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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PRENSA DE MOLDEO PARA LA FABRICACIÓN DE TABLEROS AGLOMERADOS DE ASERRÍN DE GUADUA Y RESINA POLIMÉRICA SERGIO ALEJANDRO SARMIENTO FORERO 20121074043 JIMMY ALEXANDER GIL RUBIO 20052075025 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO DE GRADO 2016

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PRENSA DE MOLDEO PARA LA

FABRICACIÓN DE TABLEROS AGLOMERADOS DE ASERRÍN DE GUADUA Y RESINA POLIMÉRICA

SERGIO ALEJANDRO SARMIENTO FORERO

20121074043

JIMMY ALEXANDER GIL RUBIO

20052075025

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO DE GRADO

2016

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PRENSA DE MOLDEO PARA LA FABRICACIÓN DE TABLEROS AGLOMERADOS DE ASERRÍN DE GUADUA

Y RESINA POLIMÉRICA

SERGIO ALEJANDRO SARMIENTO FORERO

20121074043

JIMMY ALEXANDER GIL RUBIO

20052074025

TUTOR

Ing. HENRY MORENO ACOSTA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO DE GRADO

2016

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NOTA DE ACEPTACIÓN

____________________________________

____________________________________

____________________________________

___________________________________

Tutor

___________________________________

Jurado

Bogotá D.C. Enero de 2016

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CONTENIDO

1 OBJETIVOS ........................................................................................................................... 13

1.1 Objetivo General ......................................................................................................... 13

1.2 Objetivos Específicos ................................................................................................... 13

2 ANTECEDENTES ................................................................................................................... 14

3 DESARROLLO DEL DISEÑO ................................................................................................... 17

3.1 Selección del actuador ................................................................................................ 18

3.1.1 Actuador mecánico ............................................................................................. 18

3.1.2 Actuador hidráulico ............................................................................................. 19

3.1.2.1 Gato Hidráulico................................................................................................ 19

3.1.2.1.1 Componentes ............................................................................................ 19

3.1.2.1.2 Tipos De Gatos Hidráulicos ....................................................................... 19

3.1.2.1.2.1 Tipo botella ........................................................................................ 19

3.1.2.1.2.2 Tipo piso ............................................................................................. 20

3.1.3 Actuador electromecánico .................................................................................. 20

3.1.4 Modulo Hidráulico Seleccionado ........................................................................ 21

3.2 Análisis De cargas ........................................................................................................ 23

3.2.1 Simulación de Esfuerzos Mediante el Software Solid Works .............................. 23

3.2.1.1 Método de los Elementos Finitos (MEF) ......................................................... 23

3.2.1.1.1 Selección del material ............................................................................... 24

3.2.1.1.2 Restricciones de movimiento .................................................................... 25

3.2.1.1.3 Cargas ........................................................................................................ 25

3.2.1.1.4 Ejecutar el Análisis .................................................................................... 26

3.2.1.1.5 Resultados ................................................................................................. 26

3.2.2 Nomenclatura de Elementos Estructurales ......................................................... 27

3.2.3 Determinación carga ........................................................................................... 28

3.2.4 Esfuerzos ............................................................................................................. 30

3.2.4.1 Viga Superior ................................................................................................... 31

3.2.4.2 VIGA INFERIOR CORTA .................................................................................... 35

3.2.4.3 VIGA INFERIOR LARGA ..................................................................................... 38

3.2.5 Deformaciones .................................................................................................... 42

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3.2.5.1 VIGA SUPERIOR ............................................................................................... 42

3.2.5.2 VIGA INFERIOR CORTA .................................................................................... 43

3.2.5.3 VIGA INFERIOR LARGA ..................................................................................... 43

3.3 Columnas ..................................................................................................................... 44

3.4 Análisis Estructura Piramidal ....................................................................................... 47

3.5 RESORTES .................................................................................................................... 51

3.5.1 RESORTES DE EXTENSION .................................................................................... 51

3.6 Análisis de Soldaduras ................................................................................................. 55

3.6.1 Junta Miembro Estructural VIL ............................................................................ 55

3.6.2 JUNTA MIEMBRO ESTRUCTURAL VSP ................................................................. 58

3.6.3 JUNTA MIEMBRO ESTRUCTURAL VIC .................................................................. 60

3.7 Análisis General de la estructura ................................................................................ 63

3.7.1 Esfuerzos ............................................................................................................. 66

3.7.2 Deformaciones .................................................................................................... 67

4 FABRICACION ...................................................................................................................... 68

4.1 LISTA DE MATERIALES ................................................................................................. 68

4.2 Construcción Estructura .............................................................................................. 69

4.2.1 Cortes elementos estructurales .......................................................................... 69

4.2.2 Ensamble Estructura ........................................................................................... 69

4.2.3 Construcción estructura triangular ..................................................................... 71

5 Presentación Semana Tecnológica ...................................................................................... 72

6 CONCLUSIONES ................................................................................................................... 73

7 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 74

8 Anexos ................................................................................................................................. 75

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1.Componentes gato hidráulico ........................................................................................ 21

Tabla 2.Especificaciones gatos hidráulicos.................................................................................. 22

Tabla 3.Propiedades geométricas perfil I .................................................................................... 31

Tabla 4.Propiedades geométricas perfil en C .............................................................................. 35

Tabla 5.Propiedades Angulo........................................................................................................ 44

Tabla 6.Fuerza admisible por pulgada de lado ............................................................................ 57

Tabla 7.Relacion espesor chaflán ................................................................................................ 58

Tabla 8.Deflexiones admisibles en maquinaria ........................................................................... 67

Tabla 9.Lista de materiales .......................................................................................................... 68

Tabla 10.Composicion química perfiles estructurales ................................................................ 76

Tabla 11.Propiedades mecánicas perfiles estructurales ............................................................. 76

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.Molde Inferior ............................................................................................................... 14

Figura 2. Molde superior ............................................................................................................. 15

Figura 3.Dimensiones Molde ...................................................................................................... 16

Figura 4. Prensa hidráulica beta de 8 toneladas ......................................................................... 17

Figura 5.Prensa hidráulica beta de 6 toneladas .......................................................................... 17

Figura 6. Actuadores Mecánicos ................................................................................................. 18

Figura 7. Tipo Botella ................................................................................................................... 20

Figura 8.Tipo piso ........................................................................................................................ 20

Figura 9.Plano Conjunto Gato Hidráulico .................................................................................... 21

Figura 10.Proceso de mallado con COSMOSWorks .................................................................... 23

Figura 11.Lista materiales solid works ........................................................................................ 24

Figura 12.Ejemplo sujeciones ...................................................................................................... 25

Figura 13.Ejemplo cargas ............................................................................................................ 25

Figura 14.Ejemplo resultados ...................................................................................................... 26

Figura 15.Nomenclatura elementos estructurales ..................................................................... 27

Figura 16.Cargas externas ........................................................................................................... 29

Figura 18.Esquema viga carga puntual ....................................................................................... 31

Figura 17.Dimensiones perfil I ..................................................................................................... 31

Figura 19.Distribucion esfuerzos axiales ..................................................................................... 32

Figura 20.Sujecion vsp ................................................................................................................. 33

Figura 21.Cargas vsp .................................................................................................................... 33

Figura 22.Simulacion esfuerzos vsp ............................................................................................ 34

Figura 24.Esquema viga distribuida ............................................................................................ 36

Figura 23.Dimensiones perfil en C .............................................................................................. 35

Figura 25.Sujeciones vic .............................................................................................................. 37

Figura 26.Cargas vic ..................................................................................................................... 37

Figura 27.Simulacion esfuerzos vic ............................................................................................. 38

Figura 28.Esquema viga distribuida ............................................................................................ 39

Figura 29.Sujeciones vic .............................................................................................................. 40

Figura 30.Fuerzas vil .................................................................................................................... 41

Figura 31.Simulacion esfuerzos vil .............................................................................................. 41

Figura 32.Valores de K ................................................................................................................. 45

Figura 33.Especificaciones Angulo .............................................................................................. 47

Figura 34.Propiedades de sección ángulo ................................................................................... 47

Figura 35.Esquema estructura triangular .................................................................................... 48

Figura 36.Dimensiones Estructura piramidal 1 ........................................................................... 48

Figura 37.Dimensiones estructura piramidal 2 ........................................................................... 49

Figura 38.Componentes fuerzas ................................................................................................. 50

Figura 40.Geometria Del Resorte De Extensión .......................................................................... 51

Figura 39.Cargas resorte extensión ............................................................................................. 51

Figura 41.Esfuerzos Flexionanates De Diseño Para Resortes, Alambre De Acero Astm A227 ... 53

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Figura 42.Esfuerzos Cortantes De Diseño Para Resortes Para Alambre De Acero Astm A227 .. 54

Figura 44.Esquema Soldadura en C ............................................................................................. 55

Figura 43.Esquema soldadura vil ................................................................................................ 55

Figura 45.Torsion en Soldadura C ............................................................................................... 56

Figura 46.Esquema soldadura vsp ............................................................................................... 58

Figura 47.Esquema soldadura en I .............................................................................................. 59

Figura 48.Flexión en soldadura I ................................................................................................. 59

Figura 49.Esquema soldadura vic ................................................................................................ 60

Figura 50.Sujeciones estructura .................................................................................................. 64

Figura 51.Cargas estructura ........................................................................................................ 65

Figura 52.Simulacion esfuerzos estructura ................................................................................. 66

Figura 53.Simulacion deformaciones estructura ........................................................................ 67

Figura 54.Destijeres ..................................................................................................................... 69

Figura 55.Ensamble estructura ................................................................................................... 70

Figura 56.Juntas .......................................................................................................................... 70

Figura 57.Exposicion semana tecnológica................................................................................... 72

Figura 58.Probetas ...................................................................................................................... 72

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INTRODUCCIÓN

Actualmente el semillero de investigación PEMI (Progresos de Materiales de

Ingeniera) ha trabajado en el proyecto: “FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN

DE MATERIAL AGLOMERADO DE GUADUA ANGUSTIFOLIA KUNTH CON

UNA RESINA HIDROPUL 400-HTR”. Para la realización de este proyecto fue

necesario abordar y conocer a fondo el trabajo realizado en 2014 por los

estudiantes Julián Herrera y Cristian Niño, el cual se enfocó en la fabricación

de tableros aglomerados con residuos industriales de Guadua Angustifolia

Kunth mezclados con un aglutinante ecológico, Hidropul 400 HTR, el cual ha

dejado resultados satisfactorios, pero ha aparecido una nueva necesidad, un

dispositivo mecánico que compacte materiales.

Este mecanismo, del cual actualmente se carece para realizar el proceso de

compactación del material aglomerado, debe brindar el valor de presión

establecida en el proyecto anterior, a través de un actuador hidráulico, así

como contar con una estructura metálica resistente y rígida a nivel mecánico y

funcionar en forma segura.

Identificada la necesidad de una estructura y un sistema de compactación,

fueron estudiados los requisitos necesarios para la fabricación de los tableros y

de esta manera se inició un el proceso de diseño, el cual nos dejó satisfactorios

resultados.

Ya definidos las dimensiones y materiales, se realizó el proceso de diseño y

fabricación, en el cual fueron aplicados los conocimientos adquiridos a lo largo

de la formación como Tecnólogos Mecánicos mediante recursos y habilidades

propios

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RESUMEN

Este proyecto fue realizado como complemento al proyecto "FABRICACIÓN Y

CARACTERIZACIÓN DE MATERIAL AGLOMERADO DE GUADUA

ANGUSTIFOLIA KUNTH CON UNA RESINA HIDROPUL 400-HTR". realizado

en mayo de 2014 por los estudiantes Julián Herrera y Cristian Niño, el cual

consta de un molde para la fabricación de los tableros aglomerados. El molde

cuenta con las especificaciones establecidas por la norma NTC 2261, pero

carece un sistema de compactación y una estructura funcional que facilite la

utilización del molde.

Se diseñó y construyó un sistema de compactación que consta de un gato

hidráulico el cual ejerce una fuerza de 4000 kg-fuerza, esta fuerza puntual fue

distribuida uniformemente por medio de una estructura piramidal a un área de

0.25 . También se fabricó una estructura capaz de soportar las condiciones

de trabajo, peso del molde y la fuerza ejercida por el gato hidráulico.

El proceso de diseño y fabricación están descritos a lo largo del presente

documento.

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ABSTRACT

This project was made as a supplement to the "FABRICATION AND

CHARACTERIZATION OF AGGLOMERATED MATERIAL OF BAMBOO

ANGUSTIFOLIA KUNTH WITH HIDROPUL RESIN 400 – HTR". work was

conducted on May 2014, which consists of a mold for the manufacture of

particleboard. The mold has the specifications set by the NTC 2261 standard,

but lacks a system of compaction and a functional structure that facilitates the

use of the mold.

It was designed and built a system of compaction consisting of a hydraulic jack

which exerts a force of 4000 kg - force , this point force was distributed evenly

through a pyramidal structure to an area of 0.25 m ^ 2 It was manufactured a

structure capable of supporting the working conditions, mold weight and the

force exerted by the jack.

The design and manufacturing process are described throughout this

document.

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GLOSARIO

ANALISIS ESTRUCTURAL: Análisis estructural se refiere al uso de las

ecuaciones de la resistencia de materiales para determinar los esfuerzos

internos, deformaciones y tensiones que actúan sobre una estructura

resistente, como edificaciones o esqueletos resistentes de maquinaria.1

COLUMNA: Una columna es un miembro que soporta una carga de

compresión axial. Esta carga puede ser concéntrica (aplicada a lo largo del eje

centroidal) o excéntrica (aplicada paralelamente al eje del miembro centroidal,

pero acierta distancia del mismo). 2

DEFLEXION: Las cargas de flexión aplicadas a una viga hacen que se flexione

o doble en el plano que contiene las cargas. Una viga recta en su origen se

deformara y su forma será ligeramente curva.3

ESFUERZO DE FLEXIÓN: tipo de esfuerzo que presenta un elemento

estructural alargado en un plano perpendicular a su eje longitudinal debido a la

aplicación de cargas en el plano de flexión.4

1 Mecánica Básica para estudiantes, Jorge Eduardo Salazar Trujillo http://www.bdigital.unal.edu.co/5856/1/jorgeeduardosalazartrujillo20071.pdf

2 Mecánica de materiales, Eber Esau Paz Salvador, http://eber-esau-paz-salvador.blogspot.com/2011/11/54-

columnas.html

3 Mecánica de materiales, http://ctorrestrj.blogspot.com/2011/11/deflexion-en-vigas.html

4 Resistencia de materiales aplicada, Robert L. Mott, Tercera Edición

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1 OBJETIVOS

1.1 Objetivo General

Diseñar y Construir una prensa de moldeo para la fabricación de tableros de 0,5m x 0,5m en aserrín de guadua y resina polimérica.

1.2 Objetivos Específicos

1.2.1. Seleccionar e implantar el modulo hidráulico de prensado

1.2.2. Diseñar y construir la estructura metálica de la prensa de moldeo

1.2.3. Elaborar la documentación que soporta el diseño y la construcción de la prensa de moldeo

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2 ANTECEDENTES

La realización de este proyecto tecnológico se realiza con base en los

resultados alcanzados en el proyecto de grado de tecnología FABRICACIÓN Y

CARACTERIZACIÓN DE MATERIAL AGLOMERADO DE GUADUA

ANGUSTIFOLIA KUNTH CON UNA RESINA HIDROPUL 400-HTR, por lo cual

es fundamental analizar el estado actual de los elementos generados en dicho

proyecto.

Figura 1.Molde Inferior

Debido al paso del tiempo algunos componentes se han deteriorado por falta

de mantenimiento del molde, como el desgaste presentado en la zona donde

se realiza la compactación del material; el sistema de regulación de

temperatura se encuentra en funcionamiento aunque se debe reorganizar las

conexiones para acoplarlas con la estructura, pero el molde a nivel estructural

se encuentra en buenas condiciones.

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Figura 2. Molde superior

Además el molde se encuentra constituido por un circuito que regula la

temperatura, la cual es una variable fundamental para la compactación del

material, pero este parámetro no está en el alcance de este proyecto debido a

que esto es analizado en el proyecto de grado donde se realizo el molde.

Con respecto a las dimensiones del molde, se especifican las dimensiones

generales del molde en la figura 3 y dimensiones especificas se aprecian en los

anexos 2 y 3.

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Figura 3.Dimensiones Molde

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3 DESARROLLO DEL DISEÑO

Inicialmente se observa y analiza la geometría del molde descrito en la sección

anterior y se profundiza en los planos ubicados en los anexos 2 y 3 al final de

este documento. Se realizó trabajo de campo donde se observó similitud en

las prensas hidráulicas comerciales, las cuales se componen básicamente de

una estructura diseñada para ejercer una fuerza puntual, pero pueden ser

modificadas dependiendo de la función que se requiera. Un gato hidráulico se

encarga de generar la fuerza necesaria; lo interesante de esto es que todas las

prensas utilizan un gato hidráulico tipo botella y lo empleaban de manera

invertida como se muestra en las siguientes imágenes, además se encontraron

resortes encargados de cambiar de estado el modulo hidráulico y dos placas,

una móvil y una fija, donde se ubicará el material a compactar. En este

proyecto, dichas placas ya están presentes.

Luego de analizar las prensas existentes, se logra contar con un panorama

más amplio en cuanto a las prensas hidráulicas que se manejan a nivel

comercial, con base en esta información se empieza el proceso de diseño.

Figura 5.Prensa hidráulica beta de 6 toneladas Figura 4. Prensa hidráulica beta de 8 toneladas

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3.1 Selección del actuador

Luego del análisis de los tipos de actuadores disponibles, se analizan aspectos

como accesibilidad, costo, capacidad; y se ha optado por un gato hidráulico tipo

botella con una capacidad de 4 toneladas, ya que este tipo de actuador

hidráulico tiene una forma de funcionamiento vertical, la cual es optima para

aplicarla al sistema de prensado y además se escoge este sistema por su

accesibilidad.

3.1.1 Actuador mecánico

Los actuadores mecánicos son dispositivos que transforman el movimiento

rotativo en la entrada, en un movimiento lineal en la salida. Los actuadores

mecánicos son aplicables para los campos donde se requiera movimientos

lineales tales como: elevación, traslación y posicionamiento lineal.

Algunas de las ventajas que ofrecen los actuadores mecánicos son: Alta

fiabilidad, simplicidad de utilización, mínima manutención, seguridad y precisión

de posicionamiento; irreversibilidad según el modelo de aplicación, sincronismo

de movimiento.5

Figura 6. Actuadores Mecánicos

5 fuente: http://www.pmzcomatrans.com/transmision/actuadores-mecanicos/

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3.1.2 Actuador hidráulico

El funcionamiento del gato hidráulico responde al principio de Pascal, que

establece que la presión en el fluido hidráulico en un contenedor cerrado es

siempre la misma en todos sus puntos.

Se le da el nombre de gato “hidráulico” por la utilización de un líquido,

generalmente un aceite, para ejercer presión sobre un cilindro que empujará a

otro de diferente tamaño para lograr la elevación.

La presión ejercida sobre el primero será igual en el segundo, con la diferencia

de que el de mayor tamaño (mayor área transversal sobre la cual actúa la

presión), se logrará un incremento de la fuerza para que el brazo lleve a cabo

la elevación.6

3.1.2.1 Gato Hidráulico

La presión del aceite permite que el brazo del gato hidráulico se eleve a una

determinada altura, esto permitirá maniobrar debajo del aparato o cuerpo que

se quiera elevar.

3.1.2.1.1 Componentes

Depósito: Es el lugar donde se contiene el aceite o fluido.

Válvula de retención: Permite que el líquido llegue al cilindro principal.

Cilindro principal: Recibe la presión del fluido y empuja al cilindro

secundario.

Cilindro secundario: Acciona el brazo de elevación.

3.1.2.1.2 Tipos De Gatos Hidráulicos

3.1.2.1.2.1 Tipo botella

Se diseña en posición vertical y hace contacto directo entre la plataforma y el

material que se va a levantar.

6 fuente: http://actuadoresinterfacesj3iscviiia.blogspot.com/p/blog-page_11.html

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3.1.2.1.2.2 Tipo piso

Este tipo de gato hidráulico se diseña en posición horizontal. Su brazo largo

permite hacer las elevaciones y aumentar la extensión de la elevación.7

3.1.3 Actuador electromecánico

Los actuadores electromecánicos son adecuados para usos muy diversos,

tanto para aplicaciones de tracción como de compresión, y se pueden integrar

de forma muy flexible en otros sistemas de ensayos. Su campo de aplicación

7 fuente: http://www.uhu.es/rafael.sanchez/ingenieriamaquinas/carpetaapuntes.htm/Trabajos%20IM%202009-

10/Antonio%20Delgado%20Diez-Actuadores%20hidraulicos_2.pdf

Figura 7. Tipo Botella

Figura 8.Tipo piso

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comprende desde el ensayo de materiales y componentes hasta el ensayo de

productos finales. Asimismo, permiten la realización de ensayos durante ciertas

fases de producción, tales como el empalme, ensamblaje, y el montaje, y

también son ideales para realizar ensayos cíclicos de resistencia a la fatiga con

grandes recorridos.

3.1.4 Modulo Hidráulico Seleccionado

Luego de analizar las diferentes opciones para poder generar la fuerza, se opto

por un gato hidráulico por los siguientes motivos:

Facilidad de accionamiento para realizar la carga

Facilidad de adquisición por distintos aspectos, como: economía,

distintos distribuidores.

Facilidad de posicionamiento en el ensamblaje de la estructura, ya que

es liviano por tener un peso neto de 3.3 Kg y sus dimensiones son

óptimas respecto al espacio disponible para su ubicación. como se

evidencia en la tabla 2.

Los componentes del gato hidráulico se evidencian conjuntamente en la figura

8 y la tabla 1.

Tabla 1.Componentes gato hidráulico

Figura 9.Plano Conjunto Gato Hidráulico

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ITEM Capacidad

(toneladas)

Mínima

Altura

(mm)

Altura Altura

ajustable

(mm)

Peso Neto (Kg)

T90203 2 181 116 48 2.7

T90403 4 194 118 60 3.3

T90603 6 216 127 70 4.5

T90803 8 230 147 80 6

T91003 10 230 150 80 6.6

Tabla 2.Especificaciones gatos hidráulicos

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3.2 Análisis De cargas

3.2.1 Simulación de Esfuerzos Mediante el Software Solid Works

3.2.1.1 Método de los Elementos Finitos (MEF)

Es un método numérico empleado en la resolución de ecuaciones diferenciales

muy utilizado en diversos problemas de ingeniería como es el análisis de

tensiones o análisis estático.

El método se basa en dividir el cuerpo o geometría a validar en múltiples partes

de pequeño tamaño denominadas “Elementos”. Los elementos comparten

entre ellos puntos comunes de intersección denominados “Nodos”.

Fuente: Solid Works, Sergio Gómez Gonzales

Figura 10.Proceso de mallado con COSMOSWorks

La herramienta COSMOSXpress es una aplicación de Solid Works para

actividades de diseño que permite predecir mediante el Análisis por Elementos

Finitos (FEA) el comportamiento mecánico de una pieza bajo diferentes

situaciones como: Análisis estático, Térmico, Fatiga.

Esta aplicación es utilizada para determinar los efectos de las fuerzas que

actúan sobre el elemento a analizar; de esta manera se pueden mejorar el

diseño de los elementos sin necesidad de construir prototipos y realizar

ensayos. Esta herramienta se ejecuta en cinco etapas:

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3.2.1.1.1 Selección del material

Esta herramienta posee una gran variedad de

materiales disponibles para realizar los

análisis donde se evidencian propiedades del

material como se observa en la figura 10

Figura 11.Lista materiales solid works

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3.2.1.1.2 Restricciones de movimiento

En esta etapa se describen las restricciones que impiden el movimiento de la

pieza ensayada al ser sometida a las fuerzas que tienden a deformarla. Dichas

restricciones son: geometría fija o empotramiento, rodillo, soporte elástico.

Figura 12.Ejemplo sujeciones

3.2.1.1.3 Cargas

Etapa del proceso donde se estable las interacciones del modelo con el

entorno que lo rodea, en donde se puede determinar distintos tipos de carga

como: Fuerza, Torsión, Fuerza Centrifuga, Carga de apoyo, Gravedad.

Figura 13.Ejemplo cargas

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3.2.1.1.4 Ejecutar el Análisis

En este proyecto se utiliza el Análisis estático ya que la estructura que soporta

la carga no sufre ningún tipo de desplazamiento que lleve a considerar un

análisis dinámico.

La aplicación COSMOSXpress, para realizar el análisis estático efectúa dos

suposiciones:

Suposición de elasticidad: Los cálculos se realizan con base en que los

esfuerzos se encuentran en la zona elástica del material.

Suposición estática: El modelo ensayado debe soportar las cargas aplicadas

de forma lenta y gradual hasta alcanzar la magnitud definida.

3.2.1.1.5 Resultados

Etapa del proceso en la cual el software calcula los desplazamientos, y los

esfuerzos en la pieza estudiada en función del material, las restricciones y las

cargas establecidas anteriormente.

Figura 14.Ejemplo resultados

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3.2.2 Nomenclatura de Elementos Estructurales

Figura 15.Nomenclatura elementos estructurales

VSC: Viga Superior Corta

VSP: Viga Superior Principal

VSL: Viga Superior Larga

VIL: Viga Inferior Larga

VIC: Viga Inferior Corta

C: Columna

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3.2.3 Determinación carga

En el proyecto de grado titulado: “FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE

MATERIAL AGLOMERADO DE GUADUA ANGUSTIFOLIA KUNTH CON UNA

RESINA HIDROPUL 400-HTR”, se establece la presión máxima soportada por

el molde térmico en un valor 190 Kpa.

La carga máxima admisible por el molde tiene un valor de 4,84 Toneladas; se

debe seleccionar el modulo hidráulico que genere una carga comercial inferior

a esta, ya que aplicar este valor exacto de carga se tiene diversos

inconvenientes como el incremento de costos para asegurar esta fuerza y que

se estaría aplicando la carga máxima que soporta el molde lo cual reduciría el

factor de seguridad del molde, por lo cual, se selecciona un módulo hidráulico

con capacidad de 4 Toneladas, 4.000 Kilogramos-fuerza o 39240 N, En cuanto

a los cálculos se asumirá una carga de 40000 N, para la facilidad de los

cálculos.

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Figura 16.Cargas externas

Como la distribución de fuerzas desde el modulo hidráulico, idealmente es

simétrico sobre el molde, cada viga debe soportar la cuarta parte de los 40.000

N correspondiente a una carga de 10000 N; esta carga debe ser soportada por

los elementos estructurales vil, cuya longitud es de 0,8 metros y representados

por las reacciones Ra y Rc ; los elementos estructurales vic, cuya longitud es

de 0,6 metros y que son representados por las reacciones Rb y Rd , pero como

esta carga se distribuye sobre la longitud de la viga, obtenemos las siguientes

cargas distribuidas:

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3.2.4 Esfuerzos

Sobre una viga pueden actuar fuerzas o pares situados en un plano que

contiene a su eje longitudinal. Las fuerzas actúan perpendicularmente al eje

longitudinal, y que el plano que las contiene lo es de simetría de la viga.

Diversos esquema de vigas son representados en el libro "Diseño de

elementos de máquinas, Robert L Mott, tabla A14-3", donde se establecen

momentos máximos, y deflexiones máximas, lo cual será muy útil para

determinar esfuerzos y deflexiones en el análisis de la estructura.

La tensión normal que actúa sobre en una fibra longitudinal a la distancia y del

eje neutro está definida por

Donde M: momento flector al cual está sometido la sección

I: Momento de inercia de la sección

c: Distancia respecto al eje neutro

El esfuerzo axial máximo se presenta utilizando el momento máximo aplicado

sobre la sección y la máxima distancia respecto al eje neutro.

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3.2.4.1 Viga Superior

Referencia IPE

Peso Kg/m

Dimensiones

A-mm B-mm t-mm t1-mm

4" 8 101,6 55 4,1 5,7

Tabla 3.Propiedades geométricas perfil I

Figura 18.Esquema viga carga puntual

Donde P=40000 N

L= 0,8 m( la cual es la longitud del elemento estructural VSP)

Momento Inercia Ixx =0,00000187 m4 =1,87x10-6 m4

Área = 0.00109 metros^2

Figura 17.Dimensiones perfil I

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Figura 19.Distribucion esfuerzos axiales

Cargas y sujeciones

La figura 20 ilustra la manera en la que se establece las restricciones del

movimiento para la viga VSP, donde se aprecian dos juntas( 2 Joint(s)), donde

se identifican los extremos libres y la intersección de los elementos

estructurales, donde se considera una geometría fija o empotramiento que es la

restricción de rotación y traslación generada por la soldadura del elemento

estructural.

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Nombre de

sujeción Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Empotramiento

Entidades

:

2 Joint(s)

Tipo: Geometría fija

Figura 20.Sujecion vsp

Utilizando el complemento CosmosXpress del programa Solid Works, se

procede a realizar la simulación del elemento estructural como se especifica en

las páginas 22 a 26 de este documento.

Figura 21.Cargas vsp

Nombre

de carga Cargar imagen Detalles de carga

Fuerza-1

Entidades: 1 Cargas de

puntos

Referencia: Arista< 1 >

Tipo: Aplicar

fuerza

Valores: ---, ---,

40000 N

Momentos: ---, ---, ---

N.m

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En la figura 21 se ilustra la manera en la cual se ejerce la fuerza sobre el

miembro estructural VSP, una carga puntual de 40000 N, la cual es la carga

ejercida por el modulo hidráulico; lo cual es representado en el esquema como

una carga de puntos.

Luego se ejecuta el análisis donde se simulan los siguientes resultados.

Utilizando el software CosmosXpress se determinar el esfuerzo axial por

flexión de esta viga, revela un esfuerzo máximo de 107, 32 Mpa presentado en

los empotramientos de la viga, comparado con el esfuerzo determinado

teóricamente nos arrojo un esfuerzo axial de 108,66 Mpa.

Lo cual arroja un error del 1,25%, entre el esfuerzo determinado teóricamente y

el esfuerzo calculado por software, donde se obtiene un error porcentual

aceptable entre ambos métodos.

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 TXY: Esfuerzo Axial

3.36749e+006 N/m^2 Elemento: 18

1.07328e+008 N/m^2 Elemento: 1

Figura 22.Simulacion esfuerzos vsp

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Con el valor del esfuerzo axial, se determina el factor de seguridad del

elemento estructural.

3.2.4.2 VIGA INFERIOR CORTA

Referencia Canal

Peso Kg/m

Dimensiones

A-mm B-mm t1-mm t-mm

4" 8 101,6 40 4,7 7,5 Tabla 4.Propiedades geométricas perfil en C

Momento Inercia Ixx =0,00000156 m4 =1,56x10

-6 m

4

Área = 0.00102 metros^2

Figura 23.Dimensiones perfil en C

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Figura 24.Esquema viga distribuida

En el esquema representado en la figura 24 se observa una viga empotrada en

sus dos extremos lo cual es generado por las soldaduras aplicadas en ella.

Donde w: Carga uniformemente distribuida

W: Carga resultante de w (para este elemento estructural corresponde a una carga de

10000 N,por que la distribución de la fuerza de 40000 N desde el modulo hidráulico

idealmente es simétrico sobre el molde; ya que la zona inferior de la estructura donde

se soporta el molde posee cuatro vigas, cada viga debe soportar la cuarta parte de los

40.000 N correspondiente a una carga de 10000 N.

L: Longitud total de la viga (Longitud del elemento estructural VIC es de 0,6 metros)

utilizando la ecuación para determinar el esfuerzo axial por flexión.

La figura 25 ilustra la manera en la que se establece las restricciones del

movimiento para la viga VIC, donde se aprecian dos juntas( 2 Joint(s)), donde

se identifican los extremos libres y la intersección de los elementos

estructurales, donde se considera una geometría fija o empotramiento que es la

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restricción de rotación y traslación generada por la soldadura del elemento

estructural.

Figura 25.Sujeciones vic

En la figura 26 se ilustra la manera en la cual se ejerce la fuerza sobre el

miembro estructural VIC, una carga distribuida de 16666,66 N/m , la cual es la

reacción del elemento estructural VIC por la carga ejercida por el modulo

hidráulico.

Nombre

de

carga

Cargar imagen

Detalles de carga

Fuerza-

1

Figura 26.Cargas vic

Nombre de

sujeción

Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Fijo-1

Entidades: 1 Viga(s)

Referencia: Arista< 1 >

Tipo: Aplicar fuerza

Valores: ---, ---, 16666.6 N/m

Momentos: ---, ---, --- N.m

Entidades: 2 Joint(s)

Tipo: Geometría fija

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Luego se ejecuta el análisis donde se simulan los siguientes resultados.

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 TXY: Esfuerzo Axial 970298 N/m^2 Elemento: 14

1.65195e+007 N/m^2 Elemento: 1

Figura 27.Simulacion esfuerzos vic

Esfuerzo máximo es de 16, 51 Mpa presentado en los empotramientos como

se observa en la imagen 27.

Lo cual determina un porcentaje de error entre los datos del 1,29%, lo cual es

un rango aceptable, con el esfuerzo axial determinado se determina el factor de

seguridad de este elemento estructural.

3.2.4.3 VIGA INFERIOR LARGA

Referencia Canal

Peso Kg/m

Dimensiones

A-mm B-mm t1-mm t-mm

4" 8 101,6 40 4,7 7,5

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Momento Inercia Ixx =0,00000156 m4 =1,56x10

-6 m

4

Área = 0.00102 metros^2

Figura 28.Esquema viga distribuida

En el esquema representado en la figura 28 se observa una viga empotrada en

sus dos extremos lo cual es generado por las soldaduras aplicadas en ella.

Donde w: Carga uniformemente distribuida

W: Carga resultante de w (para este elemento estructural corresponde a una carga de

10000 N, por que la distribución de la fuerza de 40000 N desde el modulo hidráulico,

idealmente es simétrico sobre el molde; ya que la zona inferior de la estructura donde

se soporta el molde posee cuatro vigas, cada viga debe soportar la cuarta parte de los

40.000 N correspondiente a una carga de 10000 N.

L: Longitud total de la viga (Longitud del elemento estructural VIC es de 0,8 metros)

El momento máximo para esta viga se halla utilizando la ecuación 5.

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Utilizando la ecuación 4, para determinar el esfuerzo axial máximo de esta viga.

La figura 29 ilustra la manera en la que se establece las restricciones del

movimiento para la viga VIC, donde se aprecian dos juntas( 2 Joint(s)), donde

se identifican los extremos libres y la intersección de los elementos

estructurales, donde se considera una geometría fija o empotramiento que es la

restricción de rotación y traslación generada por la soldadura del elemento

estructural.

En la figura 30 se ilustra la manera en la cual se ejerce la fuerza sobre el

miembro estructural VIC, una carga distribuida de 12500 N/m , la cual es la

reacción del elemento estructural VIC por la carga ejercida por el modulo

hidráulico.

Nombre

de

sujeción

Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Fijo-1

Figura 29.Sujeciones vic

Entidades: 2 Joint(s)

Tipo: Geometría fija

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Se ejecuta el análisis obteniendo el siguiente resultado:

Nombre

de

carga

Cargar imagen Detalles de carga

Fuerza-

1

Figura 30.Fuerzas vil

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 TXY: Esfuerzo axial 854551 N/m^2 Elemento: 17

2.1982e+007 N/m^2 Elemento: 1

Figura 31.Simulacion esfuerzos vil

Entidades: 1 Viga(s)

Referencia: Arista< 1 >

Tipo: Aplicar fuerza

Valores: ---, ---, -

12500N/m

Momentos: ---, ---, --- N.m

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Esfuerzo máximo 21,98 MPa generado en los empotramientos de la viga,

Presentando un error del 1,29%, entre los resultados hallados de manera

teórica y utilizando el software, con el valor del esfuerzo axial se determina el

factor e seguridad de este elemento estructural.

3.2.5 Deformaciones

3.2.5.1 VIGA SUPERIOR

Donde P: Carga puntual

L: Longitud de la viga correspondiente a 0,8 m

E: Modulo de elasticidad del material

I: Momento de inercia de la sección

Utilizando la ecuación 7, determinamos la deflexión máxima, el momento de

inercia es especificado en la tabla 3, página 30.

Analizando la variación de los resultados de deflexión arrojados por el software

los cuales son 0,43 mm y comparado con los resultados teóricos

correspondientes a 0,2858 mm.

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3.2.5.2 VIGA INFERIOR CORTA

Donde W: Carga distribuida

L: Longitud de la viga correspondiente a 0,8 m

E: Modulo de elasticidad del material

I: Momento de inercia de la sección

Utilizando la ecuación 8, determinamos la deflexión máxima, el momento de

inercia es especificado en la tabla 4, página 39.

3.2.5.3 VIGA INFERIOR LARGA

utilizando la ecuación 8, se determina la deflexión máxima presente en esta

viga, los valores de la carga distribuida y del momento inercia son

especificados en la página 39.

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3.3 Columnas

Una columna es un elemento estructural que se encuentra bajo una carga axial

de compresión y que tiende a fallar por pandeo, una columna tiende a

pandearse respecto al eje para el cual el radio de giro y momento de inercia

son mínimos, para analizar este elemento estructural se determinara si las

columnas son largas o cortas donde se utilizaran las ecuaciones de Euler o de

Johnson.

Las columnas de la estructura se realizan en un ángulo de lados iguales de 3"

con una longitud de 1,5 metros, cuyas propiedades geométricas se establecen

en la tabla 5.

Angulo Espesor Kg/m

3" ¼ 9 Tabla 5.Propiedades Angulo

Inicialmente se determina la longitud efectiva de la columna mediante la

ecuación 9.

Dónde: L= longitud real entre soportes

K= constante que depende del extremo fijo.

Área =0,0009237 m2

Momento Inercia Ixx = 2,90x105 mm4 =

0,290x10-6m4

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Figura 32.Valores de K8

Para este caso K tiene un valor de 0,65, con una situación de columna de

columna empotrada-empotrada, asumiendo un valor practico.

Se determina la constante de la columna , para determinar si la columna es

corta o larga y determinar la manera de determinar la carga critica de la

columna.

Donde: E = módulo de elasticidad del material de la columna

Resistencia de fluencia del material

Determinar el radio de giro de la columna.

8 Diseño de elementos de maquinas, Robert L Mott, cuarta edición, figura 6-3

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La relación de esbeltez se determina mediante el cociente de la longitud

efectiva de la columna entre su radio de giro mínimo.

Se utiliza la siguiente relación para determinar el método por el cual se

analizara la columna.

55,05 < 125,66

La condición anterior se cumple, por lo cual, la columna es corta y se calcula la

carga crítica mediante la siguiente ecuación:

La carga crítica de pandeo para las columnas es de 207,347 KN

En el caso hipotético para este diseño, donde una columna se encontrase en la

situación de soportar una carga máxima de 40000 N tendríamos el siguiente

factor de seguridad:

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Idealmente, cada columna por estática debe soportar 10000 N, por lo cual se

tendría el siguiente factor de seguridad.

3.4 Análisis Estructura Piramidal

En esta sección se analizara la manera en la que actúa esta estructura, la cual

es responsable de distribuir la fuerza ejercida por el gato hidráulico sobre el

molde .En las figuras 36 y 37 se observaran algunas cotas fundamentales para

realizar los cálculos de esta estructura.

Figura 34.Propiedades de sección ángulo

Angulo Espesor Kg/m

1 1/2" ¼ 4.5

Figura 33.Especificaciones Angulo

El programa solid works calcula las

propiedades de sección de

distintas secciones transversales,

como en este caso que calculo las

propiedades de sección del ángulo

de 1 1/2.

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Figura 35.Esquema estructura triangular

Utilizando la ecuación 2

Las reacciones Ra, Rb, Rc ,Rd, corresponde a los elementos estructurales

inclinados declinados de la estructura piramidal y la reacción Re, corresponde a

la reacción ejercida por elemento estructural vertical.

Figura 36.Dimensiones Estructura piramidal 1

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Figura 37.Dimensiones estructura piramidal 2

Este valor es la longitud proyectada en la base de un elemento estructural

inclinado, ya que estos elementos son inclinados-declinados.

0.5 m

0.5m

Se puede apreciar de una forma esquemática la

base de la estructura triangular, se utilizara la

mitad de la longitud de la base para determinar la

longitud de los elementos estructurales inclinados. L

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Obteniendo el ángulo formado por los elementos estructurales inclinados-

declinados respecto al eje de referencia vertical se puede descomponer la

fuerza.

La distribución de fuerzas sobre la base es idealmente simétrica, de lo anterior

se obtiene lo siguiente:

Esta fuerza es la que es soportada por cada elemento inclinado declinado de la

estructura piramidal.

Esta fuerza es soportada por elemento estructural vertical de la estructura

piramidal.

Con el ángulo complementario 90º-44.66=45.34

La fuerza F la cual es aplicada por el modulo hidráulico, puede ser

descompuesta en una componente la cual está contenida en su eje

longitudinal(Fn), la cual genera un esfuerzo normal, ya que esta componente

es normal al elemento estructural, la segunda componente la cual es

perpendicular al eje longitudinal del elemento estructural (Fc).

0.35m

0.3535m

H

Figura 38.Componentes fuerzas

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3.5 RESORTES

3.5.1 RESORTES DE EXTENSION

Son diseñados para ejercer fuerzas de tensión a diferencia de los resortes de

compresión. La mayoría de estos resortes están fabricados con las espiras

adyacentes en contacto, de tal manera que cuando se presente una carga

estas sean separadas. La parte más débil de estos resortes son sus extremos

ya que presentan esfuerzos flexionantes en el punto A y esfuerzos cortantes

por torsión en el punto B, como se aprecia en la figura 39.

Este tipo de resortes son utilizados como componentes en la prensa hidráulica

ya que se necesita un sistema que tenga la capacidad de sufrir grandes

deformaciones en proporción a la carrera del gato hidráulico y además que los

resortes tenga la capacidad de ubicar en la posición inicial al módulo hidráulico

cuando este no aplique fuerza, se utiliza un material A227 el cual es un acero

con un 0,60% a 0,70% de carbón, de bajo costo económico y el cual debe

utilizarse bajos unos parámetros de temperatura entre 0-250 ºF.

Figura 40.Geometria Del Resorte De Extensión

Figura 39.Cargas resorte extensión

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Estos resortes pueden fallar tanto por esfuerzo axial en el punto A de la figura

39, como de esfuerzo cortante en el punto B de la figura 39.Se determina el

esfuerzo axial al cual está sometido el resorte de extensión.

Se determina K1, es un factor de corrección del esfuerzo flexionante de la

curvatura, dado por

Donde C1: Índice de curvatura flexionante del resorte

Donde

: diámetro del alambre

Con los valores del indice de curvatura del resorte, se procede a calcular el

esfuerzo generado por flexion.

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Figura 41.Esfuerzos Flexionanates De Diseño Para Resortes, Alambre De Acero Astm A227

Como se aprecia en la fig. 41, se tiene una relación de los esfuerzos axiales

admisibles en resortes de extensión en función del diámetro del alambre y del

servicio en el cual funcionara, se determina un servicio ligero ya que se

considera este cuando existen cargas estáticas o hasta 10000 ciclos y los

cuales no se encuentran bajo cargas de impacto, y con un diámetro de alambre

de 0,1574 pulgadas se obtiene un esfuerzo axial admisible de 125 Ksi, donde

se obtuvo un esfuerzo de 105,23 Ksi el cual es un esfuerzo aceptable para la

las condiciones en las cuales se encontrara el resorte.

Se determina K2, es un factor de corrección del esfuerzo torsionante de la

curvatura, dado por

Donde C2: Índice de curvatura torsionante del resorte

Donde

: diámetro del alambre

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Con los valores del indice de curvatura del resorte torsionante, se procede a

calcular el esfuerzo generado por torsion.

Figura 42.Esfuerzos Cortantes De Diseño Para Resortes Para Alambre De Acero Astm A227

Como se aprecia en la fig.42, se tiene una relación de los esfuerzos cortantes

por torsión admisibles en resortes de extensión en función del diámetro del

alambre y del servicio en el cual funcionara, se determina un servicio ligero ya

que se considera este cuando existen cargas estáticas o hasta 10000 ciclos y

los cuales no se encuentran bajo cargas de impacto, y con un diámetro de

alambre de 0,1574 pulgadas, se obtiene aproximadamente un esfuerzo

cortante admisible de 110 Ksi, donde se obtuvo un esfuerzo de 85,3 Ksi el cual

es un esfuerzo aceptable.

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3.6 Análisis de Soldaduras

3.6.1 Junta Miembro Estructural VIL

Para el diseño de soldaduras se utilizara el método presentado en el libro

Diseño de Elementos de máquinas, Robert L Mott., presentado en el capítulo

20 "Bastidores de máquina, conexiones atornilladas y uniones soldadas", el

cual consiste en considerar la soldadura como una línea sin espesor, donde se

determina la fuerza máxima por pulgada de lado de cordón, comparándola con

una fuerza admisible, dándonos un parámetro del tamaño de la soldadura.

En la imagen 43 se puede observar la

idealización del cordón de soldadura

asumiéndolo con una forma

geométrica en forma de C para

proceder con los respectivos cálculos

para su diseño donde se determinara

el tamaño mínimo de soldadura para

esta geometría y para la carga

aplicada.

Se utiliza el siguiente esquema para esta soldadura.9

Figura 44.Esquema Soldadura en C

Se asume la situación más crítica, donde toda la carga es soportada por una

junta, lo cual no ocurre ya que el elemento se encuentra soldado en los dos

extremos, por lo cual se tiene una fuerza sobre la junta de 10000 N.

9 Diseño de elementos de máquinas, Robert L Mott, figura 20-8

Figura 43.Esquema soldadura vil

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Se realiza la conversión de unidades de la fuerza de Newton a Libras fuerza.

Según el perfil de la soldadura, se establecen las siguientes ecuaciones para

determinar parámetros para determinar los tamaños del cordón de soldadura.

Utilizando la ecuación 19, para determinar el área unitaria de la soldadura.

La soldadura del elemento estructural vil esta bajo torsión como se aprecia en

el siguiente esquema.10

Figura 45.Torsion en Soldadura C

10

Diseño de elementos de máquinas, Robert L Mott, figura 20-8

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Grado ASTM del metal

base

Electrodo Fuerza admisible por

pulgada de lado

A36 E60 9600 lb/pulg

A36 E70 11200 lb/pulg

Tabla 6.Fuerza admisible por pulgada de lado

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Espesor de la placa

(pulg)

Tamaño máximo del

lado, para

soldaduras de

chaflán (pulg)

Tabla 7.Relacion espesor chaflán

En la anterior tabla se especifica que el tamaño del cordón mínimo, para una

placa es de 3/16 in, como el valor de cordón mínimo nos dio menor que

dicho valor se especifica como tamaño del cordón 3/16.

3.6.2 JUNTA MIEMBRO ESTRUCTURAL VSP

En la imagen 46 se muestra

la idealización de la

geometría del cordón de

soldadura en forma de I

para realizar el diseño para

calcular el tamaño mínimo

del cordón de soldadura.

Figura 46.Esquema soldadura vsp

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Se utiliza el siguiente esquema para la siguiente soldadura.11

Figura 47.Esquema soldadura en I

Como este elemento estructural se encuentra empotrado en dos puntos la

fuerza real que debe soportar cada soldadura es

Las soldaduras del elemento estructural vsp están bajo flexión como se

muestra en el siguiente esquema.

Figura 48.Flexión en soldadura I

11

Diseño de elementos de máquinas, Robert L. Mott, figura 20-8

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se especifica el tamaño mínimo del cordón correspondiente a 0,25 in o 1/4.

3.6.3 JUNTA MIEMBRO ESTRUCTURAL VIC

Al igual que en análisis de

elemento estructural VIL se

genera la misma sección

para analizar la geometría

del cordón, pero en este

análisis hay variaciones

como lo es la longitud del

elemento lo cual hará que

varié el momento.

Figura 49.Esquema soldadura vic

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Se utiliza el siguiente esquema para esta soldadura.12

Al igual que en el diseño de la junta del elemento estructural VIL, también se

asumirá el caso más crítico donde la carga es soportada por una sola junta.

Utilizando la ecuación 19, para determinar el área unitaria de la soldadura.

Utilizando la ecuación 20, para determinar el centroide respecto al eje x.

La soldadura del elemento estructural vic esta bajo torsión como se aprecia en

el siguiente esquema.13

12

Diseño de elementos de máquinas, Robert L. Mott, figura 20-8

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Utilizando la ecuación 21, para determinar el torque al cual está sometida la

soldadura.

Utilizando la ecuación 22, para determinar el momento polar unitario de inercia.

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Tomando en cuenta los valores máximos para el tamaño de las soldaduras, se

asume un valor de 3/16 ya que el valor obtenido es menor que el suministrado

por la tabla.

3.7 Análisis General de la estructura

En los capítulos anteriores de metodología del diseño, se ha analizado el

comportamiento individual de cada elemento estructural bajo las cargas

externas, en esta sección se analizara el comportamiento de los elementos en

conjunto bajo las cargas que se presentan sobre los mismos, además se

adjunta al final de este documento en la sección de anexos los planos de

fabricación de cada elemento donde se puede apreciar una nomenclatura a

cada elemento que se relaciona en el sistema de prensado, se dimensiona los

elementos a construir, y se permite una visión general de la prensa como un

conjunto de elementos

Se analizara el comportamiento en conjunto de la estructura con las cargas

externas presentes por la acción de modulo hidráulico. Se puede ver la manera

en que se aplicaron las cargas externas y la geometría que se considera fija

para que en el software se ejecute el método de diseño por elementos finitos

para que sean analizados por el mismo.

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Nombre de

sujeción Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Fijo-1

Entidades: 4 cara(s)

Tipo: Geometría fija

Fuerzas resultantes

Componentes X Y Z Resultante

Fuerza de reacción(N) -0.00136886 -8149.17 0.000145631 8149.17

Momento de

reacción(N.m) 0 0 0 1e-033

Figura 50.Sujeciones estructura

En la figura 50 se observa la manera en que se empotra la estructura en la

base de cada una de las estructuras mediante una geometría fija, en la figura

51 se muestra la manera en la que se aplicaron las cargas distribuidas en las

vigas inferiores mostradas en las fuerzas 1 y 2, y la aplicación de la carga

puntual generada por el modulo hidráulico mostrada en la fuerza 3.

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Nombre

de

carga

Cargar imagen

Detalles de carga

Fuerza-

1

Fuerza-

2

Fuerza-

3

Figura 51.Cargas estructura

Entidades: 2 Viga(s)

Referencia: Arista< 1 >

Tipo: Aplicar fuerza

Valores: ---, ---, -12500 N/m

Momentos: ---, ---, --- N.m

Entidades: 2 Viga(s)

Referencia: Arista< 1 >

Tipo: Aplicar fuerza

Valores: ---, ---, -16666.7 N/m

Momentos: ---, ---, --- N.m

Entidades: 1 Cargas de

puntos

Referencia: Arista< 1 >

Tipo: Aplicar fuerza

Valores: ---, ---, 40000 N

Momentos: ---, ---, --- N.m

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3.7.1 Esfuerzos

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 TXY: Esfuerzo Axial 0 N/m^2 Elemento: 11286

1.02507e+008 N/m^2 Elemento: 11079

Figura 52.Simulacion esfuerzos estructura

Mediante el análisis mostrado figura 52 se revela el elemento que sufre el

mayor esfuerzo en la estructura el cual es el perfil estructural con su

nomenclatura VSP, donde se presenta un esfuerzo de 102,5 MPa, ya que el

elemento más débil es el que debe tenerse en cuenta para determinar el factor

de seguridad para el sistema en conjunto, tenemos los siguiente:

Por lo cual, el factor de seguridad mínimo de la estructura es de 2,43 o un

143%, lo cual es un valor aceptable para un sistema que no se encuentra bajo

cargas que generen fatiga sobre los mismos.

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3.7.2 Deformaciones

Nombre Tipo Mín. Máx.

Desplazamientos1 URES: Desplazamiento resultante

0 mm Nodo: 301

0.420185 mm Nodo: 19678

Figura 53.Simulacion deformaciones estructura

En la figura 53 se observa un análisis que demuestra la deformación de todos

los elementos estructurales de la estructura, donde se puede ver una deflexión

máxima en todo el sistema de 0,42 mm. En la tabla 8 se observan ver límites

de deflexión recomendados para maquinaria general.

Deflexión debido a la flexión

Partes de maquinaria en general

0,0005 a 0,003 pulgadas/pulgadas de longitud de viga

Tabla 8.Deflexiones admisibles en maquinaria

Comparando las deflexiones máximas en función de la longitud de la viga, se

observa una referencia de deflexión aceptable para esta estructura.

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4 FABRICACION

Luego de terminar la fase de diseño se procede con la fase de fabricación del

sistema de prensado, donde se procede a la adquisición de los materiales

necesarios los cuales serán especificados a continuación.

4.1 LISTA DE MATERIALES

Ítem Longitud

(mm)

Cantidad Descripción

Perfil C 4 x

5.4

600 4 Con su respectivo

destijere

Perfil C 4 x

5.4

800 4 Con su respectivo

destijere

Perfil S 4x 7.7 600 3 Con su respectivo

destijere

Perfil S 4x7.7 800 1 Con su respectivo

destijere

Perfil L

3x3x1/2

1500 4

Perfil L

2x2x1/2

500 4

Perfil L

2x2x1/2

4

Platina Base

Estructura

100x100x1/8 4

Modulo

hidráulico 4

Toneladas

1

Tabla 9.Lista de materiales

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4.2 Construcción Estructura

La fase de construcción se realiza bajo lo indicado en los planos de fabricación

especificados en la sección anexos de este documento.

4.2.1 Cortes elementos estructurales

Luego de la adquisición de los materiales se procede a realizar los destijeres

de los perfiles estructurales los cuales son especificados en los anexos de este

documento, los cuales deben estar realizados como es indicado ya que esto

implica el ensamble adecuado de la estructura. En el anexo 7, se muestra el

plano explosionado de la estructura donde se evidencian los destijeres de los

elementos estructurales.

Figura 54.Destijeres

4.2.2 Ensamble Estructura

Inicialmente se procede a ubicar los elementos estructurales de manera que

cumplan con parámetros especificados en el plano de fabricación mostrado en

el anexo 5 donde se especifican ubicación de elementos estructurales,

dimensiones, tolerancias geométricas,; como se muestra en la figura 48

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Figura 55.Ensamble estructura

Luego cuando se tiene la ubicación de todos los elementos, se procede a la

aplicación de los cordones de soldadura mediante electrodos 6013, en sus

respectivas juntas ya especificadas y calculadas en la sección 3.6 de este

documento.

Figura 56.Juntas

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4.2.3 Construcción estructura triangular

En este paso inicialmente se procede al corte y ensamble de la base de esta

estructura, con esto realizado se procede a soldar la columna principal la cual

determinara la altura y el corte de los elementos estructurales inclinados-

declinado, donde todos estos aspectos geométricos son especificados en el

anexo 6, Plano estructura triangular.

Con estas fases de la construcción se procede al respectivo ensamble del

módulo hidráulico sobre el elemento estructural VSP, para garantizar que la

distribución de la fuerza sea uniforme sobre el molde térmico, esto se puede

observar en el anexo 4, Plano Conjunto Prensa en el Detalle K.

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5 Presentación Semana Tecnológica

El día 07 de Octubre de 2015, en la actividad Museo Itinerante de Investigación

y Productos Tecnológicos, se expone este proyecto junto a las investigaciones

realizadas por el Ing. Luis Ernesto Alférez Rivas donde se muestran avances

de como materiales que no presentan muchas aplicaciones pueden ser

estudiados para poder ser utilizados en posibles aplicaciones para la industria.

Figura 57.Exposicion semana tecnológica

Figura 58.Probetas14

14

Probetas facilitadas por el Ing. Luis Ernesto Alférez

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6 CONCLUSIONES

A lo largo del proceso de recopilación de información, se logro establecer el

sistema de gato-resorte que finalmente fue el escogido para el sistema de

compactación. Aunque es un buen sistema, comercialmente no se encuentra

un sistema complementario que permita distribuir la carga sobre un área,

únicamente se encuentra transmitiendo la carga a un punto por medio del

vástago del gato, así que una estructura piramidal como la que se diseño, se

convirtió en una excelente alternativa que nos garantiza la distribución

homogénea de la carga sobre el área requerida.

El montaje de este sistema consta de un perfil fijo en la parte superior, donde

va soportado el gato hidráulico y los resortes del sistema de retorno, por

consiguiente, por efecto de la 3ra ley de Newton (acción y reacción), la misma

carga que está distribuida sobre el área del molde la está soportando el perfil

superior en un solo punto, lo que nos genera un mayor esfuerzo y deformación

en este perfil que en cualquiera de los otros de la estructura.

En el diseño inicial se utilizó un perfil en C para soportar este sistema pero

debido a la distancia que presenta al eje neutro, generaría un gran esfuerzo

muy cercano al límite de fluencia del material (250 MPa para el acero A-36) y

una considerable deformación. Debido a esto se tuvo que optar por un perfil en

I, el cual, debido a su geometría redujo la distancia desde el punto de

aplicación de la fuerza hasta el eje neutro, lo que permitió que el esfuerzo y la

deformación presentada fueran considerablemente muy bajos con respecto a la

presentada con el perfil en C.

Se analizo una serie de actuadores dentro de los cuales se tuvo en cuenta

diversos tipos como electromecánicos, mecánicos e hidráulicos, donde se

escogió un actuador hidráulico con capacidad de 4 toneladas por diversos

factores como su fácil adquisición, su fácil modo de empleo.

En la semana Tecnológica, en la exposición de este proyecto en conjunto con

las investigaciones del Ing. Luis Ernesto Alférez se pudo observar el gran

interés de estudiantes nuevos del proyecto curricular de ingeniería y tecnología

en mecánica, sobre la investigación y nuevos usos de materiales agrícolas.

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7 BIBLIOGRAFÍA

Robert L. Mott, Cuarta Edición, Diseño de elementos de maquinas, Pearson

Education, México, 2006.

Teoría de problemas de resistencia de materiales, William A. Nash

Proyecto de grado: “FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE MATERIAL

AGLOMERADO DE GUADUA ANGUSTIFOLIA KUNTH CON UNA RESINA

HIDROPUL 400-HTR”.

Mecánica Básica para estudiantes, Jorge Eduardo Salazar Trujillo

http://www.bdigital.unal.edu.co/5856/1/jorgeeduardosalazartrujillo20071.pdf

SINGER Ferdinand L. Mecánica para ingenieros. Estática. Harla. México. 2002

Mecánica de materiales, Eber Esau Paz Salvador, http://eber-esau-paz-salvador.blogspot.com/2011/11/54-columnas.html

Mecánica de materiales, http://ctorrestrj.blogspot.com/2011/11/deflexion-en-

vigas.html

Centros de masa y momentos de inercia,

http://www.elrincondelingeniero.com/centro-de-masas-e-inercia/

El gran libro de Solid Works, Sergio Gómez Gonzales, Marcombo ediciones

técnicas 2008.

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8 Anexos

Tabla anexos

Anexo 1.PROPIEDADES GEOMETRICAS DE PERFILES UTILIZADOS ……..……………….76

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Propiedades de los elementos estructurales

Composición Química

Carbono-C 0,26% máx.

Manganeso-Mn 1,20% máx.

Fósforo-P 0,04% máx.

Azufre-S 0,05% máx.

Silicio-Si 0,4% máx.

Cobre-Cu 0,20% min

Niobio-Cb -

Vanadio-V - Tabla 10.Composicion química perfiles estructurales

Propiedades Mecánicas

Limite de fluencia mínimo

Mpa 250

Psi 36000

Resistencia a la tracción

Mpa min. 400

Mpa máx. 550

Psi min. 58000

Psi máx. 80000

Elongación mínima 20% Tabla 11.Propiedades mecánicas perfiles estructurales