Figura 17 Válvula de acción directa ...................................................... 32 Figura 18 Esquema de una válvula de seguridad piloteada ................. 32 Figura 19 Esquema de una válvula de bajada en carga ....................... 33 Figura 20 Esquema de una válvula de bajada en carga ....................... 34 Figura 21 Modelo Conceptual de Diseño. ............................................. 46 Figura 22 Modelo conceptual de diseño aplicado al cargador. ............. 47
10
Figura 23 Matriz de la calidad de un envase farmacéutico. .................. 48 Figura 24 Simbología usada en la QDF. ............................................... 49 Figura 25 Matriz QFD para el desarrollo del mecanismo. ..................... 53 Figura 26 Plano explosivo del sistema para elevación de cargas. ........ 56 Figura 27 Elevador modelo GS - 3390 Marca Genie ............................ 57 Figura 28 Configuración de la tijera. ..................................................... 59 Figura 29 Condiciones iniciales de análisis. ......................................... 61 Figura 30 Deformación en la tijera. ....................................................... 62 Figura 31 Esfuerzos de la tijera. ........................................................... 62 Figura 32 Configuración de la estructura guía. ..................................... 64 Figura 33 Configuración inicial de la estructura de la guía. .................. 65 Figura 34 Análisis de deformación en la estructura guía. ..................... 66 Figura 35 Análisis de esfuerzos en la estructura guía. ......................... 66 Figura 36 Análisis térmico de la estructura guía. .................................. 67 Figura 37 Geometría estructura carro de piso. ..................................... 68 Figura 38 Conjunto y ensamble de las uñas. ........................................ 69 Figura 39 Definición geométrica de la uña. ........................................... 70 Figura 40 Análisis de deformación. ....................................................... 71 Figura 41 Análisis de esfuerzos para la uña. ........................................ 71 Figura 42 Símbolos, pictogramas y definiciones de los riesgos. .......... 99
Figura 43 Símbolos, pictogramas y definiciones de los riesgos. ......... 100
Figura 44 Riesgos presentados en el equipo, descripción gráfica ...... 101
11
INTRODUCCIÓN
La planta Specialities de O-I Peldar®, en adelante la planta, está
ubicada en el municipio de Soacha, Cundinamarca, en el kilómetro 17
sobre la Autopista Sur, en esta planta se fabrica envases de vidrio con
un alto grado de transparencia para en empaque de licores finos,
perfumes y otros líquidos que requieren por normas internacionales,
empaques primarios1 inocuos.
Actualmente la planta, cuenta con un solo horno para su proceso
productivo, dotado de dos cargadores, los cuales son un cuerpo hueco
con un sistema neumático compuestos por una guía y un cilindro que
dirigen la cuchara alimentadora de materia prima, como se aprecia en la
figura 1, cada uno de ellos pesa 1 tonelada, cuando fallan deben ser
reemplazados por otros que ya se encuentran listos para trabajar y
posteriormente se reparan.
Figura 1 Cargador lado derecho del horno2
1 Es todo aquel que contiene al producto en su presentación individual o básica
dispuesto para la venta de primera mano, entre otros, las bolsas pláticas, botellas, sistema tetra-brick, latas. 2 Tomado por la autora
12
Los cargadores esta ubicados en el segundo nivel del horno por lo cual,
con el procedimiento usado al día de hoy, se realiza todo el proceso de
desmontaje y montaje con diferenciales la cuales se sujetan con
cadenas a cuatro argollas soldadas a la parte superior donde se
encuentra la guía de posicionamiento.
En la parte inferior del tercer nivel se cuenta con un riel donde se
desplazan las diferenciales, se eleva y traslada hasta un soporte como
el de la figura 2, el cual se acerca hasta el final de la plataforma y se
realiza el descenso hasta el primer nivel, con la ayuda de un
montacargas, para luego trasladarlo al taller de mantenimiento
mecánico y trabajos especiales.
Figura 2. Cargador sobre soporte de tubo en el primer nivel3
La legislación Colombiana ha desarrollado normas para proteger la
integridad física y mental de los trabajadores en la industria, y O-I en su
proceso de mejora continua ha desarrollado programas de salud,
higiene y seguridad industrial para no solo cumplir con las leyes
vigentes, sino también para mejorar la calidad de vida de sus
colaboradores y aumentar así su productividad.
3 Tomada por la autora
13
Con el planteamiento inicial y las justificaciones empresariales antes
expuestas, se desarrolló este mecanismo para minimizar los riesgos
durante los cambios de cargador, los tiempos y costos. Y contribuir al
aumento de la productividad de la compañía.
14
1. OBJETIVOS
Objetivo General: Diseñar y modelar un mecanismo para el cambio de
cargador en el horno de la planta Specialities de O-I PELDAR Soacha.
Objetivos específicos:
Analizar mediante QFD las alternativas del mecanismo y diseñar
bajo las normas técnicas y estándares de seguridad el
mecanismo para la carga del horno.
Valorar mediante elementos finitos los componentes principales
del mecanismo y optimizar sus partes.
Elaborar los planos de fabricación y los manuales de manejo y
mantenimiento del mecanismo.
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2. MARCO TEORICO
2.1 DESCRIPCIÓN DEL MECANISMO
El mecanismo que se definió, después de las discusiones con el grupo
de trabajo integrado por los colaboradores, el área de mantenimiento, el
equipo de HSE4, el área de calidad y recursos humanos, cumple las
características de un elevador tipo tijera, por lo cual se realizó todo el
desarrollo adaptando el mecanismo ya existente para el sector
automotriz.
Las máquinas de elevación son los aparatos o mecanismos utilizados
para transportar, verticalmente o por pendientes muy pronunciadas,
cargas o materiales de diversas naturalezas. En las máquinas de
elevación se aplica una fuerza llamada esfuerzo para vencer otra fuerza
o resistencia mayor llamada carga.
Estas se dividen en elementales y compuestas. En las primeras están
los gatos, los tornos manuales y mecanismos diferenciales. Para
elevación compuesta encontramos las grúas, los montacargas, las
carretillas elevadoras o los blondines.
Previa revisión del estado del arte de los elevadores tipo tijera se definió
que para cumplir a cabalidad con el objetivo, debía ser autónomo y por
lo tanto se escogió la electrohidráulica como técnica de movimiento.
Los elevadores de tijeras se componen de una estructura metálica y un
circuito hidráulico accionado por un motor eléctrico.
4 Higiene, Seguridad, Medio Ambiente
16
Una de las características principales es el posicionamiento de la carga,
a la altura deseada, de una forma segura y estable, al contar con
brazos que sujetaran por la parte superior el cargador y lo ubicaran en
la plataforma, además del sistema de seguridad que permite bloquear el
elevador a distancias prudentes que eviten descensos inesperados.
El sistema hidráulico cuenta con dos vástagos, la bomba de
alimentación y un motor eléctrico para generar el movimiento.
Adicional se instalaran cuatro ruedas que contribuyan al
desplazamiento desde el área del horno hasta los talleres.
En pro de estar alineados con las políticas de optimización de la
compañía, se realizará un diseño con bajo nivel de mantenimiento.
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2.2 FUNCIONAMIENTO DEL MECANISMO
2.2.1 Descripción básica del funcionamiento
El elevador comprende una estructura metálica que se asemeja a la
geometría de unas tijeras para aumentar el torque, debido a la fuerza
de dos cilindros con un recorrido proporcional al peso del cargador.
Para accionar el desplazamiento de los cilindros se aprovecharan las
propiedades de los fluidos incomprensibles y su aplicación en las
prensas hidráulicas.
La alimentación la realizará una bomba movida por un motor eléctrico.
2.2.2 Principio de trabajo
En este aparte se recopilan los argumentos de ingeniería para
encontrar la solución al problema planteado. Primero se definirá cómo
funcionan los sistemas de elevación hidráulicos y neumáticos, luego se
acotaran las ventajas y desventajas de cada uno de los sistemas, y
finalmente el número de columnas para sostener el mecanismo.
2.2.2.1 Elevadores hidráulicos: Los elevadores de este tipo usan
la variación en la presión de fluidos, aceite hidráulico, para
generar un desplazamiento en los cilindros o actuadores y
a su vez el movimiento vertical de la estructura.
2.2.2.2 Elevadores neumáticos: Los elevadores neumáticos
funcionan exactamente igual que los hidráulicos, salvo por
el fluido que en este caso es aire.
18
2.2.3 Ventajas y desventajas de los sistemas:
Sistemas hidráulicos Sistemas neumáticos
Ventajas - Las fuerzas pueden ser
reguladas de manera
continua.
- Se puede usar la
capacidad total de los
accesorios sin ocasionar
riesgos de sobrecarga o
calentamiento excesivo.
- La fácil adaptación del
aceite a la tubería se
asemeja a una barra de
acero al ejercer la fuerza.
- Los elementos son
reversibles y en algunos
casos se permite frenarlos
durante la marcha.
- El número de elementos
es reducido al compararse
con otros sistemas.
- Los sistemas hidráulicos
son multiplicadores de
fuerza.
- El fluido usado (aire) es
abundante, gratuito,
ilimitado y regresa a la
atmosfera.
- El aire puede ser
comprimido para
almacenarse y
posteriormente ser
transportado.
- No hay riesgo de
chispas en la atmosfera
cuando se usa aire.
- Las variaciones de
temperatura en el aire no
suelen considerarse
peligrosas.
- Las fugas de aire no
producen escenarios
peligrosos o regueros que
limpiar.
- Los elementos son
conectados de manera
simple.
- Las variables pueden
regularse continua y
escalonadamente.
19
Desventajas - Los actuadores manejan
velocidades bajas.
- Las medidas de limpieza
son más estrictas, ya que
una fuga genera
situaciones inseguras.
- Una fuga representa una
entrada de impurezas y
agua, lo que puede dañar
accesorios.
- Exige un mantenimiento
costoso.
- La inversión inicial
incurre en un alto costo.
- Existen gastos
asociados a retirar
impurezas y la humedad
del aire.
- Los equipos para
obtener aire comprimido
son costosos.
- El ruido causado
durante el escape de aire
es alto y molesto.
- Es una fuente de
energía costosa.
2.2.4 Tipos de elevadores según su estructura
Esta clasificación permite determinar la forma física del mecanismo. La
necesidad consiste en un elevador de cargas que sea confiable y
reduzca la existencia de condiciones inseguras.
a) Elevador tipo tijera: (figura 3) Se define como una plataforma
vertical elevada que proporciona un acceso vertical a lugares altos,
entre sus ventajas se encuentra la relación elevación – espacio. Ya
que cuando se regresa a su posición neutra solo ocupa una fracción
de la altura total que alcanza. Para su funcionamiento se juega con
la presión de algún fluido. En algunos casos posee ruedas que le
permiten el movimiento horizontal.
20
Figura 3 Elevador de Tijeras5
b) Elevador con dos columnas: (figura 4) El elevador posee dos
columnas empotradas al piso que suben y bajan de acuerdo a las
necesidades de altura o posición.
Figura 4 Elevador de dos columnas6
5 Tomado de: http://mlm-s1-p.mlstatic.com/elevador-tijera-26-gas-lp-y-gasolina-2000-
jlg-26rt-13394-MLM3094664276_092012-F.jpg
21
c) Elevador con cuatro columnas: (figura 5) El bastidor de dos rampas
que soporta el peso esta soportado por cuatro columnas
empotradas al piso.
Figura 5 Elevador de cuatro columnas7
d) Elevador articulado: (figura 6) Cuenta con soportes giratorios que se
apoyan en una base de cuatro puntos anclada al piso, que es
activada por actuadores hidráulicos que permiten la apertura de
cada una de las tijeras que constituyen la estructura para lograr la
posición adecuada.
Figura 6 Elevador articulado8
6 Tomado de: http://boxcarcenter.com/wp-content/uploads/elevador-de-dos-columnas-
01.jpg 7 Tomado de: http://i01.i.aliimg.com/photo/v2/461098489/elevador_de_4_columnas.jpg
22
2.2.5 El Principio de Pascal:
En el siglo XVII, Pascal, científico Francés, experimentando en el
laboratorio logro demostrar que usando un líquido encerrado se podía
transmitir fuerza y movimiento.
Al usar pesas y émbolos de diferentes tamaños, también encontró, que
un sistema a presión, se asemejaba a la palanca mecánica, ya que
multiplicaba la fuerza, y que la relación entre fuerza y distancia era la
misma.
El principio de Pascal establece lo siguiente: “La presión que se ejerce
sobre un líquido encerrado se transmite por igual en todas las
direcciones y actúa con la misma fuerza sobre las superficies iguales”.
Matemáticamente se explica de la siguiente forma, si se tiene una
presión de entrada , suministrada por el fluido, como se ve en la
figura 7, aplica una fuerza , a un pistón de área .
Figura 7 Principio de Pascal9
8 Tomado de: http://servicioautomotriz.co/wp-content/uploads/2011/02/Elevador-2-De-
cuatro-columnas-300x243.jpg 9 Tomado de: WILSON, Jerry (2003) Página 315
23
La magnitud plena de la presión se transmite al pistón de salida con
área , ya que .
Ecuación 1
La fuerza de salida sería:
Ecuación 2
Ecuación 2
Si , es mayor que . , será mayor que , la fuerza de entrada se
multiplica mucho si el pistón de entrada tiene un área relativamente
pequeña.
24
2.3 COMPONENTES HIDRAULICOS
2.3.1 Cilindros Hidráulicos
Un cilindro hidráulico está compuesto por un pistón y una camisa, el
deslizamiento rectilíneo del pistón dentro de la camisa transforma la
energía hidráulica en energía mecánica.
Para mecanismos de elevación se suelen montar dos tipos de cilindros:
1. Cilindros tipo Buzo: solo tienen una cámara para el fluido y ejerce
la fuerza únicamente en una dirección, como se ve en la figura 8.
Figura 8 Cilindro tipo buzo o de simple efecto10
En un mecanismo de elevación hay un cilindro de elevación, otro de
freno y, un tercero para acelerar y desacelerar.
10
Tomado de: http://www.hydac.com/
25
2. Cilindro estándar de doble efecto: se denomina así porque es
accionado por el fluido hidráulico en ambos sentidos (Figura 9),
lo que le permite ejercer fuerza en cualquiera de los dos sentidos
del movimiento.
Figura 9 Cilindro estándar de doble efecto11
También se conoce como cilindro diferencial (Figura 10) por
tener áreas desiguales sometidas a la presión durante los
movimientos de avance y retorno, aunque el movimiento de
avance es más lento que el de retorno pero con una fuerza
mayor.
Figura 10 Cilindro diferencial12
11
Ibíd. 12
Ibíd.
26
2.3.2 Bombas
La misión de una bomba es transferir energía a un líquido (convierte
energía eléctrica o mecánica en energía hidráulica) para permitir su
transporte en una instalación. Esto conlleva normalmente a un aumento
de la presión a la salida.
De acuerdo a su capacidad de variación del caudal podemos dividir las
bombas hidráulicas en dos grupos: bombas de caudal fijo y bombas de
caudal variable.
3.3.2.1 Bombas de Caudal Fijo
a) Bombas de Engranajes Externos: la figura 11, ilustra el principio de
funcionamiento de este tipo de bomba, la cual tiene un piñón motriz
que guía otro piñón idéntico dentro de una carcasa.
Figura 11 Corte transversal de una bomba de engranajes13
13
CZEKAJ, Daniel Compilador (1988) Página 6
27
Los dos piñones giran en sentido opuestos y las bocas de aspiración
y presión existentes en la carcasa se hacen coincidir con el punto de
engranaje de los piñones para crear el espacio de reserva u
posteriormente la liberación del fluido.
b) Bombas de Paleta: la figura 12, representa una bomba de paletas de
simple, del tipo no equilibrado. Esta bomba consiste en un rotor que
tiene ranuras para las paletas, el cual es movido por un eje estriado.
Figura 12 Corte transversal de una bomba de paletas no equilibrada14
En cada ranura hay una paleta plana, rectangular, que se desplaza
radialmente en su alojamiento. Este conjunto funciona dentro de una
carcasa cuyo perfil interno es excéntrico con respecto al eje del
árbol de comando.
c) Bombas de Pistones Axiales y Radiales: estas bombas son más
costosas que las anteriores, pero también su rendimiento es mucho
mayor, con fugas internas mínimas alcanzan eficiencias
volumétricas del 90%, la configuración de estas bombas está dada
así, las bombas de pistones en línea, tienen los pistones distribuidos
14
Ibíd. Página 6
28
como los de un motor de automóvil y son movidos por levas situadas
en un eje.
Las bombas de pistones radiales, por su parte tienen un disposición
en forma de estrella y son accionados por una sola leva que esta
soldada al eje.
Finalmente las bombas de pistones axiales de caudal fijo, en ellas
los pistones están soldados a un plato, como se aprecia en la figura
13, de tal forma que permanecen paralelos al eje, el movimiento se
genera con el eje que también está sujeto al plato.
Figura 13 Bomba de pistones axiales de caudal fijo15
15
Ibíd. Página indicar página en las referencias
29
3.3.2.2 Bombas de caudal variable La descripción de cada una de sus variaciones se explica en este
aparte.
a) Bombas de Paletas: en la figura 14 se puede ver que el caudal de
las bombas de anillo circular se puede regular al variar la
excentricidad existente entre el anillo y el rotor, esta variación se
realiza por medio de un tornillo situado en una de los costados de la
bomba.
Figura 14 Bomba de paletas de caudal variable16
b) Bombas de Pistones Radiales: funcionan de acuerdo al esquema de
la figura 15, el eje motriz (1) se apoya en un rodamiento que está
alojado en la carcasa (13). El par de giro se transmite a través del
acoplamiento (2) que libre de fuerzas transversales conecta el eje
con el bloque de cilindros en forma de estrella, este es soportado
por el distribuidor (4), fijo en la carcasa (12).
16
Ibíd. Página
30
Los 7 pistones (5) están uniformemente distribuidos en el bloque (3)
y apoyados contra el anillo de posición variable (7), por medio de los
patines (6) que se juntan con pistones a través de balas fijadas por
el anillo (8). Los patines se mantienen tangentes al anillo (7) por
medio de dos anillos (9) que los mantienen en su posición. La
carrera de los pistones es proporcional a la excentricidad del anillo.
Los pistones (10) y (11) que funcionan bajo la presión operativa
permiten la variación del caudal. El aceite es absorbido cuando el
movimiento del pistón hace aumentar el volumen de la cámara y es
impulsado cuando lo hace disminuir. El eje está sujeto únicamente a
fuerzas exteriores, quedando claro por tanto que ningún caso admite
fuerzas radiales, es decir, que no se puede mover por medio de
correas.
Figura 15 Esquema explicativo bomba de pistones radiales de caudal
variable17
c) Bombas de Pistones Axiales: estas bombas usan ángulos relativos
del barrilete con respecto al eje, para obtener diferentes
desplazamientos de los pistones, al mismo tiempo que puede variar
17
Ibíd. Página
31
la dirección del flujo de aceite continuando el eje motriz su giro en el
mismo sentido, la disposición del barrilete se ve en la figura 16.
Figura 16 Bomba de pistones axiales de caudal variable18
2.3.3 Accesorios Hidráulicos
i. Válvulas de seguridad: El objetivo de este tipo de válvulas es
proteger los elementos de un circuito hidráulico contra sobrecargas o
para limitar la fuerza de un cilindro hidráulico o de un motor. Su
posición es normalmente cerrada, las cuales solo se abren cuando la
presión del circuito alcanza la presión de tarado.
a) Válvulas de acción directa: en la figura 17 muestra el
funcionamiento a través de una bola que es empujada por un
resorte, el cual se regula por medio de un tornillo, la bola se
cierra mientras la que la presión del circuito sea inferior a la
fuerza del resorte.
18
Ibíd.Página
32
Figura 17 Válvula de acción directa19
b) Válvulas de seguridad pilotadas: estas válvulas son equilibradas,
la presión hidráulica se ejerce sobre las dos caras del pistón, la
construcción, que se ve en la figura 18, permite que el
funcionamiento de la válvula sea más sensible suprimiendo así
las vibraciones.
Figura 18 Esquema de una válvula de seguridad piloteada20
ii. Válvulas de control de bajada: Cuando la carga tiende a acelerarse,
hace disminuir la presión en la línea de alimentación del cilindro, esto
disminuye la presión en el pilotaje y el resorte hace que la corredera
se cierre impidiendo el paso de aceite y frenando la carga (figura 19).
19
Ibíd. Página 28 20
Ibíd. Página 29
33
Figura 19 Esquema de una válvula de bajada en carga21
iii. Reguladores de caudal: Si el volumen de un cilindro es fijo, variar la
velocidad dependerá del caudal suministrado, esta variación se
controla con reguladores de caudal que suelen derivar del tanque de
almacenamiento del fluido usado.
iv. Válvulas antirretorno: De su nombre podemos deducir que son
elementos que solo permiten paso en un sentido y evitan que se
devuelva o retorne en sentido corriente. Las hay de simple efecto,
pilotadas y doble pilotadas. Debe ser escogida según las
necesidades de la aplicación.
v. Tanques: Los tanques además de almacenar el aceite del circuito
limpio, también deben permitir la decantación de partículas sólidas, la
separación del aire y el enfriamiento del aceite luego de realizar su
trabajo.
21
Ibíd. Página 30
34
Se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones, el
volumen de fluido debe ser de 2,5 veces el caudal, si se tiene un
enfriador puede ser 1:1, sin embargo depende de la capacidad del
enfriador.
Se sugiere dejar un espacio entre el nivel superior del aceite y la
parte más alta del tanque, para circular el aire, según el número de
cilindros o la capacidad del tanque.
El material aconsejado es acero laminado en frio, el cual será
plegado y soldado, con un tapón que permita ser vaciado para poder
acceder a limpiarlo.
Figura 20 Esquema de una válvula de bajada en carga22
22
Ibíd. Página 35
35
vi. Filtros de succión, filtros de retorno y respiros: el mal estado del
aceite causa un 90% de los daños en los circuitos hidráulicos. La
tierra, partículas metálicas, cascarillas de soldadura, sedimentos
pintura o porciones de goma de juntas y tubos, son controladas con
filtro de diferentes tipos.
Los factores que se deben tener en cuenta son:
- Ubicación en el circuito
- Cantidad de carga perdida y su influencia negativa en el proceso
- Volumen de aceite que debe ser filtrado y su grado de filtración
- La necesidad de retirar partículas metálicas
vii. Tubería: El medio de transporte del aceite en el circuito son los tubos
rígidos o flexibles, los cuales poseen agujeros roscados a los cuales
se ajustan todos los accesorios anteriormente nombrados.
Se deben contemplar durante en diseño y montaje los soportes para
la tubería, esto con el fin de minimizar al máximo las vibraciones y asi
la rotura de los tubos y los accesorios.
36
2.3.4 Fluidos Hidráulicos
Los sistemas hidráulicos pueden funcionar con diversos fluidos, entre
ellos:
- Aceites derivados del petróleo
- Fluidos de aguaglicol
- Fluidos con base de agua elevada (HWBF)
- Fluido de silicón
- Aceites sintéticos
Las características principales para sistemas que requieren potencia
son:
- Viscosidad adecuada
- Alta capacidad de lubricación
- Limpieza
- Estabilidad química
- Que eviten la producción de corrosión
- No permitir la reproducción y crecimiento de bacterias
- Baja compresibilidad
i. Presión: Es la cantidad de fuerza que se ejerce sobre una unidad de
área de alguna sustancia. Ecuación 3. (MOTT, página 11)
Ecuación 3
37
ii. Densidad: Es la cantidad de masa por unidad de volumen de una
sustancia. Se define por la ecuación 4. (MOTT, página 14)
Ecuación 4
iii. Peso específico: Es la cantidad de peso por unidad de volumen de
una sustancia. La ecuación 5 muestra como hallar su valor. (MOTT,
página 15)
Ecuación 5
iv. Gravedad específica: La gravedad específica se relaciona tanto con
la densidad como con el peso específico y, la densidad y/o del peso
específico del agua a 4°C. La ecuación 6 da más claridad. (MOTT,
página 15)
Ecuación 6
v. Viscosidad: Los autores consultados expresan cual es la
característica más importante, por ejemplo, Robert Mott, en su libro
de mecánica de fluidos dice: “La viscosidad es una de las
propiedades más importantes porque relaciona la lubricidad con la
capacidad del fluido para ser bombeado y pasar a través de la
tubería, tubos, actuadores, válvulas y otros dispositivos de control
que se encuentran en los sistemas de fluido de potencia”23. Para
sistemas industriales se recomienda el uso de fluidos hidráulicos que
estén en el rango del ISO 32,46 o 68, lo cual se especifica mejor en
23
MOTT, ROBERT (2006), PAGINA 47
38
la tabla 1. El número de grado ISO corresponde a la viscosidad
cinemática con unidades .
Grado ISO VG Viscosidad cinemática a 40°C (cSt) o ( )
Normal Mínimo Máximo
2 2.2 1.98 2.40
3 3.2 2.88 3.52
5 4.6 4.14 5.06
7 6.8 6.12 7.48
10 10 9.00 11.0
15 15 13.5 16.5
22 22 19.8 24.2
32 32 28.8 35.2
46 46 41.4 50.6
68 68 61.2 74.8
100 100 90.0 110
150 150 135 165
220 220 198 242
320 320 288 352
460 460 414 506
680 680 612 748
1000 1000 900 1100
1500 1500 1350 1650
2200 2200 1980 2420
3200 3200 2880 3520
Tabla 1 Grados de viscosidad ISO. (MOTT, Página 46)24
24
Fuente: reimpreso con autorización del estándar ASTM 2422. Copyright ASTM.
39
vi. Filtración: La filtración es una característica importante, por lo cual se
debe tener en cuenta, que haya bajo ensuciamiento con sustancias
sólidas al ser suministrado.
vii. Compresibilidad: La comprensibilidad relaciona el cambio de
volumen cuando se varía la presión. Ya que los líquidos son muy
poco comprensibles, se requiere un cambio muy grande en la
presión, para producir una variación mínima en el volumen. Los
valores más representativos se presentan en la tabla 2, y en
consecuencia acudiendo a Moot, se van a considerar incompresibles.
Líquido Módulo Volumétrico
(psi) (MPa)
Alcohol etílico 130.000 896
Benceno 154.000 1.062
Aceite para
Maquinaria
189.000 1.303
Agua 316.000 2.179
Glicerina 654.000 4.509
Mercurio 3.550.000 24.750
Tabla 2 Valores del módulo volumétrico para líquidos seleccionados, a
presión atmosférica y 68°F (20°C). (MOTT, página 14).
viii. Tensión superficial: La tensión superficial se asemeja a una película
entre la superficie de agua líquida y el aire que esta sobre ella. Para
calcularla se toma el trabajo por la unidad de área ( ) que se
requiere para llevar las moléculas de la parte inferior hacia la
superficie. La tabla 3 muestra la tensión superficial de algunos
líquidos comunes a presión atmosférica y temperaturas
seleccionadas.
40
Líquido Tensión superficial a la temperatura indicada
10 °C 25 °C 50 °C 75 °C 100 °C
Agua 74.2 72.0 67.9 63.6 58.9
Metanol 23.2 22.1 20.1
Etanol 23.2 22.0 19.9
Etilenglicol 48.0 45.8 43.5 41.3
Acetona 23.5 20.7
Benceno 28.2 25.0 21.8
Mercurio 488 485 480 475 470
Tabla 3 Tensión superficial de algunos líquidos comunes. Tabla
sesgada en unidades del Sistema Internacional. (MOTT, página 20)25
25
Fuente: adaptado con autorización a partir de datos CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press LLC, Boca Ratón, FL.
41
2.4 ESTRUCTURA METALICA
2.4.1 Vigas
Definición: Las vigas son elementos lineales que trabajan
fundamentalmente a flexión, pero también soportan esfuerzos
cortantes y momentos torsionales.
Tipos de vigas: Las vigas se pueden clasificar según el
número de apoyos, en isostáticas, las cuales solo requieren el
concurso de la estática. Si por el contrario se usan más
apoyos se les llaman vigas hiperestáticas.
También se tipifican de acuerdo a la carga exterior
concentrada o puntual, distribuida constante o variable,
continua o discontinua.
Deflexión, esfuerzo cortante y momento de torsión: En la
ecuación se muestran las tres características para las vigas
en voladizo, las cuales serán vitales durante la etapa de
diseño.
Ecuación 7
Donde:
Deflexión (mm)
Carga aplicada (N)
Longitud de la viga (m)
Módulo de elasticidad
Momento de inercia
42
2.4.2 Soldaduras
A) Definición: La American Welding Society (AWS), define
soldadura como “una coalescencia localizada (…26) de metales o
no metales producida mediante el calentamiento de los
materiales a las temperaturas de soldadura requeridas, con o sin
la aplicación de presión sola y con o sin el uso de materiales de
aportación.”27
Desde una perspectiva educativa “La soldadura puede definirse
como un proceso de unión entre metales en el que la adherencia
se produce, con el aporte de calor, con aplicación de presión o
sin ella y con la adición o no de metal”(CEMBRERO, página51).
B) Procesos de soldadura en función de la energía utilizada: La
soldadura se puede conseguir por procesos mecánicos, como
soldadura por fricción, procesos de resistencia eléctrica,
soldadura por puntos es uno de los más conocidos, procesos de
arco eléctrico y de energía radiante, como el electrodo recubierto
y el láser, respectivamente. También hay procesos
termoquímicos como el oxiacetileno y el plasma.
26
(La fusión de unión de la estructura de granos de los materiales que se están soldando) 27
www.aws.org Welding Handbook. Volumen seis.
43
C) Tipos de unión: Pueden distinguirse 4 tipos de uniones en la
literatura de soldadura, se resumen en la tabla 4.
A TOPE EN ESQUINA
EN T POR SUPERPOSICIÓN
Tabla 4 Tipos de uniones soldadas. Propiedad de la autora.28
D) Análisis de los cordones: para conocer la resistencia de cada
suelda durante el proceso de diseño se usaran las ecuaciones 8
y 9, que será un parámetro al lado de la ubicación y función de la
unión.
Ecuación 8
Ecuación 9
28
https://hectorariel26.files.wordpress.com/2009/11/soldadura-ii.jpg
44
Donde:
Fuerza (N)
Espesor de la costura del electrodo (mm)
Longitud de soldadura de soporte (mm)
Resistencia del electrodo
Longitud total del cordón (mm)
45
3. EL DISEÑO
3.1 Factores de diseño
El primer ítem a tener en cuenta son los factores ambientales que no
pueden ser modificables, serán tomados como las variables iniciales.
Altura máxima de elevación: la altura máxima de elevación será
de 5 metros, para que pueda ser usada en cualquier planta de la
compañía a nivel nacional.
Dimensiones máximas del cargador: el cargador estándar tiene
2.25 m de longitud, 1.70 m de ancho y una altura de 0.30 m
Ambiente de trabajo: se caracteriza por una alta polución, alta
temperatura de operación, humedad, presencia de plagas.
3.2 Análisis del diseño
¿Cuál será su función?
El mecanismo debe facilitar la labor de cambio de cargador
durante los mantenimientos correctivos y en un futuro para
realizar mantenimientos preventivos.
¿Cuáles deben ser los beneficios?
El mecanismo debe reducir los riesgos planteados anteriormente
y facilitar el trabajo, por lo cual debe ser fácil de mover entre
puntos, debe ser seguro en la operación, debe evitar que haya
contacto directo de las personas con los desplazamientos del
cargador.
46
¿Cuáles son las limitantes de fabricación?
El costo de los materiales, los costos de manos de obra, los
recursos disponibles en la planta, la disponibilidad de puntos de
energía, suministro de aire, aceite.
De acuerdo con lo analizado anteriormente y lo expuesto en capítulos
anteriores, se desarrollará el diseño de un elevador tipo tijera, movido
por energía hidráulica accionada por un motor eléctrico. Ya que así se
satisfacen las necesidades del usuario final y se cumplen con los
parámetros de diseño.
3.3 Modelo de Diseño
El modelo de diseño empleado es el Modelo Conceptual de Diseño. Ver
figura 21. En la figura 22, se aplica al proceso de diseño.
Figura 21 Modelo Conceptual de Diseño29.
29
Notas de clase Diseño de Máquinas. (2012)
47
Figura 22 Modelo conceptual de diseño aplicado al cargador30.
3.4 Matriz QFD
La matriz QDF se originó en Japón durante la década de 1960, esta
matriz de calidad resalta la voz del cliente, al contemplar los
requerimientos que la satisfacen.
La matriz es un mapa conceptual que relaciona los requerimientos del
cliente (RC) con las características técnicas (CT) necesarias para
satisfacerlos. En la figura 23, se evidencia como cada RC es asociada
con cada CT, para un envase de la industria farmacéutica. Dicha
asociación no es más que el grado de satisfacción del cliente frente a
cada requerimiento.
Ambas condiciones pueden ser agrupadas en niveles, como
consecuencia del gran numero que se generan, ya que unas dependen
30
Ibíd.
48
de las variadas dimensiones de la calidad y las otras de la complejidad
tecnológica de los productos modernos.
Figura 23 Matriz de la calidad de un envase farmacéutico.31
Los RC (I) se ubican el lado vertical, mientras la CT (III) va en la parte
horizontal. En la parte central se encuentran los símbolos que reflejan la
intensidad del vínculo, para nuestro caso usaremos la simbología de la
QDFonline, figura 24. Que consiste en encontrar relaciones fuertes,
débiles, positivas o negativas, incluso indiferentes.
31
http://www.ucema.edu.ar/publicaciones/documentos/234.pdf Pagina 5
49
Figura 24 Simbología usada en la QDF32.
Regresando a la figura 23, encontramos la prioridad que le asigna el
cliente (II). En cuanto al producto la comparamos con otro del mercado
(V), luego de asignar valores a cada CT (IV). Finalmente se realiza la
ponderación total de cada característica (VII).
Para llegar a la matriz se deben definir las siguientes etapas:
A. Etapa 1: clarificar y definir la tarea.
Se requiere diseñar un mecanismo que permita la elevación de cargas,
para realizar el montaje y desmontaje del cargador del horno para la
fabricación de vidrio. Este dispositivo pesa aproximadamente 2000 kg y
sus dimensiones de ancho y largo son: 1500 mm y 2000 mm.
Como ya se contó en la introducción los datos se obtuvieron de las
reuniones realizadas, y no de entrevistas directas al cliente. Entre los
cuestionamientos planteados encontramos:
32
http://www.qfdonline.com/images/QFD_House_of_Quality_Example.jpg
50
¿Cuál es la frecuencia de uso?
¿Cuáles son las características ambientales?
¿Cómo se realiza la tarea actualmente?
¿Cuánto cuesta realizar la tarea en la actualidad?
¿Cuáles son las consecuencias letales o fatales del
procedimiento actual?
¿Cuánto está dispuesto a invertir en una solución?
Y otras que no son de tanta relevancia para el caso, pero que al
juntarlas permitieron concluir lo siguiente, los cambios se realizan con
una vida útil de los rodamientos superior a 120.000 ciclos. Y en paradas
de emergencia. El ambiente se encuentra con altas trazas de polución,
temperatura ambiente de 40°C, existencia de plagas, contacto directo
con llama.
Respecto a los costos y la voluntad de inversión, se hizo énfasis de que
siendo una tarea una que podría ser causa una lesión o una fatalidad,
solo se contaría con los recursos existentes en planta.
B. Etapa 2: determinar las funciones y sus estructuras.
Durante esta etapa se realizó el proceso de lluvia de ideas:
Mantener el sistema actual con poleas diferenciales.
El uso de montacargas.
Instalar un puente grúa en el techo de la planta.
Adecuar un mecanismo elevador de uso automotriz.
Usar dos gatos hidráulicos de forma manual.
C. Etapa 3: buscar los principios de solución y sus variantes.
51
En esta etapa se explicará el mecanismo de solución de cada uno de
los ¿Cómo? O las características del producto, se definen las
características y la métrica, en la tabla 5.
NO. CARACTERÍSTICA COMO HACERLO MÉTRICA
1 El dispositivo cuenta
con las dimensiones
mínimas, de ancho y
largo.
Tipo rectangular. 2.25m x 1.75
m
2 El dispositivo eleva la
carga a la altura
deseada.
La tijera debe permitir
una elevación de
mínimo 3.75 m
La elevación
vertical de la
tijera es de 5
m.
3 El dispositivo permite
una manipulación
segura.
El mecanismo contará
con la adaptación de
uno existente en el
mercado, el cual
cuenta con un panel de
control
4 El dispositivo cuenta
con desplazamiento
horizontal para ser
posicionado.
Se debe colocar unas
guías que permitan
acomodar y asegurar el
dispositivo.
Una altura de
0,30 m desde
la escalera y
una
separación de
2 m.
5 Donde se ubicará el
sistema de potencia
del mecanismo y con
qué elementos cuenta.
El mecanismo será
electrohidráulico, por lo
cual se debe disponer
de un motor, un
Se calculan en
apartes
posteriores.
52
tanque, una bomba y
los accesorios
hidráulicos.
6 El material será usado Se usará acero A36, ya
que es con el que se
cuenta en planta.
7 Como será desplazado El mecanismo contará
con ruedas en la base
para desplazarse a
varios sitios.
Tabla 5 Características y métrica del mecanismo.
D. Etapa 4: QFD
En la figura 25, se ve la relación entre los ¿Qué?, requerimientos del
cliente, y los ¿Cómo?, características técnicas. La ponderación se de
los ¿Qué? Se realizó con una muestra de 4 personas quienes eran los
asistentes a las reuniones, lo cual hace que los valores sean poco
confiables.
En la parte inferior de la matriz encontramos dos graficas que nos
permiten evidenciar que las características técnicas 1,2,5,6, nos hacen
fuerte frente a la competencia, pero se debe trabajar fuertemente en las
otras características ya que son deficiencias, frente a la competencia.
En la gráfica final comparamos con otros productos existentes, se
evidencia una notable ventaja, se debe resaltar el hecho de que la
solución aquí planteada, es una solución personalizada. Y es esa la
razón por la cual se ve mayor ventaja.
53
Figura 25 Matriz QFD para el desarrollo del mecanismo.
E. Etapa 5: dividir en módulos.
Para ir ajustando el proceso se asignaran áreas de desarrollo para cada
característica. Y se asignara una ponderación, entre 1 y 10, que permite
determinar la importancia del parámetro. Para leer la tabla 6, tener en
cuenta la siguiente codificación:
54
Funcionamiento FUNC Maniobrabilidad MANI
Manufactura MANU Embalaje EMBA
Mantenimiento MANT Costo COST
Ensamble ENSA Reciclaje RECI
NO. FUN
C
MAN
U
MAN
T
ENS
A
MAN
I
EMB
A
COS
T
REC
I
1 10 5 4 8 7 9 8 8
2 10 8 8 8 8 9 8 8
3 6 5 1 3 3 3 3 8
4 9 9 5 8 7 7 7 8
5 10 9 4 7 5 3 10 8
6 9 9 7 7 8 9 9 8
7 10 8 7 8 8 7 7 8
TOTA
L
64 53 36 49 46 47 52 56
Tabla 6 Nivel de importancia para cada característica.
El funcionamiento es una de las características más relevantes, era de
esperarse, pues la solución a nuestro problema es funcional. Seguido el
costo y el reciclaje, como ya se mencionó antes son variables de suma
importancia ya que los recursos serán limitados. Posteriormente se
debe prestar atención especial a la maniobrabilidad ya que será la parte
que más aportara a satisfacer la necesidad, alejando a las personas de
la llama viva.
F. Etapas finales: desarrollar el layout de los módulos y el conjunto.
55
Estas últimas tres etapas son desarrolladas en apartes posteriores del
documento.
3.5 Aplicación del software de diseño: SOLIDWORKS
Se debe resaltar que los parámetros iniciales que se tuvieron en cuenta
son los siguientes, para todos los apartes que continúan:
Capacidad máxima: el diseño se limita para soportar un peso máximo de 2 toneladas (2000 kg).
Largo máximo del cargador: esta característica la determina el cargador ya existente que será máximo de 2.25 m (2250mm).
Ancho máximo del cargador: también depende de la necesidad básica y será máximo de 1,70 (1700 mm).
Altura máxima de elevación: la altura máxima de elevación será de 5 metros, para que pueda ser usada en cualquier planta de la compañía a nivel nacional.
Dimensiones máximas del cargador: el cargador estándar tiene 2.25 m de longitud, 1.70 m de ancho y una altura de 0.30 m
Ambiente de trabajo: se caracteriza por una alta polución, alta temperatura de operación, humedad, presencia de plagas.
Estás condiciones están limitadas al elemento que se pretende mover,
por lo cual son estáticas.
3.5.1 Estructura completa
La definición completa de la estructura se muestra en la figura 25 y se
complementa con la tabla 5, en la estructura carro piso (1) se encuentra
56
ubicado el sistema motriz del equipo (Figura 26) en la parte inferior
derecha, encerrada en círculo. Allí se albergara el motor, la bomba
hidráulica, el tanque de almacenamiento y el panel de control.
Figura 26 Plano explosivo del sistema para elevación de cargas33.
No. Elemento Nombre de la pieza Cantidad
1 Estructura carro piso 1
2 Estructura guía 1
3 Uña 2
4 Tijera 2
5 Unión uñas 1
Tabla 7 listado de elementos que componen el sistema para elevación de cargas34.
De esta misma base sale la tijera (4), en la figura 27, y sobre el primer
nivel de esta se apoyan los dos cilindros hidráulicos, parte inferior
33
Propiedad de la autora. 34
Propiedad de la autora.
57
izquierda de la figura 26, que desplazaran hacia arriba y hacia abajo la
estructura por completo.
Figura 27 Elevador modelo GS - 3390 Marca Genie35
Los elevadores tipo tijera ya se encuentran en el mercado, razón por la
cual se hará énfasis en el desarrollo de las partes que se ubican en la
parte superior del mecanismo. Sin perder de vista que la tijera como
elemento estructural es de vital importancia.
35
Manual de Servicio Elevadores Genie GS- 3390/4390/5390. Pagina 4-18.
Componente motriz Cilindros
58
En la tabla 8 se encuentra la selección del mecanismo existente en el
mercado, el proveedor asociado a la selección es el permitido por el
área de compras:
Características
Referencia GS 3390 GS4390 GS5390
Largo 5330 mm 5330 mm 5330 mm
Ancho 2290 mm 2290 mm 2290 mm
Altura máxima de
la tijera 12060 mm 15110 mm 18,15 mm
Altura mínima de la
tijera 152,4 mm 152,4 mm 152,4 mm
Motor
Caudal de la
bomba
Capacidad del
tanque
37,5 galones
142 litros
38,25 galones
144,8 litros
38,75 galones
146,7 litros
Carga máxima
soportada por la
tijera36
2270 kg 1360 kg 1360 kg
Tiempo de
elevación 52 seg 60 seg 90 seg
Tiempo de
descenso 35 seg 42 seg 52 seg
Carga máxima
soportada por los
cilindros
2700 psi 2900 psi 3100 psi
36
En el punto más alto de elevación.
59
Tabla 8 selección del mecanismo existente37.
De la tabla 8, se puede confirmar que el mecanismo que tiene mayor
adaptación a las restricciones del problema es el GS 3390, que será
adaptado para soportar el sistema de guía, uñas y porta uñas.
Para satisfacer la necesidad planteada, las partes (2), (3) y (5), de la
figura 25. Realizaran un desplazamiento en el plano horizontal,
apoyados por un motor. Que llevara la posición de las uñas hacia
adelante y hacia atrás.
3.5.2 Tijera
Es el elemento estructural principal del mecanismo, se puede apreciar
su configuración y componentes en la figura 27, con una detallada
descripción en la tabla 6.
Figura 28 Configuración de la tijera38.
37
Manual de Servicio Elevadores Genie GS- 3390/4390/5390. Pagina 4-18.
60
No. Elemento Nombre de la pieza Cantidad
1 Pestaña pivote 8
2 Tijera 8
3 Separador tijera 2
4 Separador tijera base rueda 1
5 Rueda tijera 4
6 Separador tijera base 2
7 Separador tijera superior 1
8 Separador tijera base rueda superior 1
9 Eje tijera central 1
10 Guía tijera 2
Tabla 9 Listado de elementos que componen la tijera39.
Una vez se contó con la configuración y la geometría (figura 28) se
realizó el análisis estructural en ANSYS. Para todos los casos se utilizó
sistema métrico, de acuerdo a lo mostrado en la tabla 7.
Tabla 10 Sistema de unidades para análisis estructural y térmico en ANSYS.
Para la tijera se usaron 37936 nodos y 15555 elementos, con una
temperatura ambiente de 22°C. De este análisis cabe resaltar que las
piezas de mayor atención son las pestañas de pivote, la guía de la tijera
y la tijera.
38
Propiedad de la autora. 39
Propiedad de la autora.
61
Figura 29 Condiciones iniciales de análisis.
En las pestañas encontramos valores máximos y mínimos de
deformación, mientras que el esfuerzo mínimo se da en la guía y el
máximo en la tijera con un valor de 34.433 MPa. Esto se puede apreciar
en las figuras 29 y 30.
9,8 KN
9,8 KN
62
Figura 30 Deformación en la tijera.
Figura 31 Esfuerzos de la tijera.
63
En la tabla 8 se resumen las condiciones de operación con un factor de
2,5 y una vida útil (diseño) de 1x10+9 ciclos. El factor de seguridad es
alto.
Tabla 11 Factor de seguridad de la tijera.
Ahora bien, la temperatura es un factor a tener en cuenta, debido a las
condiciones ambientales. Se debe aclarar que a lo largo del ambiente
cercano al horno se evidencian varias temperaturas y de acuerdo a la
ubicación de las piezas se asignó dicha información a los análisis.
Se mantiene el sistema de unidades de la tabla 7, y se realiza el
análisis con 37936 nodos y 15555 elementos, la masa contemplada es
de 400,53 Kg. La temperatura ambiente es de 70°C, con emisividad 1.
Como resultado de este análisis las piezas más afectadas son el eje
central de la tijera y el separador tijera base rueda. Con valores entre
2,494x10 -17 W/mm2 y 4,876x10 -13 W/mm2, respectivamente.
64
3.5.3 Estructura de la guía
En la figura 31 se muestra la configuración definitiva de la estructura,
esta pieza permitirá el movimiento horizontal de las uñas y posicionar el
cargador de acuerdo a las necesidades de movimiento.
Figura 32 Configuración de la estructura guía.
Las condiciones iniciales de análisis se evidencian en la figura 32, con
un total de 52086 nodos y 14195 elementos, la geometría se encuentra
en el capítulo de construcción.
65
Figura 33 Configuración inicial de la estructura de la guía.
La deformación máxima se presenta con 0,12586 mm, y un esfuerzo de
67,162 MPa. Esta información se ve en la figuras 33 y 34. Para este
elemento el factor de seguridad es de 1,2. Dicho número se encuentra
en un punto medio, tanto en diseño como en costo.
9,8 KN
9,8 KN
66
Figura 34 Análisis de deformación en la estructura guía.
Figura 35 Análisis de esfuerzos en la estructura guía.
67
Con una masa de 100,92 Kg y una temperatura ambiente de 40°C,
emisividad de cuerpo negro. Para un rango de tiempo de 1 segundo se
cuenta con temperaturas entre 21,998°C y 22,01°C. En la figura 35 se
detallan las zonas con mayor influencia térmica.
Figura 36 Análisis térmico de la estructura guía.
68
3.5.4 Estructura carro de piso
La configuración geométrica se encuentra en la figura 36 y se compone
de una armadura y dos ruedas, en las que va soportado el sistema
motriz y la tijera. El análisis estructural y térmico se evidencia más
adelante en el ensamble total.
Figura 37 Geometría estructura carro de piso.
69
3.5.5 Conjunto uñas, estructura guía, y porta uñas.
En la figura 37 se ve el ensamble de la uña compuesto por un porta uña (1), la uña (2) y la guía del porta uñas (3).
Figura 38 Conjunto y ensamble de las uñas.
Las condiciones iniciales para el análisis estructural de la uña se encuentran en la figura 38, el sistema de unidades se encuentra en la tabla 7, con 2523 nodos y 484 elementos, y una masa 154,16 kg.
70
Figura 39 Definición geométrica de la uña.
En las figuras 39 y 40 se encuentran los valores mínimos y máximos de
las deformaciones y los esfuerzos que sufren las piezas en operación.
Cuando se presenta un esfuerzo de 58,747 MPa la deformación
máxima es de 6,0828 mm. El factor de seguridad es de 1,4673.
9,8 KN
71
Figura 40 Análisis de deformación.
Figura 41 Análisis de esfuerzos para la uña.
72
3.6 Circuito hidráulico
En este ítem se presenta el análisis y selección de los componentes del
sistema hidráulico, el cual debe proporcionar el trabajo para activar la
estructura metálica y permitir el acceso vertical y horizontal para lograr
el objetivo.
3.6.1 Diseño del cilindro
El cilindro se someterá a una presión interna de 2000 psi, la energía
hidráulica se convertirá en energía mecánica. La fuerza en la posición
crítica es de 9526lbf. Así al reemplazar en las ecuaciones 3 y 11.
Ecuación 10
Donde:
p Presión
A Área
F Fuerza
Diámetro interno
El se aproxima a , de la tabla 5, se selecciona un tubo en
acero al carbono, bajo la norma ASTM A53, de diámetro nominal 2-1/2
73
y célula 40, cuya presión de prueba es de 2500 psi, y es admisible a las
condiciones de diseño.
Tabla 12 Tabla de tubería de acero al carbono ASTM A5340
Con la selección del tubo y el material, usamos la ecuación 12 para
conocer el esfuerzo máximo del tubo.
Ecuación 11
Donde:
Esfuerzo tangencial en r
40
Tomado de: www.vemacero.com enlace catálogos.
74
Radio interior
Radio exterior
Presión interior
El esfuerzo máximo del tubo es de 12403 psi, esto permite ratificar la
selección del tubo.
3.6.2 Diseño del vástago
Las condiciones de operación se mantienen iguales, la presión en el
punto crítico será de 2000 psi y la carga de compresión sobre el
vástago, P, es de 4460Kg.
El vástago cuenta con un diámetro de 38.1 mm, cuya sección es
circular. Para la sección las propiedades son:
A = 11.4
I = 10.3
r = 0.95
Para fines del cálculo se supone que el vástago se comporta como una
columna simplemente apoyada. El factor según los requerimientos
del AISC para es igual a 82.1, el valor para la esbeltez crítica ,
cuando el esfuerzo de fluencia del acero K100 es 80psi, equivale a 86.
Como la relación entre el factor y la esbeltez crítica es:
Se usa la ecuación 13 para encontrar el esfuerzo permisible.
75
Ecuación 12
De la ecuación 10 se obtiene el esfuerzo de compresión
Y como , el factor de seguridad equivale a 4,08, dividiendo el
esfuerzo permisible en el esfuerzo de compresión.
3.6.3 Calculo del caudal de la bomba
El cálculo se delimitará por el tiempo de elevación, el
recorrido del vástago y el diámetro interno del cilindro, en la
ecuación 14 se puede ver su relación.
Ecuación 13
Donde:
76
(Caudal requerido para los dos cilindros)
3.6.4 Selección de los accesorios
También se requieren los siguientes accesorios, que cumplan
con las condiciones de caudal y presión antes mencionadas.
Válvula distribuidora de 2 vías y 2 posiciones.
Válvula reguladora de presión de 0 a 2000 psi.
Válvula de control de flujo.
Válvula de cheque.
3.6.5 Calculo del tanque
El volumen de aceite en cada cilindro es de 1742 , como
se tienen 2 cilindros, el volumen en galones se multiplica,
para un volumen total de 0.92 Galones.
Sunfab, fabricante de depósitos para aceite, recomienda:
“Depósito con una capacidad neta mínima de 1.5 veces el
caudal de aceite y situado de manera que el nivel de aceite
quede por encima de la bomba”41. En consecuencia el tanque
debe tener una capacidad para almacenar 1.38 Galones.
41
Tomado de: http://pdf.directindustry.es/pdf/sunfab-hydraulics/deposito-aceite/39887-28394.html
77
3.6.6 Motor
Para determinar la potencia del motor tendremos en cuenta el
factor de conversión 0.000583, el caudal de la bomba y la
presión de operación. De la ecuación 15 obtenemos el valor.
Ecuación 14
De acuerdo a los cálculos de la estructura realizados
anteriormente un factor de seguridad de 1,2 sería
recomendable para los otros dispositivos de diseño.
Se aproxima a 2,5 HP
78
4. CONSIDERACIONES DE CONSTRUCCIÓN
4.1 Definición del proceso
El proceso sugerido para la construcción del mecanismo, es uno
de los aportes más importantes de este trabajo, ya que permitirá
definir el costo de construirlo y realizar el análisis contra los
costos por enfermedades laborales, incapacidades y/o
indemnizaciones por muerte a futuro.
Un proceso es una serie de actividades organizadas,
dependientes e interrelacionadas, con el fin de obtener un
producto o servicio, optimizando el tiempo de fabricación y los
costos de producción, los procesos pueden definirse para una
unidad o para miles.
Los procesos de fabricación de productos tangibles, cuentan con
la ayuda de procesos de apoyo y procesos de gestión, los
primeros sirven como respaldo de los procesos primarios
(procesos sin los cuales no habría producto), el segundo tipo
planea y coordina, la forma eficiente de ejecutar todas las tareas
que forman el proceso de fabricación.
4.2 Diagrama de operaciones
Para el desarrollo del diagrama de operaciones se han
considerado factores como el manejo de los materiales, las
condiciones físicas mínimas y los elementos de los estudios de
tiempos y movimientos.
79
4.2.1 Planos constructivos de fabricación
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
4.2.2 Estudio de tiempos y movimientos
Con el fin de optimizar la construcción del mecanismo, si se
llegará a este punto, se deben clasificar las actividades en las
siguientes categorías:
Operación: Se define como cualquier alteración intencional,
física o química, que se realiza a un objeto, a una ecuación, a
un plano, o se alista una materia ya transformada para ser
transportada, almacenada o inspeccionada.
Transporte: Representa cualquier movimiento que no sea
parte del proceso de transformación, por ejemplo entregar el
producto final en las instalaciones del cliente.
Control: Cuando sea necesario realizar una comparación o
verificación, con los patrones previamente establecidos, se
realizarán actividades de control.
Retraso: Si la ejecución de la siguiente acción conforme al
proceso no es inmediata, salvo que las circunstancias sean
inherentes, el tiempo que se tome hasta iniciar la siguiente
tarea se denomina retraso.
Almacenaje: Esta actividad consiste en custodiar, proteger,
guardar existencias que no están en proceso de fabricación. Y
las cuales pueden ser tomadas sin autorización en el momento
que las proceso las requiera.
95
5. OPERACIÓN, MANTENIMIENTO Y SEGURIDAD
5.1 Montaje del elevador electrohidráulico
5.1.1 Requisitos mínimos
Este equipo está diseñado exclusivamente para la elevación de los
cargadores previamente descritos, a un lugar de trabajo elevado.
Remover todo tipo de lubricante o sustancia que pueda
causar deslizamiento.
El suelo debe estar plano.
Se deben tener presentes las distancias mínimas
respecto a columnas, muros u otros equipos.
La altura mínima libre debe ser de 4500 mm.
La distancia mínima a lo ancho debe ser de 2000 mm.
Se debe contar con un interruptor eléctrico que cumpla
con las normas de seguridad vigentes.
Se debe contar con algún tipo de grasa multipropósito
para la lubricación inicial.
Antes de iniciar la operación:
Evitar situaciones de peligro, inspeccione el lugar de
trabajo.
Inspeccionar el equipo antes de iniciar cualquier
trabajo.
Comprobar que todas las funciones de la máquina
operan correctamente.
96
Utilice la máquina exclusivamente con el fin para el que fue
diseñada.
5.2 Mantenimiento
El mantenimiento del equipo se relaciona a continuación con
actividades diarias, mensuales y anuales.
Se recomienda llevar un registro detallado de todas y cada una
de las intervenciones que se haga al equipo, aquí se dejan
algunos modelos que pueden ser adaptados.
5.2.1 Revisión diaria:
Revisión visual de los sistemas del elevador.
Encender el elevador y colocarlo en funcionamiento, reportar
si se percibe algún ruido extraño.
Revisar el estado de todas las conexiones hidráulicas,
eléctricas, al igual que sus mangueras, cables y accesorios de
conexión.
Mantener el riel libre de objetos o sustancias que puedan
rayarlo o generar corrosión.
Encender el equipo en vacío y garantizar que funcionara
correctamente en el momento de ser requerido.
5.2.2 Mantenimiento mensual:
Limpiar el elevador y sus componentes, evitar el uso de
químicos agresivos o equipos de chorro a presión.
97
Aplicar grasa a las zonas que lo requieren como guías,
correderas, uniones de la tijera.
Verificar el nivel de aceite en el depósito y de ser necesario
completarlo.
Reportar la presencia de fisuras, roturas o dobleces en la
estructura del equipo.
Verificar el ajuste de las tuercas y/o los tornillos según sea el
caso.
Verificar el estado de la grasa, si se encuentra en mal estado o
contaminada es recomendable reemplazarla por completo.
5.2.3 Mantenimiento anual:
Extracción completa de la grasa y limpieza total para aplicar
una nueva.
Realizar la remoción de oxidación o corrosión, aplicar
nuevamente anticorrosivo y pintura.
Cambiar las mangueras del sistema hidráulico.
Realizar la purga del aire de los cilindros.
Tomar muestras de aceite hidráulico, y con los resultados
tomar la decisión de cambiarlo o no en su totalidad.
Contactar a un proveedor externo que realice mantenimiento a
los cilindros.
5.3 Normas de seguridad
Cumplir con las normas legales, las normas internas de lugar
de trabajo y el principio de cuidado personal.
Leer, comprender y cumplir las instrucciones aquí
suministradas.
98
Realizar el trabajo de forma segura y con sentido de cuidado.
Permitir el manejo de la máquina a operarios debidamente
informados y/o calificados.
5.3.1 Clasificación de los Riesgos
En la tabla 10 se relacionan los símbolos de riesgo existentes.
Símbolo Descripción
Esta acompañado por otro símbolo
y alerta sobre posible riesgo de
lesiones.
Alerta sobre una situación de
peligro, que de no atenderse
puede causar graves lesiones e
incluso la muerte.
Alerta sobre una situación de
peligro, que de no atenderse
puede causar graves lesiones e
incluso la muerte.
Alerta sobre una situación de
peligro, que de no atenderse
puede causar graves lesiones
leves o moderadas.
Indica que existe posibilidad de
daños materiales.
Tabla 13 Clasificación de riesgos. GENIE
99
A continuación, en las figuras 41 y 42, se muestran los símbolos,
pictogramas y definiciones relacionados con la operación del equipo y
sus riesgos.
Figura 42 Símbolos, pictogramas y definiciones de los riesgos. Parte 1
100
Figura 43 Símbolos, pictogramas y definiciones de los riesgos. Parte 1
101
5.3.2 El Equipo en General
De las figuras 41 y 42 se ha codificado en el esquema del equipo los
riesgos que se presentan. (figura 43).
Figura 44 Riesgos presentados en el equipo, descripción gráfica
102
5.3.3 Seguridad personal
Para el trabajo con elevador se debe usar el equipo mínimo de
protección obligatorio en la planta, debido a los riesgos externos y
no directamente relacionados con la operación:
Casco.
Gafas de seguridad.
Tapa oídos.
Guantes de carnaza o para alta temperatura, depende de la
distancia con el horno.
Overol.
Botas punta de acero resistente al calor.
Si se está muy cerca de la llama se debe usar protector facial.
5.3.4 Seguridad en el lugar de trabajo
5.3.4.1 Riesgos de electrocución
Este equipo no se encuentra aislado eléctricamente y no
cuenta con ningún tipo de protección en caso de
aproximación y/o contacto con una fuente de energía
eléctrica.
Como mínimo deben cumplirse las siguientes distancias,
en la tabla 11, recomendadas por uno de los fabricantes
más reconocidos de elevadores y grúas: GENIE. En caso
de tener contacto una línea o cable de energía aléjese de
este y no manipule el equipo hasta que haya sido des
energizado por completo.
103
Tensión de la línea Altura libre obligatoria
0 a 50 kV 3.05m
50 a 200 kV 4.60m
200 a 350 kV 6.10m
350 a 500 kV 7.62m
500 a 750 kV 10.67m
750 a 1000 kV 13.72m
Tabla 14 Altura libre obligatoria de acuerdo a los kV de la lína de
tensión más cercana. GENIE página 8.
No use el equipo como polo a tierra o masa, en trabajos
de soldadura.
No utilice el equipo a la intemperie si hay tormenta o
relámpagos.
5.3.4.2 Riesgos de volcado
El equipo no está diseñado para elevar personas, y no
debe sobrepasarse el límite de 2000 kg.
5.3.4.3 Riesgo del manejo en pendientes
El equipo debe ser posicionado en una superficie
totalmente plana, de preferencia con pendiente cero.
5.3.4.4 Riesgo de caída
104
La máquina no está diseñada para la elevación de
personas, sin embargo es necesario mantener el área de
trabajo debidamente señalizada, libre de escombros y
productos líquidos que puedan causar caídas.
Para evitar caídas del elemento transportado es necesario
asegurar que las uñas han entrado por completo en los
anillos de cargue y que es seguro iniciar los movimientos
laterales y/o verticales del elevador.
5.3.4.5 Riesgo de colisión
Antes de iniciar los movimientos del equipo verifique que
obstáculos elevados o factores de riesgo existen.
Durante la utilización de la máquina tenga en cuenta las
limitaciones visuales.
Mantenga una velocidad de desplazamiento constante, no
exceda los 10 Km/h.
Al finalizar la operación active los frenos.
5.3.4.6 Riesgo de lesiones
Verifique que no halla fugas de aceite hidráulico, aire
comprimido u otros materiales que sean un riesgo.
105
Si está cerca de puntos de combustión reduzca el tiempo
de estadía y reporte la presencia de altos niveles de
monóxido de carbono.
El contacto con las superficies inferiores del equipo
durante su operación puede causar graves lesiones.
Las reparaciones mayores solo deben ser verificadas y
ejecutadas por personal previamente entrenado y
calificado.
Evite lugares que puedan estar expuestos a campos
magnéticos.
5.3.4.7 Riesgo de incendio y de explosión
No inicie la operación si percibe olores o hay presencia de
sustancias como gas licuado, gasolina, aceite, entre otras
sustancias consideradas explosivas.
Realizar cambios en las conexiones eléctricas debe ser
ejecutado por personal previamente entrenado y
calificado.
5.3.4.8 Riesgo de aplastamiento
Mantenga el cuerpo alejado de las tijeras del equipo.
Actué con sentido común y de precaución, determine una
distancia segura para operar el equipo.
106
Asegúrese de que el elemento a cargar a quedado totalmente
ubicado en las uñas del cargador antes de iniciar la
operación.
107
CONCLUSIONES
Este proyecto demuestra la necesidad de interactuar con otras
áreas del conocimiento, sobre todo cuando se trata de aportar al
desarrollo de la industria.
El uso de la matriz QFD, permitió evidenciar los requerimientos del
cliente, que para el caso es el mismo fabricante, su interacción con
las características técnicas del producto y cual debía ser el diseño
final.
Seguir una metodología de diseño amplia el rango de visión para
diseñar, ya que se da mayor importancia a las necesidades del
cliente, en la búsqueda de satisfacer una necesidad.
Se diseñó un mecanismo que cumple los parámetros definidos,
previo análisis de diseño, y se encuentra con factores de seguridad
que equilibran la relación seguridad en el diseño y costo, los cuales
están dentro del rango de 1,2 y 1,5.
Se consolidó la información mínima para la posterior fabricación,
operación y mantenimiento del mecanismo planteado como
solución, teniendo como base uno existente en el mercado.
108
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