Baltuano Edwin Diseño Maquina Compactadora Latas Bebidas Aluminio

PONTIFICIAUNIVERSIDADCATLICADELPER

FACULTADDECIENCIASEINGENIERA

DISEODEUNAMQUINACOMPACTADORADELATASDEBEBIDASDEALUMINIO

TesisparaoptarelTtulodeIngenieroMecnico,

quepresentaelbachiller:

EDWINANTONIOBALTUANOPARRA

ASESOR:ING.BENJAMNBARRIGAGAMARRA

Lima,agostodel2013

RESUMEN

Lapresentetesiscomprendeeldiseodeunamquinacompactadoradelatasdebebidasdealuminio,lacualtienecomofuncinprincipalalcanzarunacompactacindeporlomenosunquintodelvolumeninicialdelalata.Lamquinahasidodiseadaparaaplastarlatasdegaseosas,cervezasybebidasenergizantespreviamentedrenadasmanualmenteencasosearequeridoyseconsideraquepodrserutilizadaenpequeosnegocios,centroscomercialesocentrosdeacopiosdemetalesfacilitandoycolaborandoelreciclajedealuminio.

Lalatavacaingresaalamquinaatravsdeunarampaquealimentalacmaradecompactado,endichacmaraserealizaprimeroelpre-compactadomedianteunpunznyluegosecompactaconunbloquemedianteunmecanismobiela-manivelaquegarantiza,porlageometradelamisma,quelalatasereduzcaalaquintapartedesuvolumeninicial.Finalmentelalatacompactadacaeatravsdeunaranurahaciaundepsitoubicadoenlapartebajadelamquina.

Lamquinahasidodiseadalomscompactaposibleyocupaunespaciode655mmdelargopor260mmdeanchoyunaalturade1070mm.Ademsposeeguardasdeseguridadparaprotegerloselementosmvilesexpuestosquepudierancausardaoalgunoaloperador.

Elaccionamientodelamquinaseratravsdeunamanija,lacualseroperadadeformarotacionalporunapersonadeformasegurasincausarfatigaomolestiaalgunadebidoalasconsideracionesergonmicaseneldiseo.Lamquinatieneunacapacidaddecompactarcomomnimo9latasporminutodeformacontinua.

Enlaprimerapartedelatesissepresentaelestadoactualdelatecnologaylosensayoshechossobrelaslatasdealuminioendistintasformasdecompactado,loscualesfueronrealizadosenelLaboratoriodeMaterialesdelaPontificiaUniversidadCatlicadelPer.Luegosepresentanlosresultadosdedichosensayos,conloscualessedeterminalaformamseficientedecompactado,esdecirlaformaquerequierelamenorfuerzaparalacompactacin.

LametodologapropuestaenelpresenteproyectoestbasadaenlasrecomendacionesdelaAsociacinAlemanadeIngenieros(VDI).VDI2221,conelttulodeMetodologadeDiseoenIngeniera,eseldocumentoapartirdelcualsehanextradolasdirectricesquedanlaestructuraycoherenciaalplanmetodolgicodediseodelpresenteproyecto.Posteriormentesedeterminaunaalternativadesolucinptimayserealizantodoslosclculosnecesariosparagarantizarelcorrectofuncionamientodelamquina.

Finalmenteserealizunanlisiseconmicodelafabricacinyensamblajedelamquina,obtenindoseuncostoaproximadodelprimerprototipode$430,costoquedisminuirsiseconsideraunaproduccinenserie,porloqueseestaracumpliendoconlodeseadoenlalistadeexigencias.

i

GraciasaDios.

Amispadres,porsuamoryapoyoincondicional.

Amihermanoquemecuidayguadesdeelcielo.

Atodaslaspersonasqueconfanenm.

v

AGRADECIMIENTOS

Ing.BenjamnBarriga.ProfesoratiempocompletodelaseccindeIngeniera

Mecnica.Poreltiempodedicadoalaasesoraylosconocimientosbrindadoshaciala

presentetesis.

DanteHermozaFranco.CompaerodegrupodelcursoProyectoMecnico1.Porsu

apoyoyaportealproyectodediseodelaprimeramquinacompactadoradelatas.

vi

NDICEDECONTENIDOPg.RESUMENiAPROBACIONDELTEMARIODETESISiiDEDICATORIAivAGRADECIMIENTOSvINDICEDETABLASviiiINDICEDEFIGURASix

INTRODUCCIN1

CAPTULO1:DETERMINACINDELOSPARMETROSDEDISEO31.1Estadodelatecnologa.31.2Ensayosrealizadossobrelaslastasdealuminio.71.3Listadeexigencias.11

CAPTULO2:DISEODELAMQUINA152.1Estructuradefunciones.152.1.1Abstraccin:Cajanegra(Blackbox).162.1.2Secuenciadeoperaciones.172.1.3Fijacindelosprocesostcnicos.172.1.4Representacindelaestructuradefunciones.192.2Matrizmorfolgica.202.3Conceptosdesolucin.232.4Determinacindelconceptodesolucinptimo.262.4.1Descripcindelfuncionamientodelasolucinptima:Prototipo2.292.5Clculosyseleccindecomponentes.292.5.1Diseoyclculodefuerzasenelresorte.312.5.2Clculodelmomentotorsorrequeridoporelmecanismo.342.5.3SeleccindelacadenaBS/ISOyclculodelafuerzaergonmicadeloperador.382.5.4Clculoderboles.40

vii

2.5.4.1Clculopreviodelrbolprincipal.402.5.4.2Clculodefinitivodelrbolprincipal.462.5.4.3Clculopreviodelrbolsecundario.472.5.4.4Clculodefinitivodelrbolsecundario.512.5.5Clculodelasunionesporchavetasdecarasparalelas.522.5.6Clculodelospasadores.552.5.7Clculodelasclavijas.582.5.8Clculoyverificacindelasbielas.602.5.9Clculoyverificacindelasmanivelas.622.5.10Seleccindeltamaoynmerodebillasparalacmaradecompactado.642.5.11Seleccinderodamientosdelrbolprincipal.682.5.12Clculodetornillos.692.5.12.1ClculodelauninatornilladaUTT,guasangularestapa.692.5.12.2ClculodelauninatornilladaUAR,basedelresortecompactador.70

CAPTULO3:PLANOS73

CAPTULO4:COSTOSDEFABRICACION754.1Costosdeadquisicindeelementosnormalizados764.2Costosdeadquisicindeelementosestructuralesyplanchasmetlicas774.3Costosdeadquisicindematerialesparaloselementosdemquina784.4Costosdemaquinadoyensamble784.5Obtencindecostostotales79

CONCLUSIONES80

BIBLIOGRAFA82

ANEXOS

viii

NDICEDETABLASPg.Tabla1.1.Ensayossobrelatasdealuminio.8Tabla1.2.Listadeexigencias.11Tabla2.1.Matrizmorfolgica.20Tabla2.2.EvaluacindeconceptosdesolucinValortcnico.26Tabla2.3.EvaluacindeconceptosdesolucinValoreconmico.27Tabla2.4.Resultadosdelasolucindelmecanismo.37Tabla2.5.Factordeconcentracindeesfuerzos.45Tabla2.6.Dimetrosdelasseccionesdelrbolprincipal.45Tabla2.7.Factoresdeseguridadporseccionesdelrbolprincipal.46Tabla2.8.Dimetrosdelasseccionesdelrbolsecundario.51Tabla2.9.Factoresdeseguridadporseccionesdelrbolprincipal.51Tabla2.10.Seleccindechavetas.55Tabla3.1.Listadodeplanos.74Tabla4.1.Preciosparcialesdeloselementosnormalizados.76Tabla4.2.Preciosparcialesdeelementosestructuralesyplanchasmetlicas.77Tabla4.3.Costosdeadquisicindematerialesparaloselementosdemquina.78Tabla4.4.Costosdemaquinadoyensamble.79Tabla4.5.Obtencindecostostotales.79

ix

NDICEDEFIGURASPg.Figura1.1.Compactadoradelatasmanual.4Figura1.2.Compactadoradelatasaccionadaapedal.4Figura1.3.Compactadoradelatasconmecanismobiela-manivela.5Figura1.4.Compactadoradelatashidrulica.5Figura1.5.Compactadoradelatasneumtica.6Figura1.6.Compactadoradelatasconmotorelctrico.6Figura1.7.Resultadosdeensayosdelatasdecervezasygaseosas.9Figura1.8.Resultadosdeensayosdelatasdebebidasenergizantes.9Figura1.9.Compactadodelatasdebebidasenergizantes.10Figura2.1.Diagramadeflujoparaeldiseo.15Figura2.2.Blackbox.16Figura2.3.Estructuradefunciones.19Figura2.4.PrototipodesolucinN1.23Figura2.5.PrototipodesolucinN2.24Figura2.6.PrototipodesolucinN3.25Figura2.7.DiagramadeevaluacintcnicoeconmicosegnVDI2225.28Figura2.8.Modelototaldelamquinacompactadora.30Figura2.9.Mecanismototaldelamquinacompactadora.31Figura2.10.Posicionesdelprocesodecompactado.32Figura2.11.Sistemacompactador.33Figura2.12.Comportamientodelresorteenlaoperacin.34Figura2.13.Mecanismobiela-manivela.35Figura2.14.Elementosdelsistemadetransmisin.39Figura2.15.Sistemadetransmisinporcadena.39Figura2.16.Consideracionesergonmicas.40Figura2.17.Componentesdelrbolprincipal.41Figura2.18.Diagramadecuerpolibrerbolprincipal.41Figura2.19.Diagramadefuerzascortantesenelplanoxyrbolprincipal.43Figura2.20.Diagramademomentosflectoresenladireccinxrbolprincipal.43

x

Figura2.21.Diagramadefuerzascortantesenelplanoyzrbolprincipal.43Figura2.22.Diagramademomentosflectoresenladireccinyrbolprincipal.44Figura2.23.Diagramademomentostorsoresenladireccinzrbolprincipal.44Figura2.24.Componentesdelrbolsecundario.47Figura2.25.Diagramadecuerpolibrerbolsecundario.48Figura2.26.Diagramadefuerzascortantesenelplanoxyrbolsecundario.49Figura2.27.Diagramademomentosflectoresenladireccinxrbolsecundario.49Figura2.28.Diagramadefuerzascortantesenelplanoyzrbolsecundario.49Figura2.29.Diagramademomentosflectoresenladireccinyrbolsecundario.50Figura2.30.Diagramademomentostorsoresenladireccinzrbolsecundario.50Figura2.31.Uninmediantechaveta.53Figura2.32.Uninrbolprincipal-manivelas.53Figura2.33.Uninrbolprincipalruedaconducida.54Figura2.34.Uninrbolsecundariopinmotriz.54Figura2.35.Componentesdelauninporpasadores.56Figura2.36.Uninarticuladaporpasadores.57Figura2.37.DCLsdeloselementosaarticular.57Figura2.38.Componentesdelauninporclavijas.58Figura2.39.Uninarticuladaporclavijas.59Figura2.40.Componentesdelmecanismobielamanivela.60Figura2.41.Esquemadelasbielas.61Figura2.42.Seccincrticaaanalizarenlasverificaciones.62Figura2.43.Esquemadelasmanivelas.63Figura2.44.Seccincrticaaanalizarenlasverificaciones.64Figura2.45.Billasenelsistemacompactador.65Figura2.46.Vista(superiorderecha)enseccindelasbillas.65Figura2.47.Resistenciaalafatigaporcontacto.66

xi

Figura2.48.Tensionesmximasadmisiblesenfuncindelatensindecompresin.67Figura2.49.Uninatornilladaguasangularestapa.70Figura2.50.Uninatornilladabasedelresorte-compactador.71

xii

INTRODUCCIN

Losenvasesdealuminiosecomenzaronausarenlosaos60sparacontenerzumoscongelados.En1961,laempresaReynoldsMetalsCo.presentalpblicounestudiodemostrandoquelaconservacindebebidasenenvasesdealuminioofrecanmejoresventajasfrentealoscontenedoresdehojalatas,ademslainclusindeaditamentosenlosenvasesparafacilitarelconsumodesucontenido,comoelabre-fcil,acelerladifusinycomercializacindedichosenvases.Unclaroejemploesqueen1967,lasreconocidasempresascomoPepsiyCoca-Colacomenzaronaenvasarsusproductosenlatasdealuminioengrandescantidades.HastalaintroduccindelPolietilenoTereftalato(PET)en1990,lademandadelatasdealuminiofueintensa.

Debidoalaelevadaenergaqueseusaenlaobtencindealuminioprimarioseveconvenientereciclarlo.Adems,elaluminioesunmaterial100%recuperableyelprocesoderefundidotansolorequiereel5%1delaenerganecesariaparalaobtencindelaluminioprimario.Anivelmundial,muchospasessepreocupanporelreciclajedealuminiocomoEstadosUnidos,Japn,BrasilypasesdeEuropa.

EnelPer,debidoalapocainiciativadelasautoridadesnosepromueveelreciclajedealuminio,nuestropastieneunsistemadereciclajedealuminioprcticamenteinexistente.EnlosltimosaoselreciclajedealuminiohacrecidorpidamenteenpasesextranjeroscomoBrasil,yconestecrecimientocadavezseinnovaenartculosrelacionadosaestaprctica,comoporejemplolainvencindemquinasdestinadasacompactarlaslatasparareducirelvolumenypodersermstrasportablehacialoscentrosdereciclaje.

1CanManufacturersInstitute.EnvironmentalIssues:recyclingfunfacts.Disponibleen:[http://www.cancentral.com/funfacts.cfm],2006

1

Consumirbebidas,comogaseosasycervezas,enlatasdealuminioseramuchomsbaratoyecoamigablesihubieselasuficientedemandaparaquelasempresasdediquensuproduccinafabricarsusproductosendichosenvasesenlugardeplsticosybotellas,ydeestaformaofrecerdichosproductosaunmenorprecio.

2

CAPITULO1

DETERMINACINDELOSPARMETROSDEDISEO

1.1Estadodelatecnologa.

Enlaactualidadseencuentraenelmercadointernacionalaplastadorasdelatasdeusocaserodevariostiposdeaccionamiento:

FuerzaHumana:existenmquinasqueempleanunsimplemecanismodepalancaparaaplastarlaslatasdealuminiocomolacompactadoramanualdelafigura1.1,cuyoprecioesde$12.99;existenademscompactadorasaccionadosporelpiecomoeldelafigura1.2,cuyoprecioesde$24.56.Ademspodemosencontrarmquinasqueempleanmecanismosmscomplejosporejemplomedianteelaccionamientodeunmecanismobiela-manivelacomoeldelafigura1.3.

Debidoalasimplicidaddelaprimeramquinacompactadora,estmsdifundidaenelmercadointernacionaldebidoasubajoprecio,perocabemencionarquecompactalalataalomshastalatercerapartedelvolumeninicial,porlocualnoentraraencompetenciaconelposteriordiseoquecompactarcomomnimoalaquintapartecomosedetallarposteriormenteenlalistadeexigencias.

3

Figura1.1.Compactadoradelatasmanual.2

Figura1.2.Compactadoradelatasaccionadaapedal.3

2CVFSUPPLYCOMPANY,Aluminiumcancrusher16ozRecyclecancrushers.Disponibleen:[http://cvfsupplyco-store.stores.yahoo.net/16ozcancrusher.html],20113GUARDIANECOSTORE,EcozoneFootOperatedCanCrusher.Disponibleen:[http://www.guardianecostore.co.uk/products/ecozone/ecozone-foot-operated-can-crusher/],2011

4

Figura1.3.Compactadoradelatasconmecanismobiela-manivela.4

FuerzaHidrulica:Tambinexistenmquinasaccionadasporsistemashidrulicoscomoladelafigura1.4.Estetipodemquinarequieredeotroscomponentesadicionalescomounaunidadhidrulica,vlvulasymangueras,loscualesaumentanconsiderablementesuprecio.Esporestoquesonpocodifundidasenelmercadodebidoasuelevadocostoyalespacioqueocuparan.

Figura1.4.Compactadoradelatashidrulica.5

FuerzaNeumtica:Adicionalmentepodemosencontrarmquinasaccionadaspordispositivosneumticoscomoeldelafigura1.5,muyparecidasalacompactadoradelatashidrulicaantesmencionada.Laventajadeestamquinaesqueesmuyrpida,

4YOUTUBE,Mechannicalcancrusher.Disponibleen:[http://www.youtube.com/watch?v=ZpDtn23SEio],2008

5YOUTUBE,HydraulicCanCrusher.Disponibleen:[http://www.youtube.com/watch?v=cuWV6QO_Fb8],20075

peroasuvezrelativamentecara,$275(costonoincluyeelsistemadeairecomprimido).Enlamayoradeloscasosestamquinaesfabricadadeformacasera;peroencontramosenlapginadewww.telenovation.comqueestedispositivoparareduccinvolumtricadelatasescomercializada,soloquesenecesitadeunalneadeairecomprimidoextra,loqueaumentaraelcostototalparalamquina.

Figura1.5.Compactadoradelatasneumtica.6

Accionadasporunmotorelctrico:Dentrodeloscomponentesdeestasmquinaspresentanunmotorelctricoyunacopleparapoderentregarlafuerzanecesariaparacompactarlaslatasmedianteunmecanismodebiela-manivela.Adicionalmenteselepuedenacoplarmecanismosdeexpulsinyalimentacin.Aligualquelasanterioresmquinas,estatampocoestmuydifundidaenelmercadodebidoalaltocostoygrantamao.

Figura1.6.Compactadoradelatasconmotorelctrico.7

6TELENOVATION,PneumaticCanCrusher.Disponibleen:[http://www.telovation.com/articles/pneumatic-can-crusher.html],2009

6

Enresumen,podemosencontrardiversostiposdemquinascompactadorasdelatasenelextranjero,encambio,enelPeranelporcentajedecompraofabricacindeestasmquinasescasiinexistente.Tambinesimportanteresaltarquelasmquinascompactadorasmanuales,mostradasanteriormente,noalcanzanelobjetivoprincipaldelapresentetesis,esdecirquenolograncompactaralaquintapartedelvolumeninicial.

1.2Ensayosrealizadossobrelaslatasdealuminio.

Parapoderdeterminarlasfuerzasrealesquesenecesitanparapodercompactarlaslatas,fuenecesariorealizarensayosenlaMquinaUniversaldeTraccinyCompresinMFLubicadaenelLaboratoriodeMaterialesdelaPontificiaUniversidadCatlicadelPer.Seensayaronlosdostiposdelatasdealuminioentrecervezasygaseosas(tipo1)ybebidasenergizantes(tipo2);sumandountotalde22pruebas.Laslatasfueronsometidasacargasdecompresinendistintasposicionesycondicionesfinalessegnlatabla1.1.Losresultadosdelosensayossonmostradosacontinuacinenlossiguientescuadros.

7YOUTUBE,CanCrusher.Disponibleen:[http://www.youtube.com/watch?v=75n6afMizRM&feature=related],2009

7

Tabla1.1.Ensayossobrelatasdealuminio.ENSAYOSCONLATASDECERVEZAYGASEOSADimensionesdelalata(tipo1)

Dimetro:=66mmAlto:h=122.3mm

CONDICIONESINICIALESCompactadoendireccinaxialAlturafinal:hf=20mmNdeensayos:4F12100NF21100NF31600NF41100N

Compactadoendireccinradialsinpre-compactadoAlturafinal:f=13mmNdeensayos:3F11450NF21500NF31800N

Compactadoendireccinradialconpre-compactadoAlturafinal:f=13mmNdeensayos:4F11100NF21300NF31400NF41200N


ENSAYOSCONLATASDEBEBIDASENERGIZANTESDimensionesdelalata(tipo2)

Dimetro:=53mmAlto:h=134.5mm

CONDICIONESINICIALESCompactadoendireccinradialsinpre-compactadoAlturafinal:f=10mmNdeensayos:3F11250NF21400NF31300N


8

Fuerza(N)Fuerza(N)2500

2000

1500

1000

500

0

Latasdecervezasygaseosas.

1234

Compactadoendireccinaxialhf=20mm

Compactadoendireccinradialsinpre-compactadohf=13mmCompactadoendireccinradialconpre-compactadohf=13mm

2500

2000

1500

1000

500

0

Figura1.7.Resultadosdeensayosdelatasdecervezasygaseosas.

Latasdebebidasenergizantes.

Compactadoendireccinradialsinpre-compactadohf=10mmCompactadoendireccinradialconpre-compactadohf=10mm

1234Figura1.8.Resultadosdeensayosdelatasdebebidasenergizantes.

Losresultadosanterioresnosllevanalaconclusinqueelmtodomseficienteparapoderreducirlaslatasalaquintapartedesuvolumeninicial,eselmtodoqueutilizaelprecompactadoparalaposteriorcompresinendireccinradialhastaunespesorfinaldehf=66mm/5=13mm(vergrficodetendencias,figuras1.7y1.8).Otrosmtodosdecompactadorequierenunafuerzamayorotienenfluctuacionesdehastaun42%quehacenquelafuerzadecompactadoseamuyvariable.

Sibienesciertoqueparaelcasodelaslatasdebebidasenergizanteselespesorfinaldebellegarahf=53mm/5=11mm;cuandoserealizaelmtododecompactacinconprecompactado,laparedlateralquedacasitotalmentecomprimidadejandounos9

espaciosvacosenelcentrodelalatasegnlafigura1.9.Enconsecuenciasegarantizaquecompactandoaunespesorfinalde13mmparaambostiposdelatasseconsiguereducirdichaslatasalaquintapartedesuvolumeninicial.

Figura1.9.Compactadodelatasdebebidasenergizantes(tipo2)

Porlotantoemplearemosunapre-compactacinquesedarpormediodeunpunznenelcentrodelalata,paraluegoprocederalacompactacinprincipal,lacualserendireccinradial.

10

LISTADEEXIGENCIASPONTIFICIAUNIVERSIDADCATLICADELPERPg.1de4

PROYECTOCompactadoradelatasFacultaddeCienciaseIngenieraFecha:13/04/2011

IngenieraMecnica

readediseoAutor:EdwinBaltuano

CaractersticasDeseoExigenciaDescripcinResponsable

FUNCINEAplastarlatasvacasderefrescosgaseosos,cervezaybebidasenergizantes,compactndolasalmenosalaquintapartedesuvolumeninicialparafacilitarsutransporte.E.Baltuano

FUNCINELamquinaestardestinadaausarseenpequeosnegocios,centroscomercialesyencentrosdeacopiodemetales.E.Baltuano

FUNCINESebuscarentodoelprocesodediseoquelamquinasealomssimple,funcionalyeconmicoposible.E.Baltuano

FUERZAELafuerzadecompactadodebeserlasuficienteparareducirlalatavacaporlomenosalaquintapartedesuvolumenoriginal.Estafuerzaserhalladaempricamente.E.Baltuano

1.3Listadeexigencias.

Lasiguientelistadeexigenciasfuedesarrolladaanalizandolosresultadosdelosensayosmostradosenloscuadrosanterioresylasnecesidadesplanteadascomoobjetivosdelapresentetesis.Estalistanospermitirenloscaptulossiguientesplantearydefinireldiseodesolucinptimo.

Tabla1.2.Listadeexigencias.11

LISTADEEXIGENCIASPONTIFICIAUNIVERSIDADCATLICADELPERPg.2de4


IngenieraMecnica



ENERGADLaenergarequeridaparaelprocesoserproducidaporunapersona.E.Baltuano

MATERIAPRIMAESolamenteseemplearnlatasvacasdealuminiodebebidascomo:gaseosas,cervezasyenergizantes.E.Baltuano

PRODUCTIVIDADDLamquinacompactarcomomnimo10latasporminuto,acondicionesnormalesdeoperacinparaunadulto.E.Baltuano

SEGURIDADELamquinatendrunniveldeseguridadsuficiente,afindepreservarporlaintegridaddelaspersonasynoafectaralmedioambiente.E.Baltuano

SEGURIDADELoselementosmvilesdelamquinadebenserconcebidos,construidosyprotegidosdemaneraqueseprevengacualquiertipodeaccidente.E.Baltuano

GEOMETRADEldiseodelamquinadebeserlomscompactoposibleparaquepuedaserubicadofcilmente.E.Baltuano

12LISTADEEXIGENCIASPONTIFICIAUNIVERSIDADCATLICADELPERPg.3de4


IngenieraMecnica



ERGONOMAELatransferenciadeenergahombre-mquina,nodebecausarfatigaeneloperador.E.Baltuano

SEALESDLamquinacontarconsealesquepermitansufcilusoademsdeadvertenciassobrecualquierriesgo.E.Baltuano

USOELamquinaserdiseadaparaqueenoperacinsealomssilenciosaposible,porlotantonoperturbarelambienteenelcualseaubicada.E.Baltuano

FABRICACINELamquinapodrserfabricadaentallereslocalesylosmaterialesdebenencontrarsedisponiblesenelmercadonacional.E.Baltuano

FABRICACINELaspiezasqueconformenlamquinaserndeformassencillasydefcilfabricacin.E.Baltuano

TRANSPORTEDEstamquinaestarprovistadeelementosquefacilitensutrasladoysupesonodebeexcederde50kilogramos.E.Baltuano

13LISTADEEXIGENCIASPONTIFICIAUNIVERSIDADCATLICADELPERPg.4de4


IngenieraMecnica



MONTAJEELamquinaserdesimplemontaje,facilitandolasactividadesdemantenimiento.E.Baltuano

MANTENIMIENTOEFcilaccesoparalalubricacinydebecontarconproteccincontralacorrosin.E.Baltuano

COSTOSDElcostodediseonodebesobrepasarlos$3000yloscostosdefabricacin$400.E.Baltuano

PLAZOSDEldiseodelamquinadeberserentregadocomomximoel15/04/2013.E.Baltuano

14

CAPITULO2

DISEODELAMQUINA

Elpresentecaptulotieneporobjetivosentarlasbasesdeldiseo,medianteelanlisisdelaestructuradefunciones,elaboracindelamatrizmorfolgicayconceptosdesolucinquepermitanobtenerunasolucinptima,yporltimorealizarlosclculosyseleccindecomponentesprincipaleseimportantesquedarnpordefinidoeldiseodelamquinacompactadoradelatasegneldiagramadeflujopresentadoacontinuacin:

Figura2.1.Diagramadeflujoparaeldiseo.

2.1Estructuradefunciones.

AcontinuacinserealizarlaabstraccindelBlack-Box,conocidocomoCajanegra,enlacualsedefinequeparaunasentradasespecficasseobtendrn,atravsdeprocesosandesconocidos,lassalidasesperadas.

15

Posteriormenteseanalizarlacajanegradesarrollandounaestructuradefuncionesqueestarsustentadaenlosensayosqueserealizaronyenlalistadeexigenciasdesarrolladaenelcaptuloanterior.Enlaestructuradefuncionessedividelafuncinprincipalenvariassubfuncionesquealejecutarsecorrectamenteaportarnalarealizacindelobjetivoplaneado.

2.1.1Abstraccin:CajaNegra(Blackbox).

Figura2.2.Blackbox.

ENTRADAS:

Materia:Entradadelaslatasdealuminiovacas.Energa:Laenergarequeridaparadrenar,alimentar,posicionarycompactarlaslatas;mediantefuerzahumana,elctrica,neumticaohidrulica.Seal:Sealesvisualesparaelingresodelaslatasvacasalacompactadora.

16

SALIDAS:

Materia:Salidadelaslatascompactadascomomnimoalaquintapartedesuvolumen.Energa:Energacomoruido,vibraciones,desgasteycalordefriccin.Seal:Sealesvisualesosonorasqueindiquenquelalatafuecompactadasatisfactoriamente.

2.1.2Secuenciadeoperaciones.

Primerosedebeverificarquelascondicionesdelamquinaestncorrectas,unavezverificadalaoperatividaddelamismaseprocedeadrenardeformamanualellquidoresidualquepudohaberquedadoenlalatayluegosecolocayalineacorrectamenteenlamquinacompactadora.

Seguidamenteseproporcionalaenerganecesariaalamquina,paraqueluegolafuerzasetrasmitamedianteelmecanismoconvenienteparaamplificarlayaspoderprecompactarycompactarlalata.Unavezquelalatahayasidocompactadaalaquintapartedesuvolumeninicial,staserexpulsada,yaseaporgravedadoporotromecanismoexpulsor.Finalmenteseprocederarepetirelprocesoconcadalatadealuminio.

2.1.3Fijacindelosprocesostcnicos.

1)Preparacin

Drenaryposicionarlalatacorrectamenteenlacmaradecompactado.Colocarlalatavacaenelsistemadealimentacin.

17

2)Ejecucin

Generarlafuerza.Amplificarlafuerza.Pre-compactarlalata.Compactarlalata.

3)Control

Verificarquelalataseaalimentadacorrectamente.Verificarquenoseatasquenlaslatasvacas.Iniciarelmecanismodegeneracindelafuerza.Controlarelprocesodepre-compactadodelalata.Controlarelprocesodecompactadodelalata.Controlarlaexpulsindelaslatascompactadas.

4)Fasefinal

Expulsarlalatacompactada.Almacenarlalatacompactada.Reiniciarlasecuenciadeoperaciones.

18

2.1.4Representacindelaestructuradefunciones.

Seal

Visual(on)

CONTROLDELPROCESO

Seal

Visual(off)

LATASVACIAS

LATASAPLASTADAS

ALIMENTACION

DRENADO

POSICIONADO

GENERACINDELAFUERZA

PRE-COMPACTADOCOMPACTADO

AMPLIFICACINAPLICACINDELAFUERZADELAFUERZA

EXPULSION

Energa

ACCIONAMIENTO

Figura2.3.Estructuradefunciones.

Vibracin,calorRuido

19

2.2Matrizmorfolgica.

Tabla2.1.Matrizmorfolgica.

20

21

22

2.3Conceptosdesolucin.

PrototipoN1

Figura2.4.PrototipodesolucinN1.

23

PrototipoN2


24

PrototipoN3


25

2.4Determinacindelconceptodesolucinptimo.

Tabla2.2.EvaluacindeconceptosdesolucinValortcnico.

DISEOMECNICO-EVALUACINDEPROYECTOS

readeDiseo

Valortcnico(xi)PROYECTO:DISEODEUNAMQUINACOMPACTADORADELATASDEBEBIDASDEALUMINIOp:puntajede0a4(EscaladevaloressegnVDI2225)0=Nosatisface,1=Aceptablealasjustas,2=Suficiente,3=Bien,4=Muybien(ideal)g:eselpesoponderadoysedaenfuncindelaimportanciadeloscriteriordeevaluacin

Criteriosdeevaluacinparadiseosenfasedeconceptosoproyectos

VariantesdeConcepto/ProyectoSolucin1Solucin2Solucin3S1S2S3

Sol.IdealSideal

NCriteriosdeevaluacingpgppgppgppgp1Funcin82163243244322Geometra62122122124243Eficienciadecompactado102203302204404Ergonoma73213213214285Rapidez83243243244326Fabricacin82163242164327Montaje72142142144288Mantenimiento82163242164329Transportabilidad631831831842410Seguridad821632432443211Estabilidad732132132142812Facilidaddemanejo631831831842413Complejidad6212318212424

Puntajemximogp224272240

Valortcnicoxi0.590.720.63

380

1.00

26

Tabla2.3.EvaluacindeconceptosdesolucinValoreconmico.

DISEOMECNICO-EVALUACINDEPROYECTOS

readeDiseo

Valoreconmico(yi)PROYECTO:DISEODEUNAMQUINACOMPACTADORADELATASDEBEBIDASDEALUMINIOp:puntajede0a4(EscaladevaloressegnVDI2225)0=Nosatisface,1=Aceptablealasjustas,2=Suficiente,3=Bien,4=Muybien(ideal)g:eselpesoponderadoysedaenfuncindelaimportanciadeloscriteriordeevaluacin

Criteriosdeevaluacinparadiseosenfasedeconceptosoproyectos

VariantesdeConcepto/ProyectoSolucin1Solucin2Solucin3S1S2S3

Sol.IdealSideal

NCriteriosdeevaluacingpgppgppgppgp1Nmerodepiezas62122123184242Costosdemateriales9218327194363Faciladquisicinmateriales83243242164324Facilidaddemontaje62123183184245Facilidaddemantenimiento6318318212424

Puntajemximogp849973

Valoreconmicoyi0.600.710.52

140

1.00

27

Figura2.7.DiagramadeevaluacintcnicoeconmicosegnVDI2225.

Apartirdelanlisistcnicoeconmicopodemosconcluirqueelprototipodesolucinptimoeselnmero2(0.72,0.71),yaqueeselquemsseaproximaalarectayalpunto(1,1).

28

2.4.1Descripcindelfuncionamientodelasolucinptima:Prototipo2.

Lamquinaserpropulsadaporfuerzahumanaatravsdeunamanija,lacualmagnificaytransmitelafuerzaaotroejemedianteunacadena.Elsegundoejetransmiteelmomentotorsoraunmecanismobiela-manivela.Luego,elmecanismobielamanivelatransmitemovimientolinealaunmbolo(compactador),elcualdeslizasobreunasguasproduciendolacompresindelaslatasdemaneraradial.

Elelementoquecompactalaslatascontieneundispositivoincrustado(indentador)pararealizarelprecompactado.Dichodispositivofuncionaconlaayudadeunresortedecompresin,elcualgeneralafuerzanecesariaparaprecompactarlalata.

Elmtododedosificacinsersencillo,yaquedebidoalasdimensionesdelacmara,solopodringresarunalataporcompactado.Lamquinatambincontarconunsistemadealineacinconstituidoporlasparedeslateralesdelarampadealimentacin.

Despusquesehayaalcanzadolareduccinalaquintapartedelalataquesegarantizaporlasdimensionesdelacmaradecompactado,elelementocompactador(pistn)retornaasuposicininicialylalatacaemedianteunaranuraenlaparteinferiordelamquina.

2.5Clculosyseleccindecomponentes.

Enestaseccinsedesarrollarnlosclculos,verificacionesyseleccindeloscomponentesmsimportantesdelamquinaparaquesta,almomentodeserfabricadaypuestaenoperacintrabajeconfiablementesinriesgosdealgunaposiblefalla.Enlafigura2.8semuestraunavistaisomtricadelamquinaterminadayenlafigura2.9semuestraelmecanismoaislado.

29

Comoseexplicanteriormente,elprocedimientodecompactadosermedianteelmecanismodebiela-manivela,porlotantoparaefectosdeclculodelmecanismoseconsiderarlaaplicacindeunafuerzacrticaconstante.Estafuerzacrticaomximaserlasumadelafuerzanecesariadelcompactadoprincipalradialylafuerzadelpre-compactado,queesejercidoporelindentadoratravsdelresorte.Enlafigura2.10seesquematizalasposicionesdelcompactadorydelindentadorenelprocesodecompactado.

Figura2.8.Modelototaldelamquinacompactadora.

Segnlosresultadosdelosensayosexperimentales,captulo1.2,realizadosenelLaboratoriodeMaterialesdelaPUCP,sedecidiquelaslatasdealuminiosernaplastadashastallegaralos13mmdeespesor(espesorfinal);porlotanto,lafuerzanecesariaparapoderrealizarelcompactadoserde1400N.Adems,debidoalasposiblesfluctuacionesdedichafuerzaseconsiderarunfactorde1.2,elcualincrementalafuerzadecompactadoa1680N.

30

RBOLSECUNDARIO

RBOLPRINCIPAL

SISTEMACOMPACTADOR

Figura2.9.Mecanismototaldelamquinacompactadora.

2.5.1Diseoyclculodefuerzasdelresorte.

Paraelsistemadepre-compactado,comoseapreciaenlafigura2.11,seutilizarunresortedecompresinyseprocederadisearlosegnlanormaDIN2089.SedenominaINDENTADORalcomponentedelamquinaelcualpormediodelafuerzadelresorterealizarelpre-compactado.DichoIndentadortendrqueejercerunafuerzade50Ncomomnimoparapodergarantizarelprecompactadoydeberrecorrerunadistanciaequivalentealdimetromenoselespesorfinal,comosemuestraenlafigura2.10.Porlotantoseconsideranlossiguientesparmetrosiniciales:

Distanciarecorridasobrelalataporelindentador:x=53mmFuerzaparagarantizarelpre-compactado:F1=50NFuerzamximadeseablealfinaldelcompactado:F2=200NDeformacinfinaldelresorte:f2=f1+x

31

Adems,seconsiderarparaeldiseoqueeldimetroexteriordelresortenodeberexcederlos50mmdebidoalimitacionesgeomtricas.

Figura2.10.Posicionesdelprocesodecompactado.

Debidoaqueelresorteestarsometidoacargasvariables,serformadoenfrodealambredeaceroparamuellespatentadoyestiradodelaclaseCsegnDIN17223sintratamientodegranalladoyrectificadoporamboslados.

32

SOPORTEDERESORTERESORTE

BLOQUECOMPACTADOR

Figura2.11.Sistemacompactador.

Luegoderealizarlosclculoscorrespondientesparaeldiseo,loscualessedesarrollandeformadetalladaenelanexo1,seobtieneeldiseodelresorte,elcual,segnlafigura2.12poseelassiguientescaractersticas:

Deformacininicialdelresorte:f1=17.7mmDeformacinfinaldelresorte:f2=70.7mmDimetrodelalambre:d=4mmDimetromedio:Dm=40mmDimetrointerior:Di=36mmDimetroexterior:De=44mmDimetroexterioraumentado:Da=44.102mmNmerodeespirasefectivas:if=14Nmerodeespirasreales:ig=16Longituddelresortesincarga:L0=150mmLongituddeensambledelresorte:L1=132.3mmLongitudalfinaldelcompactado:L2=79.3mmConstantedeelasticidad:c=2.83N/mm

33

Figura2.12.Comportamientodelresorteenlaoperacin.

2.5.2Clculodelmomentotorsorrequeridoporelmecanismo.

Unavezobtenidalafuerzadelprecompactadomxima,seprocederahallarlafuerzafinal,lacualeslasumadeF2(fuerzamximadelresorte)yFc(fuerzaparaelcompactado),conlocualseobtieneunafuerzatotalde1880N(P).

Paraobtenerelmomentotorsorrequerido,lasfuerzasenlasbielasylafuerzanormalsobreelcompactadorseempleacomobaseellibrodeJosephE.Shigley,denominadoTheoryofMachinesandMechanisms.Enelcaptulo16delmismo,elautordesarrollaunaseriedeecuacionesquederivanalaobtencindelosparmetros

34

necesariosparaelclculodelmecanismobiela-manivela,siendoelbosquejobsicodelmecanismoesquematizadoenlafigura2.13.

Figura2.13.Mecanismobiela-manivela.8

Paraelclculodeltorquetotalrequerido,seconsiderarcomolasumadedoscomponentesquesedetallanacontinuacin:

-Torquegeneradoporlacinemticadelmecanismo,segnlaec.16.15dellibrodeShigley.

.(2.1)

Dnde:T12:torquegeneradoporlacinticadelmecanismo(N.m)P:fuerzatotalparaelcompactado(F2+Fc)(N)r:radio,longituddelamanivela(m)l:longituddelabiela(m)w:velocidadangular(rad/s)t:tiempo(s)wt:nguloderotacindelamanivelarespectolahorizontal(rad)

8SHIGLEY,Jhosep.TheoryofMachinesandMechanisms.Oxford:OxfordUniversityPress,2011.FourthEdition.

35

-Torquegeneradoporlasinerciasdeloselementosdelmecanismo,segnlaec.16.30dellibrodeShigley.

(2.2)

Dnde:T12:torquegeneradoporlasinerciasdeloselementosdelmecanismo(N.m)mB:masadelelementocompactador(kg)

PorlotantoeltorquetotalrequeridoparaelcompactadodelaslataseslasumadeT12yT12.Acontinuacinsemuestranlosparmetrosinicialesdeldiseo:

Fuerzamximadelresorte:F2=200NFuerzapararealizarelcompactado:Fc=1400*1.2=1680NFuerzatotalrequerida:P=F2+Fc=1880NRadiodelamanivela:r=65mmLongituddelabiela:l=330mmVelocidaddegirodelrbol:n=9rpmw=0.94rad/sMasadelcompactador(paraefectosdeclculo):mB=10kg

Estosparmetrosinicialesparaelclculo,sonobtenidosluegodevariasiteracionesparatenerresultadosadecuadosyaquesetienenlimitacionesgeomtricasydefuerzahumana.

Acontinuacinenlatabla2.4sepresentanlosresultadosobtenidosdetorquetotal(T),fuerzasenlasbielas(Fb)yfuerzasnormalessobreelcompactador(Fn).Estosparmetroshansidoevaluadosparacadangulo(wt)desarrolladoporelmovimientorotacionaldelmecanismo.

36

wt(deg)wt(rad)T'12(N.m)T''12(N.m)T=T'12+abs(T''12)(N.m)F'34=Fb(N)F'14=Fn(N)

0000018800

50.087312.740.0012.741880.332.3

100.174525.34-0.0125.341881.164.3

150.261837.65-0.0137.661882.496.0

200.349149.53-0.0249.551884.3126.9

250.436360.86-0.0260.881886.5157.0

300.523671.52-0.0271.541889.1186.0

350.610981.40-0.0281.421892.0213.8

400.698190.40-0.0290.421895.1239.9

450.785498.44-0.0298.461898.2264.4

500.8727105.46-0.02105.481901.4286.9

550.9599111.41-0.02111.431904.5307.3

601.0472116.25-0.01116.271907.4325.4

611.0647117.08-0.01117.101907.9328.7

621.0821117.87-0.01117.891908.4331.9

631.0996118.62-0.01118.631909.0335.0

641.1170119.32-0.01119.331909.5338.0

651.1345119.97-0.01119.981910.0341.0

661.1519120.58-0.01120.591910.4343.8

671.1694121.14-0.01121.151910.9346.5

681.1868121.66-0.01121.671911.4349.1

691.2043122.14-0.01122.141911.8351.6

701.2217122.57-0.01122.571912.2353.9

751.3090124.050.00124.061914.0364.2

801.3963124.460.00124.461915.4371.5

851.4835123.820.00123.831916.2376.0

901.5708122.200.01122.211916.5377.5

Tabla2.4.Resultadosdelasolucindelmecanismo.Apartirdelosresultadosanterioresdeterminamosquelaposicincrticaseencuentracuandowt=80ypresentalosvaloresmximosdeMt2=124.46N.yFb=1915.4.ParasimplificarlosclculosposterioresseprocederatomarlosvaloresmayoresaproximadosdeMt=126N.myFb=2000N.Caberesaltarqueposteriormentesecalcularnlosrbolesconlascondicionesrealesunavezdeterminadoslasdimensionesdelosmismosenbaseaclculosborrador.

37

2.5.3SeleccindelacadenaBS/ISOyclculodelafuerzaergonmicadeloperador.

Paralaseleccindelsistemadetransmisinporcadena,emplearemoslanormaBS/ISO,lacualeslamsusadaenelmercadolocal.Delclculoanteriorseconsideraqueeltorquerequerido(Mt2)es126N.m,conunavelocidadangulardeaproximadamente9rpm,loquenosproduceunapotenciade118Watts.Paradeterminarlascaractersticasdelsistemadetransmisin,verfigura2.14y2.15,setomaencuentaconsideracionesergonmicassegnFrancescoProvenzaautordeProjetistademquinas,dondeindicaquelafuerzasobreunamanijaquepuedeejercerunapersonaesaproximadamente10kgfaunavelocidadde33rpm,ademsseconsideraronfactoresgeomtricosquesemuestranenlafigura2.16,comolaalturadelcentrodegirodelamanijarespectoalpisoyelradiodelamisma.

Elclculocompletodelacadenaseencuentraenelanexo2,yseobtienelosiguiente:

Pasodelacadena:P=3/8Nmerodedientesdelpinmotriz:Z1=17Nmerodedientesdelaruedaconducida:Z2=76Relacindetransmisin:i=4.471Distanciaentrecentros:C=288.6mmNmerodeeslabones:Ne=110Radiodelamanijaqueaccionaalpin:R=250mmVelocidaddegirodelamanija:n1=40rpmFuerzadeloperadorsobrelamanija:Fo=11.5kgf

Lafuerzamximarecomendadaparaunoperador,quienejercelamismafuerzaconstanteporlargosintervalosdetiempo,esde10kgfproduciendounmovimientorotacionalcontinuo.Elpresenterequieredeunafuerzade11.5kgf,lacualesaplicadaenbrevesintervalosdetiempodelmovimientorotacional,elcualsegnlatabla2.4estaracomprendidoentrelosnguloswt65-90,yademsconsiderandolasinerciasdeloselementos,estafuerzapodraconsiderarseadecuadadentrodelos

38

lmitesergonmicosdebidoaqueademselusodelamquinanoserporlargosperiodosdetiempo.

MANIJA

PIMOTRIZ

CADENABS/ISO

RUEDACONDUCIDA

Figura2.14.Elementosdelsistemadetransmisin.

Figura2.15.Sistemadetransmisinporcadena.

39

Figura2.16.Consideracionesergonmicas.9

2.5.4Clculoderboles.

2.5.4.1Clculopreviodelrbolprincipal.

Elrbolprincipaleselencargadodetransmitirlapotenciageneradaporelmovimientorotacionaldelamanija,atravsdelsistemadetransmisin,hacialas2manivelasdelmecanismodecompactado.Enlafigura2.17semuestranloselementosquecomponenelrbolprincipal.

Paradarinicioalclculodelrbolprincipal,sebosquejaeldiagramadecuerpolibreDCL(verfigura2.18)yapartirdelcualseplanteanlasecuacionesdeequilibrioquepermitandeterminarlasreaccionesenlosapoyosRByRC.Estasecuacionessondesarrolladasacontinuacin:

9PROVENZA,Francesco.Projetistademaquinas.SaoPaulo:F.Provenza.196040

Figura2.17.Componentesdelrbolprincipal.

Figura2.18.Diagramadecuerpolibrerbolprincipal.

41

Paraeldiseosepresentanlossiguientesparmetrosiniciales:

Momentotorsoratransmitirporelrbolprincipal:Mt2=126N.mFuerzaenlasbielas:Fb=2000NDimetroprimitivodelaruedadentada:D2=230.5mmFuerzadelacadena:Fc=2*Mt2/D2=1093.3Nngulodeposicionamientorueda-pin:=60degnguloformadoentreFcyejex:=42degLongituddeltramoAB:L1=92.1mmLongituddeltramoBC:L2=136.2mmLongituddeltramoCD:L3=54.1mmLongituddeltramoDE:L4=38mm

Luegoderesolverlasecuacionesdeequilibriopresentadasanteriormente(veranexo3)seobtienenlasreaccionesenlosapoyosRByRC,lascualessoncrucialesparadesarrollarlosdiagramasdefuerzascortantes(DFC)ylosdiagramasdemomentos(DMFyDMT),verfigurasdel2.19al2.23.

ReaccinenelapoyoB,endireccinx:RBx=1322.9NReaccinenelapoyoB,endirecciny:RBy=290.4NReaccinenelapoyoC,endireccinx:RCx=-135.8NReaccinenelapoyoC,endirecciny:RCy=-1021.5N

42

Figura2.19.Diagramadefuerzascortantesenelplanoxyrbolprincipal.

Figura2.20.Diagramademomentosflectoresenladireccinxrbolprincipal.

Figura2.21.Diagramadefuerzascortantesenelplanoyzrbolprincipal.

43

Figura2.22.Diagramademomentosflectoresenladireccinyrbolprincipal.

Figura2.23.Diagramademomentostorsoresenladireccinzrbolprincipal.

AcontinuacinseprocedeadeterminareldimetromnimorequeridodecadaseccinmedianteunanlisisderesistenciaalafatigasegnlaexpresindeC.Bach.Parapoderencontrardichosdimetrosseconsideralosiguiente:

Materialdelrbolprincipal:Ck45(verpropiedadesmecnicasenelanexo3)Factordeseguridadrecomendado(segnBach):FSR=1.8Factordecorreccindesuperficie:Cs=0.8Factordecorreccindetamao:Ct=0.77Factordecorreccindetemperatura:Ctemp=1

Seconsideraquelosfactoresdecorreccindesuperficie,tamaoytemperaturasonvalorespromediosparafacilitarelprocesodeclculopreviodelrbol,yaquedichosvaloresnoinfluyensignificativamenteenlosresultados.

44

SeccinElementoubicadoenlaseccinDimetromnimorequerido(mm)Dimetroasignado(mm)Longituddelcubo(1a1,3)*d(mm)

AManivela20.22632

BSoportederodamiento27.030

CSoportederodamiento24.430

DRuedadentada25.42836

EManivela20.22632

Porotrolado,losfactoresefectivosporlaconcentracindeesfuerzossontomadosdelabibliografaKonstruktionselementedeMaschinenbauesdelautorTochtermann,ysonpresentadosenlatabla2.5.

Tabla2.5.Factordeconcentracindeesfuerzos.Factorefectivode

Tipodelconcentradordeesfuerzos

concentracindeesfuerzos

FlexinfTorsintUninmediantechaveta2.21.6Cambiodeseccinconredondeoagudo2.52.5Cambiodeseccinconredondeosuave1.51.5Canalrectangularparaanillodeseguridad33

Elclculocompletodelrbolprincipalseencuentradetalladoenelanexo3,enelcualparadeterminarlosdimetrosmnimosrequeridosseempleanlosmomentosflectoresytorsoreshalladosanteriormente,estosresultadossonmostradosenlatabla2.6.

Loscriteriosparalaasignacindelosdimetrosmnimosparalasseccionesdondesealojanrodamientos,esqueestasdebensermltiplosde5yapartirdedichasseccionessevadisminuyendoeldimetrodetalformaquenoseauncambiodeseccincrticoenelrbol.

Tabla2.6.DimetrosdelasseccionesdelrbolprincipalEsimportantemencionarquelospuntoscrticosdelrbolseencuentranenlasseccionesByC,dondeseubicanlosrodamientos,esporestoqueadichasseccionesselesasignaundimetrode30mm.Ademssedimensionanlaslongitudesdelos

45

SeccinElementoubicadoenlaseccinPuntodeconcentracindeesfuerzoscrticoFactordeSeguridad(FS)

AManivelaRanuraparaanilloretencin4.4

BSoportederodamientoRedondeoagudo4.6

CSoportederodamientoRedondeoagudo6.5

DRuedadentada02canaleschaveteros2.7

EManivelaRanuraparaanilloretencin4.4

cubosdeloselementosquepresentanunionesconchavetas(lasmanivelasylaruedadentada)conlarecomendacindequeestalongituddebeestarenelrangodeentre1y1.3veceseldimetrodelaseccin.

2.5.4.2Clculodefinitivodelrbolprincipal.

AcontinuacinseprocedeaverificarporseccioneselfactordeseguridadmediantelaexpresindeC.BachconlageometrarealdelrbolprincipalsegnelplanodedespieceD5-A3.Paraesto,dichofactordeseguridadrecomendado(STEINHILPER-ROPER/Konstrucktioselemnte3-Springer1996)debeestarenelrango[1,21,8].

Cuandoelpuntocrticodelaseccinesunacambiodeseccin,seaplicarelconceptodefactorefectivodeconcentracindeesfuerzosksegnelManualdeResistenciadeMateriales2delingenieroJorgeRodriguez.Encambioparaelcasodecanaleschaveterosyanillosderetencinseaplicarsegnlatabla2.5.

Paralosfactoresdecorreccinsuperficie,tamaoytemperaturaseconsideranlascondicionesreales;esdecir,seconsideranlosacabadossuperficiales,dimetrosrealesytemperaturaambiental.Elclculodefinitivodeencuentraenelanexo3ylosresultadossonmostradosacontinuacin.

Tabla2.7.Factoresdeseguridadporseccionesdelrbolprincipal.Porlotantoseverificaqueelrbolprincipalnofallaralafatiga,debidoaquelosfactoresdeseguridadsonmayoresalospermisibles.

46

2.5.4.3Clculopreviodelrbolsecundario.

Elrbolsecundarioeselencargadodetransformarlafuerzaqueejerceeloperador,atravsdeunamanija,enunmomentotorsor(Mt1)paraquestepuedadargiroyfuerzaalrbolprincipalatravsdelsistemadetransmisinporcadena.Enlafigura2.24semuestranloscomponentesdelrbolsecundario.

SOPORTESDERODAMIENTO

PINMOTRIZ

MANIJA

d

c

b

a

RBOLSECUNDARIOFigura2.24.Componentesdelrbolsecundario.

Paradarinicioalclculodelrbolsecundario,sebosquejaeldiagramadecuerpolibreDCL(verfigura2.25)yapartirdelcualseplanteanlasecuacionesdeequilibrioquepermitandeterminarlasreaccionesenlosapoyosRbyRc.Estasecuacionessondesarrolladasacontinuacin:

47

Figura2.25.Diagramadecuerpolibrerbolsecundario.

Paraeldiseosepresentanlossiguientesparmetrosiniciales:

Momentotorsoratransmitirporelrbolsec.:Mt1=28.18N.mFuerzadeloperadorsobrelamanija:Fo=115NDimetroprimitivodelpinmotriz:D1=51.8mmFuerzadelacadena:Fc=2*Mt2/D2=1093.3Nngulodeposicionamientorueda-pin:=60degnguloformadoentreFcyejex:=42degLongituddeltramoab:l1=152.5mmLongituddeltramobc:l2=134.9mmLongituddeltramocd:l3=59.8mm

Luegoderesolverlasecuacionesdeequilibriopresentadasanteriormente(veranexo3)seobtienenlasreaccionesenlosapoyosRbyRc,lascualessoncrucialesparadesarrollarlosdiagramasdefuerzascortantes(DFC)ylosdiagramasdemomentos(DMFyDMT),verfigurasdel2.26al2.30.

Reaccinenelapoyob,endireccinx:Rbx=-605.4NReaccinenelapoyob,endirecciny:Rby=-324.1NReaccinenelapoyoc,endireccinx:Rcx=1303.3NReaccinenelapoyoc,endirecciny:Rcy=1055.2N48

Figura2.26.Diagramadefuerzascortantesenelplanoxysecundario.

Figura2.27.Diagramademomentosflectoresenladireccinxsecundario.

Figura2.28.Diagramadefuerzascortantesenelplanoyzrbolsecundario.

49

Figura2.29.Diagramademomentosflectoresenladireccinyrbolsecundario.

Figura2.30.Diagramademomentostorsoresenladireccinzrbolsecundario.

AcontinuacinseprocedeaencontrareldimetromnimorequeridodecadaseccinporunanlisisderesistenciaalafatigasegnlaexpresindeC.Bach.Parapoderencontrardichosdimetrosseconsideralosiguiente:

Materialdelrbolsecundario:Ck45(verpropiedadesmecnicasenelanexo3)Factordeseguridadrecomendado(segnBach):FSR=1.8Factordecorreccindesuperficie:Cs=0.8Factordecorreccindetamao:Ct=0.77Factordecorreccindetemperatura:Ctemp=1

Seconsideraquelosvalorespromedioslosfactoresdecorreccindesuperficie,tamaoytemperatura,aligualqueparaelrbolprincipal,sonvalorespromediosparafacilitarelprevioclculodelrbol,yaquedichosvaloresnoinfluyensignificativamenteenlosresultados.

50

SeccinElementoubicadoenlaseccinDimetromnimorequerido(mm)Dimetroasignado(mm)Longituddelcubo(1a1,3)*d(mm)

aManija22(31.1)*22*50*

bSoportederodamiento16.735

cSoportederodamiento23.835

dPinmotriz12.52526

SeccinElementoubicadoenlaseccinPuntodeconcentracindeesfuerzoscrticoFactordeSeguridad(FS)

aManijaNoaplicaok

bSoportederodamientoRedondeoagudo30.3

cSoportederodamientoRedondeoagudo9.9

dPinmotrizRedondeoagudo18.9

Elclculocompletodelrbolsecundarioseencuentradetalladoenelanexo3,enelcualparadeterminarlosdimetrosmnimosrequeridosseempleanlosmomentosflectoresytorsoreshalladosanteriormente,estosresultadossonmostradosenlatabla2.8.

Tabla2.8.Dimetrosdelasseccionesdelrbolsecundario.Lamanijaseleccionada,DIN469-250-V22dematerialGG-20,poseeuncubodeseccincuadrara(*)delado22mm(aproximadamente31.1mmdedimetro),debidoaestolosdimetrosparalosrodamientoubicadosenlasseccionesbycsernde35mmdebidoaqueestosdebensermltiplosde5.Ademssedimensionalalongituddelcubodelpinmotrizconlarecomendacindequeestalongituddebeestarenelrangodeentre1y1.3veceseldimetrodelaseccin.

2.5.4.4Clculodefinitivodelrbolsecundario.

Paraelclculodefinitivodelrbolsecundario(despieceD7-A3)setomanlasmismasconsideracionesaligualqueelrbolprincipalylosresultadossonmostradosacontinuacinenlatabla2.9.

Tabla2.9.Factoresdeseguridadporseccionesdelrbolsecundario.51

Delosclculosanterioresseobtienenfactoresdeseguridadaltos,debidoaquelarestriccindeltamaodelcubocuadradoL=22mmdelamanijaR=250mmobligaaumentarlosdimetrosdelasseccionesdelrbolsecundario.

Porlotantoseverificaqueelrbolsecundarionofallaralafatiga,debidoaquelosfactoresdeseguridadsonmayoresalospermisibles.

2.5.5Clculodelasunionesporchavetasdecarasparalelas

Laschavetassonloselementosencargadosdetransmitirlapotenciaentreelementosdispuestosensentidoaxial.Paraeldiseo,seempleanchavetassegnlanormaDIN6885A(verfigura2.31)entrelossiguienteselementos:rbolprincipalmanivelas(figura2.32),rbolprincipalruedaconducida(figura2.33)yrbolsecundariopinmotriz(figura2.34).Siendolosparmetrosinicialeslossiguientes:

Presinadmisibledelcubo:padm=95N/mm^2Momentotorsoratrasmitirentreelrbolprincipalylasmanivelas:Mt2/2=63N.mmDimetrodelaseccin:d=26mmMomentotorsoratransmitirentreelrbolprincipalylaruedadentada:Mt2=126000N.mmDimetrodelaseccin:d=28mmMomentotorsoratransmitirentreelrbolsecundarioyelpindentado:Mt1=28181N.mmDimetrodelaseccin:d=25mm

Elclculodelaschavetassebasaenhallarlalongitudmnimaefectivaquedebeposeerdichachavetaparaquenofallenloselementosunidosporunexcesodepresindeaplastamiento,elcualsepresentamayormenteenelcubo.Estalongitudmnimasedeterminaconlasiguienteexpresin:

52

Dondeteslaprofundidadquepenetralachavetaenelcubo.

Figura2.31.Uninmediantechaveta.

MANIVELASRBOLPRINCIPAL

UNINCONCHAVETA

Figura2.32.Uninrbolprincipal-manivelas.

53

RUEDACONDUCIDA

UNINMEDIANTE02CHAVETAS

RBOLPRINCIPAL

Figura2.33.Uninrbolprincipalruedaconducida.

PINMOTRIZ

RBOL

UNINCONCHAVETA

SECUNDARIO

Figura2.34.Uninrbolsecundariopinmotriz.

Elclculocompletoseencuentraenelanexo4,dondelosresultadosobtenidossonmostradosenlatabla2.10.PorlotantosedebernemplearlassiguienteschavetassegnDIN6885:

rbolprincipalmanivelas:02chavetas8x7x28rbolprincipalruedadentada:02chavetas8x7x32rbolsecundariopindentado:01chaveta8x7x22

54

SELECCINDECHAVETASSEGNDIN6885

Material:AceroSt,padm=95N/mm^2

rbolprincipal-manivelasrbolprincipal-ruedadentadarbolsecundario-pin

Mt63N.mMt126N.mMt28.18N.m

d26mmd28mmd25mm

t14.1mmt14.1mmt14.1mm

b8mmb8mmb8mm

h7mmh7mmh7mm

t=h-t12.9mmt=h-t12.9mmt=h-t12.9mm

L.efmin17.59mmL.efmin20.42mmL.efmin8.18mm

L28mmL32mmL22mm

DIN8x7x28DIN8x7x32(02chavetas)DIN8x7x22

Enelcasodelauninentreelrbolprincipalylaruedadentada,seviolanecesidaddeemplear2chavetas,debidoalaltomomentotorsoratransmitiryalacortalongituddelcubodelarueda(36mm);paraestoseempleunfactordecorreccinde0.75,yaquesetieneencuentadequesoloel75%10delaschavetastrabajanenformaefectivadebidoalaplastamientoylastoleranciasdelaunin.

Tabla2.10.Seleccindechavetas.2.5.6Clculodelospasadores.

Lospasadoressonempleadoscomoelementosdeuninentre2omspiezasquesearticulanentres.Paraeldiseodelamquinacompactadora,estospasadoressepresentanuniendolasmanivelasconlasbielascomosemuestraenlasfiguras2.35y2.36.Acontinuacinsepresentanlosparmetrosiniciales:

Materialdelpasador:Ck45(verpropiedadesmecnicasenelanexo5)Materialdelasbielas:ASTMA36Materialdelasmanivelas:SAE1020Tipodecarga:Cargaspulsantes

10DECKER,KarlHeinz.Elementosdemquina.Bilbao:Urmo.198055

Fuerzaactuante:F=1000NPresinsuperficialadmisibleSt/Bronce:padm=8N/mm2Espesordelasbielas:tb=12.7mmEspesordelasmanivelas:tm=32mm

Parapoderencontrareldimetromnimoqueestospasadoresdebentenerparanofallarenlaoperacin,estosseverificanporflexinyporcorteenelpasador,yporaplastamientoenlasbocinas(bronce)delasbielas,debidoaqueestasposeenelmenorespesorysonmspropensosafallar.Enlafigura2.37semuestranlosdiagramasdecuerpolibredeloselementosacopladosparavisualizarcmoserlainteraccindeloselementoseneldiseo:(a)DCLdelamanivela,(b)DCLdelpasadory(c)DCLdelabiela.

PASADOR

BIELA

BOCINA

MANIVELA

Figura2.35.Componentesdelauninporpasadores.

56

Figura2.36.Uninarticuladaporpasadores.

Figura2.37.DCLsdeloselementosaarticular.

Elclculodelpasadorincluyelaverificacindelabocinadebronce,debidoaqueseconsideraunapresinsuperficialadmisibleentreelpasador(acero)ylabocina(bronce)de8N/mm2.Dichoclculocompletoseencuentraenelanexo5yseobtienequeeldimetromnimorequeridoparaelpasadores15.07mm,paraeldiseoeldimetroasignadoserde18mmparaasegurarqueelpasadortrabajeconfiablemente.SegnelcatlogodeAcerosArequipadebarraslisas,materialSAE1045,seseleccionaunabarrade7/8"(22.23mm)comomaterialbasedelpasador57

parasuposteriormecanizado.Ademsesimportantemencionar,queesteseacoplaralabielayalamanivelaconunjuegode18H7/f7paragarantizarunabuenaarticulacinentredichoselementos.

2.5.7Clculodelasclavijas.

Eneldiseodelacompactadoradelatasseemplearnclavijasparapoderunirlasbielasalcompactadorprincipal,estasclavijasestarnsolidariasalcompactadorperosearticularnconlasbielasparapoderconvertirelmovimientorotacionaldelasmanivelasenmovimientolinealreciprocanteenelcompactadorcomosemuestraenlasfiguras2.38y2.39,paradeestamaneralograrelobjetivoprincipaldeaplastarlaslatasalaquintapartedesuvolumeninicial.

BIELA

CLAVIJA

BOCINA

BLOQUECOMPACTADOR

Figura2.38.Componentesdelauninporclavijas.

Acontinuacinsemuestranlosparmetrosinicialesparaelclculo:

Materialdelaclavija:Ck45Materialdelasbielas:ASTMA36Materialdelcompactadorprincipal:SAE1020Tipodecarga:Cargaspulsantes

58

Fuerzaactuante:F=1000NEspesordelasbielas:tb=12.7mmPresinsuperficialadmisibleSt/Bronce:padm=8N/mm2Longitudlibredeaplastamiento:L1=80mmLongitudsometidaaaplastamiento:L2=25mm

Parapoderencontrareldimetromnimonecesarioqueestasclavijasdeberntenerparanofallardurantelaoperacin,estasseverificanporflexinenlaclavija,poraplastamientoenlabielayporaplastamientoenelcompactador.Enlafigura2.39seapreciacomoloselementosreaccionanantelaaplicacindelafuerzaF=1000N,resaltandoquelaverificacindeaplastamientoenelcompactadorseanalizarelpuntosuperiordelcompactador,debidoaqueenestelugarsepresentaunasuperposicindeaplastamientosgeneradosporlafuerzadirectaF(PF)ylapresinporelmomentoflector(PM).

Figura2.39.Uninarticuladaporclavijas.11

Elclculocompletodelasclavijasseencuentraenelanexo6yseobtienequeeldimetromnimoquedeberntenerlasclavijasesde23.05mm,locualparaeldiseoseasignaelvalorde25mmparaasegurarquelaclavijatrabajeconfiablemente.SegnelcatlogodeAcerosArequipadebarraslisas,materialSAE1045,seseleccionaunabarrade11/8(28.58mm)comomaterialbasedelaclavijaparasu

11PAULSEN,Kurt.Pasadoresyclavijas.Pucp.Lima201059

posteriormecanizado.Adems,estaseacoplaralabielaconunjuegode25H7/f7,paragarantizarlacorrectaarticulacin,yconunaprietede25H7/p6paraasegurarquelaclavijasemantengafirmementeadheridaalcompactadorprincipal.

2.5.8Clculoyverificacindelasbielas.

Lasbielassonloselementosencargadosderecibirlafuerzaatravsdelospasadoresparaentregrselaalasclavijas,yestasasuvezalcompactadorprincipalparapoderrealizarelcompactado(figura2.40),estasbielasestarnsometidassolamenteacargasdecompresindebidoalaoperacindelmecanismosegnlafigura2.41.Losparmetrosinicialesparaelclculoyverificacindelasbielassonlossiguientes:

Materialdelasbielas:ASTMA36Fuerzaactuanteporbiela:FB=1000NEspesordelasbielas:tb=12.7mmAnchodelasbielas:bb=38.1mmLongitudefectivadelasbielas:l=330mmDimetrodelagujeromximo(seccinB)dagM=25mm

MANIVELAS

BIELAS

Figura2.40.Componentesdelmecanismobiela-manivela.

60

Figura2.41.Esquemadelasbielas.

Esimportantemencionarquelasdimensionesdelaseccindelabielahansidoobtenidasluegodevariasiteracionesparacerciorarnosqueningnelementodelamquinacompactadorafalle.Elclculocompletoseencuentraenelanexo7,enelcualserealizanlasverificacionesdepandeoenlosplanosx-xey-y,fluenciayfatiga.

Enelcasodelaverificacindepandeo,estesedesarrollsegnelmtodoeuropeo(Tetmajermodificado)segnelmanualdeResistenciadeMateriales2delIngenieroJorgeRodrguez.Parapodercalcularelfactordeseguridad(FS)seempleaunaexpresinempleadaenellibroparaelclculodemecanismosbiela-manivela.Enelcasodelaverificacinporfluencia,laseccincrticaaanalizareslaquepresentaelreamnima,lacualseubicaenlaunindelabielaconlaclavijacomosemuestraenlafigura2.42.Yporltimoesverificadoalafatiga,dondeseconsideraquelabielatrabajaacargaspulsantesdebidoaquesoloenunbrevelapsodelmovimientolabielatrabajaacompresinyeneltiemporestantenoestsometidaacargaalgunaconsiderable.

Luegodelasverificacionesseobtienenlosfactoresdeseguridadalafluenciayalafatiga,loscualesnosindicanquelasbielasnofallarndurantelaoperacin.Losdatosobtenidossonpresentadosacontinuacin:

Factordeseguridadalafluencia:FS.fluencia=41.3Factordeseguridadalafatiga.FS.fatiga=41.47

61

Figura2.42.Seccincrticaaanalizarenlasverificaciones.

2.5.9Clculoyverificacindelasmanivelas.

Lasmanivelassonloselementosencargadosdetransmitirlasfuerzasalasbielas(figura2.40)apartirdeltorquerecibidodelrbolprincipal,estasmanivelasestarnsometidasafuerzascortantes,fuerzasnormalesymomentosflectores,loscualesdebenseranalizadosparaevitarlafallaenelcomponente.Enlafigura2.43semuestraeldiagramadecuerpolibredelamanivela,dondeactanlasfuerzasdereaccinejercidasporlasbielasyelmomentotorsorgeneradoporelrbolprincipal,ademssepuedeapreciarquelamanivelacuentaconuncuboenlaseccinAyunagujeroparaelpasadorenlaseccinB,deloscualeselmscrticoeslaseccinAalposeerundimetromayor,esdecirquetieneunreamenosresistente.Losparmetrosinicialesparaelclculoyverificacindelasmanivelassonlossiguientes:

Materialdelasmanivelas:SAE1020Fuerzadereaccinejercidasporlasbielas:FB=1000NMomentotorsorgeneradoporelrbolprincipal:Mt2/2=63N.mRadiodelasmanivelas:r=65mmEspesordelasmanivelas:tm=32mmAnchodelasmanivelas:bm=50mmDimetrodelagujeroenelcubo(seccinA)dag=26mm

62

Figura2.43.Esquemadelasmanivelas.

Deigualformaqueenelclculodelasbielas,lasdimensionesdelaseccindelasmanivelashansidoobtenidasluegoderealizarvariasiteracionesparacerciorarnosqueningnelementodelamquinacompactadorafalle.Elclculocompletoseencuentraenelanexo8,enelcualserealizanlasverificacionesderesistenciaalafluenciayresistenciaalafatiga.

Enlafigura2.44semuestraelreacrticacorrespondientealaseccindelcubo,lacualporserlamenorsersometidaalasverificacionesmencionadas.Luegodelasverificacionesseobtienenlosfactoresdeseguridadalafluenciayalafatiga,loscualesnosdanunaclaraideadequelasmanivelasnofallarnenlaoperacin.Losdatosobtenidossonpresentadosacontinuacin:

Factordeseguridadalafluencia:FS.fluencia=51.6Factordeseguridadalafatiga.FS.fatiga=57.55

63

Figura2.44.Seccincriticaaanalizarenlasverificaciones.

2.5.10Seleccindeltamaoynmerobillasparalacmaradecompactado.

Seemplearnbillasparadisminuirlafriccinyfavorecerelmovimientorelativolinealqueelcompactadorrealizarsobrelasguasangularesparapodercompletarelcompactadocomoseapreciaenlafigura2.45y2.46.ParapodercalcularlasbillasseemplealapresindeHertzcomobasedelclculo,elcualindicaqueelreadecontactoespequeaencomparacinconlassuperficiesylosesfuerzosefectivosestndirigidosnormalmenteaestarea.Alcomprimirunaesferasobreplanosseobtieneunreaconelaspectodeunacircunferencia,concentrndoselapresinmximaenelcentrodelrea.

64

BILLAS

Figura2.45.Billasenelsistemadecompactado.

Figura2.46.Vista(superiorderecha)enseccindelasbillas.

Delatabla2.4seobtienenlosvaloresdefuerzanormalparacadanguloderotacindelamanivela,ademsseobservaqueestafuerzavaraconeltiempoysuvalormximoesde377.5N,loqueequivaleaproximadamentea40kgf.Porlotantoestasbillasestarnsometidasacargascclicas,ysutiempodeduracinsedeterminaporlaresistenciaalafatigadelmaterialacargadecontacto.Enlafigura2.47semuestranlosvaloresderesistenciaalafatigaparacadatipodematerialdelasbillas.

Porlotantoseempleanbillasdeacerocementado(curva2)condurezade60HRC,yseobtieneunesfuerzomximoadmisiblede198kgf/mmparaunaduracindeN=10^7ciclosdetrabajo.Acontinuacinseprocedeahallarlatensindecompresin

65

mximaadmisibleparaeldiseo,segnlafigura2.48seobtienequedichatensindecompresinserde0.1kgf/mm^2.Porconsiguienteseprocedeacalcularelnmerodebillasencontactonecesarias,segnlasiguienteexpresinobtenidaapartirdelaecuacin100delabibliografaElementosdemquinasdelautorDecker:

Dnde:#b:nmerodebillasencontacto.FN:fuerzanormalasoportarporlasbillas.d:dimetrodelasbillas.:tensindecompresinmximaadmisible.

Figura2.47.Resistenciaalafatigaporcontacto.12

12DECKER,Karl-Heinz.Elementosdemquina.Bilbao:Urmo,1980.

66

Paraeldiseosetienenlossiguientesparmetrosiniciales:

Fuerzanormalasoportarporlasbillas:FN=40kgfDimetrodelasbillasaemplear:d=6mm

Porlotantodelaexpresinanterior,seobtiene:

Nmeromnimodebillasaemplear:#b=14

Figura2.48.Tensionesmximasadmisiblesenfuncindelatensindecompresin.13

13DECKER,Karl-Heinz.Elementosdemquina.Bilbao:Urmo,1980.

67

2.5.11Seleccinderodamientosdelrbolprincipal.

Comoyasemencionenelclculodelrbolprincipal,estedeberposeerdosrodamientosde30mmdedimetrointerior.Paraeldiseoseemplearndossoportesderodamientos(figura2.17)enlugardelosrodamientosporssolos,debidoaqueestosrequerirandelafabricacindesusrespectivosalojamientos.Sinembargo,paraelclculodeestossoportesderodamiento(chumaceras)secalcularncomosifuesenrodamientos,debidoaquetrabajandeigualforma.

Porlotantoenlamquinacompactadoradelatasseverificarnlosrodamientosmssimples,loscualessonlos6006-2Z*paraundimetrointernode30mm,conlafinalidaddereducirloscostosdefabricacin.Lamquinaserutilizadaintermitentementeodurantecortosperiodosdetiempoylosparmetrosinicialesparalaseleccinsonlossiguientes:

Velocidaddegirodelrbolprincipal:n=9rpmApoyoqueestsometidoalasmayorescargas:ApoyoR1FuerzaactuantessobreelapoyoR1:R1x=-1318.6NR1y=295.1NFuerzaresultanteradialsobreelapoyoR1:Fr=1351.2NFuerzaaxialsobreelapoyoR1:Fa=0NAceiteaemplear:SAE40(eq.aunISO150)Contaminacindeleje:LigeraTemperaturadetrabajo:55CFiabilidad:90%

LuegoderealizarlosclculoscorrespondientesparasuverificacinsegnelmanualdeSKFparacargadinmicayesttica,loscualesestncontempladosenelanexo9,seobtienequelavidadelrodamientoalascondicionesdetrabajoserde176333horas,loscualessuperannotablementelashorasdefuncionamientoquedeberantenercomomnimoestasmquinasquetrabajandeformaintermitente.Porlotanto,apartirdelaverificacinanteriorseseleccionanlossoportesderodamientoYAR206-

68

2F,loscualessiendolosmssimplesdelaampliagamadechumaceras,satisfaceneldiseo.

2.5.12Clculodetornillos.

Enestesubcaptuloseanalizarnlasunionesatornilladasmsimportantesparaeldiseodelamquina;laprimeraaanalizareslauninentrelasguasangularesconlatapadelacmaradecompactado,debidoaqueestatapadebepermanecercorrectamenteunidaalasguasantelaaplicacindelafuerzamximade1880N,ylaotraaanalizareslauninentrelabasedelresortedecompresinconelcompactadorprincipal,debidoaquetambinestauninsoportaunacargarelativamentealtacuandoelcompactadorseencuentraenelpuntofinaldelcompactado,esdecircuandoelresorteejerzasumximafuerzadeoperacin.

LostornillosserncalculadossegnelmanualElementodemquinasUnionesatornilladasdelIng.KurtPaulsen,elcualestbasadoenlanormaVDI2230.

2.5.12.1ClculodelauninatornilladaUTT,guasangularestapa.

SedefineuninUTT,cuandodichauninserealizamediantetornilloscontuercas.Comosemencionanteriormente,estauninesunadelasmspropensasafallarenlaoperacin,comoseapreciaenlafigura2.49,debidoaquelatapasoportalamximafuerzaejercidaporelcompactadorparaelaplastadodelaslatas.Losparmetrosinicialesparaelclculodelauninatornilladason:

Tamaodeltornilloaverificar:TornillohexagonalM10Materialdeltornillo:8.8Numerodetornillosaemplear:Nt=4Coeficientederozamientoacero-acero:uac.ac=0.2Coeficientederozamientoenloshilos:ufilete=0.1Fuerzatangencial:Ft=1880N

69

Fuerzaexterna:Fext=0NLongituddeplacas:Lp=4+3=7mmDimetroexterior:Dext=21mm

UNINATORNILLADA

TAPADELCOMPACTADORNGULOSGUAFigura2.49.Uninatornilladaguasangulares-tapa.

Pararealizarelclculodelostornillos,seprocedeacalcularlasconstantesderigidezdelasplacascomoladeltornillo,paraposteriormenteverificarlosporresistenciaenlossiguientesaspectos:

Esfuerzoseneltornilloduranteelmontaje.Esfuerzoseneltornilloduranteeltrabajoconcargaexterioresttica.Esfuerzodeaplastamientoenlassuperficiesencontacto.

Estosclculossondesarrolladosenelanexo10,ynosdacomoresultadosqueeltornillohexagonalM10nofallar,siendolasituacinmscrticaenelmontajeyajustedeltornillo.

2.5.12.2ClculodelauninatornilladaUAR,basedelresortecompactador.

EstauninseledenominaUAR,debidoaquepresentaunagujeroroscadoparalauninenlugardeunatuerca.Cuandofinalizalacarreradecompactado,elresorteestensuetapadedeformacinmxima,porloqueejerceunafuerzade200N,la70

cualintentardespegarlabasedelresorteconelcompactador(figura2.50),esporestoqueestauninseconsideraimportanteparalosclculos.Seconsideranlossiguientesparmetrosinicialesparaelclculodelaunin:

Tamaodeltornilloaverificar:TornillohexagonalM5Materialdeltornillo:8.8Numerodetornillosaemplear:Nt=4Coeficientederozamientoacero-acero:uac.ac=0.2Coeficientederozamientoenloshilos:ufilete=0.1Fuerzatangencial:Ft=200NFuerzaexterna:Fext=0NLongituddeplacas:Lp==6.35mmDimetroexterior:Dext=24mm

BASEDELRESORTE

UNINATORNILLADA

RESORTEBLOQUECOMPACTADOR

Figura2.50.Uninatornilladabasedelresorte-compactador.

Deigualformaqueenelclculodetornillosanterior,severificarnporresistenciaenlossiguientesaspectos:

Esfuerzoseneltornilloduranteelmontaje.Esfuerzoseneltornilloduranteeltrabajoconcargaexterioresttica.Esfuerzodeaplastamientoenlassuperficiesencontacto.

71

Estosclculossondesarrolladosenelanexo11,ynosdacomoresultadosqueeltornillohexagonalM5nofallar,siendolasituacinmscrticaenelmontajeyajustedeltornillo.

72

CAPITULO3

PLANOS

Elpresentecaptulotieneporobjetivolistarydescribirlosplanosnecesariosparalacorrectafabricacindelamquinacompactadoradelatas,loscualesfueronobtenidosluegoderealizarlosclculoscorrespondientesyanalizarlasfuncionesquecadaelementocumpleenconjunto.Dichosplanosseencuentranlistadosycodificadosenlatabla3.1.

Teniendocomoobjetivosespecficosencadatipodeplano,losiguiente:

Planosdeensamble:muestranladisposicindetodosloscomponentesempleadosparalaconstruccindelamquina,detallandolainteraccinentrelosmismosconloscorrespondientesjuegosoaprietes.Asimismomuestrantodaslasvistasnecesarias,seccionesydetalles,paraelcorrectoentendimientodeloperadoralmomentodelensambledeloscomponentes.Ademselplanodeensambledeberposeermedidasgeneralesparatenerunavisinaproximadasobreeltamaototalqueocuparlamquina.Yporltimo,losplanosdeensamblemuestranlalistadepiezas,lacualesmuyimportanteparaconocerelordendeensambladoytodaslaspiezasqueserequerirn.

Planosdedespiece:muestrantodaslasdimensionesnecesariasparalafabricacindelcomponente.Sealizantodaslastoleranciasdimensionalesrequeridasparalograrquetodosloscomponentesdelamaquinafuncionenrealizandosuslaboresdemaneraptima.Ademsmuestranlosacabadossuperficialesdelasreasque

73

necesitendeestosparapodercumplirconsusfunciones.Yporltimo,seindicaelmaterialdelapiezaylaescaladeldibujo.

Tabla3.1.Listadodeplanos.IDDescripcinCdigoNdeplanos1Ensamble:CompactadoradelatasE1-A112Despiece:EstructuraD1-A413Despiece:nguloslongitudinales40x40x4D2-A414Despiece:ngulostransversales40x40x4D3-A415Despiece:Platina2"x3/16"x250mmD4-A416Despiece:rbolprincipalD5-A317Despiece:Platina2"x3/16"x250mmD6-A418Despiece:rbolsecundarioD7-A319Despiece:RuedaP=3/8",Z=76D8-A3110Despiece:PinP=3/8",Z=17D9-A3111Despiece:ManivelaD10-A3112Despiece:Bocinamanivela-pasadorD11-A4113Despiece:PasadorD12-A4114Despiece:Bocinabiela-pasadorD13-A4115Despiece:Platinagua2"x3/16"D14-A4116Despiece:GualargaparabillasD15-A4117Despiece:Guasangulares25x25x3D16A/B-A4218Despiece:TapacmaradecompactadoD17-A3119Despiece:BloquedecompactadoprincipalD18-A3120Despiece:PlanchaguadepunznD19-A4121Despiece:BloquedecompactadosecundarioD20-A4122Despiece:GuacortaparabillasD21-A4123Despiece:ChapadenivelacinD22-A4124Despiece:JaulaparabillasD23-A4125Despiece:PunznD24-A3126Despiece:ResortedecompresinD25-A3127Despiece:BaseresorteD26-A3128Despiece:ClavijaD27-A4129Despiece:Bocinabiela-clavijaD28-A4130Despiece:BielaD29-A4131Despiece:PlancharanuradeexpulsinD30-A4132Despiece:RampaalimentadoraD31-A3133Despiece:RampadeexpulsinD32-A4134Despiece:GuardadeproteccinD33A/B-A32TOTALPLANOS:3674

CAPITULO4

COSTOSDEFABRICACION

Elpresentecaptulotieneporobjetivoobtenerelcostoaproximadoparalaconstruccindelprimerprototipodelamquinacompactadoradelatas.Parapodercalcularelcostototaldelprototipo,estesedesglosaenunaseriedesubcostos,loscualesnosllevanalclculodeuncostototalaproximado.Siendolacategorizacindelasiguientemanera:

Costosdeadquisicindeelementosnormalizados.Costosdeadquisicindeelementosestructuralesychapasmetlicas.Costosdeadquisicindematerialesparaloselementosdemquina.Costosdemaquinadoyensamble.

Astambin,paraconseguirloscostossedetallanlassiguientesconsideracionesgenerales:

Todoslosmaterialesbaseparalafabricacindeloselementosestructuralesyloselementosdemquinasonfcilmenteadquiriblesenelmercadolocal,tomandocomocatlogosgeneraleslosbrindadosporAcerosArequipayelmanualdeAcerosBohlerparaelcasodeacerosespeciales.Losmaterialesbaseparaloselementosdemaquinadeberntenerunasobredimensindealmenos1mmparasuposteriormecanizado,estosedebeaquecuandounoadquierematerialdebeeliminarlacascarillaquelorecubre.Paraelcasodelatransmisin,pinyruedadentada,estoshansidoconsideradosdentrodeloselementosnormalizados,debidoaqueson

75IDDescripcinMaterialCant.UndPrecioUnitarioP.U(S/.)PrecioParcialP.P(S/.)

1TornilloExagonalM5x208.836Und.0.3010.80

2ArandelaA5,3St36Und.0.3010.80

3TuercaExagonalM5836Und.0.3010.80

4Chumaceradepie2062Und.15.0030.00

5Chumaceradepie2072Und.25.0050.00

6TornilloExagonalM12x508.88Und.0.504.00

7ArandelaA13St8Und.0.504.00

8TuercaExagonalM1288Und.0.504.00

9Chaveta8x7x32St602Und.5.0010.00


11Rueda76T06B-1(3/8"Simple)c/tratamiento.SAE10451Und.165.20165.20

12PrisioneroM5x128.81Und.0.300.30

13Pin17T06B-1(3/8"Simple)c/tratamiento.SAE10451Und.23.6023.60

14PrisioneroM5x108.81Und.0.300.30

15Cadena06B-1R(3/8"Simple)DNG110Eslab.-33.04


comercializadosdeformaestndarenelmercadolocal.Estosalmomentodeseradquiridosyacuentanconeltratamientotrmicorequeridoenlosdientesyconunabocamasa,lacualsermaquinadaparaobtenerlasdimensionesfinalesdeloselementos.Loscostospresentadosestarncalculadosenbasealamonedalocal,nuevossoles(S/.),considerndoseademseltipodecambioactualde2.7.Lossubcostosycostostotalesincluyenelimpuestogeneralalasventas(IGV).

4.1Costosdeadquisicindeelementosnormalizados.

Seconsideranelementosnormalizados,loscomponentesquesonfcilmenteadquiriblesenelmercadolocalyquegeneralmentenonecesitandeunmaquinadoposteriorasucompraparaserensambladosenlamquinacomoporejemplo:tornillos,tuercas,arandelas,prisioneros,chumaceras,etc.Lospreciosparcialesdedichoselementossonlistadosenlatabla4.1.

Tabla4.1.Preciosparcialesdeloselementosnormalizados.76

IDDescripcinMaterialCantidadUnidadPesoLinealWL(kg/m)PrecioParcialP.P(S/.)

32L40x40x4ASTMA368.3Mts.2.26101.29

33L2"x2"x3/16"ASTMA360.68Mts.3.6313.33

34Platina2"x3/16"ASTMA361.688Mts.1.7816.23

35L25x25x3ASTMA361.12Mts.1.116.69

36Platina2"x1/4"ASTMA360.63Mts.2.368.03

37Tubo11/2"-1,8mmASTMA5000.05Mts.2.060.56

Tabla4.2.Preciosparcialesdeelementosestructuralesyplanchasmetlicas.77

17Anilloderetencin26x1,2St2Und.1.002.0018TornilloFlatM4x168.816Und.0.304.8019ArandelaA4,3St16Und.0.304.8020TuercaExagonalM4816Und.0.304.8021TornilloExagonalM10x228.84Und.0.301.2022ArandelaA10,5St8Und.0.302.4023TuercaExagonalM1088Und.0.302.4024TornilloSocketM10x1008.84Und.0.502.0025Billas620Und.0.5010.0026TornilloFlatM5x168.88Und.0.302.4027Resortedecompresin1Und.15.0015.0028TornilloExagonalM5x168.84Und.0.301.2029Anilloderetencin18x1,2St4Und.1.004.0030Anilloderetencin25x1,2St2Und.1.002.0031ManijaR250,segnDIN469GG-201Und.20.0020.00Subtotal450.84

4.2Costosdeadquisicindeelementosestructuralesyplanchasmetlicas.

Seconsideranelementosestructuralesyplanchasmetlicas,loselementosquegeneralmentenonecesitanunmaquinadomuycomplejo.Porlotanto,parapoderobtenerloscomponentesfinalesparaelensambladoseemplearnprocesosbsicamentedecorte,taladradoysoldado.Todosloselementosestructuralesempleadoseneldiseodelamquinacompactadoradelatassonencontradosenelmercadolocal,siendolosmanualesdeseleccin,loscatlogosdeAcerosArequipadengulosestructurales,platinas,tubosychapasmetlicas;obtenindoseadems,endichoscatlogos,elpesolinealdeloselementosestructuralesparasufcilclculodelcostoparcial.Lospreciosparcialesdedichoselementossonlistadosenlatabla4.2.

38Tubo1"-1,8mmASTMA5000.15Mts.1.401.1439Platina11/2"x1/2"ASTMA360.8Mts.3.5615.3840PL0.625x240x520ASTMA10111Und.-3.0041PL1x270x170ASTMA10111Und.-3.00Subtotal168.64

4.3Costosdeadquisicindematerialesparaloselementosdemquina.

Losmaterialesbasequesonadquiridosparalafabricacindeloselementosdemquina,sonaquellosquenecesitanunposteriormaquinadoparapodercumplirsusfuncionesdemaneraptima.Teniendocomoprocesoseltorneado,rectificado,taladrado,fresado,etc.EstosmaterialesbasehansidoseleccionadosdelcatlogodeAcerosArequipaydelmanualdeacerosespecialdeBohler.Lospreciosparcialesdedichoselementossonlistadosenlatabla4.3.

Tabla4.3.Preciosparcialesdeloselementosdemquina.

IDDescripcinMaterialCantidadUnidad

PesoLinealWL(kg/m)

PrecioParcialP.P(S/.)

42Barra13/8"Ck450.37Mts.7.5230.0543Barra13/4"Ck450.4Mts.12.1852.6344Barra7/8"Ck450.12Mts.3.053.9545Barra11/8"Ck450.28Mts.5.0315.2246Barra1"SAE650.1Mts.3.984.3047Barra13/8"SAE650.03Mts.7.522.4448Plancha38x55x120SAE10201Und.-8.0049Plancha50x70x400SAE10201Und.-50.0050Plancha1/4"x30x1050StarmoldM2381Und.-15.0051JaulaparabillasNylon1Und.-50.00Subtotal231.58

4.4Costosdemaquinadoyensamble.

Estoscostosinvolucrantodoslosprocesosdemaquinadodeloscomponentes,yaseanestructuralesoelementosdemquina,parasuposteriorensambleeneltaller

78

mecnico.Elclculodeestoscostosseobtienendeformaaproximadaconsiderandoquedosoperariosseencargarnderealizarelmaquinadoyelensambladoenunlapsodeaproximadamente11horasefectivas,considerandoS/.15.00NuevosSolesporhoracomoelcostodemanodeobrayalquilerdemaquinaria.

Tabla4.4.Preciosparcialesparaelmaquinadoyensamblaje.Precio

IDDescripcin

Parcial

P.P(S/.)1Maquinadodeloscomponentes250.002Ensamblajedelamaquina100.00Subtotal350.00

4.5Obtencindecostostotales.

Unavezobtenidoslossubcostosrequeridosparalafabricacindelamquina,seobtieneelcostototaldelprototipo,elcualserdeaproximadamenteS/.1200.00NuevosSoleso$428.9DlaresAmericanos.

Tabla4.5.Obtencindeloscostosdefabricacin.Subtotal

IDDescripcin

Parcial

(S/.)1Adquisicindeelementosnormalizados450.842Adquisicindeelementosestructuralesychapas168.643Adquisicindematerialparaloselementosdemaquina231.584Maquinadodecomponentesyensamblajedelamaquina350.00Total(S/)1,201.06Total($)428.95

79

CONCLUSIONES

1.Elpresentediseocumpleconelobjetivoprincipaldepodercompactarlaslatasdealuminioalaquintapartedesuvolumeninicial.Dichacondicinsegarantizaconlasdimensionesdelacmaradecompactadoydelmecanismobiela-manivela.

2.Lamquinacompactadoradebidoasusimplicidadytamaoreducidopodrserusadaenpequeosnegocios,centroscomercialesyencentrosdeacopiodemetales.Dichaprcticaconcientizaralaspersonasypromoverelconsumodebebidasenlatasdealuminioyelreciclajedelasmismas.

3.Lamquinareducirelvolumendelaslatasalaquintaparte,facilitandoeltransportedelaslatascompactadashacialoscentrosdeacopiodemetalesparasuposteriorreciclaje.

4.Lasconsideracionesdediseo,factoresgeomtricosyergonmicospermitirnqueunapersonapuedaoperarlamquinadeformasegurasinlaposibilidadquelaoperacinproduzcalesinofatigaeneloperador.

5.Lamquinahasidodiseadaparacompactarlatasvacasdealuminioaunaraznde9latas/minutocomomnimodebidoalasconsideracionesergonmicascomovelocidadyfuerzaensuoperacin.Porlotantoseestaracumpliendoconlosolicitadoenlalistadeexigenciasde10latas/minuto(Deseo).

6.Lamquinacompactadorahasidodiseadadetalformaquesealomseficienteysilenciosaposibleparaaprovecharalmximolafuerzaejercidaenlamanijaporeloperador,paralocualentodoeldiseoseevitenloposiblelasprdidasenfriccin,implementandosistemasdedeslizamientoporbillasyembocinadosdebroncedeloscomponentesarticulados.

80

7.Lamquinacompactadoraposeeguardasdeseguridadparaprotegerloselementosmvilesexpuestosquepudierancausardaoalgunoaloperador.Porlotantolamquinahasidodiseadaconunniveldeseguridadsuficiente,afindepreservarlaintegridaddelaspersonasquelaoperen.

8.Lamquinahasidodiseadaparaquepuedafabricarseyensamblarseensutotalidadentallereslocales,debidoaquetodosloscomponentespuedenserfabricadosy/oadquiridosfcilmenteenelmercadolocal.

9.ElcostodefabricacindelprimerprototipodelamquinacompactadoradelatasseestimaqueserdeS/.1200.00(inc.IGV),montoqueincluyeloscostosdematerialesydemanodeobra.Siseconsideraunaproduccinenserieloscostospodranreducirseconsiderablementeporloqueelprecioseramsaccesibleenelmercadolocal.

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