Prototipo de mesa de trabajo para varilla metálica en ...

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:

[email protected]

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.

25



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:


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.

26



Figura 3. Prensa para la varilla. Fuente:


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:


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.

27



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:


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.

28



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:


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.

29



Figura 10. Desplazamientos resultantes. Fuente:


Figura 11. Valores de deformación unitaria. Fuente:


Figura 12. Factor de seguridad del brazo. Fuente:


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

30



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.


Figura 15. Deformaciones resultantes de la

estructura. Fuente: Elaboración propia.

Figura 16. Deformaciones unitarias de la estructura.


Figura 17. Factor de seguridad de estructura.


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:


Figura 20. Mallado de varilla extensible. Fuente:


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:


Figura 22. Desplazamientos de varilla extensible.


32



Figura 23. Deformación unitaria de varilla

extensible. Fuente: Elaboración propia.

Figura 24. Factor de seguridad de varilla extensible.


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.

33



Figura 26. Tensión de Von Mises apoyo de varillas.


Figura 27. Desplazamientos en apoyo de varillas.


Figura 28. Deformaciones unitarias de varilla

extensible. Fuente: Elaboración propia.

Figura 29. Factor de seguridad de apoyo de varillas.


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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