Universidad Católica Facultad de IngenieríaSanto Toribio de Mogrovejo

Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica eléctrica

CURSOFluidos II

Trabajo final

DISEÑO DE UNA COMPACTADORA DE ACERO

DOCENTE:

ESTUDIANTE:

CÓDIGO:

Chiclayo – 28 noviembre del 2011

INTRODUCCIÓN

El siguiente trabajo está basado en la aplicación de nociones sobre oleo-hidráulico en una maquina innovadora, se trata del de una maquina que recicla material que no deseamos, y lo compacta para así disminuir el tamaño del material reciclado y pueda ser transportado fácilmente mediante otros dispositivos que actúan junto que dicha maquina compactadora.

En la sociedad existen materiales los cuales son en la mayor parte reciclables, por ejemplo: cartón, botellas de plástico latas de aluminio u acero, etc. y que en su mayoría son de tamaños y volúmenes grandes, pero en este presente informe solo se tomaran materiales que contengas acero: varillas de aceite, laminas metálicas, tarros de pintura.

Esta máquina será diseñada para algún tipo de factoría o empresa que se dedica a compactar material reciclado de este tipo de material (acero).

En el siguiente trabajo solo veremos la parte del diseño oleo-hidráulico de la maquina compactadora de material reciclado, partiendo desde el diseño de cada uno de los elementos oleo-hidráulicos que funcionaran en su interior, los dispositivos de carga, el armado del circuito oleo-hidráulico, la determinación de la bomba y el motor que hace posible el funcionamiento de este aporte al reciclaje y la ingeniería ambiental.

ANTECEDENTES

En el Perú y en otros países el proceso de reciclaje y su adecuado manejo no es una práctica común, ya que la mayoría ve como objetos en desuso a variados artículos y simplemente se dedican a la comercialización de la chatarra y esta simplemente se ha realizado a nivel artesanal, destinada solamente a la recolección y almacenaje.

La chatarra o material orgánico e inorgánico es desuco comúnmente llamada basura ha sido un problema asociado a las ciudades que manifiestan un desarrollo industrial. La gestión en el manejo de residuos sólidos urbanos (chatarra o basura), se divide en tres etapas:

Generación y acopio de basura Recolección y transporte de basura Tratamiento y/o Disposición Final de basura

Se busca industrializar el proceso de compactación dando valor agregado por medio de la utilización de maquinaria especializada. Por las características favorables que tiene el acero para ser reciclado ya que prácticamente se puede reutilizar el ciento por ciento de este por medio del proceso de fundición.

La empresa “DEL ÁGUILA” es una empresa que se dedica a construir tanques, cargas para camiones, puertas, láminas fabricadas especialmente de acero, etc. tiene gran variedad de materiales que utilizan acero, esta empresa tiene como perspectivas aumentar la participación en el mercado nacional y fortalecer su prestigio. Es por esto y frente a la necesidad de optimizar recursos que se propone el diseño y posteriormente su construcción de una maquinaria que haga el proceso de compactación del material o merma que durante el proceso de trabajo se desprecia.

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Los residuos metálicos de las distintas fuentes, se convierten en un problema de espacio que además contaminan tanto del aire como el suelo, también resultan ser un grave problema de contaminación visual. Sin embargo en la empresa, el problema se da por la falta de espacio, por lo complicado que resulta el transporte de este tipo de materia prima y por la necesidad de que la empresa sea más competitiva.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Diseñar y construir una compactadora hidráulica de chatarra de desplazamiento angular para la empresa “DEL ÁGUILA”.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Investigar acerca del reciclaje del acero así como los métodos a ser utilizados en los procesos de compactación, y materiales disponibles en el mercado local.

Investigar códigos de los procesos de fabricación para ponerlos en práctica y diseñar la maquinaria rigurosamente.

Diseñar y seleccionar tanto elementos como componentes para la construcción de la maquinaria.

Describir los procesos para la construcción de la compactadora. Realizar las pruebas correspondientes para garantizar la efectividad de

la máquina.

MARCO TEÓRICOLo que llamamos basura es simplemente materia prima en el lugar equivocado. En esto se basa el reciclaje, se pretende en el presente trabajo ubicar al acero nuevamente en el ciclo industrial. El tiempo de vida útil de elementos constituidos por acero, forman parte de este proceso, el fin de la vida de una máquina, no es más que el inicio de una nueva. La capacidad que tienen los metales de mantener sus propiedades hace innecesaria la explotación minera, el resultado de esto es que se reduce la contaminación ambiental provocada por la industria de la minería. Para disminuir impactos ambientales se debe tener en cuenta que la explotación minera debe mantener normas industriales de desarrollo sostenible y posteriormente tratar de remediar los daños producidos. Los minerales son recursos no renovables y es ahí donde resulta importante el proceso de reciclaje de chatarra. La actividad minera está relacionada directamente con el progreso actual de la humanidad. Mediante el proceso de reciclaje se logra un ahorro energético de recursos naturales y de tiempo; por lo que se ha estimado que en la producción de acero, utilizando chatarra, se puede llegar a ahorrar un 80%, frente a la producción de la misma partiendo del mineral de hierro.

PROCESO DE RECICLAJE

Gran parte de la producción mundial de metales se realiza a través del reciclado de la chatarra metálica. En la figura 1 se muestra este proceso. El presente proyecto se enfoca en el proceso de regeneración donde la compactación es necesaria.

Figura 1: Proceso de reciclaje

Principalmente las fuentes de chatarra provienen de las empresas, donde los recortes o productos fuera de especificación son desechados. Estos desperdicios consisten de chatarra limpia. Se considera chatarra sucia no clasificada a maquinaria, materiales obsoletos y embases metálicos utilizados.

La siguiente tabla muestra las fuentes más comunes de chatarra clasificadas por tipo de metal.

Tabla 1: Fuentes más comunes de chatarra

La gestión de la chatarra se la puede resumir en cinco pasos: recolección, almacenaje, clasificación, transporte y regeneración.

RECOLECCIÓN Y ALMACENAJE

El acopio de la chatarra metálica en el Perú está regulado por la ley general de residuos sólidos y esta normalizado por: NTP 900.058. Para el almacenamiento de RR.SS, que como objetivos tiene, establece los requisitos de almacenaje limpieza y clasificación de chatarra metálica. La norma está destinada a personas naturales y jurídicas, nacionales y extranjeras que se dediquen a cualquier parte de esta actividad, sin embargo no aplica al proceso de fundición.

Existen dos tipos de centros de acopio, el artesanal y el industrial. El artesanal es donde se recibe la chatarra de los recolectores. La capacidad máxima de comercialización no puede superar las 500 toneladas mensuales. En caso de ser chatarra no ferrosa, la capacidad máxima de comercialización no debe superar las 30 toneladas de chatarra por mes. Mientras que el centro de acopio industrial es donde se recibe la chatarra de los recolectores, los centros de acopio artesanales o por compra directa a generadores industriales, estos deben tener capacidad superior a las 500 toneladas.Gracias a la nueva norma es obligatorio llevar una bitácora de ingreso con datos como peso, datos del proveedor y clase de chatarra, esto aplica para los centros de acopio industriales. Solo se debe entregar chatarra limpia, es decir libre de materiales contaminantes.

Los elementos que no se pueden recibir en los centros de acopio industriales son los detallados a continuación:

Alambres con recubrimiento de plástico Amortiguadores sellados Baterías o acumuladores Chatarra electrónica Envases de plaguicidas Explosivos Faros halógenos Filtros de combustible y de aceite Lana de vidrio o aislantes térmicos Poliuretano PVC Recipientes cerrados Silenciadores y catalizadores Tubos de escape Transformadores Compresores

LIMPIEZA Y CLASIFICACIÓN

La chatarra limpia es aquella que se encuentra libre de materiales contaminantes y de desechos peligrosos, sin embargo en cierto tipo de chatarra es inevitable la presencia de estos, por lo que se aceptarán siempre y cuando sean inherentes al tipo de chatarra o que su generación se dé durante el almacenamiento. Siempre y cuando no supere los límites máximos permisibles establecidos en la Norma“Listado Nacional de Desechos Peligrosos y Métodos de Caracterización” delMinisterio del Ambiente. El proceso de limpieza es necesario ya que la chatarra debe de encontrarse libre de desechos indeseados como los listados anteriormente o de chatarra radiactiva.Es importante deshacerse de desechos peligrosos, estos pueden ser sólidos pastosos, líquidos o gaseosos resultantes de un proceso de producción, transformación, reciclaje, utilización o consumo y que contengan algún compuesto que tenga características reactivas, inflamables, corrosivas, infecciosas, o tóxicas, que represente un riesgo para la salud humana, los recursos naturales y el ambiente de acuerdo a las disposiciones legales vigentes.

TRANSPORTE

Al igual que para el acopio de chatarra se ha determinado una norma para el transporte que incluye los requisitos y precaución para el transporte de chatarra metálica, esta establece:

El compartimiento de carga de los vehículos que transportan la chatarra metálica debe tener un cerramiento lateral y posterior. La chatarra transportada no debe sobrepasar la altura de las paredes del compartimento de carga, además tiene que estar debidamente asegurada con los elementos adecuados. En el caso de que se trate de chatarra contaminada con material radioactivo solo podrá ser transportada en vehículos especializados pertenecientes a la Autoridad Reguladora Nacional del Ministerio de Electricidad y Energía Renovables.Aparte de la Norma INEN de Transporte de Chatarra los vehículos destinados a esta actividad deben cumplir con la ley de tránsito vigentes que incluye: capacidad de caga del vehículo, límite de peso y dimensiones para transitar en vías, puentes, túneles, etc.

REGENERACIÓN DE LOS METALES EN PLANTAS DE FUNDICIÓN

La industria del acero ha reciclado por 150 años, en este tiempo se han realizado mejoras al proceso, desde finales de los años sesenta los métodos de fabricación del acero han experimentado cambios tremendos como por ejemplo el reemplazo del horno de hogar abierto y el convertidor Bessemer que han sido reemplazados por los hornos de arco eléctrico de corriente directa y los hornos básicos de oxígeno que son más eficientes. El producto compactado se envía hacia las diferentes empresas siderúrgicas, estas en su mayoría cuentan con un horno de arco eléctrico, el esquema de funcionamiento se detalla a continuación.

Horno de hogar abierto: Puede contener entre 10 y 540 TON de metal en su interior. De fondo poco profundo y la flama da directamente en la carga, el combustible generalmente es un gas, brea o petróleo.

Convertidor de Bessemer: Horno en forma de pera, se deposita arrabio o metal fundido en la chatarra fría

Horno Básico de Oxigeno: Inyecta oxígeno a presión, elevando a temperaturas superiores a los 1600 °C

Horno de arco eléctrico

Estos hornos deben ser llenados con chatarra de buena calidad, es decir con chatarra tipo A que es chatarra maciza o compactada (más adelante se muestra la descripción completa de esta clase de chatarra). Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.

Tabla 2: Horno de arco eléctrico KGYV

Fuente: ANDEC S.A.

La chatarra metálica es la materia prima para elaborar la palanquilla, la misma que se funde en un horno eléctrico de arco, se afina hasta tener la composición química requerida y se cuela en forma de palanquilla en la máquina de colada continua.En ANDEC, la palanquilla es de 130 x 130 mm de sección, con longitud variable (2,5 a 4 metros) de acuerdo al diámetro de la varilla que se quiera obtener. Se fabrica básicamente en dos tipos de calidades:

a) SAE 1026 yb) SAE 1010

ANÁLISIS DE LOS MATERIALES A RECICLAR

Según el centro internacional de investigación para el desarrollo, la fuente más común de acero incluye la Industria metal mecánica, desguace de automóviles, maquinaria industrial, repuestos, electrodomésticos obsoletos, estructuras y envases.Según el NTE INEN 01 los tipos de chatarra son los siguientes.

Chatarra ferrosa. Cualquier material ferroso de distinta procedencia, destinado al reciclaje, para ser utilizado como materia prima

Chatarra no ferrosa. Constituida por metales no ferrosos de desecho (los principales: plomo, cobre, aluminio, cinc, estaño) destinados a reciclaje para ser usados como materia prima.

Chatarra limpia. Es la chatarra que se encuentra libre de materiales contaminantes y desechos peligrosos. Se aceptará presencia de materiales contaminantes y/o desechos peligrosos en cantidades inevitables que sean inherentes al tipo de chatarra y su procedencia o que se generan durante el almacenamiento y manipuleo de la chatarra bajo condiciones atmosféricas normales y cuyo contenido de desechos peligrosos no supere los límites máximos permisibles establecidos en la Norma “Listado Nacional de Desechos Peligrosos y Métodos de Caracterización” del ministerio del ambiente. Materiales contaminantes como:

Aleaciones residuales Caucho Madera Material refractario Óxido de hierro en cantidad excesiva Piedras Plásticos Vidrio

1. Chatarra Compactada. Chatarra que ha sido procesada en prensas compactadoras para aumentar su densidad, para facilitar su transporte, almacenaje y utilización final.

2. Chatarra cortada. Chatarra que recibió un proceso previo de corte por los diferentes métodos existentes, para facilitar su transporte, almacenaje y utilización final.

3. Chatarra fragmentada. Chatarra que ha sido procesada mediante molinos (fragmentadoras), para facilitar su limpieza, clasificación, transporte, almacenaje y utilización final.

4. Chatarra metálica industrial o de generación directa. Comprende los residuos, recortes, productos fuera de especificaciones y desechos de materiales metálicos generados en los diferentes procesos de producción, además de maquinaria obsoleta o en desuso.

5. Chatarra doméstica. Está constituida por electrodomésticos no electrónicos y muebles metálicos.

6. Chatarra tecnológica. Esta constituidos por equipos electrónicos.

7. Chatarra de obsolescencia. Es la proveniente de objetos obsoletos como edificios demolidos, vehículos y sus repuestos, tecnológicos en desuso.

CLASIFICACIÓN

Chatarra clase A

Acero al bajo carbono o chatarra de acero (perfiles estructurales, planchas chapas negras o galvanizadas, tubería, acero naval, restos de maquinaria industrial, agrícola y caminera, varilla para la construcción), de espesor mayor a 3 mm, en piezas individuales de dimensiones no mayores a 400 mm por lado; de densidad mínima 800 kg/m3

Chatarra clase B – para oxicorte

Acero al bajo carbono o chatarra de acero (perfiles estructurales, planchas o chapas negras o galvanizadas, tubería, acero naval, restos de maquinaria industrial, agrícola y caminera, varilla para la construcción), de espesor mayor a 3 mm, en piezas individuales de dimensiones mayores a 400 mm por lado; de densidad mínima 500 kg/m3.

Chatarra clase C - para compactación o para prensa cizalla.

Acero al bajo carbono o chatarra de acero (hojalatas, virutas, alambre, alambrón, chapa delgada negra o galvanizada), de espesor menor a 3 mm. No deben incluirse materiales estañados, porcelanizados, con esmaltado vítreo o emplomados.

Pacas tipo 1

Pacas prensadas constituidas por desperdicio de lata nueva (lámina o chapa) negra de acero de bajo carbono. Debe estar libre de otras aleaciones y exenta de pintura u otro recubrimiento. Las pacas deben tener un tamaño máximo de500x500x500 mm y una densidad media de 800 kg/m3.

Pacas tipo 2

Pacas prensadas constituidas por lata vieja de acero al carbono procedente deCarrocerías de automóviles, lata negra, lata negra pintada, desestañada, lata de acero galvanizado, alambre, resortes. No deben incluirse materiales estañados, porcelanizados, con esmaltado vítreo o emplomados. Libre de revestimiento no metálico. Puede incluir material químicamente desestañado. Las pacas deben tener un tamaño máximo de 500x500x500 mm. y una densidad media de 800 kg/m3.

Chatarra de hierro fundido tipo 1

Hierro colado (bloques de cilindros, carcasas de motor, cajas de cigüeñal, partes de maquinaria), limpios, libres de grasa y de metales no ferrosos. Su tamaño no debe ser mayor de 500x500x500 mm.

Chatarra de hierro fundido tipo 2

Especificaciones similares a la chatarra de hierro fundido tipo A, pero en tamaños más grandes a 500x500x500 mm

TIPOS DE COMPACTADORAS DE CHATARRA

En el mercado existen distintos tipos de compactadoras de chatarra las podemos clasificar en dos grupos:

1. Por su dirección de compactación2. Por número de etapas

Por la dirección de compactación pueden ser verticales y horizontales, en las cuales se utiliza la configuración vertical para procesos de menor carga, mientras que las horizontales se emplea en aplicaciones en las que se requiera mayor capacidad.

Según el número de etapas tenemos: simple, doble y triple Compactadora

Simple.- En este grupo se encuentran las compactadoras verticales y horizontales; las cuales tienen un solo cilindro hidráulico para realizar el proceso de compactación proporcionando una fuerza de 75 TON con una presión de 3300 PSI y un motor de 15 HP proporcionando una compactación de45” a 4” o 6”. Esto varía de acuerdo al sistema hidráulico utilizado.

Compactadora doble.- Este tipo de compactadoras son horizontales, cuentan con una tapa de movimiento angular controlada con un cilindro neumático; una vez cerrada la tapa un segundo cilindro de mayor capacidad compacta la chatarra. Generan una fuerza de Compactación de 80 TON a 130 TON

Compactadora triple.- Este tipo de compactadoras son horizontales, tiene el mismo funcionamiento de la anterior, más otro cilindro de mayor capacidad ubicado a un costado, proporcionando una compactación en x, y z. Estas compactadoras se las utiliza para trabajo pesado, proporcionado una fuerza de compactación entre 85 TON a 200 TON.

ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO

Definición de características de diseño

El trabajo de la compactadora se enfocará en la deformación permanente de los desechos metálicos. Los elementos de la máquina deben estar diseñados en base a las cargas reales de la operación, tal que soporten los esfuerzos producidos al momento de compactar. El diseño de los elementos, muchas veces resulta complejo en cuanto al cálculo de esfuerzos o desplazamientos y serían vanos si están basados en cargas incorrectas o si están mal definidas las características de diseño.

Figura 2: Esquema general

Los siguientes esquemas muestran el proceso que realizará la compactadora, este da una síntesis del funcionamiento del equipo de compactación.

Figura 3: Llenado de la cámara de compactación

1. En el primer paso, la cámara de compactación debe llenarse, se puede incluso sobrepasar el borde superior.

Figura 4: Accionamiento del cilindro secundario (Puerta deCompactación angular)

2. En este segundo paso, la puerta de compactación angular realiza la primera etapa de compactación. El cierre de la puerta se lo puede hacer en varios tiempos para conseguir tener lista la chatarra para la siguiente etapa.

Figura 5: Accionamiento del cilindro primario

3. Esta tercera etapa de compactación es la definitiva, en esta se aplicará la mayor fuerza y se necesitará un cilindro de mayor diámetro que en la etapa anterior.

Figura 6: Esquema de compactación

4. En este último paso se procura usar la carrera del pistón para expulsar la chatarra ya compactada. Se requerirá de una puerta adicional para poder expulsar la chatarra compactada. Esta toma el nombre de puerta de contención.

Las medidas finales de la chatarra deben ser máximas las de un cubo de 500 mm de lado, es por esto que el ancho de la cámara de compactación tendrá esta medida. El largo de la cámara dependerá de la carrera del cilindro principal. La altura será mayor a los 500 mm sin embargo la longitud final una vez cerrada la puerta, sí tendrá estas medidas. La razón para esto es poder contener la mayor cantidad de material dentro de la cámara antes de que se realice la compactación. Si se excede en el valor de la longitud de la altura se puede tener problemas en cargar la cámara, es por esto que se considero 900mm como una buena estimación. Como muestra la figura se toma en cuenta la altura de una persona promedio para que no se dificulte el ingreso de chatarra a la cámara.

Figura 7: dimensiones de la compactadora

PRESIÓN Y FUERZA NECESARIA PARA COMPACTAR

Para determinar la presión y fuerza mínima para deforma la chatarra, se toma en cuenta el tipo de chatarra que entrará en la cámara de compactación y el porcentaje de deformación que se deberá cumplir. La compactadora está destinada a procesar los siguientes tipos de elementos:

Barriles de aceite Platinas Láminas metálicas Tarros de pintura

Se compactará solo este tipo de desechos o los de características similares, los elementos que no deberían entrar en la compactadora son por ejemplo:

Placas gruesas Latas de conteiner Motores Y materiales de características similares.

Se procedió a determinar la relación entre la fuerza y el porcentaje de deformación por medio de experimentación. El procedimiento consiste en compactar embases cilíndricos con un volumen de 3.78 x 10-3 m3 que contienen los tipos de chatarra mencionados anteriormente, para luego compactarlos con el fin de determinar cuál es el porcentaje de reducción en la longitud y la relación con la fuerza aplicada necesaria para deformar la chatarra.

Figura 8: Elementos de prueba

Como muestra la figura, se procuró tener la mayor densidad, reduciendo en lo posible el espaciamiento entre los desechos. Para esto se preparó los elementos de prueba como ilustra la figura

Figura 9: Elemento de prueba pre compactada

Para las pruebas se utilizó una prensa hidráulica manual de 100 Toneladas, carrera de pistón de 80 mm.

Figura 10: Proceso de compactación, elemento de prueba 1

Variables a medir

Variable independiente: % de CompactaciónVariable dependiente: Fuerza necesaria para compactar

Procedimiento del ensayo

1. Se procedió primero a preparar los elementos de prueba, esto consistió en llenar los depósitos cilíndricos (galones de pintura) con desechos metálicos. Estos tienen una altura de 0,19 m.

2. Se usó una prensa manual con capacidad 100 Ton, carrera de 80 mm y alzas para apoyar los cilindros cuando la carrera llegaba a su máximo.

3. La medición de la distancia se la realizó desde el centro del pistón. Hasta llegar a la fuerza de 90 Ton.

4. Se realizó el mismo procedimiento con los tres elementos de prueba.

Consideraciones del ensayo

El dado de la prensa tiene una rótula que permite el movimiento de los elementos a ser prensados. Se debe considerar esto para hacer los respectivos reajustes.Una vez que el vástago del gato hidráulico, completa su carrera, se debe regresar el vástago para ubicar las alzas y aprovechar la corta carrera del pistón.

Posibles errores

Como muestra la figura 9, la compactación se la realizó sin soportes en los lados, sin embargo con el recipiente cilíndrico de prueba se intento simular este particular.

Resultados

Tabla 3: Resultados

Ejemplos de Cálculos

Prueba 1:

Long = 0.15 mLc = 0.19 − Long = 0.04 mComp =1−ln (0.19 /0.15)=0.764 Que equivale a 76.4% de compactación.

Prueba 2:

Long = 0.12 mLc = 0.19 − Long = 0.12 mComp =1−ln (0.19 /0.12)=1.47 x 10(−3 ) Que equivale a 0.147% de compactación.

Prueba 3:

Long = 0.07 mLc = 0.19 − Long = 0.12 mComp =1−ln (0.19 /0.07)=0.54 Que equivale a 54% de compactación.

Análisis de resultados

Tabla 4: Promedio de los tres elementos de prueba

Figura 11: Análisis de resultados

La curva evidentemente tiene dos etapas, hasta la reducción del 80 % se considera la primera etapa, que se caracteriza por la reubicación del material dentro de la cámara de compactación, para esta primera fase no se necesita más allá de 10 TON y tiene un comportamiento lineal. La segunda etapa que es cuando ya se consigue una deformación permanente, tiene un comportamiento exponencial.

Figura 12 Segunda etapa de compactación

Ejemplos de CálculosPcomp=79.6+53.32+77.7

3=70.17 %

Pfuerza=10+5+103

=8.333 %

Teniendo en cuenta todos estos parámetros, se realiza la selección y el análisis de los cilindros más adelante.

CAPACIDAD VOLUMÉTRICA

La capacidad volumétrica de la compactadora está dada por el volumen de chatarra que puede entrar en la cámara de compactación. Es importante tener en cuenta que el tamaño final del material compactado debe ser máximo500x500x500 mm, es decir que el área del dado de compactación debe ser de 500x500 mm, pudiendo variar según las dimensiones de exportación, que aceptan que varíe el tercer lado.

Figura 12 Capacidad volumétrica

De acuerdo a las dimensiones de la cámara de compactación (véase la Figura 12 y 10) y del tamaño máximo del producto compactado se tiene una longitud de compactación de 900 mm, llegando a un porcentaje del 56% con el gato principal (%GP) y una reducción del 19% con el gato secundario (%GS).

%GP=100−ln 14090

(100 )=55.817 %

%GS=100−ln 9040

(100 )=18.907 %

Estos porcentajes corresponden a los pistones considerados independientemente, para hacer la analogía se hizo de esta forma debido a que el experimento se lo realizó solo con un cilindro hidráulico. Teniendo en cuenta todo el volumen de la cámara de compactación se tiene que la máquina tendrá la siguiente capacidad volumétrica.

Figura 13 Volumen 1V 1=(1.40 x 0.9−0.5 x 0.5 ) x 0.5=0.505m3V 2=0.5x 0.5x 0.5=0.125m3

V t=V 1+V 2=0.63m3cv=V 1

V t(100 )=80.159 %

Es decir que la compactadora tendrá la capacidad de reducir el volumen en un 80%.

VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN

La velocidad de deformación está relacionada con la cantidad de chatarra compactada que producirá la máquina por día. O lo que resultaría más conveniente de medir, las toneladas de chatarra compactada por unidad de tiempo, sea estos días o meses.El cliente estima comprar 300 toneladas al mes. Las que deberán ser compactadas durante este período de tiempo para su posterior transportación y venta. Para estimar la velocidad con que se deben llenar los cilindros hidráulicos, se necesita la densidad de la chatarra. Como resultaría obvio por el lector, es complicado definir la densidad de un elemento que se sabe no será homogéneo, por esta razón, el valor de la densidad se la obtendrá en base a la experimentación realizada anteriormente De esta tenemos:

1. Masa de la probeta (3.5 Lb)

M prb=1.58757 Kg

2. Volumen de la probeta

V prb=0.00378541m3

3. Densidad de la chatarra

ρ c h=M prb

V prb= 1.58757 Kg

0.00378541m3

ρ c h=419.392 Kgm3

4. Volumen de la cámara de compactación

Vt=0.63m3

5. Masa de la chatarra

Mch=V T x ρ c=264.217

6. Capacidad de la planta requerida por el cliente mensualmente

Cmes=300000 Kgmes

7. Capacidad requerida por minuto considerando 8 horas de trabajo al día y 20 días por mes.

Cmin= Cmes20 x8 x60

=31.25 Kgmin

8. Tiempo requerido para completar la compactación

Tm= MpCmin

=8.455min

Este tiempo deberá distribuirse entre la carga de la cámara de compactación, el avance y retorno de los cilindros, el cierre de la puerta de compactación angular y de contención además de la descarga de la chatarra. Es decir que el tiempo que se necesitará específicamente para compactar será de menos de 1 minuto.

Más adelante se seleccionará los cilindros a partir de este tiempo, posteriormente se determinará el caudal necesario para cumplir el requerimiento de diseño y así determinar una velocidad de deformación.

TAMAÑO MÍNIMO DE PRODUCTO COMPACTADO

El volumen final de la chatarra compactada deberá tener las siguientes dimensiones máximas, 0.5 m de alto, 0.5 m de ancho y 0.5 m de profundidad que equivale a lo que cumple con dimensiones establecidas para ser exportada o ser fundida en las diferentes industrias siderúrgicas del país.

DIRECCIÓN DE COMPACTACIÓN

Compactadoras verticales: Tienen limitaciones al momento de cargar la chatarra en el compartimento de compactación, por lo que este tipo de máquinas se usa para compactar barriles del tipo de almacenamiento de aceite entre otros.

Figura 14 Compactadora vertical

Esta compactadora tiene un mecanismo en la parte posterior para liberar al momento que el cilindro en la parte superior termina de compactar. El problema que presenta este diseño es que al contar con puertas accionadas manualmente, estas pueden resultar difíciles de cerrar y la chatarra que desborde podría resultar un problema mayor.

Compactadoras horizontales: Funciona en dos etapas: La primera es una compactación angular hasta alcanzar una posición horizontal. Una vez que esta termina su recorrido entrará a funcionar el pistón principal generando una compactación horizontal.

Luego de analizar los diferentes criterios de selección, así como los cálculos y selecciones necesarias, mostradas en los capítulos siguientes, se construirá la compactadora con las siguientes características:

1. Tamaño final estimado del producto: 500x500x500 mm2. Dirección de compactación: Horizontal – Angular3. Tipo de compactadora: Horizontal doble4. Tipo de accionamiento: Manual5. Tamaño de cámara de compactación: 900X400X1400 mm

DISEÑO

Este capítulo pretende llegar a una memoria de cálculo clara que satisfaga los requerimientos estructurales de la prensa compactadora.

Cilindro Hidráulico

Previo al diseño se necesita tener presente las partes de un cilindro hidráulico para realizar futuras referencias.

“En la figura puede apreciarse la constitución interna de un cilindro de doble efecto donde se muestran los componentes esenciales y el modo de funcionamiento. Al penetrar aceite a presión por el conducto (14) que alimenta a la cámara (13), el pistón (5) y el vástago (7) solidario a él, avanzan. Mientras tanto el aceite de la cámara (16) se desaloja hacia el depósito a través del conducto (17). Para que el vástago se repliegue volviendo a su posición original, es preciso que se invierta el proceso; esta vez el fluido debe penetrar por (17) hacia la cámara de retroceso (16) y, a la vez, el aceite presente en la cámara (13) retornará al depósito a través del conducto (14).

Figura 15 Cilindro de doble efecto

La camisa o tubo (6) suele llevar soldada o roscada la tapa posterior (1) para conseguir el cierre de esa parte. A veces el agujero de alimentación de la cámara trasera lo lleva incorporado esta misma tapa. La parte interior del tubo por donde desliza el pistón o émbolo (5), debe mecanizarse con superficie muy fina mediante un súper-acabado con objeto de facilitar el deslizamiento y reducir al máximo el desgaste de la junta dinámica (4).El cierre de la parte delantera del tubo se logra a través de la tapa (10) que normalmente se rosca al tubo ya que dicha tapa debe ser desmontable. En ella se alojan la junta estática de hermeticidad (9) y la junta dinámica de cierre (11) de la tapa y del vástago. En la parte delantera de dicha tapa se monta un anillo de caucho (12) denominado anillo rascador, cuya misión consiste en limpiar el vástago de suciedad cada vez que éste penetra en el interior del cilindro. Normalmente, el pistón (5) y el vástago (7), se construyen de formas independientes y unidas por una tuerca de fijación (3), pero también existen cilindros con el pistón soldado al vástago. En cualquier caso, y al igual que

ocurre con la camisa, el exterior del vástago debe mecanizarse con superficie muy fina para reducir al máximo el fenómeno de desgaste por rozamiento que se produce en el vástago debido a la junta de cierre. Los vástagos, a diferencia de las camisas, es conveniente que lleven algún tratamiento de endurecimiento superficial para alargar la vida del mismo.En la figura mencionada pueden observarse los dos purgadores del cilindro, el (2) para evacuar el aire de la cámara trasera y el (8) para hacer lo mismo con el aire de la cámara delantera.”

SolidWorks

El diseño de varios de los elementos de la compactadora se realizó por medio del software SolidWorks V.2009 en el módulo COSMOSWorks. El software utiliza el método de elementos finitos. Este método es aceptado como el método de análisis estándar debido a su generalidad y la idoneidad para la aplicación informática. El método de elementos finitos divide el modelo en muchos pedazos pequeños de formas simples llamados elementos efectivos, sustituyendo un problema complejo por muchos problemas sencillos que se deben resolver simultáneamente. Los elementos comparten puntos comunes llamado nodos. El software divide al modelo en partes pequeñas este proceso se llama mallado.

La respuesta en cualquier punto de un elemento es interpolado de la respuesta en los nodos de elemento. Cada nodo está completamente descrito por una serie de parámetros en función del tipo de análisis y el elemento utilizado. Para el análisis estructural, la respuesta de un nodo se describe, en general, por tres traslaciones y tres rotaciones, llamados grados de libertad. El software formula las ecuaciones que rigen el comportamiento de cada elemento teniendo en cuenta la conectividad con otros elementos. Estas ecuaciones se refieren su respuesta a las propiedades del material conocido, las restricciones y cargas. A continuación, el programa organiza las ecuaciones en un gran conjunto de sistemas de ecuaciones algebraicas y resuelve las incógnitas. En el análisis de esfuerzo, por ejemplo, el SOLVER encuentra los desplazamientos en cada nodo y, a continuación el programa calcula la deformación y el esfuerzo final.

Para el análisis de los elementos de la compactadora se ejecutó un estudio estático para calcular desplazamiento, esfuerzo y factor de seguridad.

Con el fin de obtener un mejor diseño de estos elementos y alcanzar un factorde seguridad apropiado, se realizó varios estudios con los que se pudodeterminar el material de las placas y refuerzos, además de ubicación adecuada de los mismos.

Los elementos de la compactadora que fueron diseñados en SolidWorks son los siguientes:

Puerta de contención Gancho de anclaje Soporte de cilindro principal Soporte de cilindro secundario Dado Puerta de compactación angular Paredes

Estos elementos se encuentran ilustrados a lo largo del capítulo.

FUERZA NECESARIA PARA COMPACTAR

Ahora se realizará la selección de los cilindros de doble efecto, basado en los análisis anteriores, en el que se hizo un primer análisis de cómo se comportará la chatarra y los porcentajes de compactación que se requieren en cada cilindro hidráulico.

La fuerza axial que proporciona un cilindro hidráulico depende de la presión de aceite, de la sección del émbolo y del rendimiento o pérdidas por rozamiento de las juntas dinámicas y piezas metálicas en contacto.El cilindro secundario trabajará en la primera etapa de la curva de compactación, además deberá ser capaz de vencer la elasticidad de la chatarra que no entre en la cámara de compactación. Por lo que deberá tener una fuerza mayor a las 10 toneladas necesarias para cumplir con la primera fase de la compactación.

Cilindro principal

Para la reducción de volumen dispuesta por la cámara de compactación, resulta suficiente un cilindro que con una presión de 24.99 MPa y que alcance una fuerza de 70000 Kgf La geometría del pistón es la que decide si alcanzará o no esta fuerza. Así tenemos:

Fuerza necesaria del cilindro principal F1n=6864769N

Presión del sistema P=2.499 x 107Pa

Área necesaria en el pistón principal A1n= F1np

=0.0275m2

Diámetro necesario del cilindro principal D 1n=√ 4 x Alnπ

=0.187m

Para el cilindro secundario se concluye en la siguiente geometría

Cilindro secundario

Debido a que trabaja en la primera etapa de la figura 8, por lo menos deberá superar las 10Ton.

Fuerza necesaria del cilindro secundario F2n=9.81 x 104 N

Área necesaria en el pistón secundario A2n= F2np

=3.925 x10−3m2

Diámetro necesario del cilindro secundario D 1n=√ 4 x A2nπ

=0.071m

Cabe recalcar que en el circuito hidráulico, la presión es la misma para ambos cilindros.

El cilindro principal y secundario deben cumplir con el 56 % y el 19 % respectivamente, esto quiere decir que ambos se encuentran en la primera etapa de la compactación, sin embargo se sobredimensionará el cilindro secundario debido a:

Posibles cargas con material demasiado rígido Los elementos a ser compactados pueden resultar ser de medidas

diferentes a las de la cámara de compactación por lo que se requerirá disminuir su volumen para que puedan entrar en la cámara. Esto con ayuda de las paredes de la cámara, ganchos que se ubicarán en los extremos y la puerta de compactación.

Con este sobredimensionamiento se despreciará los factores de eficiencia del cilindro hidráulico.

La sobredimensión del cilindro principal se debe a:

El rozamiento entre el dado y la base de la cámara de compactación Para alcanzar la dimensión de 500x500x500 mm no se necesita más

de 7 Ton, sin embargo esta paca resultaría poco densa y la chatarra se desprendería, es por esto que las dimensiones del lado paralelo al eje del cilindro siempre deberá ser menor.

Posibles cargas con material más rígido que los considerados en la experimentación.

En el experimento solo se consideró la longitud de compactación.

Los cilindros hidráulicos no se los adquirirá nuevos, esta decisión se tomó con el fin de abaratar los costos. Se procedió a buscar en distintos lugares como talleres, distribuidores de productos hidráulicos, lotes de chatarra y por medio de internet. A continuación una lista de estos cilindros.

Tabla 6 Cilindros

Debido a que el pistón se encuentra dentro del cilindro, resulta conveniente tomar la medida del diámetro del vástago y con este valor se entra a la tabla 7 para obtener el valor del diámetro del pistón que es determinante para el cálculo de la fuerza.

Tabla 7 Características de los cilindros

Ø Pistón(mm)

Ø Vástagos(mm)

Sección

total (cm2)

Secciones anulares

(cm2)

25 12 - 4.9 3.77 -32 18 - 8.04 5.50 -40 22 - 12.56 8.76 -50 22 28 19.63 15.83 13.4863 36 40 31.17 21 18.6070 40 50 38.48 25.92 18.8380 45 56 50.26 34.36 25.63100 56 70 78.53 53.9 40.05115 70 80 103.86 65.38 53.60125 70 90 122.71 84.24 59.10140 80 100 153.38 103.38 75.39 160 90 110 201.06 201.06 106.03180 110 125 254.47 254.47 131.75200 110 140 314.16 219.13 160.23220 140 160 330.13 380.13 179.07250 140 160 490.87 490.87 289.81

Tabla entregada en clase.

La carrera del cilindro principal deberá ser más de 1400 mm, mientras que la del cilindro secundario responde al análisis de diseño de puertas Teniendo así los siguientes valores finales de los cilindros de doble efecto que se usarán en el presente proyecto:

GATO PRINCIPAL Diámetro de pistón del gato principal seleccionado:

D 1=200mm

Área del pistón del gato principal:

A1= π4(D 12)=0.031m2

Fuerza proporcionada por el gato principal (88 Tonf):

F1=Px A1=7.852 x 105N

GATO SECUNDARIO

Diámetro de pistón del gato secundario seleccionado:

D 1=100mm

Área del pistón del gato secundario:

A2= π4

(D 22 )=7.854 x 10−3m2

Fuerza proporcionada por el gato secundario (22 Tonf):

F 1=Px A1=1.963x 105N

Tipo de fijación sobre la longitud de pandeoLa figura 16 muestra los tipos de fijación que corresponde a los cilindros

escogidos y las dimensiones necesarias.

Figura 16: Tipos de fijación de los cilindros principal y secundario

De acuerdo a la figura 16, el cilindro principal corresponde a:

Lk = 0.7L1 = 1330mm, mientras que el secundario corresponde a:Lk = L2 = 1750mm

Figura 17 Influencia del tipo de fijación sobre la longitud de pandeo

Figura 18 Diagrama de pandeo coeficiente de seguridad =3.5

De acuerdo al diagrama de pandeo, el cilindro principal puede soportar hasta 1250 KN, mientras el cilindro secundario puede soportar hasta 220 KN. Comparando con la tabla resumen mostrado a continuación, las fuerzas que resistirán los cilindros son menores a las máximas recomendadas.

Tabla 8 Resumen

DISEÑO DE LA ESTRUCTURA (BASTIDOR)DISEÑO DE LAS PAREDESLas consideraciones para estimar las medidas de las paredes laterales se dan

con dos análisis de cargas. El primer análisis, se considera el posible caso de tener la fuerza del pistón secundario directamente sobre las paredes, esto se da si tenemos las condiciones mostradas en el esquema de la Figura 1 9Donde la chatarra contenida transmitiría la fuerza hacia las paredes.

Figura 19 Caso para análisis de carga en columnas de paredes

Es importante destacar que la fuerza sería solo una componente de la fuerza total ya que el pistón tiene un movimiento angular, sin embargo se usa la totalidad de la carga para realizar cálculos conservadores.

Se toma en cuenta una columna de una pulgada de espesor. Los siguientes cálculos muestran el desarrollo de la inercia y de la fuerza crítica Pcr. Si se excede esta carga, el más ligero desplazamiento lateral generaría un momento excéntrico de flexión mayor que el momento interno elástico de restauración y la columna colapsaría.

El DCL es el siguiente:

Figura 20 Diagrama de cuerpo libre de las paredes lateralesCalculo:

Módulo de elasticidad de Acero al Carbono fuente Robert L. Norton 206.8 GPa

E=21.10210 Kgm2

F2=20x 103Kg

ΣMA=0

L0

2(F1 )=Py (L0)

Py=F 22x104

b=0.0254m y h=0.711m

El momento de inercia será:

I=b xh3

12 I=7.608 x10−4m4

L0=0.711m

¿=2.1x L0=1.493m

Fuerza critica:

Fcr=π 2 x E x I¿2 =7.107 x 107 Kg

m2

Entonces, Py < Pcr lo que sugiere que si existirá estabilidad elástica. Esto corresponde al caso de que la puerta principal no consigue cortar el material cargado.

Un segundo análisis de cargas se lo hace considerando la compactación del pistón principal. De este análisis se obtendrá el espesor de pared.

La carga para que sea máxima debe estar en el centro de la placa. Es decir que en el centro de la placa resulta más crítico el análisis. Cabe recalcar que las unidades concuerdan el momento de reemplazar con la ecuación de esfuerzo:

σ max=6Mmax

h2

Siendo h el espesor de la pared.

Una vez vista, en parte, la forma de llegar a las ecuaciones, se procede

realizar el cálculo de la pared interior de la cámara de compactación.

Factor de seguridad: n=2

Límite de fluencia A36:

Sy=206843 KNm2

Fuerza proporcionada por el cilindro principal:

F 1=785.2KN

Coeficiente de Poisson: v=0.3

Longitud de la placa:a=1.65m

Radio del área de la carga distribuida: Co=0.25m

Timoshenko pg. 147:

Mmax=F14 π

(1+v ) log( aco )+1

Mmax=129.005KN

Timoshenko pg. 108:

h=√ 6MmaxS y

n

=0.087m

Si bien el espesor de 87mm soportaría la carga, es necesario ahorrar material usando soportes laterales, pudiendo ser placas o perfiles, que resistirían una carga distribuida equivalente a un porcentaje de la carga total. Se toma en cuenta que el 60% de la fuerza se aplicará a los perfiles, mientras que la placa soportará el 40% de la misma. Se iterará este porcentaje hasta conseguir una placa de 1½plg que se considera bastante accesible en el mercado.

Fuerza: F 1=785.2KN

Fuerza que soportara el esfuerzo:

Pp=0.4(F1)

Refuerzos de pared

El perfil se lo tratará como simplemente apoyado, de ahí la expresión de momento:

M=q0x L0

2

8

Figura 23 Viga simplemente apoyada con carga distribuida

Los perfiles tienen apoyo lateral debido a que se soldará a la placa, además se usarán soportes laterales de la misma sección.

Figura 24 Configuración de la pared.

La pared lateral tendrá esta configuración debido a que es en la parte inferior derecha en la que se aplicará la fuerza.

Tabla 9 Iteración

El espesor de pared de 38mm, converge en la quinta iteración.

Ejemplos de cálculos: L0=0.9m

Pc=F1−Pp=628.16 (Fuerza para esfuerzos)

Una sexta parte de la fuerza debido al número de perfiles y a la puerta.

q0=Pc

6 L0=116.326 KN

m

Con este momento encontramos el módulo Sx

M=q0L0

2

8=11.778KN xm

Fb=0.66(Sy)

Sx= MFb

=8.628 x10−5m3

Finalmente:

Sx (61023.7 )=5.265¿3 Corresponde a un perfil C6x10.5

El análisis en SolidWorks es el siguiente:

La paredes están formadas por placas de acero ASTM A-36 de espesor de 38 mm, al igual que los refuerzos.Se aplicó una carga distribuida en un área de 500x500 mm, ya que como se comprobó en el experimento realizado, al inicio del recorrido el material se acomoda llenando los espacios vacíos sin generar carga en las paredes, esta área se consideró en la parte final del recorrido como se indica en la figura.

Figura 25 Ubicación de la fuerza en las paredes

Aplicando una carga de 785.2 KN se obtuvieron los siguientes resultados:

Tabla 10 Resultados de las paredes

Figura 26 Simulación del esfuerzo de Von Mises para las paredes

El mayor esfuerzo para el elemento es de 112,3 MPa, por lo que no supera el valor de fluencia del material.

Figura 27 Simulación del desplazamiento para las paredes

El máximo valor de desplazamiento para las paredes es de 0.31 mm ubicándose en la parte central y superior de las paredes.

Figura 28 Factor de seguridad para las paredes

Por medio de la simulación se determino que el conjunto analizado tienen un factor de seguridad mínimo de 2.

DISEÑO DE PUERTAS

Para este diseño se utilizará el programa Working Model2d, este permite realizar la simulación en dos dimensiones de los mecanismos de cierre. Enesta sección se definirá la disposición de los elementos que realizarán la compactación angular y las dimensiones del gancho para la puerta de compactación angular.

Puerta de compactación angularEste elemento se caracteriza por tener un mecanismo de cierre que corresponde al siguiente modelo:

Figura 29 Esquema de conjunto

Figura 30 Circuito vectorial

r1 + r2 r3

Utilizando la notación en álgebra compleja donde el eje x es el eje real y el eje y es imaginario:

r 1 eiФ1+r 2eiФ2=r 3 e iФ3

r 1 (cosФ1+ isenФ1 )+r 2¿

Igualando la parte real con la imaginaria se tiene el siguiente sistema de ecuaciones no lineales:

r 1¿r 1 (senФ1 )+r 2(senФ2)¿ r3 ( senФ3 )…b

El ángulo de la puerta será la variable independiente que va de 0 a 90°.

Que la puerta se abra hasta el valor del ángulo recto es lo ideal debido a que con este ángulo se tiene más espacio para llenar la cámara de compactación.

ba

r 1¿= Al realizar la div. Se elimina r3

r 1 (senФ1 )+r 2(senФ2)r3 ( senФ3 )…b

r 1¿Ф=tan−1 ( )

r 1 (senФ1 )+r 2(senФ2)

De la ecuación (b) se tiene

r 3=r1¿¿Desplazamiento de gato secundario

Este es el análisis del mecanismo, a continuación se realizan iteraciones con la ayuda de la simulación en WM2D (Working Model 2D) versión 5.0.3.37. El programa permite realizar movimientos en los eslabones previamente proyectados en Autocad.

Figura 31 Primer ajuste, puerta de compactación angular cerrada

Figura 32 Primer ajuste, puerta de compactación angular abierta

Figura 33 Dimensiones, primer ajusted 1=0.29m

d 2=0.29m

r 1=√d 12+d22=0.41m

r 2=0.12m

Ф1=tan−1( d 1d 2 )=−0.785rad

Ф2=0 ,0.1 ,…, 9 π16

Ф3 xФ2= tan−1( r 1 ( senФ1 )+r2 (senФ2)r 1 (cosФ1 )+r2(cosФ2) )

Figura 34 Desplazamiento angular del cilindro secundario

Ф3 xФ2=tan−1( r 1 ( senФ1 )+r2 (senФ2)senФ3 xФ2 )

Figura 35 Desplazamiento de vástago de cilindro secundarioEntonces, se ubicó un cilindro pequeño de tal forma que la puerta se abriera totalmente. Los inconvenientes que tiene esta configuración se ilustran en la siguiente gráfica.

Figura 36 Durante la etapa de compactación del cilindro principal

Cuando la máquina este operando, la puerta corre el riesgo de trabarse, debido a que la distancia desde el extremo derecho hasta el acople con el vástago provoca un momento muy grande, es por esto que la magnitud del vector r2 debe ser lo suficientemente grande como para evitar este efecto. Otra forma de solucionar este problema es ubicando en el extremo, un cerramiento que soporte toda la fuerza que aplicaría el cilindro principal en su etapa de compactación. De esta forma esta configuración sería la correcta. Sin embargo, la función de este mecanismo no se resume en soportar la segunda etapa de compactación ya que además deberá ser capaz de solventar otro tipo de cargas (véase 4.1 cilindro secundario).

Por todas estas razones, se concluye que:

Usar un cilindro con poca carrera no es conveniente, La magnitud del vector r2 será lo más cercana posible al extremo

de la puerta. En lo posible d2 tendrá la menor distancia para no sobredimensionar

la carrera del cilindro, sin embargo siempre estará direccionada hacia la parte posterior de la máquina para poder usar todo el alcance del cilindro.

Ajuste de Diseño 2

Figura 37 Segundo ajuste, puerta de compactación angular cerrada

Figura 38 Tercer ajuste, puerta de compactación angular abierta

Figura 39 Dimensiones, segundo ajuste d 1=0.65m

d 2=0.13m

r 1=√d 12+d22=0.663m

r 2=0.9m

Ф1=tan−1( d 1d 2 )=−1.373 rad

Ф2=0 ,0.1 ,…, 9 π16

Ф3 xФ2=tan−1( r 1 ( senФ1 )+r2 (senФ2)r 1 (cosФ1 )+r2(cosФ2) )

Figura 40 Desplazamiento angular del cilindro secundario

Ф3 xФ2=tan−1( r 1 ( senФ1 )+r2 (senФ2)senФ3 xФ2 )

Figura 41 Desplazamiento de vástago de cilindro secundario

La carrera del pistón es determinante para conseguir un mayor momento en la puerta. Por lo que se buscará un pistón con un alcance mayor al de la segunda iteración.

Ajuste de Diseño 3

Figura 42 Tercer ajuste, puerta de compactación angular abierta

Figura 43 Tercer ajuste, puerta de compactación angular cerrada

Figura 44 Dimensiones, tercer ajuste

d 1=1.241m

d 2=0.1m

r 1=√d 12+d22=1.245m

r 2=1.23m

Ф1=tan−1( d 1d 2 )=−1.49 rad

Ф2=0 ,0.1 ,…, 9 π16

Ф3 xФ2= tan−1( r 1 ( senФ1 )+r2 (senФ2)r 1 (cosФ1 )+r2(cosФ2) )

Figura 45 Desplazamiento angular del gato secundario

Ф3 xФ2=tan−1( r 1 ( senФ1 )+r2 (senФ2)senФ3 xФ2 )

Figura 46 Desplazamiento de vástago de cilindro secundario

Figura 47 Ubicación de la fuerza en puerta de compactación angular

Luego de realizar el estudio correspondiente se obtuvieron los siguientes resultados:

Tabla 11 Resultados de puerta de compactación angular

Figura 48 Simulación del esfuerzo de Von Mises para la puerta de compactación angular

El mayor esfuerzo para la puerta de compactación angular es de 165,6 MPa, no supera el valor de fluencia del material.

Figura 49 Simulación del desplazamiento para la puerta de compactación angular

El mayor desplazamiento que se da en el elemento, tiene un valor de 0.69 mm.

Figura 50 Factor de seguridad para la puerta de compactación angular

Se determino que el conjunto analizado tienen un factor de seguridad mínimo de 1.5

Puerta de ContenciónSe modelo los componentes de la puerta utilizando una placa de acero ASTM A-36 de 38 mm de espesor, también se colocaron refuerzos verticales del mismo material, además los refuerzos horizontales van a ser a acero 1020 de un espesor de 40mm.Se aplicó una carga distribuida en un área de 500 x 500 mm que es área del dado como se indica en la figura, la carga aplicada obteniendo los siguientes resultados:

Figura 51 Ubicación de la fuerza en la puerta de contención

Tabla 12 Resultados de simulación de la puerta de contención

Figura 52 Simulación del esfuerzo Von Misses de la puerta de contención

Como se observa en la tabla 4.7, el mayor esfuerzo tiene un valor de 240.84 MPa, el cual no supera el valor de fluencia del acero A-36.

Figura 53 Simulación del desplazamiento de la puerta de concentración

El mayor desplazamiento de la puerta de contención tiene un valor de 0.38

mm, ubicándose en la parte inferior de la misma.

Factor de SeguridadEl factor de seguridad se determino con el criterio VonMisess:

FOS=( σlimiteσvonMisess )=−1.49 rad

Figura 54 Simulación del factor de seguridad de la puerta de contención

De donde se determinó que los elementos analizados tienen un factor de seguridad mínimo para este elemento es de 1.1.

Esta puerta se caracteriza por ser accionada manualmente, el mecanismo de cierre es el siguiente:

Figura 55 Mecanismo de cierre

Figura 56 Accionamiento de mecanismo de cierre

En este primer bosquejo se muestra la forma de operar el mecanismo, las dimensiones finales de la matriz de los ganchos de la pared de contención son los siguientes:

Figura 57 Dimensiones finales

El gancho de anclaje es de acero 1020, de un espesor de 40 mm, se le aplicó una carga distribuida de 130.866 KN (14 ton) como se indica en la figura, obteniendo los siguientes resultados:

Figura 58 Ubicación de la fuerza en gancho de anclaje

Tabla 13 Resultados de simulación del gancho de anclaje

Figura 59 Simulación del esfuerzo Von Mises del gancho de anclaje

El mayor esfuerzo en el gancho de anclaje es de 254.81 MPa el cual no supera el valor de fluencia del acero 1020

Figura 60 Simulación del desplazamiento del gancho de anclaje

El mayor desplazamiento que se da en este elemento, es en la parte superior del gancho con un valor de 0.10 mm.

Figura 61 Simulación del factor de seguridad del gancho de anclaje

Se determinó que el factor de seguridad mínimo es de 1.4 para el elemento analizados.

SOPORTE DEL CILINDRO PRINCIPALEn este elemento se encuentra 2 perfiles W5X16, 2 UPN 200, 2 L102x76x16, una placa de 20 mm de espesor base del motor, 1 placa de 38 mm soporte del cilindro, también se encuentra sobre este la estructura que soporta el recipiente de aceite. Todos estos elementos son de acero ASTM A-36Se aplicó carga en los elementos que sujetan la parte posterior del cilindro principal, estos están soldados al piso y a la placa posterior de la compactadora.

El valor de las cargas aplicadas son los siguientes: Peso del motor y bomba: 1420 N Peso del recipiente de aceite (lleno): 3919 N Fuerza del cilindro principal: 785200 N

Figura 62 Ubicación de la fuerza en soporte del cilindro principal

Al realizar la simulación se obtuvieron los siguientes resultados:

Tabla 14 Resultados del soporte del cilindro principal

Figura 63 Simulación del esfuerzo de Von Mises del soporte del cilindro principal

El mayor esfuerzo para este elemento es de 150 MPa, por lo que no supera el valor de fluencia del material.

Figura 64 Simulación del desplazamiento del soporte del cilindro principal

El mayor desplazamiento para el elemento es de 0.87 mm, ubicado en la parte superior del soporte.

Figura 65 Factor de seguridad del soporte del cilindro

principal

El elemento analizado tiene un factor de seguridad mínimo de 1.6.Análisis del DadoEl dado está formado por placas de acero ASTM A-36 de espesor de 38 mm, al igual que los refuerzos.Se aplico una carga distribuida en un área de la cara del dado, ya que va ser esta en donde va aplicarse la reacción de la fuerza que genera el cilindro

principal.

Figura 66 Ubicación de la fuerza en el dado

Aplicando una carga de 785.2 KN se obtuvieron los siguientes resultados:

Tabla 15 Resultados del Dado

Figura 67 Simulación del esfuerzo de Von Mises para el dado

El mayor esfuerzo para el elemento es de 108.5 MPa, no supera el valor de fluencia del material.

Figura 68 Simulación del desplazamiento para el dado

El mayor desplazamiento que se da en el elemento, es en su parte inferior y superior con un valor de 0.14 mm, siendo un desplazamiento relativamente pequeño.

Figura 69 Factor de seguridad para el dado

Se determino que el elemento analizado tiene un factor de seguridad mínimo de 1.6

DISEÑO DE JUNTAS EMPERNADAS

Se tiene a consideración una carga estática, la fuerza primaria aplicada a los pernos es de tensión, cortante o una combinación de ambas. El uso de estos pernos no son críticos debido a las pequeñas cargas que soportarán. Por esta razón, la selección será basada en la facilidad de manipulación, ensamble y costo. Debido a que el uso de pernos será escaso, el sobredimensionamiento no reincidirá en el precio.

Soporte de cilindro principal

Figura 70 Junta a ser empernada

Figura 71 Fuerza con la que pandea el cilindro principal

La fuerza Fp1 solo aparecerá si se produce pandeo. Este fenómeno ya se consideró y es poco probable que suceda.

Área de esfuerzo a la tensión de la cuerda, para un perno de diámetro mayor 5/8 plg.

A t=145.8mm2

Resistencia de prueba del acero usado en el perno, SAE Grado 5.

Sp=586064 KPa

Fuerza de tensión inicial, idealmente el perno debería apretarse hasta este valor. El coeficiente 0.9 proviene de la constante Ki para usos en cargas estáticas. Este valor es casi igual a la carga de prueba.

Fi=0.9 (At ) (Sp )=7.69 x 107Kpa

Para cargas que tienden a partir el perno, mientras más alta sea esta tensión inicial, mayores serán las fuerzas de fricción que resistan el movimiento relativo al cortante.

Se considera un coeficiente de fricción de 0.4 Por lo que se estima que el valor Ff para romper la fricción está alrededor de:

Ft=0.4(Fi)=3.076 x107 Kpa

Considerando cuatro pernos se tiene:

4 Ft=1.23 x108KN

Si la fuerza de pandeo es mayor que este valor, entonces los pernos podrían fallar. Sin embargo es poco probable debido a que en el análisis de pandeo, el gato no sufrirá este fenómeno.

Pernos de anclaje de motorPartiendo del agujero presente en la base del motor, se encontrará el material necesarios par a que el perno de 12.7mm de diámetro soporte el torquedel motor.

Figura 72 Conjunto motor, placa base de motor

Figura 73 Diagrama de cuerpo libre del motor

Se realizarán los cálculos con las potencias y velocidades angulares mostradas a continuación, estas serán verificadas en el numeral 4.5.2.

Pot=30Hp

n=1750 rpm

dis=0.27m

n1=n 2π60

=183.26 rads

Pot 1=pot (745.7 )=2.273104W

T=Pot 1n1

=122.073N .m

∑ Fy=0Fm1−Fm2=0Fm1=Fm2

∑MA=0−T+Fm2(d )=0

Fm2= Tdis

=452.121N

Considerando un solo perno se tiene:

F2 t=Fm22

=226.061N

Dp=12pul

Dp1=12

(25.4 )=12.7mm

Ap=π4(Dp 1¿¿2)=126.667mm2¿

Fs=3

Sy=F 2t (Fs)Ap

=5.354Mpa

Se seleccionó pernos grado SAE 5 de 13 mm (1/2'') de acuerdo a catálogos de pernos considerando en el futuro una repotenciación de la compactadora, incrementado la potencia del motor y la capacidad de la bomba. Este mismo tipo de perno se usará en la placa base que soportará el motor y la bomba.

SELECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA

TIPO DE BOMBA

El tipo de bomba será de pistones, estas son bombas de alta presión en las que se obtienen caudales muy variables y con rendimientos muy elevados. Para esta aplicación resulta conveniente este tipo de bomba oleohidráulica debido a la presión que se necesita alcanzar. La bomba seleccionada a continuación ofrece un alto rendimiento para las condiciones dadas.

Se debe realizar el proceso de compactación según lo visto en la sección anteriormente. De ahí se tiene para la carrera del pistón principal:

Tmin=0.5min Tiempo medio del pistón principal

El caudal necesario para la aplicación, considerando la velocidad del motor de 1800 rpm, se indica a continuación.

.

n=1800Rpm Velocidad del motor

Q=12 (L1 )(A1)231(Tmin)

=25.296 galmin (0.101 m3

min )Caudalfactorde seleccionmaximodesplazamiento geometrico

Fsel=Q(231)

n=3.246 pul

3

rev

El fabricante Vickers resulta ser uno de los mejores en el mercado, es proveedor de empresas como EATON y Caterpillar. La familia de bombas PVH son de desplazamiento variable, esto ayudará a controlar las necesidades de flujo a lo largo de la carrera del pistón. Es una bomba de pistones axiales debido a su disposición con respecto al eje de la bomba.

Se recurre al catálogo para concluir con la selección.

Se selecciona la bomba PVH74C RF 1S 10 C25 31 que tiene las siguientes

características:

Máximo desplazamiento geométrico: 73,7 cm3

rev

Diseñado para: aplicaciones móviles

Tipo de brida en el motor: SAE “'C”' 4–bolt type

Sentido: a favor de las agujas del reloj.

Configuración: bomba simple

Puertos principales: SAE 4 bolt flange ports

Tipo de eje: SAE ”'C” straight keyed (con chaveta)

Sello del eje: Simple de una vía

Número de diseño: 10

Rango de ajuste de presión: 1015 a 3625 psi (70 a 250 bar)

Ajustes de fábrica: 3625 psi (250 bar)

Características especiales: Thru-drive SAE “'A”' pad cover

Figura 74 Curva característica de la PVH74

Si se mantiene a una presión de operación de entre 1500 y 3000 psi, la eficiencia de la bomba no será menor del 95% y entre estas presiones, el caudal no estará por debajo de los 34 gal/min. Valores finales:

Fsf=4.5 pul3

Rev=73.7 cm

3

Rev(desplazamiento geometrico final)

Qf=4.5 Fsf(n )

231=35.065 gal

min=0.133 m3

min(caudal fianl)

tmf=12 (L2 ) (A 1 ) (60 )231 (Qf )

=21.642 segtiempomedio final

t 2=12 (L2 ) ( A2 ) (60 )

231 (Qf )=4.112 segtiempo del gato secundario

Todos los datos de las características de la bomba están referidos con el uso de aceite hidráulico anti desgaste SAE 10W a 50°C

TIPO DE MOTOREl motor eléctrico es una máquina que transforma energía eléctrica recibida de la red en energía mecánica rotacional en el eje. De esta forma se puede accionar la bomba ya que se cuenta con una red eléctrica cerca de la empresa. Para la compactadora se utilizará un motor de inducción del tipo de jaula de ardilla, estos son los más usados en las industrias debido a que es de bajo costo, bajo mantenimiento, la adquisición es más fácil, tiene un alto grado de protección y es bastante robusto.

La presión y el caudal son los parámetros de carga que definirán la potencia del motor.

Qf=35.065 galmin

=0.133 m3

min

T=P (Qf )(36.77)

n =2.597 x103(torque )

HP=P (Qf ) ¿ ¿1714

=74.16( potencia requerida)

Se usará un motor de menor potencia ya que la bomba posee caudal variable y se puede sacrificar caudal en un primer tramo de la carrera del pistón, mientras que se usará menor caudal y toda la presión cuando el dado requiera mayor fuerza.El motor tendrá las siguientes características:

Potencia:HP=30Hp Velocidad : n=1.8 x10−3rpmSISTEMAS DE CONTROL

El sistema de control cuenta con los siguientes elementos:

ManómetroVálvulas 4/3Medidor de nivel y temperatura del aceite

ManómetroSe seleccionó un manómetro de tipo Bordón Bayonet con amortiguamiento de Glicerina de un rango de 0 a 4000 psi (0 a 28 MPa) con conexión de ¼’’ NPT.

Figura 75 Manómetro

Válvulas

Se optó por una válvula de 3 posiciones de mando manual, de marca KOEHRINCS-Musto Divission, de 5000 psi.

Figura 76 Válvula y mando

Medidor de nivel y temperatura del aceite

Se eligió un medidor de nivel tipo LGI-ST marca IFP, este tipo de medidor de nivel incluye un termómetro, el aceite no debe superar los 50 °C, y un mínimo de ¼ sobre el nivel.

Figura 77 Medidor de nivel LGI

Sistema de SeguridadPara el desarrollo de este tema se va tomar en cuenta la seguridad del la maquinara y la del operador, debido a que no solo es importante utilizar elementos que protejan las partes más sensibles o costosas de la máquina sino también que el operador tenga la confianza para desarrollar sus habilidades y de esta manera se pueda aprovechar al máximo las capacidades de ambos.

Para la seguridad de la máquina se requiere que cuente con los siguientes elementos:

Válvula de alivio

Botón de parada de emergencia

Válvula de alivioEl mando cuenta con una válvula de alivio de presión incorporada, garantizando el funcionamiento del circuito hidráulico.

Figura 78 Válvula de alivio regulableCIRCUITO HIDRÁULICO

Figura 79 Circuito hidráulico

Tabla 17 Componentes

Cantidad Denominación del componente 1 Grupo matriz 2 Válvula de 4/3 (vías/posiciones)2 Cilindro de doble efecto

El cilindro secundario cierra la puerta angular

SIMULACIÓN DE FUNCIONAMIENTO DE LA COMPACTADORA EN FLUIDSIM

Figura 95 Esquema hidráulico de la primera etapa

Figura 80 Diagrama hidráulico de la primera etapa

Una vez que está completamente cerrado el operador suelta el mando y la válvula regresa a su posición neutra.

Figura 81 Esquema hidráulico de la segunda etapa

Figura 82 Diagrama hidráulico de la segunda etapa

Se pone a funcionar el cilindro principal.

Figura 83 Esquema hidráulico de la tercera etapa

Figura 84 Diagrama hidráulico de la tercera etapa

El operador deja de accionar el mando del cilindro principal, la válvula secoloca en su posición neutra, el operador abre la puerta de contención y nuevamente acciona el cilindro principal para liberar la paca.

Figura 85 Esquema hidráulico de la cuarta etapa

Figura 86 Diagrama hidráulico de la cuarta etapa

Una vez expulsado la paca se coloca la válvula para el retorno del cilindro principal y luego del cilindro secundario.

Figura 87 Esquema hidráulico de la quinta etapa

Figura 88 Diagrama hidráulico de la quinta etapa

MANGUERAS HIDRÁULICAS

TAMAÑO

La transmisión de potencia por medio de un fluido presurizado varía con la presión y la velocidad del flujo. El tamaño de los componentes (mangueras y terminales) debe ser adecuado para mantener al mínimo las caídas depresión y evitar daños debido a la generación de calor o a una velocidad excesiva del fluido.

PRESIÓN

La selección de la manguera y del terminal se debe hacer de modo que la presión máxima de trabajo recomendada del latiguillo sea igual o mayor que la presión máxima del sistema. Los golpes de ariete y las puntas de presión deben ser inferiores a esta presión máxima de trabajo. En el catálogo, las presiones se especifican en mega pascales. p.e. 27,6 Mpa=276 bar=4000 psi

Las mangueras se calcularon de acuerdo al catalogo una vez que hayamos el caudal y la presión máxima

TEMPERATURA

Antes de dar por sentado que se ha hecho una selección correcta de la manguera, hay que considerar cuidadosamente la temperatura del fluido y la temperatura ambiente de la manguera en combinación con el fluido transportado y el ambiente.

COMPATIBILIDAD CON EL FLUIDO

Para conseguir una larga vida útil y un funcionamiento sin fugas, es vital que el latiguillo (tubo interior de la manguera, cubierta exterior, terminales y juntas teóricas) sean químicamente compatibles tanto con el fluido transportado como con el ambiente que rodea a la manguera. (La tabla de resistencia química que figura en el catálogo indica sólo la resistencia del tubo interior de la manguera frente al fluido respectivo)

TERMINALES DE MANGUERA

Los terminales tienden a especificarse en función de la lumbrera de la máquina donde se instalará la manguera, y en esto influye mucho el país de origen. A pesar de los muchos esfuerzos que se están haciendo por normalizar y racionalizar los tipos de conexión, aún existen muchos sistemas de conexión debido a las diversas normas nacionales o internacionales, e incluso normas específicas de un cliente o de un segmento de mercado. En general, se emplean cinco sistemas principales de terminales para las conexiones hidráulicas, aunque la lista general es mucho más larga.

Se selecciono el siguiente tipo de manguera:

MANGUERA DE ALTA PRESION

Manguera hidráulica fabricada bajo Norma DIN 20022-2SN

Uso: En equipo y maquinarias de construcción, agrícolas, mineras y transporte en general, en líneas de alta presión, para el transporte de aceites minerales, hidráulicos, emulsiones de agua y aceite.

Resiste temperaturas entre -40° y +100° C máximo y en lapsos cortos de hasta 125° C

Figura 89: tipo de manguera

Tubo interior: De caucho sintético resistente a los aceitesRefuerzo: Dos mallas trenzadas de alambre de acero endurecida y templadoCubierta: Caucho sintético resistente a la abrasión e intemperie

Tabla 16: Especificaciones Técnicas

Se selecciono el tipo de manguera:

Medida 10 Diámetro de 5/8/15.9(pul/mm)Presión de trabajo 250 bares

Tabla para seleccionar el aceite:

CONCLUSIONES

Se diseñó la compactadora con una estructura capaz de resistir 88000 Kgf, esta fuerza corresponde a la capacidad máxima con una presión en el cilindro principal cuyo diámetro es 200 mm.

La compactadora horizontal tiene beneficios contundentes en comparación con las de dirección vertical. La compuerta permite realizar la compactación desde el instante que se cierra.

Los resultados de las pruebas fueron satisfactorios. Con la presión de 2500 psi se obtienen chatarras más compactas y más densas que las producidas con la presión de 2200 psi.