DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE ELEVACIÓN PARA MANTENIMIENTO …

DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE ELEVACIÓN PARA MANTENIMIENTO EN MAQUINAS PRODUCTORAS DE ENVASES DE VIDRIO PARA LA PLANTA

O-I PELDAR SOACHA

JESÚS DAVID ADAME CASTAÑEDA

BRAYAN CAMILO OSES VALENCIA

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DIVISIÓN DE INGENIERÍAS

BOGOTÁ D.C.

2021

DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE ELEVACIÓN PARA MANTENIMIENTO EN MAQUINAS PRODUCTORAS DE ENVASES DE VIDRIO PARA LA PLANTA O-I

PELDAR SOACHA

JESÚS DAVID ADAME CASTAÑEDA

BRAYAN CAMILO OSES VALENCIA

Proyecto de trabajo de grado en la modalidad de solución a un problema de ingeniería, para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director

Ing. ANDRÉS GERARDO CLAVIJO V.

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DIVISIÓN DE INGENIERÍAS

BOGOTÁ D. C.

2021

3

NOTA DE ACEPTACIÓN

Firma del presidente del Jurado

Firma del Jurado

Firma del Jurado

Bogotá, fecha de sustentación

4

DEDICATORIA

Dedicamos este trabajo a nuestras familias que nos apoyaron en todo el proceso de formación como ingenieros, gracias por tantos años de formación, esfuerzo y sacrificio en todo momento que nos forjaron como personas de valor en búsqueda de un futuro mejor

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AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a nuestras familias, a la Universidad Santo Tomas por habernos brindando las herramientas necesarias para llevar este proyecto acabo y por permitirnos formarnos como ingenieros, también agradecemos a nuestro asesor por guiarnos en cada parte del proceso de manera atenta y diligente

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RESUMEN

Este trabajo de grado describirá el proceso de diseño de una grúa para el mantenimiento en máquinas productoras de envases de vidrio en la empresa O-I Peldar Soacha, que presenta problemas en el reemplazo de algunos repuestos debido a la geometría y el espacio disponible, estos reemplazos se hacen de manera poco ergonómica e ineficiente por parte de los operarios. Se recabaron datos sobre las necesidades del cliente como disminución de fuerza bruta en el proceso, mejora de tiempo de reemplazo entre otras, se convirtieron en especificaciones de ingeniería, y se usó una metodología de diseño en donde se plantearon etapas de diseño conceptual y diseño en detalle, se obtuvieron planos CAD del prototipo capaz de hacer la extracción completa de los repuestos que responde a las necesidades del cliente, se elaboraron manuales de operación y mantenimiento del dispositivo donde se expone funcionamiento, condiciones y protocolos de seguridad.

7

CONTENIDO

Pág.

1 INTRODUCCIÓN 19

2 OBJETIVOS 22

2.1 Objetivo general ............................................................................................ 22

2.2 Objetivos específicos ................................................................................... 22

3 MARCO TEÓRICO 23

3.1 Metodología ................................................................................................... 23 3.1.1 Identificación de la necesidad 23 3.1.2 Investigación preliminar 24 3.1.3 Planteamiento de la meta 24 3.1.4 Especificaciones de funcionamiento 24 3.1.5 Síntesis 24 3.1.6 Análisis 24 3.1.7 Selección de la solución 24 3.1.8 Diseño detallado 24

3.2 Determinación de cargas ............................................................................. 25

3.3 Esfuerzo ......................................................................................................... 25

3.4 Teoría de falla estática ................................................................................. 26

3.5 Ejes, cuñas y acoplamientos ....................................................................... 28

3.6 Soldadura ...................................................................................................... 28

3.7 Información de la empresa .......................................................................... 29 3.7.1 Dispositivo de elevación 29 3.7.2 Gota 29 3.7.3 Sistema de gota sencilla o doble gota 30 3.7.4 Sección 30 3.7.5 Cilindros 31 3.7.6 Vidrio 31 3.7.7 Proceso de producción de las botellas 32

4 ESTADO DEL ARTE 34

8

5 PROCESO DE DISEÑO 41

5.1 Especificaciones de funcionamiento .......................................................... 41

5.2 Restricciones de diseño............................................................................... 44

6 SINTESIS 47

6.1 Componentes involucrados ......................................................................... 47 6.1.1 Mecanismo de elevación asistida 47 6.1.2 Mecanismo de giro 49 6.1.3 Mecanismo Transversal 52 6.1.4 Mecanismo Longitudinal 54

7 ANÁLISIS 55

7.1 Mecanismo de elevación asistida ............................................................... 56

7.2 Mecanismo de giro ....................................................................................... 57

7.3 Mecanismo Transversal ............................................................................... 58

7.4 Mecanismo Longitudinal .............................................................................. 59

8 SELECCIÓN DE LA SOLUCIÓN 60

8.1 Mecanismo de elevación asistida ............................................................... 60

8.2 Mecanismo de giro ....................................................................................... 61

8.3 Mecanismo Transversal ............................................................................... 62

8.4 Mecanismo Longitudinal .............................................................................. 62

8.5 Diseño preliminar ......................................................................................... 63

9 DISEÑO EN DETALLE 64

9.1 Viga ................................................................................................................ 71 9.1.1 Equilibrio en el plano Y-Z 73 9.1.2 Equilibrio en el plano Y-X 74

9.2 Láminas de sujeción .................................................................................... 76

9.3 Carro de traslado o trolley ........................................................................... 80

9

9.4 Eje .................................................................................................................. 84

9.5 Polipasto ........................................................................................................ 88

9.6 Viga soporte polipasto ................................................................................. 90

9.7 Uniones atornilladas .................................................................................... 93

10 COTIZACIÓN DEL PROTOTIPO 96

11 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 97

12 BIBLIOGRAFÍA 98

13 ANEXOS 103

13.1 ANEXO A ..................................................................................................... 104 13.1.1 Resultados del equilibrio de la viga 104 13.1.2 Resultados cálculos del perfil de la viga 112 13.1.3 Eje 116 13.1.4 Viga del polipasto 117

13.2 ANEXO B ..................................................................................................... 123 13.2.1 Funcionamiento de la grúa 124 13.2.2 Componentes de la grúa 130 13.2.3 Procedimientos para la adecuada operación y mantenimiento del equipo 132 13.2.4 Normas de seguridad al operar el equipo 134

13.3 ANEXO C ..................................................................................................... 137

13.4 ANEXO D RODAMIENTOS Y SELLOS ....................................................... 137

10

LISTA DE ILUSTRACIONES

pág.

Ilustración 1. Máquina productora de envases....................................................... 20

Ilustración 2. Mantenimiento en máquina productora de envases marca BUCHER

EMHART ................................................................................................................ 21

Ilustración 3. Estado de esfuerzos ......................................................................... 26

Ilustración 4. Curvas esfuerzo deformación para un acero al bajo carbono y uno a

alto carbono ........................................................................................................... 27

Ilustración 5. Curvas esfuerzo deformación ........................................................... 27

Ilustración 6. Eje con cuñas ................................................................................... 28

Ilustración 7. Soldadura ......................................................................................... 29

Ilustración 8. Sistema de formación de gota .......................................................... 30

Ilustración 9. Máquina productora de envases....................................................... 31

Ilustración 10 Grúa tipo bandera. ........................................................................... 34

Ilustración 11 Grúa tipo taller de 1 Ton. ................................................................. 35

Ilustración 12 Grúa tipo taller para aire acondicionado (patente). .......................... 36

11

Ilustración 13 Diferentes tipos de polipastos .......................................................... 36

Ilustración 14 Puente grúa, instalado en una bodega. ........................................... 37

Ilustración 15. Puente grúa con rodachines en los apoyos (patente). .................... 38

Ilustración 16 Grúa móvil ....................................................................................... 39

Ilustración 17. Grúa tipo bandera diseñada para extracción de cilindros. .............. 40

Ilustración 18. Diagrama de requerimientos del cliente, especificaciones de

ingeniería y sistemas de la grúa ............................................................................ 43

Ilustración 19. Modelo 2D del espacio disponible para el dispositivo. (Cotas en

mm) ........................................................................................................................ 44

Ilustración 20. Modelo 3D del espacio disponible para dispositivo ........................ 45

Ilustración 21. Plano superior de la zona de formación de la planta OI Peldar

Soacha. .................................................................................................................. 45

Ilustración 22. Vista frontal y lateral de una máquina productora de envases de

vidrio de la planta OI Peldar Soacha ...................................................................... 46

Ilustración 23. Espacio disponible para el dispositivo ............................................ 46

Ilustración 24. Polea de cadena marca Yale .......................................................... 48

12

Ilustración 25. Gato hidráulico convencional .......................................................... 48

Ilustración 26. Polipasto eléctrico de cadena con control ...................................... 49

Ilustración 27. Motorreductor ................................................................................. 50

Ilustración 28. Eje apoyado en dos rodamientos ................................................... 50

Ilustración 29.Malacate de manivela ...................................................................... 50

Ilustración 30. Bisagra industrial ............................................................................ 51

Ilustración 31. Especificaciones geométricas de la viga para soporte del polipasto.

............................................................................................................................... 52

Ilustración 32. Carro de traslado eléctrico .............................................................. 53

Ilustración 33. Perfil retráctil ................................................................................... 53

Ilustración 34. Grados de libertad de una grúa ...................................................... 54

Ilustración 35. Polipasto ......................................................................................... 55

Ilustración 36. Puente grúa móvil ........................................................................... 55

Ilustración 37. Diseño preliminar ............................................................................ 63

Ilustración 38. Diseño final mecanismo grúa. ........................................................ 65

13

Ilustración 39. Placas sujeción Viga perfil I. ........................................................... 67

Ilustración 40. Viga perfil I ...................................................................................... 67

Ilustración 41. Placa unión trolley-Placa anchura. ................................................. 68

Ilustración 42. Placa anchura trolley. ..................................................................... 68

Ilustración 43. Lamina sujeción ruedas superiores. ............................................... 69

Ilustración 44. Placa circular Tambor-Polipasto ..................................................... 69

Ilustración 45. Eje mecanismo movimiento angular. .............................................. 70

Ilustración 46. Tambor Eje-Placas circulares. ........................................................ 70

Ilustración 47. Viga polipasto. ................................................................................ 71

Ilustración 48. Especificaciones geométricas de la viga seleccionada. ................. 72

Ilustración 49. Diagrama viga en I .......................................................................... 72

Ilustración 50. Diagrama viga en I plano Y-Z ......................................................... 73

Ilustración 53. Especificaciones geométricas de la lámina de sujeción. ................ 76

Ilustración 54. Placa sujeción grande Viga I .......................................................... 76

Ilustración 55. Placa sujeción pequeña Viga I. ...................................................... 77

14

Ilustración 56. Posicionamiento de las placas de sujeción en la Viga I .................. 77

Ilustración 57. Configuración de eje con sus rodamientos. .................................... 84

Ilustración 58. Diagrama de cuerpo libre del eje .................................................... 85

Ilustración 59. Propiedades mecánicas del acero 1030. ........................................ 86

Ilustración 58. Geometría final del eje dentro del mecanismo de giro. ................... 86

Ilustración 61. Rodamientos seleccionados para el eje. ........................................ 87

Ilustración 62. Dimensiones del rodamiento seleccionado .................................... 87

Ilustración 63. Modelo de polipasto seleccionado. ................................................. 89


............................................................................................................................... 90

Ilustración 63. Catalogo especificaciones de la viga para polipasto. ..................... 90

Ilustración 64. Ensamble perfil cuadrado y mecanismo de giro ............................. 93

Ilustración 65. Ecuaciones de singularidad .......................................................... 108

Ilustración 66. Diagrama de cuerpo libre viga perfil I plano Y-X .......................... 113

15

Ilustración 67. Diagrama de cuerpo libre sección transversal viga perfil I plano Y-X

............................................................................................................................. 113

Ilustración 68. Especificaciones geométricas de la viga seleccionada. ............... 114

Ilustración 69. Expresiones de K y Q de algunas secciones transversales en

torsión .................................................................................................................. 115

Ilustración 70. Funciones de singularidad. ........................................................... 117

16

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Metodología de diseño ............................................................................. 23

Tabla 2. Tipos de vidrios y sus características....................................................... 32

Tabla 3. Metodología de diseño ............................................................................. 41

Tabla 4. Resultados de entrevista .......................................................................... 41

Tabla 5. Símbolos conceptos finales ..................................................................... 56

Tabla 6. Análisis de propuestas para mecanismo de elevación asistida ............... 56

Tabla 7. Análisis de propuestas para mecanismos de giro .................................... 57

Tabla 8. Análisis de propuestas para mecanismo transversal ............................... 58

Tabla 9. Análisis de propuestas para mecanismo longitudinal .............................. 59

Tabla 10. Matriz de decisión de Pugh para el mecanismo de elevación ................ 60

Tabla 11. Matriz de decisión de Pugh para el mecanismo de giro ......................... 61

Tabla 12. Matriz de decisión de Pugh para el mecanismo transversal .................. 62

Tabla 13. Matriz de decisión de Pugh para el mecanismo longitudinal .................. 62

17

Tabla 14. Partes de la grúa .................................................................................... 66

Tabla 15. Resultados viga ..................................................................................... 75

Tabla 16. Resultados de los esfuerzos cortantes en los cordones de soldadura .. 78

Tabla 17. Propiedades mínimas del material de aporte ......................................... 79

Tabla 18. Esfuerzos permisibles del Código AISC para metal de aporte ............... 79

Tabla 19. Proceso de diseño del trolley ................................................................. 80

Tabla 20. Estructura que permite el giro del perfil cuadrado .................................. 83

Tabla 21. Comparación de precios para polipastos. .............................................. 88

Tabla 22. Resultados perfil cuadrado .................................................................... 92

Tabla 23. Resultados de las uniones atornilladas .................................................. 94

Tabla 24. Resultados de la unión atornillada en la base ........................................ 94

Tabla 25. cotización del prototipo .......................................................................... 96

Tabla 25. Resultados sección transversal de viga I ............................................. 115

Tabla 25. Ecuaciones del diagrama de cuerpo libre. ........................................... 116

18

LISTA DE GUIAS

Guía 1. Gancho para elevación del cilindro ......................................................... 124

Guía 2. Movimiento de carro de traslado ............................................................. 125

Guía 3. Ranura para ajuste de polipasto ............................................................. 126

Guía 4. Alineación de polipasto con cilindro ........................................................ 126

Guía 5. Acople entre gancho del polipasto y cilindro ........................................... 127

Guía 6. Control del polipasto ............................................................................... 127

Guía 7. Extracción del cilindro ............................................................................. 127

Guía 8. Rotación del cilindro ................................................................................ 128

Guía 9. Descenso del cilindro .............................................................................. 128

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1 INTRODUCCIÓN

El vidrio es un material que ha acompañado al hombre desde hace varios siglos, este tiene características que lo hacen el material idóneo para el almacenamiento de alimentos y demás sustancias, es higiénico, químicamente inerte, su degradación es lenta, la materia prima de la cual se obtiene es fácil de conseguir, además de que es un material 100% reciclable [1]. Estos atributos han generado que varias empresas fabricantes de todo tipo de insumos prefieran el vidrio para el almacenaje de productos. La empresa O-I Peldar es una filial de la multinacional norteamericana OWENS ILLINOIS que se dedica a la fabricación de envases de vidrio desde hace más de 30 años, esta cuenta con plantas productoras de vidrio en Zipaquirá, Soacha y Buga. Para el 2011 la planta de O-I PELDAR Soacha contaba con capacidad de producción de 70.000 toneladas de envases anuales, se cree que hoy debido a la implementación de nueva maquinaria esta capacidad se haya superado, incluso al doble [2]. Debido a esta gran demanda, ha surgido la necesidad de crear máquinas que faciliten la producción de todo tipo de productos basados en el vidrio; estas máquinas trabajan a ritmos acelerados y continuamente para cubrir las grandes demandas, esto da como consecuencia que el mantenimiento de estas sea primordial, no sólo para garantizar la demanda sino también la calidad de los envases de vidrio.

El proceso de fabricación de envases es complejo reúne varios procesos y partes en un espacio reducido lo que dificulta el mantenimiento y lo extiende generando pérdidas monetarias para las empresas, que por cuestiones de información sensible no se puede suministrar datos exactos o aproximados. El problema se centra en las maquinas productoras de envases de vidrio, estas máquinas son el corazón de la planta y por esta razón su mantenimiento es primordial para la misma, actualmente la planta cuenta con cuatro máquinas productoras de envase de vidrio de la marca BUCHER EMHART (Figura. 1).

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Ilustración 1. Máquina productora de envases

Maquina productora de envases marca BUCHER EMHART. [2]

Actualmente debido a la geometría de las maquinas productoras de envases y por falta de recursos, varios mantenimientos se realizan de manera poco ergonómica de parte de los operarios, ya que deben utilizar polipastos en posiciones que no son las adecuadas para realizarlos. Durante los mantenimientos, varias piezas de gran tamaño y peso deben ser reemplazadas, los cuales se realizan con dispositivos auxiliares deficientes y que presentan problemas debido a la complejidad en la geometría de las máquinas, representando paradas de hasta una hora y media [3] que generan retrasos en los planes de producción, disminuyendo la eficiencia del equipo de reparación máquinas de la planta, puesto que estas labores toman un tiempo excesivo que ocasiona retrasos en los demás mantenimientos que se deben realizar en las demás máquinas. Por otro lado, la empresa no suministra datos sobre lesiones ya que lo considera como información confidencial.

Este proyecto pretende diseñar e implementar un prototipo de mecanismo para hacer reemplazos de las partes ya mencionadas de una manera más sencilla y rápida, con el fin mitigar los riesgos latentes en la salud de los operarios por caídas, atrapamientos y/o amputaciones; disminuyendo retrasos en la producción y aumentando la eficiencia del área de reparación maquinas en la planta O-I PELDAR Soacha.

En la planta O-I PELDAR Soacha debido a la constante fabricación de envases de vidrio de diferentes referencias para distintas marcas fabricantes de todo tipo de productos, se hace del mantenimiento una actividad cotidiana repetitiva y critica para la planta, debido a esto cualquier mejora en los procesos de mantenimiento será una mejora sustancial en la productividad de la planta.

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Como se menciona, algunos mantenimientos generan riesgos para los operarios y retrasos en la producción. Un ejemplo de esto es la extracción de cilindros neumáticos en las maquinas a la hora de ser reemplazados. Las maquinas tienen dos configuraciones: gota sencilla o gota doble, éstas varían en función del tipo de envase que se fabrica y por decisiones de producción, al cambiar de una configuración a otra se hace necesario el remplazo de cilindros. Esta labor es una tarea compleja y es donde se utiliza mayoritariamente elementos adicionales, como los polispastos en posiciones incomodas, para trabajar (ilustración 2).

Por este motivo, la empresa considera el desarrollo de un mecanismo que permita y facilite la extracción de los cilindros y otros mecanismos, permitiendo a los operarios de mantenimiento realizar su labor de manera más ergonómica y eficiente e impactando en la consecuente mejora de los procesos de mantenimiento en la planta.

Cabe resaltar que existe la posibilidad de replicar el mecanismo en diferentes máquinas de la planta, si el desarrollo e implementación de este es exitoso y cumple con las expectativas planteadas.

Ilustración 2. Mantenimiento en máquina productora de envases marca BUCHER EMHART

Fuente: Autores.

CADENA

POLIPASTO

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2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo general

• Diseñar un prototipo para el transporte de cilindros y premoldes durante el mantenimiento de las máquinas productoras de vidrio en la planta de O-I Peldar Soacha.

2.2 Objetivos específicos

• Establecer los requerimientos técnicos para el diseño de un prototipo de transporte de cilindros y premoldes.

• Plantear opciones de diseño conceptual, que permitan definir la alternativa de diseño adecuada.

• Diseñar en detalle el prototipo para el transporte de cilindros y premoldes.

• Elaborar manual de operación y mantenimiento del prototipo para el transporte de cilindros y premoldes.

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3 MARCO TEÓRICO

Dado que el objetivo general de este proyecto es el diseño de un prototipo de elevación, el cual se realiza utilizando la metodología y teorías de diseño propuestas por el libro Diseño de máquinas: un enfoque integrado. Norton, R. (2011). Del libro será fundamental abordar las siguientes temáticas afines.

3.1 Metodología

El procedimiento de diseño que regirá el proyecto será el propuesto por Norton, R (2011) el cual consta de 10 pasos (Tabla 1), debido a que el proyecto solo abarca el diseño del prototipo no se toma los últimos dos pasos que consisten en la construcción

Tabla 1. Metodología de diseño

Metodología de diseño de 10 pasos propuesta por Norton

3.1.1 Identificación de la necesidad

Esta etapa consiste en la identificación de las necesidades del cliente por medio herramientas de recolección de datos como entrevistas o cuestionarios, en donde se logre recabar toda la información que se llegue a necesitar en el desarrollo del diseño

24

3.1.2 Investigación preliminar

Esta fase del diseño se puede asemejar al estado del arte en donde se recaba toda la información externa del proyecto que pueda aportar al mismo, como, por ejemplo, soluciones actuales a la problemática, patentes, problemas semejantes etc.

3.1.3 Planteamiento de la meta

Consiste en establecer los alcances del proyecto o diseño, hasta qué punto de desarrollo se pretende llegar, esta etapa se puede relacionar directamente con los objetivos propuestos del proyecto

3.1.4 Especificaciones de funcionamiento

Esto hace referencia a utilizar la información recogida en la primera etapa de la metodología para desglosarla en requerimientos del cliente, especificaciones de ingeniera y posibles restricciones que se puedan presentar

3.1.5 Síntesis

En el paso cinco de la metodología se plantean varias alternativas de solución sin importar su costo, calidad o viabilidad

3.1.6 Análisis

En esta etapa se filtran las alternativas propuestas en el paso anterior, admitiendo descartando o alterando las mismas

3.1.7 Selección de la solución

Se determina cual es la alternativa que mejor soluciona el problema basado en criterios propuestos por el cliente y de diseño, como el costo, peso, viabilidad etc.

3.1.8 Diseño detallado

En esta fase se procede a realizar el desarrollo de ingeniería calculando cargas, esfuerzos, factores de seguridad etc. Se producen planos por medio de software CAD

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3.2 Determinación de cargas

Lo principal en el diseño de máquinas es conocer que cargas actuaran en el sistema, para así generar un diseño que responda con estas exigencias. Las cargas pueden ser constantes o variables con el tiempo. Los elementos en el sistema pueden ser estacionarios o estar en movimiento [4].

Cada carga se determina a partir de los conceptos definidos por Newton como una magnitud vectorial capaz de describir el cambio de movimiento de un cuerpo con masa definida.

𝐹 = 𝑚 ∗𝑑𝑣

𝑑𝑡

Este concepto es necesario para entender que los componentes y las acciones realizadas por los operarios se deben conocer para evitar que la geometría de algún elemento llegué a su límite máximo que no pueda resistir el material, y además conociendo el efecto de una carga se pueden definir más conceptos que evitaran fallas por deformación permanente o en un caso extremo de fractura.

3.3 Esfuerzo

Una vez definidas las cargas se procede a ver cómo afectan a los elementos que conforman la máquina, las cargas producirán un esfuerzo, que se define como la fuerza por unidad de área en unidades psi o MPa. En un elemento sujeto a ciertas fuerzas, por lo general el esfuerzo se distribuye como una función que varía constantemente dentro del continuo del material [4].

𝜎 =𝐹

𝐴 ; 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙

𝜎 =𝑀 ∗ 𝑐

𝐼 ; 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛

𝜏 =𝐹𝑐

𝐴 ; 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

𝜏2 =𝑉𝑄

𝑡𝐼 ; 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛

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F – Fuerza normal [N]

Fc – Fuerza cortante (perpendicular al eje axial del material) [N]

A – Área [m2]

V – Fuerza cortante [N]

Q – Primer momento de inercia [m3]

t – longitud de corte [m]

I – Momento de inercia [m4]

M – Momento [N.m]

c – Distancia del eje neutro a la distancia de análisis [m]

Ilustración 3. Estado de esfuerzos

Fuente: Mecánica de materiales Beer. [3]

3.4 Teoría de falla estática

Para conocer que dimensiones deberá tener el elemento a diseñar se procede a calcular con teorías de fallas estáticas.

Para el diseño de máquinas bajo teorías de fallas estáticas se debe tener en consideración que funciona cuando las cargas se aplican con lentitud y permanecen

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constantes a través del tiempo (cargas estáticas); cuando las cargas no son estáticas se debe diseñar con base en teorías de falla por fatiga [4].

A esto se puede considerar que para que una pieza falle es porque se deforma lo suficiente para no poder regresar a su estado original o cuando se fractura el material por una carga estática, siguiendo un criterio en el que se habla de que una falla existe por exceder los límites de energía de distorsión permisibles.

Ilustración 4. Curvas esfuerzo deformación para un acero al bajo carbono y uno a alto carbono

Fuente: Teoría de falla bajo carga estática. [4]

Ilustración 5. Curvas esfuerzo deformación

Fuente: teorías de fallas por cargas. [5]

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3.5 Ejes, cuñas y acoplamientos

Toda máquina que ejerza un movimiento debe tener un eje; sobre los ejes se ubican axialmente elementos como cojinetes, engranajes o ruedas dentadas que están sujetos al eje por medio de hombros escalonados y cuñeros [4].

La carga que actúa sobre el eje generalmente es una mezcla de torsión y flexión, donde una o ambas pueden variar con el tiempo. Los hombros y los cuñeros en el eje generan concentraciones de esfuerzos que se deben tomar en cuenta en el análisis de esfuerzos

Para la unión de los elementos que conforman la maquina se requiere de tornillos y sujetadores. Son elementos normalizados por lo que se calculan para saber su diámetro y paso y así poder escogerlo de catálogos de fabricantes [4].

Ilustración 6. Eje con cuñas

Fuente: BIBUS Productos de mecánica. [6]

3.6 Soldadura

Es otro método de unión de elementos de un maquina complementario a los tornillos y sujetadores, los cálculos se realizan para saber qué tipo de soldadura utilizar, también es importante configurar las soldaduras de modo que haya una trayectoria de carga sensible y segura, con la finalidad de ubicar los puntos de reacción de las cargas aplicadas [4].

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Ilustración 7. Soldadura

Fuente: Solyman soldadura y mantenimiento.

3.7 Información de la empresa

Debido a que el proyecto se desarrolla para una empresa, cabe resaltar que gran parte de la información que se utilice en el mismo será extraída directamente de testimonios de trabajadores y supervisores que están o estarán implicados en el uso, financiación y mantenimiento del prototipo, ya que por confidencialidad que exige la misma compañía la información no puede ser difundida [5].

3.7.1 Dispositivo de elevación

Está formado por una estructura rígida que consta de sistemas mecánicos, neumáticos, eléctricos y/o hidráulicos, en donde los mecanismos proporcionan la fuerza necesaria para elevar la carga que se desee, y la estructura rígida da un soporte para poder realizar la elevación. Generalmente, cuentan con mecanismos de seguridad para su manipulación, así como controles para su uso [3].

3.7.2 Gota

Se le denomina a una cantidad específica de vidrio derretido, que tiene un peso, temperatura y una forma adecuada para el tipo de envase que se desee realizar [3].

Para la fabricación de botellas se hace necesario convertir el vidrio fundido en una forma que se pueda moldear, a esta forma se le conoce como gota (gob).

El proceso de formación de esta gota se da cuando el vidrio fundido viaja a través de un alimentador el cual termina en un tazón, donde un embolo lo empuja a través

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de un agujero estrecho en la parte inferior del tazón, a medida que la corriente de vidrio sale, se corta para formar trozos conocidos como gotas

Ilustración 8. Sistema de formación de gota

Fuente: Glass Container [7]

3.7.3 Sistema de gota sencilla o doble gota

Las maquinas con las que cuenta la empresa para la dosificación de gota de vidrio (Marca BUCHER EMHART) permiten cambiar la configuración para el número de gotas que se necesitan para producir envases, existen desde una sola gota (gota sencilla) hasta cuatro gotas al tiempo. Con el fin de aumentar la velocidad de producción de la máquina, es necesario cambiar de un sistema a otro, lo que implica intercambiar varias partes de la máquina [3].

3.7.4 Sección

Es una división de la maquina en donde se encuentra todas las partes (moldes, pre moldes, llevadores, cilindros) para fabricar uno o dos envases dependiendo del

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sistema (gota sencilla o gota doble), generalmente las maquinas cuentan de 6 a 12 secciones en donde las partes ya mencionas se repiten por cada sección [3].

Ilustración 9. Máquina productora de envases

Fuente: Glass machinery SAN [8]

3.7.5 Cilindros

Las máquinas productoras de envases cuentan con un mecanismo denominado “plunger” que consiste en un cilindro neumático de doble efecto fijado en la base de cada sección teniendo unas dimensiones de 22 cm de diámetro y 50 cm de largo donde de esta se proporciona la fuerza necesaria para formar el premolde del envase. Este cilindro cambia de acuerdo con el tipo de sistema que utiliza la maquina (gota sencilla o doble gota) y tienen un peso que varía entre 30kg y 60kg. Debido a su condición neumática y disposición en la máquina, estos se adhieren a la misma requiriendo de una gran fuerza para su retiro y posterior reemplazo [3].

3.7.6 Vidrio

Al momento de producir un envase de vidrio se tienen en cuenta diferentes aspectos como el volumen de pedidos y tipo de vidrios que requiere el cliente por su

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complejidad de fabricación, por ello este se puede clasificar según la siguiente tabla propuesta por la British Glass Manufacturers Confederation.

Tabla 2. Tipos de vidrios y sus características

Fuente: British Glass Manufacturers Confederation (BGMC), 1999.

3.7.7 Proceso de producción de las botellas

Cada que se almacena cierta cantidad de arena y ceniza de soda se trituran y son llevadas a unas máquinas pesadoras y medidoras para dosificar la materia prima entrante, además de esto el material es mezclado con vidrio reciclado hasta conseguir una homogeneidad en sus componentes para finalmente pasarlo a el sistema de almacenamiento de cargas o también llamado Batch donde se retiene antes de ser llevada al horno de fundición. Para finalizar el proceso después de pasar por el horno el producto es llevado al proceso de formado.

33

Figura 1. Etapas básicas del proceso de producción de vidrio

Fuente: EPA 1995

34

4 ESTADO DEL ARTE

Desde hace milenios se ha visto la necesidad elevar cargas que el cuerpo humano no es capaz de levantar debido a sus limitaciones físicas, por esto el hombre ha desarrollado dispositivos que le faciliten la elevación de estas. A medida que el tiempo avanza y la tecnología también lo hace, estos dispositivos han evolucionado desde una simple polea con cuerdas, pasando por grúas accionadas por animales hasta hoy en día donde se utilizan diferentes mecanismos que constan de motores de todo tipo, engranajes y poleas [6].

Las necesidades que presenta la industria, las nuevas maquinarias de más capacidad que necesitan ser transportadas, los dispositivos de elevación han tenido que adaptarse a las diferentes necesidades que se presentan en el día a día, como la mayor capacidad de carga, la velocidad de carga ,el almacenamiento entre otros, prueba de esto son los brazos giratorios o grúa a bandera, estos dispositivos de elevación son perfectos para lugares en donde el espacio no permite colocar grúas de mayor tamaño, por lo que se necesitan de tamaño reducido, fáciles de transportar y de relativa facilidad de traslado dentro del área donde se va a utilizar [7].

Ilustración 10 Grúa tipo bandera.

Fuente: Grúa Bandera (Jib Crane) WH CRANESAMERICA.

35

Por otro lado, existen las grúas para taller que en su mayoría son neumáticas, son versátiles, fáciles de manipular y de trasladar, su mayor desventaja es el tiempo de uso y el espacio que ocupan puesto que son pequeñas y su geometría no permite utilizarlas en espacios reducidos donde se necesite el levantamiento de cargas [8].

Ilustración 11 Grúa tipo taller de 1 Ton.

Pluma Grúa Hidráulica para taller de 1 Tonelada RSF EQUIPMENT.

A lo largo de los años se han desarrollado nuevas grúas que se pueden considerar de tipo taller por sus dimensiones y las cargas que elevan, un ejemplo de esto es un desarrollo de grúa para mantenimiento de aire acondicionado estas están constituidas de estructuras en forma de T, utilizan polipastos y su manipulación se hace en el lado contrario de donde se está elevando la carga, aunque este tipo de grúa es una gran innovación no es del todo útil debido a sus dimensiones que sobrepasan las medidas disponibles dentro del sitio de trabajo [9].

36

Ilustración 12 Grúa tipo taller para aire acondicionado (patente).

Patente grúa transportable y desmontable.

Un sistema comúnmente usado en varios lugares para el levantamiento de cargas es el uso de polipastos o diferenciales que constan de motores y poleas que facilitan la elevación de cargas en espacios reducidos, existe una amplia gama de estos dispositivos y se utilizan tareas muy diversas [10].

Ilustración 13 Diferentes tipos de polipastos

Todo polipastos.

37

Para elevación de cargas en espacios cerrados y que sean de gran tamaño y peso, se utilizan puentes grúa, grúas aéreas o suspendidas, están se instalan en los techos de las edificaciones, se utilizan para el desplazamiento de cargar verticales y horizontales. Son de gran tamaño y requieren una gran inversión ya que se debe adecuar la estructura para poder instalarlas [11].

Ilustración 14 Puente grúa, instalado en una bodega.

Puentes grúas ABUS.

Existen nuevos tipos de puente grúa que guardan bastante relación con los convencionales más sin embargo estos tienen la principal característica de que no van fijos a la estructura y se pueden desplazar a donde se solicite, esto se logra mediante el uso de rodachines en los apoyos del dispositivo cabe aclarar que tienen una menor capacidad de carga que los puentes grúas normales [12].

38

Ilustración 15. Puente grúa con rodachines en los apoyos (patente).

Patente Sistema elevador y posicionador de materiales para usarse en edificación para el sector,

vivienda, turismo, industrial, comercial y construcción en general.

En lugares donde se debe hacer elevación de cargas de manera momentánea o temporal pero que son de gran peso y se deben elevar a una gran altura, se utilizan grúas de tipo móviles están son retractiles y están montadas sobre automóviles, camiones, barcos, trenes etc. diseñados específicamente para la grúa, están destinadas a cargas de gran tamaño y peso especialmente usadas en el sector de la ingeniería civil [11].

39

Ilustración 16 Grúa móvil

Grúas móviles LLANTRAC.

Por otro lado, se conoce de manera empírica en otra planta de la compañía, se desarrolló un dispositivo que daba solución a lo planteado en este proyecto. Consiste en una pequeña grúa tipo bandera que se ubica a un costado de la máquina, es un dispositivo sencillo y fácil de usar consta de un motor, dos poleas, una guaya y una estructura de soporte, su principal desventaja es que no se puede adaptar para todas las máquinas, por lo que hace necesario diseñar un dispositivo de estos en función de las características de cada máquina, además de esto la planta O-I Peldar Soacha quiere hacer su desarrollo propio adaptado a las necesidades de la empresa.

40

Ilustración 17. Grúa tipo bandera diseñada para extracción de cilindros.

Coordinador de manteamiento maquinas O-I Peldar Soacha.

En la planta O-I PELDAR Soacha se utilizan varios de los mecanismos anteriormente mencionados pero todos presentan dificultad a la hora de su uso debido a la geometría de las maquinas productoras de envases, las grúas puente no son adecuadas para el izaje de cargas en las maquinas debido a su gran tamaño, las grúas bandera presentan la misma condición de operación que las grúas puente, las grúas de taller aunque tiene un tamaño menor que las anteriores no son aptas debido al tiempo que se necesita para el levantamiento de cargas y su geometría no permite su uso adecuado para el espacio donde se necesita. Por otra parte, los polipastos tienen un tamaño menor y actualmente son los dispositivos que se están usando en la planta, el problema que presentan es que, por la disposición de las máquinas, estos deben ser utilizados de una manera inapropiada ya que las guayas y las poleas se posicionan en lugares incomodos para trabajar. Además, ubicar el equipo dentro de las máquinas, representa un problema al cual se enfrentan a diario los operarios, por tal motivo se hace necesario el desarrollo de un dispositivo de facilite el izaje dentro de las máquinas, que tenga las dimensiones adecuadas, facilidad de uso y gran versatilidad.

41

5 PROCESO DE DISEÑO

Para llevar a cabo el desarrollo del proyecto se tiene que recurrir a una metodología

(Tabla 3) que permita describir como a partir de las necesidades planteadas por la

empresa O-I Peldar se puede obtener un equipo que facilite el mantenimiento de los

repuestos en la zona de interés. De esta manera, se especificaciones de

funcionamiento, se tiene como primera acción la entrevista con el ingeniero a cargo

del proyecto y con los operarios a cargo de realizar estos mantenimientos para

conocer cuáles son los requerimientos principales que debe cumplir la grúa que

corresponde a la fase de identificación de la necesidad.

Tabla 3. Metodología de diseño

Metodología de diseño de 10 pasos propuesta por Norton

5.1 Especificaciones de funcionamiento

De la entrevista con los diferentes involucrados en el mantenimiento se obtuvieron

los requerimientos del cliente dando los siguientes resultados:

Tabla 4. Resultados de entrevista

42

N° de respuesta

¿Qué repuesto debe levantar el

dispositivo?

¿Cuáles son los problemas actuales

de hacer el mantenimiento de

dichas partes?

¿Cuál es el recorrido de los repuestos

desde su punto de origen hasta su

destino fuera de la maquina?

¿En dónde están ubicados los repuestos?

1 Cilindros

Tiempo excesivo en el montaje de los

dispositivos actuales; Fuerza bruta aplicada

para la elevación; Posibles lesiones

Desde la parte inferior de la maquina hasta que estén a nivel de

piso

En cada sección de la maquina por el lado

premolde de la misma

2 Cilindros; Premoldes




En el lado premolde de la maquina debajo

de los premoldes hasta su traslado a

nivel de piso

La máquina tiene 6 de cada uno de estos

repuestos a lo largo de esta por el lado

premolde

3 Cilindros; Premoldes




Parte inferior de la máquina, hasta el

frente del lado premolde de la

maquina cuando quede apoyado en el

piso

A lo largo del lado premolde de la

maquina

Fuente: Autores

Para establecer los requerimientos del cliente y convertir estos en especificaciones

de ingeniería se utiliza la metodología propuesta por Norton en donde se recaba

información del cliente y se delimita el problema, haciendo uso de una herramienta

de mapa conceptual debido a que esta es más sencilla y práctica que una

herramienta QFD convencional, arrojando los siguientes datos (Ilustración 18).

43

Ilustración 18. Diagrama de requerimientos del cliente, especificaciones de ingeniería y sistemas de la grúa

Fuente: Autores

44

5.2 Restricciones de diseño

En el desarrollo de la metodología también se recaba información sobre las posibles

restricciones que se deban tener en cuenta a la hora de hacer el diseño, en una

entrevista posterior con el cliente se evidencia que la única restricción del diseño es

el espacio disponible en la máquina y en los alrededores de esta, en las Ilustración

19, Ilustración 20, Ilustración 21 se ve la geometría de una parte de la maquina con

sus respectivas medidas en mm

Ilustración 19. Modelo 2D del espacio disponible para el dispositivo. (Cotas en mm)

Fuente: Autores.

45

Ilustración 20. Modelo 3D del espacio disponible para dispositivo

Fuente: Autores.

Ilustración 21. Plano superior de la zona de formación de la planta OI Peldar Soacha.

Fuente: Autores.

46

Se ve que debido a la geometría de la maquina no es posible la implementación de

un modelo de grandes dimensiones, y el cliente recomienda un espacio de sujeción

en donde podría ir el dispositivo esto se ve de manera gráfica en la Ilustración 22,

en donde se puede ver de manera detallada la zona disponible, el espacio de trabajo

del dispositivo y la ubicación de los cilindros dentro de la máquina, en la Ilustración

23 se ven las medidas de este espacio disponible sugerido por el cliente

Ilustración 22. Vista frontal y lateral de una máquina productora de envases de vidrio de la planta

OI Peldar Soacha

Fuente: Autores.

Ilustración 23. Espacio disponible para el dispositivo

Fuente: Autores

47

6 SINTESIS

Una vez se tienen claras las especificaciones de ingeniería, las restricciones y los componentes de diseño se da inicio al planteamiento de ideas, en donde se definen los componentes y se propone diferentes alternativas de solución para cada uno de estos, con el fin de una etapa posterior analizarlos y evaluarlos para obtener un diseño preliminar y dar inicio al diseño en detalle

6.1 Componentes involucrados

Las grúas son máquinas que permiten elevar altas cargas aprovechando los principios físicos de la mecánica como la palanca, poleas o por cilindros hidráulicos, de forma que con un sistema de sujeción y un contrapeso se pueda trasladar un objeto de un lugar a otro [9], de forma que se tenga en cuenta la carga máxima que esta pueda soportar puesto que si se llega a exceder la capacidad máxima de peso pueden fallar los soportes o el sistema de sujeción que implicarían en la seguridad de los operarios y en el mantenimiento de la misma, por ello hay que evitar esto en la planeación y operación del equipo.

Estos equipos se conforman de partes fijas y partes móviles que en conjunto permiten realizar movimientos horizontales y giratorios dependiendo del tipo de grúa que sea, por ello se especifican de forma general las partes de la siguiente manera [10]:

6.1.1 Mecanismo de elevación asistida

Un mecanismo o sistema de elevación es todo elemento que permite el desplazamiento vertical de cargas, este puede estar accionado por la fuerza de un individuo o con un motor que haga la elevación del mismo, existen sistemas de elevación asistida como poleas o mecanismo hidráulicos o sin auxilio como polipastos o cualquiera que haga uso de un motor [11]

• Polea Se propone una polea cadena que tenga la capacidad de carga necesaria (Ilustración 24)

48

Ilustración 24. Polea de cadena marca Yale

Fuente: Hahn-Kolb montacargas de cadena manual 360 grados. [12]

• Mecanismo de elevación hidráulica Un mecanismo que eleve la carga mediante principios hidráulicos y que cumpla con la capacidad de carga (Ilustración 25)

Ilustración 25. Gato hidráulico convencional

Fuente: Hahn-Kolb Dispositivo de elevación hidráulico con correa de elevación ajustable. [12]

49

• Dispositivo eléctrico de elevación En dispositivo eléctrico se plantea un polipasto de control manual con motor eléctrico que permita la elevación sin hacer ningún tipo de carga por parte del operario (Ilustración 26)

Ilustración 26. Polipasto eléctrico de cadena con control

Fuente: Hahn-Kolb montacargas de cadena eléctrico profesional/DC-Pro, 2 etapas. [12]

6.1.2 Mecanismo de giro

Consiste en un dispositivo que permite girar sobre su propio eje 360 grados y que soporta la carga, este puede constar de rodamientos o motores que asistan el giro

• Motorreductor Uso de motorreductor para hacer el giro de forma automática con solo ayuda del controlador manual (

Ilustración 27)

50

Ilustración 27. Motorreductor

Fuente: Roydisa Reductor ortogonal Motovario [13]

• Mecanismo de giro de eje y rodamientos Se basa en una configuración de eje en una posición vertical apoyado en dos rodamientos de carga axial dentro de una carcasa el cual el operario gira manualmente (Ilustración 28)

Ilustración 28. Eje apoyado en dos rodamientos

Fuente: Disposición tradicional de dos rodamientos autoalineables [14]

51

• Malacate modificado Se propone un tipo de malacate de manivela modificado de tal manera que permita el giro contralado, accionado por el operario (Ilustración 29)

Ilustración 29.Malacate de manivela

Fuente: Truper malacate manual [15]

• Bisagras Bisagras de que logren soportar la carga y que permitan el giro de manera sencilla por parte del operario (Ilustración 30)

Ilustración 30. Bisagra industrial

52

Fuente: Truper malacate manual [16]

6.1.3 Mecanismo Transversal

Este componente cumple la función de movimiento dentro de la máquina para el reemplazo de los repuestos, además es el soporte donde se ubica el mecanismo de elevación, puede componerse de una estructura que funcione de carril de desplazamiento como una viga o un perfil y un dispositivo de movimiento manual o mecánico que se traslade en este.

• Perfil cuadrado con desplazamiento manual Esta propuesta se basa en un perfil cuadrado que usualmente se acopla a los polipastos eléctricos, este permite el desplazamiento de manera manual por parte del operario y permite ajustar el mecanismo de elevación (Ilustración 31).


53

Fuente: Mercado libre

• Perfil cuadrado con carro de desplazamiento eléctrico Esta idea se fundamentó en la anterior con la diferencia que el desplazamiento se hace mediante un carro de traslado eléctrico accionado por control, este carro cumple con la función de polipasto eléctrico por lo cual integra dos desplazamientos (movimiento vertical y transversal) en un solo dispositivo (Ilustración 32).

Ilustración 32. Carro de traslado eléctrico

54

Fuente: Todowinches Trolley Eléctrico [17]

• Perfil retráctil Se basa en un perfil retráctil el cual puede variar su longitud manualmente, este acopla el mecanismo de elevación en su extremo (Ilustración 33)

Ilustración 33. Perfil retráctil

Fuente: Autores

6.1.4 Mecanismo Longitudinal

Este se compone de dos elementos la estructura y el mecanismo de desplazamiento. La estructura se compone de todos los elementos que se encarguen del apoyo de la máquina y por donde los demás componentes del dispositivo se apoyen para trasladar la carga, en este también se tendrá en cuenta la estabilidad de toda la máquina soportando los movimientos, fuerzas y momentos que se generen en la operación de forma que sea estático al instante de tomar o soltar un objeto [10].

• Viga con carro de desplazamiento manual

Esta propuesta se basa en una grúa bandera convencional (Ilustración 34) adaptada al espacio disponible que ofrece el cliente, se compone de una viga de perfil H con un carro de traslado o trolley que se deslice a través de riel con facilidad por parte del operario

55

Ilustración 34. Grados de libertad de una grúa

Fuente: Trabajo de grado de una grúa giratoria. [10]

• Viga con carro de desplazamiento eléctrico

• Se formula en la base en la propuesta anterior con la única diferencia que el carro de desplazamiento o trolley es eléctrico, cabe resaltar que este trolley solo cumple con la funciona de desplazamiento longitudinal mas no de elevación como la propuesta planteada en el mecanismo anterior (Ilustración 35)

Ilustración 35. Polipasto

Fuente: Estrella LIFTKET etapa uso polipasto eléctrico de cadena de Cable carro. [18]

• Estructura externa con carro de desplazamiento manual o eléctrico

56

Se basa en una estructura que se pueda trasladar hasta la maquina y que cuente con todos lo mecanismo del dispositivo, podría ser una grúa de taller o puente grúa móvil, que cuente con un mecanismo de desplazamiento eléctrico o manual (Ilustración 36)

Ilustración 36. Puente grúa móvil

Fuente: AICRANE puente grúa portátil [19]

7 ANÁLISIS

En esta fase se analizan las diferentes propuestas para cada uno de los mecanismos, con el fin de filtrarlos para obtener un diseño preliminar en una etapa posterior, esto se hace en función de los siguientes criterios: costo, viabilidad, complejidad, requerimientos del cliente y restricciones de diseño, a cada diseño se le asigna un símbolo que representa su concepto final en la Tabla 5 se ve la convención de esta calificación

Tabla 5. Símbolos conceptos finales

Concepto final Símbolo

Aceptado ✔

57

Rechazado X

Fuente: Autores

7.1 Mecanismo de elevación asistida

Tabla 6. Análisis de propuestas para mecanismo de elevación asistida

Idea propuesta Ilustración de la

propuesta Análisis

Concepto final

Polea

Es una propuesta sencilla más no

obstante requiere que el operario

realice fuerza bruta, lo cual deriva en un

aumento de los tiempos

X

Mecanismo de elevación hidráulica

Es viable, reduce la fuerza bruta que debe realizar el operario más sin

embargo complica el montaje y

mantenimiento

✔

Dispositivo eléctrico de elevación

Elimina toda la fuerza que el

operario realiza y es de fácil montaje

✔

Fuente: Autores

58

7.2 Mecanismo de giro

Tabla 7. Análisis de propuestas para mecanismos de giro


propuesta Análisis

Concepto final

Motorreductor

Disminuye la fuerza que el operario debe aplicar al giro en su totalidad

más sin embargo tiene un costo elevado respecto a otras

alternativas, además complica el montaje y

mantenimiento

X

Mecanismo de giro de eje y rodamientos

Fácil montaje y mantenimiento, tiene

un costo relativamente bajo

✔

Malacate modificado

De fácil mantenimiento, operación y montaje,

pero retrasa el giro por lo cual aumenta los

tiempos

X

Bisagras

Tiene el mantenimiento y montaje más sencillo por otro lado solo tiene un giro limitado de 180

grados

✔

Fuente: Autores

7.3 Mecanismo Transversal

Tabla 8. Análisis de propuestas para mecanismo transversal

59


propuesta Análisis

Concepto final

Perfil cuadrado con

desplazamiento manual

Es sencillo de operar, se adapta fácil a un

polipasto convencional, pero debe ser accionado por

accionado por el operario

✔

Perfil cuadrado con carro de

desplazamiento eléctrico

Suprime toda fuerza que deba hacer el

operario, tiene la gran ventaja de que

contiene mecanismo de elevación y

transversal en uno solo, más sin embargo es de gran costo y solo

se usa para cargas superiores a una

tonelada

X

Perfil retráctil

Facilidad de operación, con un sistema de

bloqueo de longitud es una alternativa viable

✔

Fuente: Autores

7.4 Mecanismo Longitudinal

Tabla 9. Análisis de propuestas para mecanismo longitudinal


propuesta Análisis

Concepto final

60

Viga con carro de desplazamiento

manual

Es una propuesta viable requiere poco

mantenimiento cumple con la restricción de

espacio

✔

Viga con carro de

desplazamiento eléctrico

Se elimina toda la fuerza que se deba

realizar más sin embargo es de gran costo y no se justifica para el poco recorrido

que debe hacer

X

Estructura externa con carro

de desplazamiento

manual o eléctrico

Aplicable a otras situaciones de carga dentro de la planta,

pero el espacio disponible es reducido por lo cual debe tener

dimensiones acordes a este

✔

Fuente: Autores

8 SELECCIÓN DE LA SOLUCIÓN

Se utiliza una matriz básica de decisión de Pugh en donde se tiene en cuenta costo, viabilidad, complejidad, requerimientos del cliente y restricciones de diseño dándoles un peso de importancia y comparando como las alternativas se desempeñan en estos ítems mediante una calificación, estos ítems se obtuvieron

61

por medio de una entrevista al Ing. de planta basado en los aspectos más críticos que debería cumplir el prototipo final. Se le asigna un peso o relevancia a cada ítem, siendo 5 muy importante y 1 poco importante, basado en esto se comparó el desempeño de cada solución en cada uno de estos ítems, se calificó con una escala de 3 a 9, siendo 3 que no satisface adecuadamente y 9 que satisface completamente el requerimiento como se puede observar en la siguiente matriz.

8.1 Mecanismo de elevación asistida

Diseño 1: Mecanismo de elevación hidráulica

Diseño 2: Dispositivo eléctrico de elevación

Tabla 10. Matriz de decisión de Pugh para el mecanismo de elevación

Lista de requisitos Peso Diseño 1 Diseño 2

Capacidad de carga neta 5 9 9

Altura 4 6 6

Fuerza bruta Aplicada 5 3 9

Disminuir tiempo de cambio 4 3 9

Cumplir con el espacio disponible 4 6 9

Costo 4 6 9

Facilidad de montaje 5 3 9

Sumatoria 36 60

Fuente: Autores

Basado en la matriz de Pugh (Tabla 10) se tiene que la mejor alternativa es el diseño dos que consiste en un polipasto eléctrico este es versátil, de bajo costo, elimina toda la fuerza que deben hacer los operarios al momento de levantar la carga, disminuyendo así el tiempo

8.2 Mecanismo de giro

Diseño 1: Mecanismo de giro de eje y rodamientos

Diseño 2: Bisagras

Tabla 11. Matriz de decisión de Pugh para el mecanismo de giro

62


Giro completo 5 9 0

Fácil mantenimiento 3 6 6




Costo 4 9 6


Sumatoria 54 42

Fuente: Autores

En el mecanismo de giro se selecciona el sistema de eje con rodamientos de movimiento manual, este cumple con un giro completo de 360 grados lo cual permite mover la carga con más libertad a diferencia de la otra alternativa que solo permite 180 grados lo que limita operaciones de reemplazo completo

8.3 Mecanismo Transversal

Diseño 1: Perfil cuadrado con desplazamiento manual

Diseño 2: Perfil retráctil

Tabla 12. Matriz de decisión de Pugh para el mecanismo transversal


Longitud necesaria 5 9 9





Costo 4 9 3


Sumatoria 57 45

Fuente: Autores

63

Para el mecanismo transversal se opta por la opción uno, este perfil es de fácil montaje, poco mantenimiento, bajo costo y se adapta muy bien con la alternativa elegida para el mecanismo de elevación

8.4 Mecanismo Longitudinal

Diseño 1: Viga con carro de desplazamiento manual

Diseño 2: Estructura externa con carro de desplazamiento manual o eléctrico

Tabla 13. Matriz de decisión de Pugh para el mecanismo longitudinal


Longitud necesaria 5 9 9





Costo 4 9 6


Sumatoria 60 42

Fuente: Autores

Según la Tabla 13 el diseño uno es el elegido para el mecanismo de desplazamiento longitudinal, consiste en una viga anclada al espacio de trabajo recomendado, no requiere de gran mantenimiento por ser una pieza fija, y siempre está disponible en este espacio a comparación de la otra alternativa en donde se debe trasladar toda la estructura hasta el lugar donde se necesite lo cual aumenta los tiempos

8.5 Diseño preliminar

Como resultado de diseño preliminar basado en los análisis anteriores se tiene un polipasto eléctrico como mecanismo de elevación, con un mecanismo de giro de eje y dos rodamientos, anclado a un perfil cuadrado, y que se desplaza a través de una viga sujeta al espacio disponible en la maquina con un carro de desplazamiento manual, en la Ilustración 37 se ve de mejor manera este diseño

Ilustración 37. Diseño preliminar

64

Fuente: Autores.

9 DISEÑO EN DETALLE

En este capítulo se tiene en cuenta todo el desarrollo del proyecto partiendo de la selección de materiales, componentes y procesos de diseño mecánico apoyado por cálculos estructurales obteniendo valores de esfuerzos, momentos, deformaciones y deflexiones en las partes implicadas, cumpliendo con los parámetros de carga que se establecieron en el capítulo anterior para certificar el funcionamiento de la máquina y factores de seguridad que permitan la confiabilidad del equipo

Para el diseño en detalle se utilizará la metodología propuesta por Norton, que consiste en crear un modelo matemático para analizar el comportamiento del elemento a diseñar; para esto lo primero en realizar es el diagrama de cuerpo libre, donde se muestran todas las fuerzas y momentos que actúan sobre el elemento, luego se plantean ecuaciones convenientes para el cálculo; con estas ecuaciones se determina el esfuerzo y deflexión.

Luego se determina el factor de seguridad para corroborar si falla o no el diseño. Si no se cumple con el diseño se procede a recalcular el modelo aumentando dimensiones o cambiando el material hasta encontrar el modelo que cumpla con los requerimientos.

65

La grúa se compone de un sistema fijo que para este caso es una viga anclada al techo y un sistema móvil que se compone de un trolley, un riel y un polipasto eléctrico que permite el traslado de los cilindros como se evidencia en la Ilustración 38. Conociendo esto es propicio determinar la viga que se utilizara a partir del espacio disponible y de la carga que debe soportar seleccionando un perfil de catálogo y realizando los cálculos preliminares para determinar si soporta los esfuerzos máximos, cumpliendo con los requisitos dimensionales.

Ilustración 38. Diseño final mecanismo grúa.

Fuente: Autores.

66

Tabla 14. Partes de la grúa

67

Fuente: Autores.

Con este diseño el operario puede manipular la grúa anclando el cilindro al gancho

del polipasto girando a su comodidad el brazo ensamblado al trolley para poder

retirar el cilindro en la zona deseada y esto se puede hacer en todas las divisiones

de trabajo ya que el mecanismo se puede desplazar por la viga que lo soporta.

Se puede observar la geometría final de la grúa que se obtuvo de acuerdo con el diseño de las partes que se presentara más adelante.

Ilustración 39. Placas sujeción Viga perfil I.

68

Fuente: Autores.

En la Ilustración 39 se muestran las placas cuadradas y rectangulares las cuales sirven para acomodar la viga en el espacio establecido (Ilustración 19, Ilustración 20, Ilustración 21) por la empresa para instalar el dispositivo de elevación, el diseño en detalle se puede ver en el literal 10.3.

Ilustración 40. Viga perfil I

Fuente: Autores.

En la Ilustración 40 se enseña la viga que se selecciona en base al espacio dado por la empresa para el dispositivo de igual manera se calculó la flexión y esfuerzos máximos que presenta cuando el dispositivo esto en funcionamiento esto se puede ver de forma más detallada en el literal 10.2

Ilustración 41. Placa unión trolley-Placa anchura.

69

Fuente: Autores.

Una lámina con forma de “L” se ensambla en el trolley la cual permite la unión del trolley por medio de otra lámina al mecanismo de giro del polipasto además de poder modificar la anchura con las uniones atornilladas sobre la otra placa.

Ilustración 42. Placa anchura trolley.

Fuente: Autores

En la Ilustración 42 se puede evidenciar una placa con forma de “U” la cual sirve para modificar el ancho del trolley por medio de las ranuras que tienen en los extremos por medio de uniones atornilldas conectandolo con el eje del mecanismo angular del polipasto por medio de un pasador que atraviesa el agujero que esta en medio de esta y que ademas atraviesa el eje que pasa por la placa.

Ilustración 43. Lamina sujeción ruedas superiores.

70

Fuente: Autores.

Esta modificación contrarresta el momento producido por la carga a levantar (Cilindros y premoldes)

Esta lámina en forma de L va sujeta al trolley por medio de dos pernos, sirviendo como ajuste del sistema, evitando que las ruedas inferiores pierdan el contacto con la viga, manteniendo siempre alineado el sistema.

Ilustración 44. Placa circular Tambor-Polipasto

Fuente: Autores.

Para poder dar el movimiento angular al polipasto se fabricaron unas láminas como se pueden manifestar en la Ilustración 44 las cuales están acopladas al tambor y que a su vez se apoyan en los rodamientos del eje para permitir el movimiento que fue describió con anterioridad y que también están acopladas a la viga que soporta el polipasto por medio de 3 uniones atornilladas como se presenta en las ilustraciones anteriores.

Ilustración 45. Eje mecanismo movimiento angular.

71

Fuente: Autores.

Con esto y la geometría final del eje se le da el movimiento angular al polipasto, diseñando un conjunto de tal forma que el mecanismo se apoye en los rodamientos permitiendo ese giro deseado, además el diseño en detalle se puede ver en el literal 10.5.

Ilustración 46. Tambor Eje-Placas circulares.

Fuente: Autores.

En la Ilustración 46 se muestra una pieza tubular con una aleta la cual sirve para apoyar la carga transmitida por el polipasto cuando eleva la carga en uno de los rodamientos del eje y esta se ensambla por medio de unos 4 tornillos a las placas

72

circulares inferiores y superior que se apoyan también en el eje como de sujetar la viga del polipasto.

Ilustración 47. Viga polipasto.

Fuente: Autores.

En la Ilustración 47 se observa la viga de perfil cuadrado que soporta el polipasto por me dio de las orejas de este a su vez que puede desplazar el dispositivo por medio de la ranura que tiene en uno de sus extremos permitiendo acomodarlo de la mejor manera que lo requiera el operario y en el extreo cointrario a la ranura se encunetran los agujeros por los que pasan las uniones atornilldas que van ensamblados tambien a las placas circulares el diseño en detalle de la viga se explica en el literal 10.7

9.1 Viga

Se seleccionó una viga IPE 100 debido a que ocupa el espacio disponible para el dispositivo sin pasar los limites dimensionales del lugar destinado, el material de la viga es el acero estructural A-572 Grado 50, que es uno de los aceros más comunes, económico y buenas propiedades mecánicas en los perfiles estructurales para construcción o montajes de maquinaria pesada de elevación de cargas, además las dimensiones del perfil seleccionado permiten elegir un trolley pequeño en tamaño para que el mecanismo del polipasto cuente con más espacio para maniobrar cuando se extraiga el cilindro.

Ilustración 48. Especificaciones geométricas de la viga seleccionada.

73

Fuente: LaCampana. [20]

Teniendo en cuenta las características de la viga es propicio calcular la deformación y esfuerzos que soportara está para determinar si es capaz de resistir el peso del polipasto, la carga a levantar y los diferentes elementos que lo componen, para ello a partir del diseño CAD se pudo realizar el siguiente diagrama.

Ilustración 49. Diagrama viga en I

Fuente: Autor

Ilustración 50. Diagrama viga en I plano Y-Z

74

Fuente: Autor

Donde w es el peso distribuido de la viga, P es la carga que el trolley ejerce en la viga y los apoyos compuestos por cuatro articulaciones provenientes de su anclaje al techo.

En la Ilustración 48 se puede observar las características de la viga por lo cual se pueden conocer los siguientes datos:

• Peso: Por cada metro de viga IPE100 se obtienen 8,1 kg masa por lo tanto al multiplicar por la gravedad se determina que su peso es de 79,5 N/m (w)

• Dimensiones de perfil

• Momento de inercia: conociendo a detalle la geometría del perfil se calculó el momento de inercia exacto en el centroide siendo 1633226,78 mm^4 (I)

• Material: A-572 Grado 50

• Esfuerzo de fluencia y esfuerzo último a tensión: 344 MPa y 448 MPa [21]

El procedimiento de cálculo se inicia realizando el equilibrio en el plano Y-Z donde se realiza equilibrio en la viga para determinar las reacciones y los momentos.

9.1.1 Equilibrio en el plano Y-Z

Conocido que la carga bajo la cual debe trabajar el polipasto debe estar al menos en 150 kg más el perfil cuadrado, el polipasto y accesorios, se obtiene la suma de 195 kg que se trasladan a la viga como la carga P. Luego de obtener el diagrama de cuerpo libre se calcula el cortante, momento, ángulo de deflexión y deflexión de la viga por el método de superposición el cual se detalla en los anexos.

Figura 2. Diagrama de cuerpo libre de viga en I plano Y-Z

75

Fuente: Autor

a – 500 mm

b – 1102,75 mm

d – 2172,25 mm

e – 3275 mm

A partir del DCL se considera las ecuaciones de equilibrio para determinar las fuerzas externas que inciden en el cuerpo

∑ 𝐹𝑦 = 0 ; ∑ 𝑀𝑅1 = 0

El procedimiento de cálculo procede realizando el equilibrio en el plano Y-X.

9.1.2 Equilibrio en el plano Y-X

Conocida la carga bajo la cual debe trabajar el polipasto; carga que no tiene su línea de acción alineada con el centro del perfil de la viga, se traslada al centro de la viga como la carga P como se evidencia en la imagen, con este traslado se produce un momento que se manifiesta en el eje neutro del perfil de la viga en I. Luego se determina el esfuerzo cortante máximo debido a la torsión, los cuales se detallan en los anexos.

76

Figura 3. Diagrama de cuerpo libre de viga en I plano Y-X

Tabla 15. Resultados viga

Nombre Símbolo Valor Unidad

Cortante máximo V- -1105,58 N

V+ 894,70 N

Momento máximo M- -213741,3035 N.mm

M+ 435122,9634 N.mm

Ángulo máximo A- -3,5,E-04 Rad

A+ 2,6,E-04 Rad

Deformación máxima Y- -0,117 mm

Y+ 0,04 mm

Esfuerzo máximo Sd 13,32 MPa

Esfuerzo fluencia Sy 344,00 MPa

Factor de seguridad Nt 25,82 #

Fuente: Autor

Como conclusión a esto se puede confirmar que la viga resiste los esfuerzos normales y cortantes máximos generado por las cargas, así como una deflexión mínima en su punto máximo para la precisión deseada.

9.2 Láminas de sujeción

77

Se usaron y seleccionaron unas láminas que permitieran sujetar la viga en el espacio que se encuentra ya en la máquina de envases (Ilustración 23), ya que el ala superior de la viga no tiene la suficiente distancia para los agujeros de las uniones atornilladas del soporte, estas se seleccionaron de un acero estructural (Acero A-36) por sus propiedades y economía con un espesor de 8 mm, la geometría y el posicionamiento en la Viga con perfil en I se pueden observar en las Ilustración 19, Ilustración 20, Ilustración 21.

Ilustración 51. Especificaciones geométricas de la lámina de sujeción.

Fuente: CIA. General de aceros.

Ilustración 52. Placa sujeción grande Viga I

Fuente: Autores.

Ilustración 53. Placa sujeción pequeña Viga I.

78

Fuente: Autores.

Ilustración 54. Posicionamiento de las placas de sujeción en la Viga I

Fuente: Autores.

Estas laminas van atornilladas al soporte y soldadas a la viga ya que es un componente fijo que no necesita de reposición y mantenimiento continuo, por lo tanto, a partir de soldadura tipo SMAW la cual es utilizada para aplicaciones estructurales y que maneja bajos costos como también diferentes posiciones de soldadura, se determina el tipo más adecuado por medio del siguiente calculo tomado del libro de diseño de máquinas de Shigley.

79

𝜏 =1.414𝑀

𝑏ℎ𝑑

Donde cada variable representa:

M – momento en ese punto - 435123 N.mm

b – Longitud del cordón – para las placas largas 160 mm y para las cortas 50 mm

h – Altura de la garganta – 5 mm

d – distancia de la soldadura según perfil – 55 mm

Según se recomienda la altura de la garganta para este tipo de soldaduras frecuenta los 5 mm, la longitud del cordón se determinó a partir del diseño CAD como también la distancia de la soldadura “d” y por último el momento que se ejerce en cada placa es de:

• Placa 1 = 142232,2 N.mm • Placa 2 = 183490,7 N.mm • Placa 3 = 41377,17 N.mm • Placa 4 = 5766,04 N.mm

Entonces,

Tabla 16. Resultados de los esfuerzos cortantes en los cordones de soldadura

Placa N° Valor Unidad

1 4,57 MPa

2 18,86 MPa

3 4,25 MPa

4 0,59 MPa

Fuente: Autor

80

Determinados los esfuerzos que se ejercen en los cordones de soldadura se procede a seleccionar el número de electrodo a partir de las siguientes tablas

Tabla 17. Propiedades mínimas del material de aporte

Fuente: Diseño de máquinas Shigley 9° Edición. [22]

Tabla 18. Esfuerzos permisibles del Código AISC para metal de aporte

Fuente: Diseño de máquinas Shigley 9° Edición. [22]

El número seleccionado de la Tabla 17 es el E60xx para esfuerzos últimos a tensión de 427 MPa y de fluencia de 345 MPa, por lo que para conocer si la configuración determinada funciona se comparan el esfuerzo cortante máximo generado por un momento en la placa 2 y el esfuerzo permisible de la Tabla 18 a flexión quedando:

0,6𝑆𝑦 = 0,6(345 𝑀𝑃𝑎) = 207𝑀𝑃𝑎

18,86 𝑀𝑃𝑎 ≤ 207 𝑀𝑃𝑎

81

Con esta información se concluye que en toda soldadura de la base los cordones soportan los esfuerzos generados con la grúa en funcionamiento puesto que de las cuatro placas ninguna supera el valor límite de 207 MPa del material de aporte seleccionado.

9.3 Carro de traslado o trolley

Para poder desplazar el mecanismo sobre la viga y que este cumpla con su función se hace necesario un carro o trolley que se mueva sobre las alas de la viga y que soporte el brazo con el polipasto. Se diseñó el carro de traslado ya que se encontraron varios de distintas marcas que se acomodaban bien a la geometría de la viga seleccionada pero la altura del equipo es muy grande comparada con el espacio que se cuenta para sacar los cilindros de la máquina de envases (Ilustración 13).

Para esto se rediseño la parte inferior del trolley que soporta la carga cambiando lo que generalmente usan que es un tornillo con una horquilla para poder anclar la carga como de poder modificar la anchura de este como se puede ver en las siguientes imágenes, lo cual se obtuvo como resultado una placa en forma de "U” con unos canales en donde se modifica la anchura del trolley por medio de las uniones atornilladas.

Tabla 19. Proceso de diseño del trolley

Nombre Ilustración Descripción Fuente

Diseño original de un trolley de la marca ALLMAN INDUSTRY

Modelo de referencia para el diseño del trolley

ALLMAN INDUSTRY.

82

Diseño original de un trolley de la marca YALE HOISTS

Modelo de referencia para el diseño del trolley

YALE HOISTS.

Rediseño del sistema para modificar el ancho y sostenimiento de la carga del trolley.

Con los modelos de referencia se modificar el tornillo con la horquilla entre carritos y se reemplaza con una placa en U que permita una mayor estabilidad y fijación del trolley en la viga

Autores

Rediseño del sistema para modificar el ancho y sostenimiento de la carga del trolley.

El producto final encaja en la viga seleccionada permitiendo el movimiento de este con un mejor ajuste y seguridad

Autores

Rediseño del sistema para contrarrestar el momento producido al levantar la carga.

En este diseño se modifica las láminas laterales del trolley, para acoplar una rueda en la parte superior, que ruede en la superficie

Autores

83

interna del ala superior de la viga.

Rediseño del sistema para contrarrestar el momento producido al levantar la carga.

En este diseño se modifica las láminas laterales del trolley, para acoplar dos ruedas en la parte inferior, que rueden en la superficie externa del ala inferior de la viga

Autores

Rediseño del sistema para contrarrestar el momento producido al levantar la carga

En este diseño se adicionan cuatro láminas en forma de L al trolley, para acoplar cuatro ruedas en la parte superior, que ruede en la superficie interna del ala superior de la viga.

Autores

Fuente: Autores

Los dos primeros diseños requieren el cambio de la lámina lateral derecha e izquierda, haciendo compleja la modificación y poco viable por el costo que implica la compra de nuevas laminas para reemplazar las originales; con el tercer diseño la modificación consiste en solo adicionar 4 láminas en forma de L (láminas de menor tamaño y costo que las láminas del trolley), sin modificar las láminas del trolley, estas laminas en forma de L van sujetas al trolley por medio de dos pernos cada lamina, haciendo sencillo el mantenimiento del mismo, por tal razón se elige el tercer diseño para contrarrestar el momento producido al levantar la carga.

Para que la viga del polipasto pudiera rotar 360°, se tuvo que incorporar al trolley un dispositivo que permitiera este grado de libertad para el equipo, por lo cual se diseñó una pequeña estructura con un eje dentro de esta que permitiera este

84

movimiento angular los cuales se unen por medio de un pin entre el eje y la placa diseñada para el trolley. La estructura está compuesta por dos tapas y un cilindro con aletas para poder apoyarse en los rodamientos del eje con el fin de obtener ese movimiento angular, ahorrar altura del dispositivo y también para un fácil mantenimiento de la estructura como de los rodamientos se ve en la ilustración 32 y las tapas a la vez se atornillan a la viga del polipasto.

Tabla 20. Estructura que permite el giro del perfil cuadrado

Nombre Ilustración Descripción Fuente

Mecanismo de giro del perfil cuadrado

Diseño de la estructura para el movimiento angular del polipasto

Autores

Representación en corte de la

estructura para soportarse en los rodamientos del

eje.

El corte permite la visualización de la construcción diseñada para que el peso sea soportado en el eje

Autores

85

Diseño en conjunto del trolley con la estructura para el movimiento angular.

Para unir este conjunto con el trolley se ensambla el eje con la pieza en U a partir de un tornillo que atraviesa las piezas

Autores

Fuente: Autores

9.4 Eje

Para el diseño del eje se desarrolla una geometría de acuerdo con las piezas del mecanismo que se instale en el trolley y para que el eje funcione en el mecanismo que se explica en los apartados anteriores.

Ilustración 55. Configuración de eje con sus rodamientos.

Fuente: Autores.

El eje se calcula por medio de funciones de singularidad debido a fuerzas axiales y sus respectivos momentos que se generaban por la carga máxima que podía levantar el polipasto.

86

Ilustración 56. Diagrama de cuerpo libre del eje

Fuente: Autores.

Se puede observar en la ilustración DCL del eje que soporta las fuerzas axiales por medio de los rodamientos y contrarresta el momento por medio de un pin que atraviesa el eje y la placa del trolley que lo sostiene. Entonces por medio de ecuaciones de singularidad se describe como afectan las cargas a lo largo del eje.

q = MR < X − (LP −P

2) >−2− MT < X −

(L1 + L2 + L3)

2>−2 [𝑁. 𝑚𝑚−1]

M = MR < X − (LP −P

2) >0− MT < X −

(L1 + L2 + L3)

2>0 [𝑁. 𝑚𝑚]

A partir de los resultados obtenidos por medio de las funciones de singularidad se calculó el diámetro a estática del eje por medio de la siguiente ecuación.

Ecuación de diámetro por estática para ejes.

𝑑 = √32 ∗ 𝜑 ∗ √𝑀2 + 𝑇2

𝜋 ∗ 𝑆𝑦

3

Para este caso se usó un factor de seguridad de 2,5 y un acero 1020 como material para el eje cuyas propiedades se pueden evidenciar en la siguiente ilustración.

87

Ilustración 57. Propiedades mecánicas del acero 1030.

Fuente: AZO Materiales.

Por último, la ecuación de diámetro por estática para ejes consiguió un diámetro mínimo que no falle de 38 mm, este se puede observar en la ilustración 38 el cual tiene un color naranja que se encuentra dentro del mecanismo de giro del polipasto.

Ilustración 58. Geometría final del eje dentro del mecanismo de giro.

Fuente: Autores.

Ya con el diámetro final del eje que se obtuvo por medio de los cálculos se procede a seleccionar los rodamientos para este tipo de aplicación, ya que solo se cuentan con cargas axiales se escogen unos rodamientos de rodillos cilíndricos que son uy comunes cuando se presentan este tipo de cargas.

88

Ilustración 59. Rodamientos seleccionados para el eje.

Fuente: SKF.

Ilustración 60. Dimensiones del rodamiento seleccionado

Fuente: Rodamientos SKF.

89

9.5 Polipasto

De acuerdo con los requerimientos, la capacidad mínima del polipasto es de 250 Kgf, de esta manera y de acuerdo con la disponibilidad en el mercado nacional, el polipasto de menor capacidad que se consigue y que cumple con el requerimiento de levantar 150 kg es el modelo TRUPER que puede alzar 250kg, el cual cubre perfectamente las necesidades y da la posibilidad de usar este polipasto para otros fines si se requiere.

El polipasto por utilizar es el de marca Truper debido a que presenta mayor reconocimiento y brinda mayor capacidad de carga a un costo similar si se compara con la competencia (la diferencia es de COP 35.000).

Tabla 21. Comparación de precios para polipastos.

Características \ Marca Truper Interket

Capacidad de carga (kg) 400 250

Potencia (W) 850 560

Precio COP 750.000 715.000

Fuente: Autores.

90

Ilustración 61. Modelo de polipasto seleccionado.

Fuente: TRUPER.

91

9.6 Viga soporte polipasto

Para el soporte del polipasto el fabricante recomienda que “La viga de acero debe tener un diámetro de 60 x 60 mm, un espesor mínimo de 2.3 mm y una longitud mínima de 450 mm ().” Por cuestiones de diseño se decidió analizar la capacidad máxima de carga de la viga como de la deflexión de esta con la carga del polipasto para verificar las dimensiones de esta.


Fuente: MercadoLibre.

Ilustración 63. Catalogo especificaciones de la viga para polipasto.

92

Fuente: Tubos Colmena.

Con las dimensiones de la viga se procede a realizar un diagrama de cuerpo libre

respecto a la configuración determinada en el CAD

Figura 4. Diagrama de cuerpo libre viga cuadrada

Fuente: Autor

a – 450 mm

93

P – 195 kg

Al realizar el equilibrio en la viga se encuentran las incógnitas de la fuerza de

reacción y por singularidad se pueden obtener el cortante, momento, ángulo de

deflexión y deflexión generados, para así conocer los valores máximos y

organizarlos en una tabla determinando si la viga cumple con las condiciones para

el trabajo.

Tabla 22. Resultados perfil cuadrado


Cortante máximo V- 0 N

V+ 1912,95 N

Momento máximo M- -860827,5 N.mm

M+ 0 N.mm

Ángulo máximo A- -0,003 Rad

A+ 0,000 Rad

Deformación máxima Y- -0,83 mm

Y+ 0,00 mm

Esfuerzo máximo Sd 73,66 MPa

Esfuerzo fluencia Sy 250,00 MPa

Factor de seguridad Nt 3,35 #

Fuente: Autores.

Para concluir se evidencia que los esfuerzos no superan los 250 MPa permisibles

por lo que se admite hasta 3 veces la carga asignada con una deformación máxima

de 1 mm que impide movimientos bruscos al momento de cargar un cilindro.

94

9.7 Uniones atornilladas

Para ensamblar diferentes piezas que componen la grúa las cuales necesitan de ser desmontadas para mantenimiento, se utilizó tornillería de forma que ajustaran debidamente cada componente y soportaran las cargas de trabajo. Con esto se analizó los pernos que soportan el perfil cuadrado ensamblado a las placas circulares del cilindro calculando el esfuerzo cortante que resisten

Ilustración 64. Ensamble perfil cuadrado y mecanismo de giro

Fuente: Autores.

A partir de los resultados obtenidos por el análisis estático del perfil cuadrado se conoce el momento producido en las zonas de unión y por lo tanto se plantea las siguientes ecuaciones que me permiten conocer la resistencia simple a cortante (Fr) [23] y el esfuerzo cortante producido en la unión.

𝐹𝑟 =0,6 ∗ 𝑆𝑢𝑡 ∗ 𝐴

1,25 [𝑁]

𝜏 =𝑀

𝐴 ∗ 𝐶[𝑀𝑃𝑎]

Donde para calcular Fr se debe conocer el esfuerzo último a tensión (Sut), A el área

del tornillo, M el momento máximo aplicado en la unión, y C la distancia del eje

neutro del perfil cuadrado a su extremo vertical. Con esto se obtiene los siguientes

resultados

95

Tabla 23. Resultados de las uniones atornilladas


Resistencia al

cortante Fr 48,64 kN

Fuerza aplicada Fa 28,7 kN

Esfuerzo último a

cortante Ty 400 MPa

Esfuerzo aplicado Ta 226,5 MPa

Factor de

seguridad Nt 1,7

Fuente: Autores

Al obtener los esfuerzos que soporta la unión se decide seleccionar un perno grado

8.8 el cual resiste las cargas aplicadas con tres pernos de NC ½”-20.

Para la sujeción de la viga a la base del lugar destinado para la grúa se debe calcular

que los pernos que ensamblan en la zona ya determinada por la empresa soporten

toda la estructura a partir de la siguiente ecuación:

𝐹𝑡 =0,9 ∗ 𝑆𝑢𝑡 ∗ 𝐴

1,25 [𝑁]

Ft – Resistencia máxima a la tensión

Conociendo esto y la reacción máxima que ejerce la estructura en un apoyo se

obtiene:

Tabla 24. Resultados de la unión atornillada en la base


Resistencia a la

tensión Ft 163,17 kN

Fuerza aplicada Fa 1,4 kN

96

Esfuerzo último a

tensión Ty 800 MPa

Esfuerzo aplicado Ta 4,91 MPa

Factor de

seguridad Nt 116,5

Min en la reacción

2

Fuente: Autores

Según lo que se obtuvo se puede concluir que en la zona más cargada que es el

apoyo 2, las uniones atornilladas soportan el esfuerzo generado en operación

97

10 COTIZACIÓN DEL PROTOTIPO

Para dar un estimado de costos se cotizaron materiales y fabricación con la empresa Famotrol FG LTDA, empresa dedicada a la fabricación de repuestos industriales, moldes, troqueles y productos en serie, dando los siguientes costos.

Tabla 25. cotización del prototipo

Parte Cant. Precio unitario Total

Viga IPE 100mm x 6m A572/G50 1 $ 206.900 $ 206.900

Rodamiento axial de rodillos cilíndricos 81112 TN

1 $ 259.300 $ 259.300

Rodamiento axial de rodillos cilíndricos 81108 TN

1 $ 227.000 $ 227.000

Tornillo Allen Bristol M5 Largo 9mm 8 $ 700 $ 5.600

Tubo cuadrado 60 x 60 x 2.0mm x 1m estructural HR50

1 $ 20.100 $ 20.100

Tornillo Hexagonal 3/8x1 Y Tuerca 16 $ 5.300 $ 84.800

Polipasto eléctrico marca Truper 1 $ 750.000 $ 750.000

Trolley ALLMAN INDUSTRY 1 $ 350.000 $ 350.000

Grasera Ref. ALGI-07014006 2 $ 2.750 $ 5.500

Lámina De Acero Al Carbón A-36 En C-1/4 (1,2 X2,4 (m))

1 $ 560.600 $ 560.600

BARRA REDONDA ACERO AISI 1020 3-1/2" X 10 cm

1 $ 30.500 $ 30.500

BARRA REDONDA ACERO A36 5" X 10 cm

1 $ 58.200 $ 58.200

Corte de lámina 1 $ 300.000 $ 300.000

Maquinado de eje y cilindro 1 $ 150.000 $ 150.000

Doblado de lámina 1 $ 100.000 $ 100.000

Taladrado y acabados 1 $ 150.000 $ 150.000

Ensamble estimado 1 $ 200.000 $ 200.000

Total $ 3.458.500

Fuente: Autores

98

11 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Al desarrollar el proyecto se pueden determinar ciertas conclusiones que muestran lo que se obtuvo para cumplir los requerimientos del cliente

• Se desarrolló un diseño conceptual y en detalle que permitió obtener un modelo CAD con sus respectivos planos de una grúa capaz de cargar cilindros para el mantenimiento de un equipo en la planta O-I Peldar.

• Se establecieron los requerimientos técnicos del diseño para un prototipo de transporte de cilindros y premoldes

• El diseño conceptual se obtuvo mediante propuestas de cada uno de los mecanismos involucrados con el fin de establecer una alternativa de diseño adecuada

• El diseño en detalle se logra mediante cálculos de cada uno de los elementos obteniendo planos del prototipo

• Se desarrollan manuales que ilustran el funcionamiento, mantenimiento y consideraciones de seguridad del prototipo

• Los esfuerzos mecánicos que se ejercen en zonas críticas de trabajo no presentan riesgo de falla en la estructura, manejando un factor de seguridad de dos, permitiendo algunas sobrecargas en caso de que sea requerido.

• La selección de ciertos componentes, como el trolley de catálogos no satisfacían el diseño en la movilidad y funcionabilidad que se esperaba para el traslado de objetos pesados, por lo cual fue preciso un cambio en la geometría de una de sus partes para obtener una mejora estructural.

• Fue necesario el uso de placas bases que permitieran sostener la viga en I ya que no se encontró un perfil que ensamblara de forma adecuada, de acuerdo al ancho de las alas, en el lugar destinado como base con agujeros ya realizados

A continuación, se presentan unas recomendaciones para la operación del equipo y así evitar accidentes o problemas

• Para futuros proyectos se puede automatizar el prototipo mediante carros de traslado eléctrico e implementación de un sistema de control

• En futuras mejoras se puede implementar un mecanismo que permita el bloqueo del movimiento rotacional en el cilindro para mejor estabilidad

• El prototipo puede ser usado como base para desarrollar otras grúas del mismo tipo para hacer la extracción de otros repuestos dentro de máquinas productoras de envases de vidrio

99

12 BIBLIOGRAFÍA

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101

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[34] DGCRANE, «Fabricantes de grús Bandera,» 2013. [En línea]. Available: https://es.dgcrane.com/gruas-bandera/.

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104

13 ANEXOS

Pág.

Anexo 12.1. Cálculos 72

Anexo 12.2. Manual de operación y mantenimiento 88

Anexo 12.3. Planos 96

Anexo 12.4. Rodamientos y sellos 96

105

13.1 ANEXO A

13.1.1 Resultados del equilibrio de la viga

A partir de las ecuaciones de compatibilidad generadas por la deformación con el método de superposición se obtienen las reacciones:

R1 – 894,7 N

R2 – 1387,6 N

R3 - -190,2 N

R4 – 81,1 N

Por primera parte se divide el D.C.L en tres casos simples que simplifican el análisis del diagrama general quedando de la siguiente manera:

Figura 5. Primera simplificación [df1]

Fuente: Autor

106

Figura 6. Segunda simplificación [df2]

Fuente: Autor

Figura 7. Tercera simplificación [df3]

Fuente: Autor

En la primera figura se contiene la deformación generada por las cargas, en la segunda se observa la deformación de la reacción dos y por último la reacción tres se evidencia la deformación por el apoyo tres que sumadas da el problema principal.

La carga distribuida deforma la viga representada por la siguiente ecuación

107

Figura 8. Deformación carga distribuida

Fuente: Literatura y software de solucionadores de vigas. [24]

Y para el análisis de la figura dos y tres, las cuales son tomadas como puntuales, se determinan con la siguiente ecuación:

Figura 9. Deformación para carga puntual

Fuente: Literatura y software de solucionadores de vigas. [24]

Estas ecuaciones deben cumplir con la siguiente condición:

108

𝑑𝑓1 + 𝑑𝑓2 + 𝑑𝑓3 = 0

Primero se evaluará la siguiente ecuación en R2 donde la deformación debe ser cero y se despejará la incógnita R2. (x=b)

p – Se estima 45 kg además de los 150 kg que debe soportar – 1913 N

E – Modulo de elasticidad del acero – 200GPa

E*I – Producto entre el módulo de elasticidad y el momento de inercia – 3,266*10^11 N.mm^2

−𝑤 ∗ 𝑥

24 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼∗ (𝑒3 − 2𝑒𝑥2 + 𝑥3) −

𝑝𝑎(𝑒 − 𝑥)

6 ∗ 𝑒 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼[𝑒2 − 𝑎2 − (𝑒 − 𝑥)2] +

𝑅2 ∗ 𝑏(𝑒 − 𝑥)

6 ∗ 𝑒 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼[𝑒2 − 𝑏2 − (𝑒 − 𝑥)2]

+𝑅3𝑑(𝑒 − 𝑥)

6 ∗ 𝑒 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼[𝑒2 − 𝑑2 − (𝑒 − 𝑥)2] = 0

A partir de ello se despeja R2 en la misma ecuación solo que evaluada en R3 (x=d)

Con estos datos se realiza por el método de singularidad las ecuaciones de cortante y momento en la viga y por superposición se analizará el ángulo y la deflexión en la misma.

109

• Cortante

En la literatura de mecánica estructural se pueden obtener las ecuaciones correspondientes a cada tipo de carga que se aplica en la viga por singularidad

Ilustración 65. Ecuaciones de singularidad

Fuente: Mecánica de materiales Beer 5ta Edición. [3]

Por lo tanto, se obtiene:

𝑉 = 𝑅1 − 𝑃 < 𝑥 − 𝑎 >0+ 𝑅2 < 𝑥 − 𝑏 >0+ 𝑅3 < 𝑥 − 𝑑 >0+ 𝑅4 < 𝑥 − 𝑒 >0− 𝑤 ∗ 𝑥 [𝑁]

Respecto a la posición del trolley (a) el cual se puede deslizar a lo largo de la viga, se calcula en un punto determinado (500 mm de R1) donde luego de obtener resultados se realiza un análisis de datos para obtener la posición más crítica de esta carga en la viga.

Con esto en una hoja de Excel se tabulan los valores del cortante a cada distancia de la viga con 450 de divisiones.

110

Grafica 1. Cortante en la viga

Fuente: Autor

Por lo que se puede observar el cortante máximo se presenta cerca de los 1000 mm con 1105,58 N generando un esfuerzo cortante por flexión de:

Q – Primer momento de área – mm^3

t – ancho del punto neutro

𝜏𝑥𝑦 𝑚𝑎𝑥 =𝑉𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑄

𝐼 ∗ 𝑡=

1105,58 ∗ 18804,6

163,32 ∗ 104 ∗ 4,1= 3,1 𝑀𝑃𝑎

• Momento

Para determinar el momento se integra la ecuación de singularidad por cortante quedando de la siguiente forma:

𝑀 = 𝑅1 ∗ 𝑥 − 𝑃 < 𝑥 − 𝑎 >1+ 𝑅2 < 𝑥 − 𝑏 >1+ 𝑅3 < 𝑥 − 𝑑 >1+ 𝑅4 < 𝑥 − 𝑒 >1−𝑤 ∗ 𝑥2

2 [𝑁 ∗ 𝑚𝑚]

-1500,0

-1000,0

-500,0

0,0

500,0

1000,0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

[N]

[mm]

Cortante

111

Esta ecuación se puede tabular en Excel con las mismas divisiones que el cortante para obtener los máximos a partir de la siguiente gráfica

Grafica 2. Momento en la viga

Fuente: Autor

Al conocer que el momento Max se presenta en la posición de la carga se puede obtener el esfuerzo normal por flexión en la viga de la siguiente forma:

Mmax - 435123 N.mm

c – distancia del centroide a un extremo

𝜎𝑥 𝑚𝑎𝑥 = −𝑀𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑐

𝐼= −

435123 ∗ 50

1633226,782= 13,32 𝑀𝑃𝑎 [𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛]

• Ángulo de deflexión

A partir de este punto se continua con las ecuaciones de singularidad se agrega una constante que dificulta la solución de la misma siendo muy compleja de determinar por métodos convencionales por lo que se remite a las ecuaciones de la figura 5 y 6 para encontrar el ángulo deflectado en cada punto de la viga

−𝑤

24 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼∗ (𝑒3 − 6𝑒𝑥2 + 4𝑥3) ±

𝑝𝑎

6 ∗ 𝑒 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼[𝑒2 − 𝑎2 − 3(𝑒 − 𝑥)2] ±

-300000

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

[N.m

m]

[mm]

Momento [N.mm]

112

±𝑅2 ∗ 𝑏

6 ∗ 𝑒 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼[𝑒2 − 𝑏2 − 3(𝑒 − 𝑥)2] ±

𝑅3𝑑

6 ∗ 𝑒 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼[𝑒2 − 𝑑2 − 3(𝑒 − 𝑥)2] = 0

A partir de condicionales que cambien el signo de la ecuación al momento de llegar al punto evaluado, se puede obtener la gráfica

Grafica 3. Ángulo de deflexión

Fuente: Autor

Como se entiende que la deformación es la integración del ángulo, el área bajo la curva de esta grafica ayudara a evaluar si la deformación es correcta o no.

• Deformación y factor de seguridad

Por último, para analizar la viga hay que observar la deformación y así determinar si es razonable trabajar con esta configuración o por el contrario hay que rediseñar buscando un material o una base más rígida que impida la deflexión excesiva en la viga.

Con la misma ecuación en la que se determinó las reacciones solo que ahora evaluándola en 450 posiciones diferentes se puede obtener la siguiente gráfica:

-0,0004

-0,0003

-0,0002

-0,0001

0

0,0001

0,0002

0,0003

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

[Rad

]

[mm]

Ang [Rad]

113

Grafica 4. Deformación de la viga

Fuente: Autor

Se puede analizar que la deformación es nula en las reacciones como se quería y el punto máximo se puede observar en la posición de la carga puntual generada por el trolley de 0,117 mm.

Para finalizar, el factor de seguridad es determinado a partir de:

𝑁𝑓 =𝜎𝑦

𝜎𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜=

344

13,32= 25,82

Y con ello se tabulan los resultados finales para evaluar si el sistema resiste en todo sentido.

13.1.2 Resultados cálculos del perfil de la viga

Conocida la carga bajo la cual debe trabajar el polipasto; carga que no tiene su línea de acción alineada con el centro del perfil de la viga como se evidencia en la imagen;

-0,14

-0,12

-0,1

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

[mm

]

[mm]

Deflexión [mm]

114

se traslada la carga al centro de la viga, con este traslado se produce un momento que se manifiesta en el eje neutro del perfil de la viga en I. Luego se determina el esfuerzo cortante máximo debido a la torsión.

Ilustración 66. Diagrama de cuerpo libre viga perfil I plano Y-X

Ilustración 67. Diagrama de cuerpo libre sección transversal viga perfil I plano Y-X

Cálculo del momento M:

𝑀 = 𝑃. 𝑎

𝑀 = (195 𝐾𝑔 . 9,81 𝑚

𝑠2) . 0,450 𝑚 = 860,83 𝑁. 𝑚𝑚

115

𝐾 = 2𝐾1 + 𝐾2 + 2 ∝ 𝐷4

𝐾1 = 𝑎𝑏3 [1

3− 0,21

𝑏

∝(1 −

𝑏4

12 ∝4)]

𝐾2 =1

3𝑐𝑑3

∝=𝑡

𝑡1(0,15 + 0,1

𝑟

𝑏)

𝐶 =𝐷

1 +𝜋2𝐷4

16𝐴2

[1 + 0,15 (𝜋2𝐷4

16𝐴2−

𝐷

2𝑟)]

𝐷 =(𝑏 + 𝑟)2 + 𝑟𝑑 +

𝑑2

4(2𝑟 + 𝑏)

𝜏𝑚𝑎𝑥 =𝑇

𝐾𝐶

Ilustración 68. Especificaciones geométricas de la viga seleccionada.

Fuente: LaCampana. [20]

116

Ilustración 69. Expresiones de K y Q de algunas secciones transversales en torsión

Fuente: Formulas for Stress and Strain. 6ta. Edición [25]

Tabla 26. Resultados sección transversal de viga I

Nombre Símbolo Unidades Valores

Patín de viga a m 0,055

Espesor de patín b m 0,0057

Peralte c m 0,0886

Espesor de alma d m 0,0041

Radio de filete r m 0,005

Variables de formula t m 0,0041

Variables de formula t1 m 0,0057

Variables de formula k1 m^4 1,7596E-06

Variables de formula α ---- 0,17099107

Variables de formula k2 m^4 2,0355E-09

Círculo inscrito más grande D ---- 0,00886576

Variables de formula C ---- 0,00062496

Área transversal de la viga A m^2 0,00103

Función de la geometría de la sección transversa k m^4 3,5234E-06

Torque máximo T N.m 860,83

Esfuerzo cortante máximo debido a la torsión τmax Mpa 152,687744

Deflexión angular ϴ ° 0,1732467

117

Módulo de corte G Gpa 80,8

Factor de seguridad Nt ---- 2,25

Fuente: Autores

Como conclusión a esto se puede confirmar que la viga resiste el esfuerzo cortante máximo debido a la torsión generada por las cargas, la deflexión angular es mínima por lo que la sección transversal de la viga I cumple con los requerimientos de diseño.

13.1.3 Eje

Grafica 5. Función momento Plano ZY en el eje.

Fuente: Autores

Tabla 27. Ecuaciones del diagrama de cuerpo libre.

→ ∑FZ = 0

RP − RR1 − RR2 = 0

→ ∑MX = 0

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

N.m

m

m

Función momento plano zy

118

MR − MT = 0

Autores.

Ilustración 70. Funciones de singularidad.

Fuente: Diseño en ingeniería mecánica de Shigley. [22]

13.1.4 Viga del polipasto A partir de esto se procede a realizar el equilibrio de la viga para determinar las

reacciones y poder graficar el comportamiento por cortante, momento, ángulo y

deflexión con el fin de concluir si el perfil seleccionado soporta esta configuración.

• Ecuaciones de equilibrio

• Ya que es un objeto estático la sumatoria de las fuerzas y momento aplicados en la viga es nula entonces:

∑ 𝐹 𝑦 = 0

119

𝑅1 − 𝑃 = 0

∑ 𝑀 𝑅1 = 0

𝑀 − 𝑃 ∗ 𝑎 = 0

Conociendo los valores de las reacciones se determina las ecuaciones de

singularidad.

• Cortante

Al no considerarse el peso de la viga puesto que no representa un alto porcentaje

de carga en la ecuación el cortante será de grado cero, a partir de la siguiente

formula compuesta por las ecuaciones de singularidad en la ilustración 23

𝑉 = 𝑅1 − 𝑃 < 𝑥 − 𝐿 >0

Esta ecuación se evalúa en 200 divisiones del perfil para obtener el siguiente

resultado:

Grafica 6. Cortante viga cuadrada

Autor

Ya que el cortante en todo el perfil se mantiene constante (1913 N) existe un solo

esfuerzo cortante quedando

0

500

1000

1500

2000

2500

0 100 200 300 400 500

[N]

[mm]

Cortante

120

𝜏𝑥𝑦 𝑚𝑎𝑥 =𝑉𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑄

𝐼 ∗ 𝑡=

1913 ∗ 7317

35,06 ∗ 104 ∗ 6= 6,65 𝑀𝑃𝑎

• Momento

Integrando la ecuación de cortante a partir de las ecuaciones de singularidad se obtiene lo siguiente:

𝑀 = 𝑅1𝑥 − 𝑃 < 𝑥 − 𝐿 >1− 𝑃 ∗ 𝑎

A esta ecuación se le agrego un término que contiene el momento que genera la carga por la restricción del empotramiento, donde ingresándola en Excel con el mismo número de divisiones del cortante, el momento se puede graficar de la siguiente forma:

Grafica 7. Momento perfil cuadrado

Autor

-1000000

-900000

-800000

-700000

-600000

-500000

-400000

-300000

-200000

-100000

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

[N.m

m]

[mm]

Momento [N.mm]

121

Siendo el cortante de grado 0 el momento se presenta de grado 1 como muestra la

gráfica 6 con un máximo de 860827,5 N.mm generando un esfuerzo máximo a

tensión de:

𝜎𝑥 𝑚𝑎𝑥 = −𝑀𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑐

𝐼= −

−860827,5 ∗ 30

35,06 ∗ 104= 73,66 𝑀𝑃𝑎 [𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛]

• Ángulo de deflexión

Para obtener el ángulo es necesario integrar la ecuación de momento teniendo en cuenta que se genera una constante de integración la cual es nula por solo trabajar con un apoyo.

𝐸𝐼𝜃 =𝑅1𝑥2

2−

𝑃 < 𝑥 − 𝐿 >2

2 − 𝑃 ∗ 𝑎 ∗ 𝑥

Al tabularla se obtiene la siguiente gráfica:

Grafica 8. Ángulo de deflexión en el perfil cuadrado

Autor

-0,003

-0,0025

-0,002

-0,0015

-0,001

-0,0005

0

0 100 200 300 400 500

[Rad

]

[mm]

Ang [Rad]

122

Como se observa el área bajo la curva determina como se deflecta la viga y en qué

punto es más alta la deflexión, siendo en el extremo.

• Deflexión y factor de seguridad

Por último, se determina cuanto se flecta el perfil con la carga y cuanto por encima del máximo se puede cargar dependiendo del factor de seguridad. La ecuación que representa este fenómeno es la integración de la ecuación anterior.

𝐸𝐼𝑌 =𝑅1𝑥3

6−

𝑃 < 𝑥 − 𝐿 >3

6 − 𝑃 ∗ 𝑎 ∗

𝑥2

2

Con esto se tabula y grafica los resultados produciendo la siguiente grafica

Grafica 9. Deflexión en el perfil cuadrado

Autor

-0,9

-0,8

-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

[mm

]

[mm]

Deflexión [mm]

123

Al obtener esto se concluye que la deformación máxima se encuentra en su extremo

no fijo siendo de 0,83 mm, y además que el factor de seguridad con el que trabaja

el perfil (manejando un acero estructural A-36) es de:

𝑁𝑓 =𝜎𝑦

𝜎𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜=

250

74,56= 3,35

124

13.2 ANEXO B

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO PARA GRÚA DE ELEVACIÓN EN MAQUINAS PRODUCTORAS DE ENVASES DE VIDRIO PARA

LA PLANTA O-I PELDAR SOACHA

Contenido

• Funcionamiento de la grúa

• Componentes de la grúa

• Procedimientos para la adecuada operación y mantenimiento del equipo

• Normas de seguridad del equipo

125

13.2.1 Funcionamiento de la grúa

Antes de operar asegúrese de revisar las condiciones de la grúa para un buen desempeño del equipo rectificando de que todas las uniones atornilladas estén correctamente ajustadas, revisar la conexión del polipasto con la viga cuadrada para que permita y facilite la extracción de los cilindros, permitiendo a los operarios de mantenimiento realizar su labor de manera más ergonómica y eficiente e impactando en la consecuente mejora de los procesos de mantenimiento en la planta.

Todos los desplazamientos de la grúa se deben hacer de manera manual por parte del operario a excepción de la elevación del cilindro que se hace mediante el control del polipasto

Pasos de operación:

1. Verificar la conexión del polipasto a su fuente de energía. 2. Ajustar el gancho de elevación del cilindro

Guía 1. Gancho para elevación del cilindro

3. Mover el carro de traslado sobre la viga hasta la ubicación del cilindro

126

Guía 2. Movimiento de carro de traslado

4. Acomodar el polipasto por medio de la ranura de la viga cuadrada para que

se alinee con el agujero del cilindro neumático.

127

Guía 3. Ranura para ajuste de polipasto

Guía 4. Alineación de polipasto con cilindro

5. Acoplar el gancho del polipasto con el cilindro neumático y verificar que se tenga un buen agarre para no sufrir accidentes y proceder con la extracción de este mediante el interruptor de elevación del control del polipasto

128

Guía 5. Acople entre gancho del polipasto y cilindro

Guía 6. Control del polipasto

Guía 7. Extracción del cilindro

129

6. Rotar la viga del polipasto para desacoplar el cilindro y proceder a cambiarlo.

Guía 8. Rotación del cilindro

7. Oprimir el interruptor de descenso del polipasto y soltar el cilindro

Guía 9. Descenso del cilindro

130

8. Al finalizar la extracción asegurarse de que el gancho del polipasto este en

su posición inicial para no tener accidentes.

131

13.2.2 Componentes de la grúa

133

13.2.3 Procedimientos para la adecuada operación y mantenimiento del equipo

1. Viga perfil cuadrada polipasto 1.1. Procedimientos de operación.

Actividad Frecuencia Cantidad de operarios Nota

Supervisión de uniones atornilladas

Diariamente 1 Esta actividad se lleva a cabo

para evitar posibles accidentes

1.2. Labores de mantenimiento.


Inspección con tintas penetrantes

Mensual 1 Se realiza para detectar fisuras

en la superficie debido a la deflexión

2. Tambor Eje-Viga polipasto.

2.1. Procedimientos de operación.





134

2.2. Labores de mantenimiento.


Lubricación de

rodamientos por medio de graseras

Bimestral 1 Evitar desgaste de los

rodamientos

3. Trolley y viga perfil en I.

3.1. Procedimientos de operación.





Limpieza de las superficies del riel del

trolley Diariamente 1

Esta actividad se lleva a cabo para asegurar un buen

deslizamiento

135

13.2.4 Normas de seguridad al operar el equipo

Para operar el equipo en necesario tener en cuenta las normas de seguridad que debe manejar el operario para así evitar accidentes que perjudiquen a la persona y usos indebidos

1. Elementos de protección personal (EPP)

Debido al manejo de objetos pesados se recomienda utilizar:

- Casco

- Botas punta de acero

- Guantes antideslizantes

136

- Overol (Over-all)

2. Medidas de seguridad

137

Se deben implementar señalizaciones que indiquen los riesgos en la zona de trabajo por posibles golpes.

-

138

13.3 ANEXO C

Planos

13.4 ANEXO D RODAMIENTOS Y SELLOS

DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE ELEVACIÓN PARA MANTENIMIENTO …

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