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DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMPACTACIÓN DE PAPEL Y CARTÓN PARA LA EMPRESA MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS SAS

CAMILO EDUARDO RODRÍGUEZ VELANDIA JUAN KAMILO ZULUAGA GARZÓN

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

2.018

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DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMPACTACIÓN DE PAPEL Y CARTÓN PARA LA EMPRESA MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS SAS

CAMILO EDUARDO RODRÍGUEZ VELANDIA JUAN KAMILO ZULUAGA GARZÓN

Proyecto integral de grado para optar por el título de INGENIERO MECÁNICO

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD AMÉRICA

FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2.018

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Nota de aceptación: _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________

______________________________ Presidente del jurado

Ing. Álvaro Romero Suárez

_______________________________ Jurado 1

Ing. Daniel Villalobos

_________________________________ Jurado 2

Ing. Scherazada Calderón Bogotá, D.C. 29 Enero 2018

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DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD

Presidente de la Universidad y Rector del Claustro

Dr. Jaime Posada Díaz

Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos

Dr. Luis Jaime Posada García-Peña

Vicerrectora Académica y de Posgrados

Dra. Ana Josefa Herrera Vargas

Secretario General Dr. Juan Carlos García-Peña

Decano Facultad de Ingeniería Ing. Julio Cesar Fuentes Arismendi

Director Programa Ingeniería Mecánica

Ing. Carlos Mauricio Veloza Villamil

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Las directivas de la Universidad de América, los jurados calificadores y el cuerpo docente no son responsables por los criterios e ideas expuestas en el presente documento. Estos corresponden únicamente a los autores.

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Dedico este documento a mis padres, que con su esfuerzo y dedicación han hecho de mí un mejor ser humano y un profesional de calidad, a todas las personas que me han acompañado, contribuyendo pequeñas cosas que dejan huella para forjar un gran horizonte, a todos los docentes que me han acompañado en mi formación profesional. Este es el fin de un ciclo muy importante, lleno de recuerdos y el inicio de una vida profesional. Camilo Rodríguez Velandia

Dedico este documento a mis padres por su apoyo y colaboración incondicional, sin el cual no hubiera sido posible la culminación de mi pregrado, gracias por la educación ejemplo que me brindaron, también a mis hermanos, familiares y amigos, que me acompañaron y apoyaron en mi proceso de formación. Juan Kamilo Zuluaga Garzón

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CONTENIDO pág.

INTRODUCCIÓN 16 1. LA EMPRESA 18 1.1 MISIÓN 18 1.2 VISIÓN . 18 1.3 ORGANIGRAMA 19

1.4 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO 19 1.4.1 Diagrama producción 20 1.4.2 Fase de impresión 20

1.4.3 Fase de corrugado 21 1.4.4 Fase de corte 21 1.4.5 Fase de recolección de residuos 22

1.4.6 Fase de compactación 23 1.5 SISTEMAS DE COMPACTACIÓN DE RESIDUOS 24 1.5.1 Equipos estacionarios 24

1.5.2 Equipos móviles 25 1.5.3 Estacionario / residencial vertical 25

1.5.4 Rotatorio 25 1.5.5 Extrusor 25

1.6 CARACTERÍSTICAS DEL PAPEL Y CARTÓN 26 2. CONCEPTUALIZACIÓN Y PARÁMETROS DE DISEÑO 27 2.1 PROCESO Y FUNCIONAMIENTO . 27 2.1.1 Alimentación 27

2.1.2 Compactación 29 2.1.3 Zunchado 29 2.1.4 Disposición 30

2.1.5 Expulsión 30

2.2 PARÁMETROS DE DISEÑO 30 3. ALTERNATIVAS DE DISEÑO 31 3.1 ALTERNATIVA 1 32 3.2 ALTERNATIVA 2 33

3.3 ALTERNATIVA 3 34 3.4 MÉTODO DE SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS 35 4. DISEÑO DETALLADO 38 4.1 CÁLCULO DE ELEMENTOS SISTEMA HIDRÁULICO . 38

4.1.1 Cálculo de la fuerza de compactación 40 4.1.2 Cálculo área del émbolo 42

4.1.3 Cálculo del vástago 43 4.2 CÁLCULOS DE LA CENTRAL HIDRÁULICA 49

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4.2.1 Cálculo volumen del cilindro 49 4.2.2 Cálculo de caudal de aceite 50 4.2.3 Tiempo de salida del cilindro 50 4.2.4 Selección de mangueras 50

4.2.5 Cálculo de velocidad del fluido en la tubería 53 4.2.6 Selección del aceite. 54 4.2.7 Selección de la bomba 55 4.2.8 Potencia del motor 56 4.2.9 Selección del tanque o central hidráulica modular 56

4.3 SISTEMA DE CONTROL ELECTROHIDRÁULICO 57 4.4 CÁLCULOS ESTRUCTURALES 58 4.4.1 Modelos de fuerzas 58

4.4.2 Definición del estado de cargas 62 4.4.3 Análisis de esfuerzo cortante 76 4.5 SOLDADURA 78

4.6 CÁLCULOS DE PERNOS 82 4.7 CÁLCULO DE DOBLADO 90 5. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS 93 5.1 ANÁLISIS DE SOPORTE CILINDRO HIDRÁULICO . 93

5.1.1 Desplazamiento 94 5.1.2 Esfuerzos en el elemento 95

5.2 ANÁLISIS PLACA DE COMPACTACIÓN 98 5.2.1 Resultado de desplazamiento 98

5.2.2 Esfuerzo en la placa de compactación 99 6. MANUALES 101

6.1 RECOMENDACIONES DE INSTALACIÓN . 102 6.1.1 Instrucciones de seguridad 102 6.1.2 Recomendación de instalación de señales de advertencia en el equipo 102

6.1.3 Riesgo mecánico 103

6.1.4 Riesgo eléctrico 103 6.1.5 Riesgo físico 104 6.2 RECOMENDACIONES DE INSTALACIÓN . 105 6.3 ACCESORIOS Y PARTES 105 6.3.1 Estructura 105

6.3.2 Placa móvil 106 6.3.3 Unidad hidráulica y cilindro hidráulico 107 6.4 PASOS PARA OPERAR DEL EQUIPO 109 6.4.1 Paso 1 109 6.4.2 Paso 2 112

6.4.3 Paso 3 113 6.4.4 Paso 4 114

6.4.5 Paro de emergencia 115 6.4.6 Indicadores led 115

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6.4.7 Paso 5 Zunchado del bloque 116 6.4.8 Paso 6 Expulsión del bloque 117 6.5 MANUAL DE MANTENIMIENTO . 118

7. ESTUDIO FINANCIERO 121 7.1 INVERSIÓN 121 7.1.1 Costos de Ingeniería 121 7.1.2 Costos de materia prima 122 7.1.3 Costo total de la fabricación del sistema de compactación 122

7.2 COMPARACIÓN PRECIOS COMPACTADORAS 122 7.3 COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO 124 7.3.1 Costos del operario 124

7.3.2 Consumo de energía 124 7.3.3 Costo de mantenimiento 126 7.4 ANÁLISIS FINANCIERO 126

8. CONCLUSIONES 130

9. RECOMENDACIONES 131

BIBLIOGRAFÍA 132

ANEXOS 133

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LISTA DE IMÁGENES

pág.

Imagen 1. Equipo de impresión offset 21 Imagen 2. Corrugadora 21 Imagen 3. Fase de corte (stiller) 22 Imagen 4. Ducto de aspiración 22 Imagen 5. Tolva de almacenamiento 23

Imagen 6. Compactadora vertical 23 Imagen 7. Bloque de material compactado 24 Imagen 8. Compactador estacionario 25

Imagen 9. Compactador vertical 25 Imagen 10. Compactador extrusor 26 Imagen 11. Banda sistema de alimentación 29

Imagen 12. Compactador tornillo sin fin 33 Imagen 13. Sistema de compactación hidráulica 34 Imagen 14. Sistema de compactación neumático 35

Imagen 15. Partes principales de un cilindro 38

Imagen 16. Partes constructivas de un cilindro 40 Imagen 17. Esquema máquina compactadora 41 Imagen 18. Diámetros mínimos para el pandeo 44

Imagen 19. Coeficiente k de acuerdo al sistema de fijación adoptado 46 Imagen 20. Selección coeficiente S para cada caso 47

Imagen 21. Medidas normalizadas 48 Imagen 22. Selección de la tubería 52 Imagen 23. Central de mangueras 53

Imagen 24. Esquema unidad de potencia 57 Imagen 25. Sistema electro-hidráulico 58 Imagen 26. Medida de láminas de icopor 59

Imagen 27. Láminas de icopor y residuos en cavidad de compactación 60

Imagen 28. Bloque compactado 60 Imagen 29. Dimensiones del icopor compactado. 61 Imagen 30. Elementos estructurales 63 Imagen 31. Diagrama de cuerpo libre carga distribuida 63 Imagen 32. Diagrama de cuerpo libre carga puntual 64

Imagen 33. Cortes en la viga 64 Imagen 34. Diagrama de fuerza cortante y momento flector 66 Imagen 35. Diagrama de cuerpo libre viga lateral 68 Imagen 36. Diagrama con cargas puntuales 69

Imagen 37. Diagrama de cortante y momento flector 70 Imagen 38. Restricciones de elementos cargados axialmente 73 Imagen 39. Soporte y pasador 76

Imagen 40. Soldadura 79

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Imagen 41. Sujeción con pernos 82 Imagen 42. Especificaciones y resistencia 83 Imagen 43. Junta o unión 83 Imagen 44. Doblado de bordes 91

Imagen 45. Restricción y fuerzas 94 Imagen 46. Desplazamiento nodal del elemento en mm 95 Imagen 47. Esfuerzo elemental nodal 96 Imagen 48. Cargas y restricciones placa de compactación 98 Imagen 49. Desplazamiento de la placa de compactación 99

Imagen 50. Esfuerzo de la placa de compactación 100 Imagen 51. Compactadora de papel 101 Imagen 52. Riesgo mecánico 103

Imagen 53. Riesgo eléctrico 104 Imagen 54. Riesgo auditivo 105 Imagen 55. Componente estructural 106

Imagen 56. Placa móvil 107 Imagen 57. Esquema unión de la placa al vástago 108 Imagen 58. Unidad y Cilindro 108

Imagen 59. Tablero de mando 109 Imagen 60. Ubicación de sensores en el sistema de compactación 112

Imagen 61. Encendido 112 Imagen 62. Llenado- 113

Imagen 63. Alimentación y nivel satisfactorio 113 Imagen 64. Compactar 114

Imagen 65. Retorno cilindro 114 Imagen 66. Paro de emergencia 115 Imagen 67. Indicador de obstrucción 115

Imagen 68. Banda activa 116 Imagen 69. Indicador de fuerza 116 Imagen 70. Zunchado de bloque 117

Imagen 71. Esquema guaya tensa 117

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LISTA DE CUADROS pág. Cuadro 1. Evaluación según los atributos “calificación” 36 Cuadro 2. Evaluación según atributos “ponderación” 37 Cuadro 3. Partes de cilindro hidráulico 39 Cuadro 4. Módulo de elasticidad (kg/mm2) 45 Cuadro 5. Medidas normalizadas del cilindro 49

Cuadro 6. Presión vs velocidad en tubería 51 Cuadro 7. Propiedades aceite ISO 68 55 Cuadro 8. Medidas normalizadas de perfiles en IPN 68

Cuadro 9. Medidas normalizadas del perfil en u 72 Cuadro 10. Diámetro normalizado de varilla de acero 78 Cuadro 11. Esfuerzo cortante y fuerzas sobre las soldaduras 81

Cuadro 12. Tamaños normalizados de electrodo 82 Cuadro 13. Dimensiones principales del perno 85 Cuadro 14. Características del material 93

Cuadro 15. Comparación de análisis 97 Cuadro 16. Nomenclatura del tablero de mando 110

Cuadro 17. Programa de mantenimiento 118 Cuadro 18. Costos de ingeniería 121

Cuadro 19. Costos de fabricación y sistemas del equipo 122 Cuadro 20. Características la máquina actual y el diseño propuesto 124

Cuadro 21. Comparación costos de operación y mantenimiento 126

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LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Organigrama de la empresa 19 Figura 2. Proceso productivo 20 Figura 3. Conceptualización del diseño 27

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TABLA DE ANEXOS

pág. Anexo A. Catálogo mangueras 134 Anexo B. Catálogo de aceite 136 Anexo C. Catálogo bombas Hidráulicas 139 Anexo D. Catálogo de motores Eléctricos 141 Anexo E. Catalogo central hidráulica 144 Anexo F. Uso de aceros de alta resistencia 146 Anexo G. Cotización componentes electro hidráulicos 148 Anexo H. Cotización materiales estructurales 150 Anexo I. Cotización compactadora nacional 152 Anexo J. Cotización compactadora americana 154 Anexo k. Planos sistema de compactación 156

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RESUMEN En este proyecto se realizó el diseño de un sistema de compactación de papel y cartón para la empresa MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS SAS., buscando mejorar el proceso de compactación de retal actual y hacer la labor más fácil al operario, obteniendo mayor rendimiento y productividad. Inicialmente se analizó cómo se realiza el proceso de recolección y compactación de retal de papel y cartón, tomando alternativas de diseño para el funcionamiento del sistema, las cuales fueron evaluadas para seleccionar la alternativa que satisficiera la necesidad requerida por el proceso. Se realizó un análisis detallado y cálculos con el fin de seleccionar los componentes del sistema de compactación, por medio del método analítico de diseño mecánico; además, se simuló mediante un modelo de elementos finitos (MEF) con el software NX, simulación que permitió la verificación de los cálculos anteriormente mencionados. Se obtuvieron datos precisos de los componentes del sistema, como dimensiones y materiales, para poder desarrollar planos de fabricación, manuales de operación y mantenimiento, ensamble y montaje. Adicionalmente, se halla por medio de un estudio, la viabilidad y factibilidad financiera del sistema de compactación diseñado. Palabras clave: Diseño, Compactación, Retal de papel y cartón.

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INTRODUCCIÓN

La importancia de desarrollar el proyecto radica en la necesidad de modificar la capacidad y tecnología del proceso de compactación de residuos, para facilitar su manejo y al mismo tiempo disminuir costos de operación. El problema se origina en MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS SAS, ya que los residuos de papel y cartón en forma de retal generados por la empresa, deben ser compactados y el sistema de compactación utilizado actualmente, no cuenta con la capacidad y tecnología suficiente para realizar el proceso. El objetivo general es “Diseñar un sistema de compactación de papel y cartón para la empresa MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS S.A.S”, que cumpla los requerimientos de la empresa para llevar a cabo el proceso de compactación. Con el fin de lograr este objetivo, es fundamental desarrollar los objetivos específicos que se muestran a continuación;

Evaluar el estado actual en la recolección y compactación de residuos de papel

y cartón

Definir los parámetros técnicos del diseño

Evaluar las alternativas del sistema de compactación Desarrollar el diseño detallado del sistema de compactación

Realizar simulación de elementos críticos

Realizar los planos de fabricación de componentes, ensamble y montaje para el

sistema de compactación

Realizar los manuales de operación y mantenimiento del sistema de compactación

Evaluar financieramente el proyecto El alcance del proyecto es diseñar un sistema de compactación de papel y cartón, simulando los elementos sometidos a esfuerzos críticos, garantizando la eficiencia y capacidad del sistema para realizar adecuadamente el proceso. La limitación de este proyecto es el diseño de un sistema de compactación de papel y cartón; no se harán prototipos ni construcción de la compactadora, solo se realizará la simulación por elementos finitos. La banda transportadora encargada de alimentar el sistema de compactación no forma parte del diseño a realizar. Además,

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no se contemplará el transporte de los bloques de material compactado hacia su almacenamiento final. Su construcción dependerá únicamente de la empresa. La metodología utilizada para el diseño del sistema de compactación de papel y cartón, debe estudiar detenidamente el proceso de compactación actual y establecer los parámetros más adecuados a partir de los cuales se planteará el nuevo diseño con asesoría de la empresa MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS S.A.S. Se analizarán las alternativas de diseño para llevar a cabo un proceso de compactación que proporcione mayor capacidad y facilite el manejo de los residuos al final del proceso. El significado en el campo de la industria recicladora y fabricante de máquinas compactadoras, es diseñar un sistema de compactación de papel y cartón, acción que permitirá agilizar el proceso, implementando tecnología que favorezca el desempeño del operario y disminuya costes de operación. Para la empresa este proyecto será de gran importancia, ya que mejorará el proceso de compactación actual, reduciendo el tiempo y mejorando la eficiencia. La aplicación de este proyecto se verá reflejada en operaciones de compactación de residuos de papel y cartón en la empresa MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS S.A.S, compañías recicladoras de papel y cartón, empresas productoras de residuos y fabricantes de máquinas compactadoras.

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1. LA EMPRESA

MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS SAS., se constituyó en el año 2.007. Es una empresa de larga trayectoria especializada en la fabricación de productos xerográficos en la ciudad de Bogotá, Colombia. Inicialmente la empresa prestaba el servicio de impresión litográfica, sin embargo, dadas las necesidades del mercado, la empresa se ha ido abasteciendo de equipos y tecnología complementaria para la industria gráfica. De igual forma el avance técnico y tecnológico se ve reflejado en la contribución al fortalecimiento de su imagen corporativa, y generando una mayor participación en el mercado nacional e internacional, optimizando el uso de recursos propios y la aplicación nuevas tecnologías en la industria gráfica.

1.1 MISIÓN MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS S.A.S se dedica a la elaboración de productos y prestación de servicios en el área de impresión y terminados litográficos, a fin de satisfacer los requerimientos de clientes y trabajadores, asegurando así el liderazgo en el mercado y logrando un fortalecimiento de la imagen corporativa. 1.2 VISIÓN Para el 2.020 MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS S.A.S. se consolidará como una de las mejores empresas en el área litográfica y de promocionales a nivel nacional. Ser un aliado eficaz para satisfacer las necesidades en el área de impresión litográfica y terminados, siendo parte vital de nuestros principios la competitividad y la calidad, bajo las mismas medidas de calidad y servicio; desarrollar nuevos negocios que sean compatibles con su actividad. Para esto contamos con una planta de producción con tecnología moderna y personal altamente capacitado, entregando productos con los mejores estándares de calidad y cumplimiento; buscando la satisfacción de nuestros clientes, la proyección de nuestros empleados y el crecimiento de nuestra empresa.1

1 VELANDIA, Cilia. MAC anillados y acabados impresos S.A.S. Bogotá, Colombia. Observación no publicada, 2007.

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1.3 ORGANIGRAMA La empresa MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS S.A.S se encuentra organizada estructuralmente como se puede observar en la Figura 1. Figura 1. Organigrama de la empresa

1.4 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO En la empresa MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS S.A.S se desarrollan procesos de impresión, corrugado y corte, para la producción de elementos destacados en la industria litográfica. Además, realizan compactación de residuos de papel y cartón para la recolección organizada y venta de bloques en la industria recicladora.

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1.4.1 Diagrama producción. Teniendo en cuenta las funciones que desempeña la empresa MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS S.A.S, se cuenta con un diagrama de producción mediante el cual se describe el proceso que realizan con la materia prima hasta el proceso de compactación de residuos. (Ver figura 2) Figura 2. Proceso productivo

1.4.2 Fase de impresión. La producción2 en la empresa comienza con la llegada de la materia prima, en este caso papel y cartón. El material es llevado a una máquina impresora offset, las cuales le confieren al material características específicas según las necesidades del cliente, como se aprecia en la siguiente imagen 1.

2 La Prestampa, las artes gráficas vistas con otros ojos. Disponible en: https://laprestampa.wordpress.com/

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Imagen 1. Equipo de impresión offset

1.4.3 Fase de corrugado. Durante este proceso la materia prima es modificada a través de rodillos con una temperatura específica que permite proporcionarles a los rollos de papel cartón3 plano la forma corrugada que representa la finalización del proceso, como en la imagen 2. Imagen 2. Corrugadora

1.4.4 Fase de corte. Para llevar a cabo este proceso de utiliza una máquina denominada Slitter y Cut-Off, compuesta por cuchillas que modifican el cartón o papel, cortándolo longitudinal y transversalmente de acuerdo a la solicitud realizada en el pedido, como se muestra en la imagen 3.

3 Papelnet, Cartón Corrugado. Disponible en: http://creatividadpersuasiva.cl/papelnet

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Imagen 3. Fase de corte (stiller)

1.4.5 Fase de recolección de residuos. Después de someter el material a la fase de corte, los residuos obtenidos, generalmente en forma de retal son captados por un ducto de vacío que los conduce a una tolva en el área de acopio. El residuo es acumulado en la tolva, la cual no está conectada directamente con la compactadora, por lo cual durante esta etapa un operario debe llevar los residuos desde la tolva a la compactadora. Imagen 4. Ducto de aspiración

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Imagen 5. Tolva de almacenamiento

1.4.6 Fase de compactación. Inmediatamente luego de llegar a la tolva el material debe ser trasladado por el operario e introducirlo en la compactadora, con el fin de reducir su volumen para luego de esto, zuncharlo manualmente y finalmente con ayuda de un montacargas ser transportarlo al lugar donde se almacenan los bloques de papel retal como se puede ver en la imagen 7. Imagen 6. Compactadora vertical

Fuente: COHA. Dispinible en: www.coha.com.co, 8 de agosto 2017

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Imagen 7. Bloque de material compactado

1.5 SISTEMAS DE COMPACTACIÓN DE RESIDUOS El sistema de procesamiento de desechos sólidos tiene como fin mejorar la eficiencia de la operación y reutilización de los residuos, donde existen diferentes tipos de sistemas en la compactación; mecánico, hidráulico y neumático entre otros. Reducción mecánica del volumen. En la mayoría de las ciudades en las que se transforman esta clase de residuos, se usan equipos con mecanismos de compactación para reducir el volumen y mejorar el manejo de los desechos sólidos.4 Los tipos de equipos utilizados para la compactación de desechos sólidos usados por industrias como la chatarrera, recicladora, entre otras. Se clasifican como estacionarios y móviles. Si los mecanismos de compactación son montados sobre ruedas o algún mecanismo para su movimiento, el compactador es móvil. 1.5.1 Equipos estacionarios. Sí los residuos5 son recolectados para ser depositados dentro de un compactador, ya sea mecánico o manual, será estacionario, como se puede ver en la imagen 8.

4 Anónimo. Técnicas de procesamiento de desechos sólidos. Disponible en: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/6715/Capitulo5.pdf 5 Recytrans S.l, Gestión de residuos y contenedores de residuos. Disponible en: https://www.recytrans.com

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Imagen 8. Compactador estacionario

1.5.2 Equipos móviles. Sí el equipo es necesario para compactar residuos en un relleno sanitario debe implementarse un compactador móvil. 1.5.3 Estacionario / residencial vertical. Compresión por compactación vertical puede ser operada mecánica o hidráulicamente, usualmente son desechos compactados6 contenidos dentro de una caja corrugada, como se puede ver en la imagen 9. Imagen 9. Compactador vertical

1.5.4 Rotatorio. Mecanismo de compresión usado para compactar desechos dentro de bolsas de papel o en plataformas rotatorias. 1.5.5 Extrusor. Este sistema compactador se caracteriza por ejercer compresión verticalmente u horizontalmente. Como se observa en la imagen 10.

6 J.Lluís angles Nicolás. Diseño y Automatización de una computadora de residuos sólidos  Universidad Rovira Virgili, 2001.

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Imagen 10.Compactador extrusor

Fuente:www.hsm.cl/compactacion/4922 -prensa-compactadora-horizontal.html 1.6 CARACTERÍSTICAS DEL PAPEL Y CARTÓN La materia prima fundamental para la obtención de papel y cartón es la celulosa. De hecho, se puede decir que el papel es una lámina constituida por un entramado tridimensional de fibras de celulosa y otras sustancias (cargas minerales, colas, almidón, colorantes, etc.) que permiten mejorar las propiedades del papel y hacerlo apto para el uso específico al que está destinado. Al reciclar papel 7, se producen las siguientes ventajas ambientales; Las emisiones gaseosas se reducen en un 73%. Las emisiones líquidas se reducen en un 44%. Los residuos sólidos de fabricación se reducen en un 39%. El papel fabricado con parte de fibra reciclada ahorra un 30% de energía.7

7 Anónimo, Papel. [diapositivas] http:// cache.metaspaceportal.com/46972.pdf.

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2. CONCEPTUALIZACIÓN Y PARÁMETROS DE DISEÑO Como base para el planteamiento de los parámetros del diseño, es fundamental aclarar que la principal necesidad del cliente es disponer de una mejor forma el material compactado. En la industria actual se cuenta con maquinaria especializada en este proceso, pero a un elevado costo, por lo anterior se opta realizar un diseño que otorgue a la máquina los principios fundamentales de un sistema de compactación de papel y cartón. Los parámetros sobre los que se fundamenta y a los que se debe apuntar teniendo en cuenta los deseos del cliente, se especifican de acuerdo al funcionamiento y características. 2.1 PROCESO Y FUNCIONAMIENTO Para diseñar un sistema de compactación que cumpla los requerimientos del cliente, es necesario esquematizar la estructura, con el fin de facilitar la descripción del proceso y posterior funcionamiento. Ver figura 3. Figura 3. Conceptualización del diseño

El diseño de la máquina compactadora plantea inicialmente un proceso de alimentación a partir de una banda transportadora, una vez los residuos llegan a la compactadora, esta procede a comprimir el material (papel/cartón), donde posteriormente el bloque producto resultante del proceso de compactación, es zunchado por el operario y finalmente expulsado para ser almacenado en su lugar de acopio. 2.1.1 Alimentación. Esta consiste en las etapas que cumple el material antes de ser compactado; inicialmente el material es suministrado manualmente por el operario a una banda que se encarga de transportar el papel y cartón a una cavidad donde este cae y por gravedad se ubica en la zona de compactación.

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Banda 8 transportadora: es el proceso mediante el cual los residuos recolectados se dirigen automáticamente hacia la máquina compactadora para ejecutar el siguiente proceso. Cabe resaltar que las características de la banda le proporcionan una alta capacidad de carga y la longitud que se ajuste a las necesidades del cliente, adicionalmente la estructura simple con la que cuenta, permite al trabajador operarla con facilidad. El principio básico de funcionamiento consiste en una banda lineal con refuerzo interior de fibra dependiendo de la longitud requerida por el cliente, arrastrada por un tambor motriz que gira sobre rodamientos. La banda se apoya sobre una estructura metálica que conforma el chasis de la cinta. El tensor proporciona a la estructura de la banda la tensión necesaria para tener arrastre en el tambor motriz predominantemente al final del tramo. 9 Las funciones de la banda transportadora que se debe usar en el sistema de compactación se describen a continuación; La banda transportadora10 debe llevar el retal de papel y cartón de en una

posición inclinada con dirección al interior de la cavidad de compactación, esto permite transportar el material de un punto a otro con facilidad

La función más importante que cumple es transportar el material de retal de papel y cartón de forma continua a la distancia requerida

Una de las características de este sistema es la banda de goma, la cual contiene el material transportado y transmite la fuerza necesaria para transportarlo

Por todo lo anterior, se debe implementar una banda transportadora para llevar a cabo el proceso de alimentación en el sistema de compactación, con el fin de cumplir las funciones mencionadas anteriormente. Cabe resaltar, que el tipo de banda que mejor se acomoda a las características del material a transportar es una banda rugosa; dado que las bandas rugosas o con grabado tienen un coeficiente de adherencia mayor en plano inclinado y el recubrimiento puede realizarse de acuerdo a las necesidades del cliente.

8CSMachinery, Cinta Transportadora. Disponible en: http://www.allaboutdogs.pw/products/cinta-transportadora.html 9 Domenech machinery & sistem, Cintas transportadora de pvc. Disponible en: http://domenechmaquinaria.com/productos/reciclaje/cintas-transportadoras-pvc/ 10 SALINERO GERVASO,Mario. Diseño de una banda transportadora mediante guide de Matlab. 2013. p. 12-15.

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Imagen 11. Banda sistema de alimentación

Fuente: SALINERO GERVASO,Mario. Diseño de una banda transportadora mediante guide de Matlab. 2013. p. 12-15. 2.1.2 Compactación. Es el proceso mediante el cual los residuos previamente transportados por la banda son reducidos en volumen y dispuestos en bloque mediante presión.11 La compactación de los residuos (papel/cartón) se realiza una vez el material transportado en la banda llena el compartimiento en la prensa hidráulica, se ejerce una fuerza de compresión, formando bloques de material reciclado12 (papel/cartón), que posteriormente se almacenan y transportan. Esta máquina debe cumplir con todas las necesidades, pero sin excederlas, ya que esto significaría un aumento en el costo de fabricación y operación. La seguridad del operador es también una consideración de vital importancia para el diseño de la máquina. 2.1.3 Zunchado. Es la formación de un conjunto tan monolítico como sea posible, atando el conjunto con cuerda, fleje metálico o plástico; existen innumerables tipos y métodos y de esta forma se logra que los elementos zunchados no pierdan la forma deseada.13

11Recytrans. Gestión de residuos: tratamiento, maquinaria para reciclaje. Disponible en: https://www.recytrans.com/ 12MEJICANO SÁNCHEZ, José Guillermo. recolección, clasificación y compactación en el proceso de reciclaje del aluminio. Universidad de San Carlos de Guatemala, 2009. 13CARMONA F. Manual del transportista. España: Ediciones Díaz de Santos, 2005. 382 p.

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El operario ubica y amarra unos alambres denominados zunchos alrededor del cubo de papel cuando a este se le ejerce la mayor presión, para que en el momento en el que retroceda el cilindro este conserve la forma deseada. 2.1.4 Disposición. Luego de realizar la compactación y el zunchado, se aprovecha el retroceso del cilindro para mover el cubo de papel ya que al no tener la restricción en la cavidad de compactación este saldrá producto de la tensión de unas guayas que se ubicaran bajo el bloque facilitando su salida. 2.1.5 Expulsión. Se estima que las dimensiones de los bloques estén alrededor de 1 m3, con un peso aproximado de entre 600 y 650 kg. 2.2 PARÁMETROS DE DISEÑO El cliente MAC anillados y acabados impresos SAS establece una serie de parámetros y las características técnicas que deben tenerse en cuenta como guía en el diseño del sistema de compactación; El cliente pretende que se reduzca el volumen del retal de papel entre el 50 - 70

% del volumen original del retal producto del proceso actual

Es importante para el cliente que el sistema de compactación a diseñar sea de fácil operación, que genere eficiencia en el proceso a un bajo costo y mejoré las condiciones de seguridad del personal que va a operar el equipo

El sistema de compactación de papel y cartón debe tener una capacidad de

compactación promedio de 20 toneladas, en un tiempo aproximado de 8 a 10

horas diarias. Con este parámetro el cliente desea aumentar la producción de

bloques y reducir el tiempo requerido para compactar retal de papel y cartón,

teniendo en cuenta la jornada laboral del operario y la cantidad de residuos

producidos diariamente por la empresa.

La empresa MAC anillados y acabados impresos SAS dispone de un área

aproximada de 25 m2 para el montaje de la máquina compactadora, teniendo en

cuenta que empresa cuenta con otro tipo de maquinaria para desempeñar sus

labores y la zona de compactación debe ser distribuida entre la recolección de

residuos y almacenamiento de bloques

Como parámetros adicionales, el cliente pretende que el diseño cuente con un

fácil montaje y pautas de mantenimiento sencillas, con el fin de que el operario

en la medida de sus habilidades las pueda ejecutar. Finalmente, el cliente espera

el diseño de un sistema de compactación de papel y cartón a un precio asequible

de fabricación

31

3. ALTERNATIVAS DE DISEÑO Las alternativas que se evalúan para el diseño de un sistema de compactación son las más comunes y efectivas en la industria de compactación de residuos, estas se estiman y eligen de acuerdo a lo planteado previamente en el numeral 2, conceptualización y parámetros de diseño. Cabe resaltar, que las alternativas que se describen a continuación contemplan las especificaciones propuestas por el cliente MAC anillados y acabados impresos SAS, con el fin de seleccionar la alternativa óptima para el diseño. Las diferentes opciones de diseño contempladas en este capítulo dentro de sus características y funcionalidad, deben considerar el cumplimiento de una serie de atributos indispensables para la evaluación y selección final del producto a diseñar. Dichos atributos en cada alternativa son sometidos a una evaluación cuantitativa de 1 a 5 como se muestra más adelante, mediante la cual se determina la relevancia, calidad y ejecutabilidad del atributo en cada una de las alternativas. Además, la implementación de criterios de evaluación numérica permite identificar las ventajas y desventajas que ofrece cada alternativa para la posterior selección. Una vez obtenida la alternativa que cumpla con los requerimientos del cliente, los atributos propuestos y el puntaje de evaluación apropiado, se diseña el sistema, subsistemas y se realizan los cálculos pertinentes. De acuerdo a lo mencionado, las alternativas que se plantean deben considerar los siguientes atributos propuestos para su diseño; Menor costo de fabricación Menor número de componentes mecánicos Menor consumo de energía Fácil instalación y montaje Los atributos propuestos y aplicados en las diferentes alternativas, reciben una valoración numérica de 5 a 1, con el fin de evaluar la capacidad de implementación y funcionalidad de cada atributo dentro de las alternativas planteadas. A partir de los valores obtenidos se realiza la ponderación y análisis de resultados, que permite seleccionar la alternativa más apropiada y mejor puntuada para proceder al diseño del sistema. La escala de evaluación numérica propuesta se muestra a continuación: Excelente (5), Bueno (4), Regular (3), Bajo (2), Muy bajo (1).

32

3.1 ALTERNATIVA 1 El compactador de tornillo14 es una buena alternativa, cuenta con un motor eléctrico que suministra potencia al tornillo sin fin, por medio de un sistema de transmisión compuesto por cadenas y un motoreductor, al girar el tornillo se transportan los residuos y los comprime en el interior la cámara. El tornillo sin fin está apoyado en un cojinete de giro macizo con un dentado integrado, garantizando una alta seguridad operativa y larga vida útil. Adicionalmente, este sistema cuenta con una unidad de engrase totalmente automática que reduce el mantenimiento al mínimo, esta máquina es dirigida por un controlador lógico programable (sigla en inglés PLC - Programmable Logic Controller), haciendo su manejo más fácil, sensible y seguro. Este sistema es alimentado manualmente por un operario, lo que no proporciona una alimentación continua. Cuenta con un contenedor intercambiable que se puede desarticular del sistema de forma sencilla y así facilitar la recolección del material. Este tipo de compactador no es reversible, dado que la transmisión del movimiento la realiza el tornillo sin fin15 a la rueda helicoidal, nunca, al contrario. Sin embargo, tiene una menor relación de transmisión, ya que el número de entradas del tornillo es menor que el número de dientes de la rueda. Por otra parte, esta alternativa de compactador con tornillo sin fin, presenta bajo rozamiento y marcha silenciosa debido a que los filetes deslizan en contacto permanente con los dientes de la rueda. Aunque dicho rozamiento consume parte importante de la potencia Además, este sistema presenta un empuje axial elevado, por lo cual requiere cojinetes adecuados que permitan soportar dichos esfuerzos axiales. Sin embargo, a causa del diseño de este tipo de compactador16, se alcanza un elevado grado de compactación (mayor peso de los bloques obtenidos), el eje helicoidal evita retención de materiales y los dispositivos que permiten su alimentación dependen del tipo de material a introducir; lo cual proporciona un fraccionamiento previo del material en caso de ser necesario.

14 Wener & weber. Compactador de tornillo. Disponible en: http://www.werner-weber.com/upload/file/SV.AT_ES_02_2016_V01c.pdf 15 ÁNGEL,Cristina; YEPES,Sara; LASPILLA,David.; Elementos de Máquinas y equipos tornillos sinfin, motorreductores; 2015. 16 EnviroGlobal.es. Enviroglobal.es; junio 2015. Disponible en: http://enviroglobal.es/product/compactadoras-con-tornillo/

33

Imagen 12. Compactador tornillo sin fin

Fuente: WERNER WEBER. Disponible: http://www.werner-weber.com 3.2 ALTERNATIVA 2 Este sistema de compactación cuenta con un motor eléctrico, el cual da energía a la unidad de potencia hidráulica, que a su vez proporciona la fuerza necesaria para mover un cilindro, el cual es; el encargado de compactar el material en una cavidad. Para retirar el bloque de material compactado, el operario debe zunchar el bloque y finalizado este proceso, al elevar la placa móvil, el bloque sale y debe ser removido por un montacargas. El sistema de compactación hidráulico tiene la capacidad de comprimir una gran variedad de residuos (papel, cartón, pet entre otros); reduciendo al mínimo su volumen y proporcionando más espacio para compactar mayor cantidad de material de desecho en cada fase de compactación. Esta alternativa funciona con alimentación continua, la cual permite trabajar con altos volúmenes de material. Adicionalmente, cuenta con un sistema hidráulico17 y eléctrico que proporciona bajos costos de mantenimiento y operación sencilla. El sistema está fabricado en acero de alta calidad, lo cual facilita la resistencia y puede ejercer fuerzas superiores a 30.000 N. Por otro lado, la generación de ruido es menor y su fuerza de desempeño es mayor.

17 IMMSA. Prensas hidráulicas compactadoras; Disponible en: http://www.immsa.com/sitio/esp/prensas-compactadoras.htm

34

Imagen 13. Sistema de compactación hidráulica

Fuente: http://baling-machine.ready-online.com 3.3 ALTERNATIVA 3 Este tipo de sistema tiene como característica principal, la utilización tanto de avance como de retorno del cilindro; sin embargo, tiene una diferencia en cuanto al esfuerzo desarrollado y es que las áreas efectivas de actuación de la presión son diferentes (el área de la cámara trasera es mayor que el de la cámara delantera) y es necesario tener en cuenta el diámetro del vástago, dado que impide la acción del aire sobre toda el área. Adicionalmente, esta alternativa implementa aire comprimido, el cual es admitido y liberado alternadamente por los orificios en los cabezales, actuando sobre el pistón y proporcionando el movimiento de avance y retorno. En cuanto a las válvulas de accionamiento eléctrico, se debe mencionar que están diseñadas para controlar la dirección de flujo del aire, con el fin de controlar el movimiento del cilindro y actuador neumático18. El sistema de compactación neumático está compuesto principalmente por tres partes, un compresor que aumenta la presión de un fluido (aire), este es impulsado por un motor que usualmente es eléctrico y un actuador (cilindro doble efecto) que es el equipo encargado de transformar la presión en fuerza y/o movimiento. Generalmente, este tipo de compactadores son diseñados para operar en espacios reducidos19, y con sistemas de seguridad y acabados que permiten fácil limpieza y mantenimiento.

18 Hidráulica y Neumática, S A. CILINDROS NEUMÁTICOS ISO 6431 VDMA. Disponible en: http://www.hnsa.com.co/cilindros-neumaticos-iso-6431-vdma/ 19 Anonymous; Residuos sólidos. Disponible en: http://www.jmringenieriaambiental.com/residuos-solidos.html

35

Las compactadoras neumáticas20 son resistentes y duraderas, por lo cual pueden manejar todas las formas de residuos mixtos (incluyendo alimentos, líquidos y residuos peligrosos), compactando en una proporción de hasta 10:1 y reduciendo el número de contenedores y frecuencia de los transportes. Por lo tanto, se reduce el coste y mejora la productividad en la empresa. Teniendo en cuenta que esta alternativa funciona a partir de aire comprimido, se considera que el riesgo de contaminación por aceite y el ruido durante el proceso se reduce. El sistema emplea un cilindro doble efecto, unido a una placa móvil que se encarga de comprimir los residuos con ayuda de una cavidad de compactado. La máquina es alimentada a través de una tolva, para realizar la compactación y así conformar un bloque. El bloque debe ser zunchado por el operario para luego ser retirado por él y trasladarlo al lugar de almacenamiento con ayuda de un montacargas. Imagen 14. Sistema de compactación neumático

Fuente: TORRES RAMÍREZ, LOZANO. DISEÑO DE UNA COMPACTADORA PARA ENVASES EN MATERIAL PET, PEBD Y PEAD PARA UNA PRODUCCIÓN APROXIMADA DE 300 Kg/HORA. Universidad de América, 2013. 3.4 MÉTODO DE SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS Para la selección de la alternativa se usará el método de ponderación lineal (scoring), el cual permite abordar situaciones de incertidumbre o con pocos niveles de información. En dicho método se construye una función de valor para cada una de las alternativas. Este método de ponderación lineal supone la transitividad de

20 MIL-TEK,A. S. Compactadora XP100S.Disponible en: https://www.miltek.es/product/compactadora-xp100s

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preferencias o la comparabilidad. Este método es compensatorio, puede resultar dependiente y manipulable asignando pesos a los criterios o la escala de medida de las evaluaciones. El método scoring se dividen en las siguientes etapas; Identificar la meta general del problema

Identificar las alternativas

Listar los criterios a emplear en la toma de decisiones

Asignar una ponderación para cada uno de los criterios

Establecer cuanto satisface cada alternativa a nivel de cada uno de los criterios

Calcular el score para cada una de las alternativas

Determinar con el score más alto la alternativa que se recomendará

En el siguiente cuadro se le da un porcentaje a cada uno de los atributos, según su relevancia de acuerdo a los parámetros técnicos21 y del cliente para realizar el diseño del sistema de compactación. Cuadro 1. Evaluación según los atributos “calificación”

Ponderación Alternativa

Ítems 1 2 3

Fácil instalación y montaje 10% 3 4 2

Menor costo de fabricación 25% 4 5 2

Menor número de componentes mecánicos

45% 3 4 3

Menor consumo de energía 20% 3 4 2

Σ 100% 13 17 9

21 Toskano Hurtado,El Proceso de Análisis Jerárquico (AHP) como Herramienta para la toma desiciones en la selección de proveedores. Diponible: Available:http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/tesis/basic/tokano_hg/cap2.pdf.

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Cuadro 2. Evaluación según atributos “ponderación”

Ponderación Alternativa

Ítems 1 2 3

Fácil instalación y montaje 10% 0,3 0,4 0,2

Menor costo de fabricación 25% 1 1,25 0,5

Menor número de componentes mecánicos 45% 1,35 1,8 1,35

Menor consumo de energía 20% 0,60 0,8 0,4

Σ 100% 3,25 4,25 2,45

De acuerdo a lo mencionado anteriormente acerca de las alternativas, cabe resaltar que, cada una cuenta con características relevantes que podrían proporcionar al diseño funcionalidad. Por ejemplo; la alternativa 1, de tornillo sinfín, alcanza un alto grado de compactación, la alternativa 2, hidráulica, tiene mayor capacidad para aplicar fuerza y la alternativa 3, neumática, funciona con aire comprimido y tiene menor impacto ambiental. Sin embargo, cuando se evalúan las características en conjunto de cada alternativa y una vez aplicado el método de scoring; se selecciona la alternativa apropiada para diseñar el sistema de compactación, teniendo en cuenta los requerimientos de la empresa y se concluye que la alternativa más conveniente y la que más destaca para las funciones a realizar en la empresa según sus atributos es el número 2 (compactadora hidráulica).

38

4. DISEÑO DETALLADO En este capítulo se desarrolla el diseño detallado del sistema de compactación, con relación a los elementos que conforman el equipo, entre los más destacados se encuentran: el sistema hidráulico, el sistema eléctrico y el diseño estructural. A partir de los cuales se realiza la selección de elementos secundarios tales como tornillos, perfilería, rodamientos, entre otros; y conjuntamente la selección de los materiales más adecuados para elaborar el diseño la máquina compactadora. 4.1 CÁLCULO DE ELEMENTOS SISTEMA HIDRÁULICO Este sistema tiene como facultad principal generar y transmitir fuerza, con la cual se comprime el material lo suficiente para cumplir con las necesidades expuestas en capítulos anteriores. A continuación, se muestran las partes principales del sistema hidráulico con sus respectivos materiales y su denominación; Imagen 15. Partes principales de un cilindro

Fuente: ROLDAN VILORIA, Prontuario de hidráulica industrial. En cuadro 3 se pueden identificar cada una de las partes resaltadas en la imagen 15 de un cilindro hidráulico.

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Cuadro 3. Partes de cilindro hidráulico

Marca Unidades utilizadas

D Diámetro del cilindro mm/cm

d Diámetro del vástago del cilindro mm/cm

L Carrera máxima del émbolo, y por tanto, del vástago m

S1 Sección del émbolo el lado sin vástago cm2

S2 Sección útil del émbolo por el lado vástago cm2

S3 Sección del vástago cm2

p1 Presión con que se alimenta la cámara C1 Bar

p2 Presión con que se alimenta la cámara C2 bar

C1 Cámara de menor capacidad. Lado sin vástago -

C2 Cámara de menor capacidad. Lado con vástago -

V1 Volumen de mayor capacidad. Lado sin vástago I

V2 Volumen de menor capacidad, Lado con vástago I

F1 Fuerza desarrollada por el cilindro en la salida N

F2 Fuerza desarrollada por el cilindro en la entrada N

Fuente: ROLDAN VILORIA, Prontuario de hidráulica industrial. Materiales del cilindro. Se toman las recomendaciones de materiales del libro Prontuario de hidráulica industrial de José Roldán Viloria; la selección de materiales del cilindro para las partes principales de este, se va a realizar más adelante junto con la selección de materiales para la estructura del equipo estudiado, (ver imagen 16).

40

Imagen 16. Partes constructivas de un cilindro

Fuente: Roldan J. Prontuario de hidráulica industrial. 2.001. 4.1.1 Cálculo de la fuerza de compactación. Para calcular la fuerza que debe ejercer la placa móvil en un área determinada para compactar retal de papel, se realizaron pruebas en la máquina que usa actualmente la empresa, (ver imagen17); ya que la presión aplicada cumple con los requerimientos para compactar el retal. Con base en lo anterior se realizaron 5 pruebas, cada una consistió en fabricar un cubo de retal en las cuales se tomaron los datos de la presión del fluido (lectura del manómetro).

41

Imagen 17. Esquema máquina compactadora

Las pruebas consisten inicialmente en llenar la cavidad de compactación de retal y luego se procede a bajar la placa móvil para compactar el retal de papel. Cuando la placa móvil ejerce la máxima fuerza, se hace la lectura del manómetro y se obtiene un valor cercano a 2.500 psi en promedio. De esta forma, se evidenció que este tipo de máquinas operan con presiones cercanas a la obtenida. Con esta presión y el diámetro del émbolo D= 4,9 in usado en la prueba, se puede determinar la fuerza que transmite el vástago a la placa, usando la siguiente ecuación y se halla la fuerza máxima realizada por el cilindro;

𝐹 = 𝐴 × 𝑃 Donde; F= Fuerza A= Área del émbolo P= Presión del fluido

𝐹 = 𝜋(4,9𝑖𝑛)2

4× 2.500

𝑙𝑏𝑓

𝑖𝑛2= 47.143𝑙𝑏𝑓

42

Esta es la fuerza trasmitida por el cilindro a la placa móvil, que tiene un área de 940 in2. Con estos datos y con la siguiente ecuación, se obtiene la presión máxima que ejerce la placa por pulgada cuadrada al retal de papel.

𝑃 =𝐹

𝐴

Donde; P= Presión ejercida placa F= Fuerza A= Área de la placa

𝑃 =47.143𝑙𝑏𝑓

940𝑖𝑛2= 50,1

𝑙𝑏𝑓

𝑖𝑛2≅ 50

𝑙𝑏𝑓

𝑖𝑛2

Por sugerencia de la empresa, las dimensiones del nuevo cubo compactado van a ser 1mx1mx1m, determinando así algunas dimensiones geométricas de la máquina; como las de la placa de compactación, siendo esta de 1m2. De acuerdo a las pruebas realizadas en la compactadora de la empresa, la presión ejercida sobre el material a compactar es alrededor de 50 psi. Con base en este resultado y el área de la placa de compactación se inicia con los cálculos de fuerzas e hidráulicos.

𝐹 = 𝑃 × 𝐴 Donde; F= Fuerza P= Presión A= Área de la placa

𝐹 = 50,16𝑙𝑏𝑓

𝑖𝑛2∗ 1𝑚2 ∗

1.550 𝑖𝑛2

1𝑚2= 77.748 𝑙𝑏𝑓 ∗

4,44 × 10−3 𝑘𝑁

1 𝑙𝑏𝑓= 345,2 𝐾𝑁

Siendo 345,2 kN la fuerza requerida para la operación de compactar el material. 4.1.2 Cálculo área del émbolo. Una vez obtenida la fuerza y presión del cilindro, se calcula el área del émbolo con respecto a la siguiente ecuación;

𝐴 =𝐹

𝑃

43

Donde; Fa= Fuerza P= Presión Aa= Área del émbolo

𝐴 =77.748𝑙𝑏𝑓

2.500𝑙𝑏𝑓/𝑖𝑛2= 31,1𝑖𝑛2

Encontrada el área, se halla el diámetro de acuerdo a la siguiente ecuación;

𝐴 =𝜋 ∗ 𝐷2

4

Donde; D= Diámetro del émbolo Aa= Área del émbolo

𝐷 = √4 ∗ 31,1𝑖𝑛2

𝜋= 6,3𝑖𝑛

De este resultado se consigue el diámetro D= 6,31 in del émbolo y se lleva a una medida comercial que equivale D= 16 cm. Para el caso de 2.500 Psi la fuerza máxima ejercida por el cilindro será;

𝐹 = 𝑃 × 𝐴

𝐹 =2.500𝑙𝑏𝑓

𝑖𝑛2 ×𝜋(6,3in)2

4= 77.931𝑙𝑏𝑓 ∗

4,44×10−3 𝑘𝑁

1 𝑙𝑏𝑓= 346,6 𝑘𝑁 = 35,3 TF

Teniendo en cuenta que la bomba de la unidad hidráulica puede ser manipulada por el operario y/o el personal de mantenimiento, está sujeta a variaciones de presión dadas por; fallas o inadecuada manipulación, requerimiento de mayor fuerza para compactar materiales con otras características, entre otras situaciones que podrían modificar la fuerza durante el uso del sistema. Se decide diseñar una máquina de acuerdo a la sugerencia de la empresa, en la cual se implementa una variación de más o menos el 10% en la presión de la bomba, generando una fuerza máxima en el sistema de 40 toneladas fuerza (TF). 4.1.3 Cálculo del vástago. El vástago es el elemento del cilindro encargado de transmitir la fuerza hidráulica a la placa de compactación, mientras esta ejerce presión sobre el papel.

44

4.1.3.1 Longitud de carrera. Se calcula de acuerdo a la necesidad de diseño del equipo para obtener un bloque de 1m de altura, teniendo en cuenta que la altura máxima que alcanza la placa móvil, es en promedio el doble de la altura del cubo compactado; y la altura mínima que alcanza la placa móvil, corresponde a la mitad del mismo, se usa la siguiente formula;

𝐿𝑐 = 𝐻𝑚𝑎𝑥 − 𝐻𝑚𝑖𝑛 Donde; Lc= Longitud de carrera, es la distancia en la que se desplaza la placa móvil de una posición a otra Hmáx = Altura máxima que alcanza la placa móvil Hmin = Altura mínima que alcanza la placa móvil De esta forma se obtiene que;

𝐿𝑐 = 2.000𝑚𝑚 − 500𝑚𝑚 = 1.500𝑚𝑚

4.1.3.2 Diámetro mínimo para pandeo del vástago. En este caso se toma la fuerza máxima del equipo y la carrera (Lc) del vástago, será de 1.500 mm por necesidad del diseño (longitud ya normalizada). Imagen 18. Diámetros mínimos para el pandeo

Fuente: Roldan J. Prontuario de hidráulica industrial. 2.001.

45

Al interpretar la gráfica anterior, se selecciona el diámetro del vástago mínimo para evitar el pandeo (110 mm), se toma este valor como diámetro normalizado y se determina el coeficiente k para cilindros, de acuerdo al sistema de fijación adoptado (ver imagen 18). Una vez obtenido el diámetro, se comprueba el mismo por medio de la ecuación Euler en el siguiente numeral. 4.1.3.4 Carga admisible para el vástago. Para calcular esta carga se toma la ecuación;

𝐹 = 𝑘𝜋2. 𝐼. 𝐸

𝐿2

Donde;

𝐹 = Fuerza máxima a soportar

𝐼 = Momento de inercia mínimo para secciones transversales 𝐸 = Módulo de elasticidad 𝐿 = Longitud sometida al pandeo 𝑘 = Coeficiente que depende según el tipo de fijación El momento de inercia mínimo para secciones transversales se halla con la siguiente ecuación;

𝐼 = 𝐷4𝜋

64= (110𝑚𝑚)4 ×

𝜋

64= 7.186.884 𝑚𝑚4

El módulo de elasticidad es 20.000 𝑘𝑔

𝑚𝑚2 que se halla del siguiente cuadro 4;

Cuadro 4. Módulo de elasticidad (kg/mm2)

Hierro 20.000 Cobre laminado 11.000

Acero dulce 22.000 Cobre de hilo 13.000

Acero duro 22.000 Aluminio 7.000

Acero templando 22.000 Latón 9.000

Alambre de hierro 20.000 Plomo 500

Alambre de acero 23.000 Estaño 4.000

Fundición de hierro 10.000 Bronce 7.000

Fuente: Roldan J. Prontuario de hidráulica industrial. 2.001. La longitud real sometida al pandeo se determina hallando el coeficiente k de la Imagen 19 y multiplicándolo por la longitud total del cilindro, que para este caso será de 3 m con el vástago afuera.

46

Imagen 19. Coeficiente k de acuerdo al sistema de fijación adoptado

Fuente: Roldan J. Prontuario de hidráulica industrial. 2.001.

47

Teniendo en cuenta la imagen anterior y el tipo de fijación que se usará para el cilindro (fijo rígidamente guiado con un coeficiente k=0,5), se aplica la siguiente fórmula tomada del libro Prontuario de hidráulica industrial de José Roldán Viloria. Donde; Li= longitud virtual del vástago del cilindro C= Carrera cilindro Lc K= coeficiente de acuerdo al sistema de fijación adoptado

𝐿𝑖 = 𝐶 × 𝑘 = 3.000 𝑚𝑚 × 0,5 = 1.500𝑚𝑚 Y el coeficiente S se halla con la siguiente imagen; Imagen 20. Selección coeficiente S para cada caso

Fuente: Roldan J. Prontuario de hidráulica industria. 2.001.

48

Caso 1; S=1/4 Caso 2; S=1 Caso 3; S=2 Caso 4; S=4 Para este ejercicio, el caso 4; S=4. Obtenidos todos los datos se procede a reemplazar en la ecuación;

𝐹 = 𝑘𝜋2.𝐼.𝐸

𝐿2=4×

𝜋2×7.186.884 𝑚𝑚4×20.000 𝑘𝑔

𝑚𝑚2

1.500mm2= 252.201,6 𝑘𝑝 = 2.474 𝐾𝑁

Dada la fuerza máxima que puede soportar el vástago y la fuerza que se requiere para compactar (392,2 KN), se obtiene un factor de seguridad de 6,3; a partir del cual se infiere que, el diámetro de vástago seleccionado puede soportar la fuerza a la que es sometido durante el proceso. Este factor de seguridad permite en algunos casos, ejecutar el proceso utilizando materiales diferentes al retal de papel y cartón, en caso de ser necesario. 4.1.3.5 Medidas normalizadas de cilindros. Estas medidas son las que estandarizan comercalmente los cilindros hidráulicos en la industria (ver imagen 21). Imagen 21. Medidas normalizadas

Fuente: Roldan J. Prontuario de hidráulica industrial. 2.001. A continuación, se presentan las medidas normalizadas con las que se selecciona el cilindro hidráulico, (ver cuadro 5).

49

Cuadro 5. Medidas normalizadas del cilindro

Descripción Medidas

Carrera 1.500 mm

Diámetro pistón 160 mm

Diámetro vástago 110 mm

4.2 CÁLCULOS DE LA CENTRAL HIDRÁULICA 4.2.1 Cálculo volumen del cilindro. Cuando se obtienen las dimensiones del émbolo, el vástago (D1=16cm y D2=11cm respectivamente) tomadas de la imagen 21 y la longitud; se determina el volumen de aceite necesario para el avance y retroceso del cilindro. Por lo tanto, se aplican las siguientes ecuaciones;

𝑉𝑎 = 𝐴𝐴 × 𝐿𝐶 Donde;

𝑉𝑎 = Volumen de avance

𝐴𝐴 = Área de avance 𝐿𝐶 = Longitud de carrera

𝑉𝑟 = 𝐴𝑟 × 𝐿𝐶 Donde;

𝑉𝑟 = Volumen de retroceso 𝐴𝑟 = Área de retroceso

𝐿𝐶 = Longitud de carrera

𝐴𝐴 = 𝜋.𝐷1

4

2

= 𝜋 16 𝑐𝑚2

4= 201,06𝑐𝑚2

𝐴𝑟 = 𝜋.𝐷12 − 𝐷22

4= 𝜋.

16𝑐𝑚2 − 11𝑐𝑚2

4= 106,02𝑐𝑚2

De esta forma se obtiene que;

𝑉𝐴 = 201,06𝑐𝑚2 × 150𝑐𝑚 = 30.159𝑐𝑚3 ∗0,00026417 𝐺𝑎𝑙

1 𝑐𝑚3 = 7,96 gal

𝑉𝑟 = 106,02𝑐𝑚2 × 150𝑐𝑚 = 15.904𝑐𝑚3 ∗0,00026417 𝐺𝑎𝑙

1 𝑐𝑚3 = 4,2 gal

50

4.2.2 Cálculo de caudal de aceite. Para calcular el caudal es necesario determinar la velocidad a la que va a avanzar el émbolo, después de esto con el área superficial del cilindro se reemplaza en la siguiente ecuación;

𝑄 = 𝐴𝑎 × 𝑉𝑎 Donde;

𝑄 = Caudal de aceite

𝑉𝑎 = Velocidad de avance del pistón 𝐴𝑎 = Área de avance La velocidad de salida seleccionada para el cilindro hidráulico es de 0,03 m/s, dado que se encuentra en el rango establecido de acuerdo a las características del cilindro22. Por otro lado, al tratarse de un sistema de compactación se considera que no requiere una velocidad mayor y además no hay una restricción de velocidad para el cilindro, por lo cual se decide utilizar esta velocidad;

𝑄𝑠 = 200𝑐𝑚2 ×3 𝑐𝑚

𝑠∗

0,001 𝑙

1 𝑐𝑚3=

0,6𝐿

𝑠×

60 𝑠

1𝑚𝑖𝑛= 36 𝑙/𝑚𝑖𝑛

4.2.3 Tiempo de salida del cilindro. Es el tiempo que se tarda el vástago para desplazarse de una posición a otra, se calcula con la siguiente formula;

𝑡 =𝑙𝑐

𝑣𝑎

Donde;

𝑡 =Tiempo 𝑙𝑐 = Longitud de carrea

𝑣𝑎 =Velocidad de avance

𝑡 =1.500𝑚𝑚

30𝑚𝑚/𝑠= 50 𝑠

4.2.4 Selección de mangueras. Para la selección del diámetro de la manguera, se debe recurrir a dos imágenes; la primera con la que se podrá calcular la velocidad que debe tener el fluido en la manguera y la segunda para hallar el diámetro interno de la manguera.

22 GUAL. Glual hidraulica; Julio 2008. Disponible en: https://www.glual.com/pdf/catalogos/catalogo_KZ_KP_K.pdf

51

Se selecciona el diámetro interno de la tubería, identificando el caudal del sistema y la velocidad del flujo siendo este; el caudal máximo obtenido anteriormente (36 L/min o 9,5 Gpm), el caudal requerido para el funcionamiento y a presión de 2500 psi, ubicando en las escalas la respectiva, presión y el caudal, trazando una línea recta entre estos dos puntos y prolongándola hasta la escala de diámetros se obtiene el resultado como se puede observar en la imagen 22. La velocidad se obtiene con el siguiente cuadro, que relaciona la presión de operación que es de 2.500 Psi equivalentes a 172 Bar, relacionándolo en el cuadro 6 da una velocidad de 5,5 m/s. Cuadro 6. Presión vs velocidad en tubería

Presión en

kg/cm2

0 a 10 10 a 25 25 a

50

50 a

100

100 a

150

150 a

200

>200

Velocidad en m/s 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Fuente: Roldan J. Prontuario de hidráulica industrial. 2.001. A continuación, en la imagen 22 se hace una relación entre el caudal y velocidad.

52

Imagen 22. Selección de la tubería

Fuente: Roldan J. Prontuario de hidráulica industrial. 2.001. Se obtiene como resultado 13,2 mm de diámetro interno de la manguera, a una presión de 2.500 psi.

53

Imagen 23. Central de mangueras

Fuente: Mangueras Parker; catálogo de mangueras hidráulicas Debido a que comercialmente no se encuentran disponibles mangueras de 13,2 mm de diámetro interior, se selecciona una de 15,8 mm (pulgadas 5/8”), la cual soporta hasta 4000 psi. Por lo tanto, sí la máxima presión con la que opera el equipo es de 2800 psi, se puede inferir que la manguera seleccionada puede soportar la presión a la que trabaja el sistema (ver imagen 23). Para mayor información, consultar anexo A. 4.2.5 Cálculo de velocidad del fluido en la tubería. Para calcular la velocidad en la tubería se usa la siguiente ecuación;

𝑣𝑡 =𝑄

𝑆𝑡

Donde;

𝑄 = Caudal de aceite 𝑣𝑡 = Velocidad tubería 𝑆𝑡 = Selección tubería Para calcular la velocidad del fluido en la tubería a la salida del vástago, se debe tomar el caudal de aceite por segundo (0,6 l/s,) calculado en el numeral 4.2.2 y el

54

diámetro de la tubería seleccionada (1,58 cm) en el numeral 4.2.4, estos datos se reemplazan en la siguiente ecuación;

𝑄 = 0,6 𝑙𝑠⁄ ∗

1 𝑐𝑚3

0,001𝑙= 600𝑐𝑚3

𝑣𝑡 =(600 𝑐𝑚3)

𝜋 ∗ (1,58𝑐𝑚)2

4

= 306 cm/s ∗0,01𝑚/𝑠

1𝑐𝑚/𝑠= 3,06𝑚/𝑠

4.2.6 Selección del aceite. La correcta lubricación de un equipo permite el aumento de su vida útil, la garantía en la disponibilidad del equipo y la reducción de los costos de lubricación y mantenimiento. Por lo tanto, se deben tener en cuenta los parámetros de diseño como cargas, velocidades, temperatura y medio ambiente en el que trabaja el equipo para seleccionar adecuadamente el aceite para un equipo industrial. Para seleccionar el aceite23 se debe tener en cuenta que se debe utilizar un aceite de especificación ISO, indicar la temperatura de operación a la que debe trabajar el aceite en el equipo y la temperatura para la cual se recomienda utilizar. Con el fin de evitar problemas de desgaste erosivo o adhesivo en los mecanismos lubricados. Este sistema de compactación es un equipo industrial estacionario, por lo cual requiere un aceite sin detergente con un contenido de aditivo anti-desgaste menor respecto a un equipo móvil y un aditivo de demulsificación para separar el agua del aceite y permitir el asentado en el tanque. Estos aceites son especificados por la viscosidad ISO. Generalmente los sistemas operan entre 50 y 60 °C, para este caso el sistema de compactación diseñado opera a una temperatura que oscila entre 40 y 60 °C; es importante no superar los 80 °C para evitar el daño de los retenes y la oxidación del aceite. Por lo tanto, se selecciona el aceite ISO 6824, ya que trabaja entre 53 y 76°C con un punto ideal de 63°C. Por todo lo anterior, se selecciona el aceite hidráulico ISO 68 (ver cuadro 7). Para mayor información, consultar anexo B.

23 ALBARRACIN,Pedro. La selección correcta de un aceite industrial. 9 de abril 2003. Disponible en: http://www.widman.biz/boletines/2.html 24 WIDMAN,Richard. La selección del fluido hidráulico. 2012. Disponible en: http://www.widman.biz/boletines/109.html

55

Cuadro 7. Propiedades aceite ISO 68

CARACTERÍSTICAS TÍPICAS

PRUEBAS MÉTODO ASTM RESULTADOS

Grado ISO D-2422 68

Color ASTM D-1500 3.5

Temperatura de inflamación, °C D-92 230

Temperatura de escurrimiento, °C D-97 -6

Densidad @ 20 °C, g/ml D-1250 0.8850

Viscosidad cinemática @ 40 °C, cSt. D-445 68.00

Índice de viscosidad D-2270 95

Desmulsibilidad @ 54 °C, ml, aceite-agua-emulsión (30 minutos)

D-1401 39-38-3 (30’)

Espumación secuencia II, ml D-892 75/0

4.2.7 Selección de la bomba. A partir de los datos de caudal y presión del sistema, es posible hallar la potencia necesaria que el motor va a suministrar a la bomba para accionar el sistema hidráulico. Adicionalmente se debe conocer la eficiencia de la bomba, para obtener este valor se usa la siguiente ecuación;

𝐻𝑝 =𝑄 × 𝑃𝑏

1.714 × 𝜌

Donde;

𝐻𝑝 =Potencia (no se usan unidades por que 1.714 es un factor de conversión) 𝑄 = Caudal de la bomba en Gpm calculado en el numeral 4.2.2 (9,5 Gpm) 𝑃𝑏 = Presión de la bomba 𝜌 = Eficiencia de la bomba

𝐺𝑝𝑚 = 0,6𝑙

𝑆∗

15,8503 𝐺𝑝𝑚

1𝑙𝑠

= 9,5 𝐺𝑝𝑚

𝐻𝑝 =9,5 𝐺𝑝𝑚 × 2.500𝑝𝑠𝑖

1.714 × 0,85= 16,3 𝐻𝑝

Con los datos obtenidos anteriormente, se puede determinar que el caudal de la bomba, calculado en el numeral 4.2.2 es de 0,6 L/s. La presión normal de operación de la bomba seleccionada para los cálculos y el funcionamiento del equipo es de 2.500 psi. A partir de estos datos se selecciona la bomba de paletas marca Vickers modelo 25VQ, para más información consultar anexo C.

56

Tabla 1. Especificaciones de operación bomba

Fuente: Catálogo Vickers vane pump & motor desing guide 4.2.8 Potencia del motor. Se necesitan dos ítems para seleccionar el motor eléctrico. La potencia hidráulica, que se calculó en el numeral 4.2.7 y la eficiencia eléctrica del motor respecto a lo establecido por la UPME25 (Unidad de planeación minero energética) la eficiencia para los motores trifásicos, se encuentra en un rango de 0,6-0,9. Con respecto a lo anterior se toma 0,8 y se reemplazan los valores en la siguiente ecuación;

𝑃𝑜𝑡. 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 =𝑝𝑜𝑡. ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎

𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

𝑃𝑜𝑡. 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 =16 Hp

0,8= 20 ℎ𝑝

Se selecciona un motor trifásico, jaula de ardilla, de alta eficiencia, totalmente cerrado y de 20 Hp; para mayor información consular, anexo D. 4.2.9 Selección del tanque o central hidráulica modular. Es el cálculo del aceite mínimo necesario para la operación del equipo; este ocupará el 75% del volumen contenido en del tanque. Se sabe que para desplazar el émbolo 3 cm deben inyectarse 0,6 litros al cilindro y que el desplazamiento total es de 150 cm, de esto se deduce la cantidad de aceite necesaria para llenar por completo la botella con una regla de tres:

25 UPME. PROCESOS Y TECNOLOGÍAS A NIVEL NACIONAL E INTERNACIONAL. Diciembre 17 de 2014 Disponible en: http://www1.upme.gov.co/DemandaEnergetica/DeterminacionEficiencia/Informe_Final_Volumen_2.pdf

57

𝑄 =3𝑐𝑚

150𝑐𝑚×

0,6𝑙

𝑥= 𝑥 =

150𝑐𝑚 × 0,6𝑙

3𝑐𝑚= 30𝑙 ×

1𝑔𝑎𝑙

3,78 𝑙= 7,9𝑔𝑎𝑙

De acuerdo al libro Prontuario de hidráulica industrial de José Roldán Viloria, se establece que el aceite mínimo para la operación de la máquina es tres o cuatro veces el caudal de la bomba (𝑄𝑜 × 3 ó 4) , en este caso se usará 𝑄𝑜 ×4 reemplazando se obtiene;

𝑄𝑜 = 7,9𝑔𝑎𝑙 × 4 = 31,6 ≅ 30𝑔𝑎𝑙 Siendo 30 gal el 75% del volumen del tanque, el 100% será 42,5 gal es la capacidad total de este. Se selecciona respecto a los parámetros de diseñó, la unidad hidráulica del catálogo con un tanque de capacidad 40 galones, fabricado en aluminio, con una construcción tipo modular de fácil acceso y mantenimiento, para mayor información consultar anexo E. Imagen 24. Esquema unidad de potencia

Fuente: https://sites.google.com 4.3 SISTEMA DE CONTROL ELECTROHIDRÁULICO En la imagen 25 se puede observar el plano electro-hidráulico del sistema de compactación.

58

Imagen 25. Sistema electro-hidráulico

4.4 CÁLCULOS ESTRUCTURALES El diseño de la compactadora empieza por analizar la fuerza que produce el trabajo del cilindro hidráulico (40 tonelada fuerza), sobre la estructura que lo soporta y de los elementos sometidos a esfuerzos. Para esto se deben determinar los elementos críticos en la estructura, como las uniones, pasadores, columnas, vigas y soldadura que conforman la compactadora. Para seleccionar el material y dimensionar la estructura, uno de los principales requisitos es el factor de seguridad (fs), con el cual se busca evitar una falla estructural y mitigar incertidumbres en el diseño. Según Robert Mott, el factor de seguridad puede variar entre 1,25 a 2,5 y para este caso se opta por elegir un factor de seguridad fs= 2, dado que es una estructura bajo cargas estáticas para las que se haya un alto grado de confianza. 4.4.1 Modelos de fuerzas. Durante el desarrollo de los cálculos estructurales para llevar a cabo el diseño, es necesario determinar la distribución de las fuerzas que se presentan al comprimir el material y el comportamiento del material (retal) sobre la estructura una vez transmitidas las fuerzas a la estructura. Todo lo anterior, con el fin de establecer el área de sección transversal y la forma requerida para cada elemento estructural en la construcción y proveer el soporte suficiente a la estructura mediante el cual se evite pandeo, flexión o deformaciones.

59

Dadas las limitaciones para establecer las fuerzas y el comportamiento del material en la cavidad mencionada anteriormente, se decide implementar una prueba experimental en la que se estiman las fuerzas sobre la estructura y se describe a continuación: Bajo la supervisión y guía de la empresa Logística Ambiental Integral Limitada, pionera en la reducción del volumen de residuos a partir del proceso de compactación, se elige una máquina con características similares a la que se pretende en el diseño. Se seleccionó y usó un material que cumpla la característica de tener menor resistencia comparada con la del residuo a compactar; en este caso, se utilizan láminas de icopor con un espesor en el que se pueda ver una deformación, para someterlo al proceso de compactación durante la prueba. Estas se miden previamente para no dar lugar a resultados erróneos o incongruentes, como se muestra en la imagen 26. Luego, se ubican las láminas seleccionadas en la cavidad de compactación, específicamente en las paredes laterales, frontal y posterior de dicha cavidad. A continuación, se llena la cavidad con residuos de papel en forma de “retal”, como se observa en la imagen 27. Se da inicio al proceso de compactación hasta obtener las dimensiones esperadas del bloque final; previo al zunchado, se abre la puerta anterior de la cavidad y se procede a medir el bloque, el cual mide 87 cm de longitud horizontal, como se observa en la imagen 28. Se retira el bloque con un montacargas y se mide nuevamente fuera de la cavidad, obteniendo la misma longitud horizontal de 87 cm. Imagen 26. Medida de láminas de icopor

60

Imagen 27. Láminas de icopor y residuos en cavidad de compactación

Imagen 28. Bloque compactado

61

Una vez retirado el bloque, se observan las láminas de icopor ubicadas en la cavidad. Teniendo en cuenta que, el espesor de las láminas al inicio de la prueba es 2,5 cm, se puede concluir que reducen 12% su espesor en dirección horizontal y se observa un espesor al final de la prueba de 2,2 cm (ver imagen 29); por el contrario, la longitud vertical reduce 40% respecto a la forma original (45 cm) durante el proceso. Con lo cual se infiere, que se transmite mayormente la fuerza hacia el plano vertical de la cavidad. Imagen 29. Dimensiones del icopor compactado.

A partir de la prueba mencionada y al medir las láminas comprimidas al final del proceso, se puede concluir que, en las paredes laterales y anteroposteriores de la cavidad de compactación, la fuerza transmitida no es proporcionalmente significativa, con respecto a la ejercida verticalmente por el cilindro. Por lo tanto, el perfil calculado con base en la definición del estado de cargas que se planteará, debe soportar las fuerzas transmitidas hacia todas las paredes de la cavidad durante el proceso de compactación. Para determinar el esfuerzo permisible de cada elemento teniendo en cuenta el factor de diseño, se usa la ecuación de esfuerzo permisible tomada del libro de Diseño de elementos de máquinas de Robert Mott.

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝜎𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜

Donde; σ Permisible= Esfuerzo máximo que soportará el elemento σ Fluencia= Esfuerzo de fluencia del material. Factor de seguridad diseño

62

El material con el cual se realizan los cálculos es un acero calidad A-500, con un esfuerzo de fluencia de 345 MPa y un esfuerzo último de 428 MPa; es un acero comercial comúnmente usado en perfiles estructurales. Debido a su contenido de carbono, es compatible con diversos tipos de soldaduras, como se puede observar en la tabla de especificaciones aplicables de la ASTM a diversos perfiles estructurales del anexo F.

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =345 𝑀𝑝𝑎

2= 138 𝑀𝑝𝑎

Se obtiene el valor de 138 MPa como esfuerzo permisible para los cálculos requeridos y determinar la estructura de la compactadora. Una vez se calcula el esfuerzo permisible, se procede a escoger el tipo de perfil que podrá soportar el esfuerzo generado al compactar el retal de papel. 4.4.2 Definición del estado de cargas. El análisis de los elementos estructurales se fundamenta principalmente bajo una suposición de ingeniería, mediante la cual se distribuye una carga total de 40 toneladas fuerza (TF) sobre los perfiles de la estructura considerados como críticos, a partir de los cuales distribuye la carga a los demás; Los elementos que se mencionan a continuación se pueden identificar en la imagen 30.

Elementos tipo viga (A), son 2 elementos con una carga de 20 toneladas fuerza

(TF) cada uno

Elemento tipo viga (B), son 2 elementos que tienen una carga de 20 toneladas

fuerza (TF) cada uno

Elementos verticales tipo columna (C), son 4 elementos con una carga de 10

toneladas fuerza (TF) cada uno

Teniendo en cuenta lo anterior y sabiendo que los elementos mencionados son los más representativos en el comportamiento mecánico de la estructura, se puede determinar un tamaño aproximado de los perfiles, con base en la sección transversal. Por lo tanto, se asume desde la conceptualización previa que el elemento A y el B están empotrados en sus extremos. Cabe resaltar que el elemento A tiene una carga distribuida en el centro de 0,6 m. De acuerdo a este comportamiento, se plantea el diagrama de cuerpo libre (ver imagen 31).

63

Imagen 30. Elementos estructurales

El momento máximo de flexión y la reacción, se obtienen respecto al siguiente diagrama de cuerpo libre (ver imagen 31 y 32) con el que se plantean las ecuaciones. Imagen 31. Diagrama de cuerpo libre carga distribuida

64

Imagen 32. Diagrama de cuerpo libre carga puntual

Al ser un elemento simétrico, las reacciones serán iguales en ambos apoyos empotrados;

MA = MB RAy = RBy

+↑ ∑ Fy = 0

−235.359 + 2RAy = 0

RAy = 117.679 N

RBy = 117.679 N

Imagen 33. Cortes en la viga

Como se trata de un elemento estáticamente indeterminado, se dispone del método de doble integración para el desarrollo de la misma. Se hacen 2 cortes, los cuales sirven de apoyo para generar las ecuaciones que darán los datos de solución al momento flector y a la fuerza cortante.

65

Sección 1-1: (0 ≤ X ≤ 0,567)

EIY′′ = 235.359N X − 𝑀𝐴 EIY′ = 117.679X2 − 𝑀𝐴X + C1

EIY = 39.226,6 X3 − 𝑀𝐴X2

2+ C1X + C2

Para el análisis de la sección 1-1 se tienen en cuenta las siguientes condiciones iniciales, tomadas de la gráfica de deflexión de la viga en la Imagen 33.

Sí X = 0 → θ = 0. Entonces C1 = 0

Sí X = 0 → γ = 0. Entonces C2 = 0

Sección 2-2: (0 ≤ X ≤ 1,135)

EIY′′ = 117.679,8N X − 𝑀𝐵 − 392.266 N(X − 0,267)2

2

EIY′ = 58.839,9N X2 − 𝑀𝐵X − 392.266 N (X − 0,267)3

6 + C1

EIY = 19.613,3 N ∗ X3 − 𝑀𝐵X2

2−

392.266 N(X − 0,267)4

24+ C1X + C2

En la sección 2-2 se tiene en cuenta que cuando X=0,567m, dy/dx es máximo. Para hallar el valor del momento se reemplaza X=0,567m en la ecuación correspondiente, dando como resultado;

58.839,9 ∗ (0,567m)2 − M ∗ (0,567m) − 392.266 N (0,567 − 0,267)3𝑚

6= 0

M(0,567m) = 17.151,18Nm

M = 30.249 Nm

Al desarrollar la ecuación anterior, se obtiene un momento de 30.249 Nm como resultado. Una vez conocido el momento A se plantea del mismo modo en el momento B. El comportamiento del elemento estructural es igual en ambos puntos, debido a que es un empotramiento doble, como se observa en la imagen 34.

66

De acuerdo a lo anterior se determina que el punto centro de la viga es el de momento máximo y del mismo modo el punto máximo de flexión. Para el cálculo de la flexión máxima se plantean las mismas condiciones de frontera.

Sí X = 0 → y = 0 → θ = 0. Entonces C1 = 0

Sí X = 0 → γ = 0. Entonces C2 = 0

A continuación, se plantea la ecuación de flexión máxima con un x= 0,567 m siendo este el punto medio de la viga, con E = 2,1x1010 kgf/m2, I =2,21 x10--6 m4, M =30.249 Nm.

𝑌 =19.613,3N X3 −

𝑀𝐵X2

2 − 392.266 N(X − 0,267)m4

242,1x1010𝑘𝑔𝑓

𝑚2 ∗ 9.81𝑚𝑠 ∗ 2,21x10−6𝑚4

𝑌 = −3,11 𝑥10−3𝑚 ∗1.000𝑚𝑚

1𝑚= −3,11 𝑚𝑚

Imagen 34. Diagrama de fuerza cortante y momento flector

Fuente: Beamdesign

𝐷𝑒𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝐴𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝐿

360=

1135𝑚𝑚

360= 3,15𝑚𝑚

De acuerdo a los requisitos del reglamento para concreto estructural (estándar del ACI [American Concrete Institute]), se plantea la deflexión máxima admisible (l/360),

dada la deflexión hallada anteriormente (3,11 mm), se puede inferir que la Ymax ≤

67

deflexión máxima admisible (3,11 mm ≤ 3,15 mm) 26 y puede soportar el esfuerzo al que se somete. Al conocer los valores de las fuerzas que actúan sobre el elemento y su comportamiento (ver imagen 34), se procede a calcular el módulo de sección “S” requerido y de esta forma determinar el perfil para soportar la carga. Conocido el esfuerzo permisible del material y el momento máximo que actúa sobre la viga, se plantea la siguiente ecuación tomada del libro Diseño de elementos de máquinas de Robert L. Mott.

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 =𝜎𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎

𝑛

Donde; σ Perm= Esfuerzo permisible σ Falla= Esfuerzo de falla del material n= Factor de seguridad Se toma un valor de n=2 con base en los aportes de Robert Mott27, en los cuales se cita que el factor de seguridad puede oscilar entre 1.25 y 2 para el diseño de estructuras bajo cargas estáticas, donde se haya un alto grado de confianza.

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 345𝑀𝑃𝑎

2= 172,5𝑀𝑃𝑎

Una vez calculado el esfuerzo permisible, es posible determinar el S requerido o módulo de sección, con la siguiente ecuación.

𝑆𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 =𝑀𝑚á𝑥

𝜎 𝑝𝑒𝑟𝑚

Donde; S requerido= S mínimo requerido M máx= Momento máximo de flexión σ Perm= Esfuerzo permisible

𝑆𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 =30.249𝑁𝑚

172.500.000𝑁

𝑚2

= 1,753𝑥10−4𝑚3 = 175,3𝑐𝑚3

26 ARMINGTON HILLS, MICHIGAN 48333-9094 USA. Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural y Comentario (ACI 318S-05).Disponible en: https://www.inti.gob.ar/cirsoc/pdf/publicom/ACI_318-05_Espanhol.pdf 27 MOTT ROBERT.L Diseño de elementos de máquinas. 185 p.

68

Con el valor de S requerido mínimo, se elige un perfil que cumpla con las especificaciones necesarias para soportar esta fuerza y se selecciona un perfil en I del siguiente cuadro. Cuadro 8. Medidas normalizadas de perfiles en IPN

Fuente: www.fnb.upc.edu/mecanica Dos elementos con estas características se usan para dar soporte a la base del cilindro hidráulico, estas se soldarán de los extremos a la estructura superior de la compactadora como se aprecia en la imagen 30.

Con base en el numeral 4.3.2 se determina que la fuerza a la que se someten las vigas tipo (B), es la mitad respecto a la ejercida por el cilindro. Esto partiendo de que la carga se distribuye sobre las dos vigas que soportan los elementos tipo (A). De acuerdo a la definición del estado de cargas, se calcula el perfil. Este elemento, como el anterior tiene un doble empotramiento con una carga distribuida a lo largo de dos secciones cada una de 0,142 m de longitud, como se observa en la imagen 35. Imagen 35. Diagrama de cuerpo libre viga lateral

69

Imagen 36. Diagrama con cargas puntuales

Para el caso en el que la carga es distribuida a lo largo de dos secciones de la viga, se usa la siguiente ecuación de momentos flectores, tomada del libro Diseño de elementos de máquinas de Robert Mott;

𝑀𝐴 = 𝑀𝐵 = −𝑃𝑎(𝐿 − 𝑎)

𝐿

Donde; M= Momento flector a= Longitud del punto “A” a la carga puntual P= Carga distribuida L= Longitud total de la viga

𝑀𝐴 = 𝑀𝐵 = −13.930𝑁𝑚 ∗ 0,315𝑚(0,973𝑚 − 0,315𝑚)

0,973𝑚= 2.967,39𝑁𝑚

Al resolver la ecuación anterior, se obtiene como resultado un momento de 2.967 Nm, Una vez conocido el momento A, se plantea del mismo modo el momento B. El comportamiento de la viga es igual en ambos extremos, debido a que es un empotramiento doble. Por lo tanto, se obtiene un momento del mismo valor de 2.967 Nm. Ya calculados los momentos, se plantea la ecuación de las reacciones en cada extremo;

𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 = P + (−𝑃𝑎(𝐿 − 𝑎)

L− (−

𝑃𝑎(𝐿 − 𝑎)

L)) ∗

1

𝐿

𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 = P Donde; R= Reacciones en el punto A y B

70

P= Carga distribuida L=Longitud total de la viga

𝑅𝐴 = 13.930 Nm + (−13.930 𝑁𝑚 ∗ (0,315𝑚) ∗ (0,973 − 0,315)

0,973− (−

13.930 𝑁𝑚 ∗ (0,315𝑚) ∗ (0,973 − 0,315)

0,973))

∗1

0,973

𝑅𝐴𝑌 = 𝑅𝐵𝑌 = 13.930,2 𝑁

Al evaluar la ecuación anterior, se obtiene una reacción de 13.930,2 N como se observa en las gráficas de momento flector y cortante de la imagen 37.

Imagen 37. Diagrama de cortante y momento flector

Fuente: Beamdesign Una vez encontrados los valores de las fuerzas que actúan sobre la viga, se calcula el módulo de sección “S” requerido y se determina el perfil para soportar esta carga. Conocido el esfuerzo permisible del material acero A500 y el momento máximo que actúa sobre el perfil, se plantea la siguiente ecuación, tomada del libro Diseño de elementos de máquinas de Robert L. Mott;

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 =𝜎𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎

𝑛

Donde; σ Perm= Esfuerzo permisible σ Falla= Esfuerzo de falla del material

71

n= Factor de seguridad

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 345𝑀𝑃𝑎

2= 172,5𝑀𝑃𝑎

Se evalúa la ecuación de módulo de sección requerido;

𝑆𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 =𝑀𝑚á𝑥

𝜎 𝑝𝑒𝑟𝑚

Donde; Sreq =Módulo de sección requerido

Mmáx =Momento máximo σp =Esfuerzo permisible

Se reemplazan valores;

Sreq = 2.867 N. m

1,725x108Pa

Sreq = 1,662x10−5m3 ∗1𝑐𝑚3

1x106𝑚3

Sreq = 16.6cm3

Luego de hallar el módulo de sección, se elige un perfil con base en el S requerido (16,6 cm3). Por lo tanto, se selecciona un perfil en U del cuadro 9;

72

Cuadro 9. Medidas normalizadas del perfil en u

Fuente: SABIMET. Disponible: www.sabimet.com/CATALOGOSABIMET.pdf Con el fin de determinar el área de sección transversal que requiere el elemento tipo C, respecto a la fuerza de tensión a la que se somete. Se aplica la siguiente ecuación;

𝜎 =𝐹

𝐴

Donde; σ = Esfuerzo permisible F= fuerza a tensión A= Área transversal del perfil

𝐴 =98.100 𝑁

345𝑁

𝑚𝑚2

= 284,3 𝑚𝑚2 = 2,84 𝑐𝑚2

Una vez se determina el área transversal que debe tener el elemento tipo C, se selecciona del cuadro 9 el mismo elemento usado en el tipo B, para dar uniformidad geométrica al sistema de compactación. Con el fin de comprobar que el elemento seleccionado (tipo C) como columna para el sistema de compactación, puede soportar el esfuerzo generado al compactar el

73

material sin sufrir pandeo, se realiza un chequeo por esbeltez de acuerdo a lo planteado en el libro Diseño de estructuras de acero de Mc Cormac. Chequeo por esbeltez. Columnas y vigas tendrán el mismo perfil. Sin embargo, se realiza un chequeo por esbeltez para los elementos tipo columna. En la Imagen 38, se selecciona el tipo de restricción que presentan los elementos cargados axialmente a compresión, así como los valores aproximados del factor de longitud efectiva, K. Imagen 38. Restricciones de elementos cargados axialmente

Fuente: McCormac. En diseño de estructuras de acero. 2.012. Una vez se conoce el tamaño de perfil UPN 80 y su longitud 200 cm (planteada en el diseño), se realiza el chequeo por esbeltez.

KL

r≤ 200

Donde;

K =Longitud efectiva

74

L =Longitud de la columna r =Radio de giro La longitud efectiva K seleccionada es de 0,5 (ver imagen 38); ya que se considera que la columna se encuentra empotrada en ambos extremos. La longitud de columna es de 200 cm (altura del elemento tipo c), el radio de giro del perfil seleccionado (UPN80) es de 3,10 cm; al realizar el chequeo por esbeltez y constante de columna, se obtiene.

Esbeltez = 0.5 ∗ 200 cm

3,10cm= 32,2

Luego, de determinar que cumple puesto que la relación de esbeltez menor a 200.

Se calcula la relación de esbeltez transición para compararla con la relación de

esbeltez real y verificar cuál de ellas es mayor, para entonces determinar si la

columna es corta o larga y utilizar el método de análisis adecuado. Con base en el

libro de Robert Mott. Diseño de elementos de máquinas y herramientas, se realiza

el siguiente procedimiento.

Cc = 4,71√E

Sy

Donde;

Cc = Constante de columna E = Módulo de elasticidad del material (200MPa) Sy = Esfuerzo de fluencia

Se reemplazan valores;

Cc = 4,71√200Mpa

345MPa

Cc = 3,58

Comparación de relación de esbeltez transición (constante de columna) con la relación de esbeltez real.

32,2 ≥ 3,58 Dado que, la relación de esbeltez real es mayor que la constante de columna, se trabaja como una columna corta y se tienen en cuenta las siguientes condiciones:

75

Relación de esbeltez;

a) SiKL

r≤ 4,71√

E

Fy (o

Fy

Fe≤ 2,25)

Fcr = [0,658 Fy

Fe] Fy

b) Si KL

r> 4,71√

E

Fy (o

Fy

Fe≤ 2,25)

Fcr = 0,877Fe Donde;

Fe = π2E

(KLr )

2

Fe = Esfuerzo de pandeo crítico elástico –esfuerzo de Euler. Fe = 1,903 MPa

El esfuerzo de pandeo por flexión de una columna Fcr;

Pn = FeAg

Donde;

Pn =Resistencia nominal Ag = Área transversal

Se reemplazan valores;

Pn = 1,903x106N

m2∗ (0,11 m2)

Pn = 209330 N

Cuando se conoce la resistencia nominal, se puede calcular el factor de seguridad:

F. S = 𝑃𝑛

𝑃

76

Donde; Pn= Resistencia nominal P= Fuerza aplicada sobre la viga (sumatoria de fuerza sobre la viga)

F. S = 209.330 𝑁

98.100𝑁

F. S = 2.2 Se obtuvo un factor de seguridad de 2,2; esto permite evidenciar que la columna no sufrirá pandeo ni fallará por las cargas que actúan sobre ella y se concluye que elemento estructural cumple las condiciones de diseño. 4.4.3 Análisis de esfuerzo cortante. Con la fuerza que actúa en la bisagra de la puerta de la compactadora, se calcula el esfuerzo cortante en este elemento de la siguiente forma.

Imagen 39. Soporte y pasador

La fuerza cortante aplicada en el pasador es de 98.100 N y corresponde a la fuerza que se calculó en el numeral 4.3.2 para el elemento tipo B, dado que es un pasador que se encuentra sometido a cortante doble. Se plantea la ecuación de cortante con la que se determinará el diámetro necesario del pasador;

𝜏 =𝑉

2 ∗ 𝐴

77

Donde; T= Esfuerzo cortante V= Fuerza cortante A= Área transversal del pasador Conocido el esfuerzo cortante dado por el esfuerzo permisible del material, se infiere que es de 345 MPa y la fuerza cortante se reemplaza en la ecuación anterior.

345.000.000𝑁

𝑚2=

98.100 𝑁

2 ∗ 𝐴

𝐴 = 1,42 ∗ 10−4𝑚2 = 1,421𝑐𝑚2 Además, se plantea la ecuación del área de un circulo con el fin de conocer el diámetro que soporte este esfuerzo cortante.

1,421𝑐𝑚2 = 𝜋 ∗ 𝑟2

𝑟 = 0,672 𝑐𝑚 = 0,264 𝑖𝑛

𝐷 = 1,34 𝑐𝑚 = 0,528 𝑖𝑛 Conocido el diámetro, se elige una varilla redonda de diámetro normalizado del cuadro 10. Dado que el diámetro mínimo es de 0,528 in, se escoge 0,563 in como se muestra en el cuadro 10 por ser el más aproximado.

78

Cuadro 10. Diámetro normalizado de varilla de acero

Fuente: cofiasa.com.mx/productos/herreria/varilla-redonda/ 4.5 SOLDADURA La estructura del sistema de compactación está compuesta principalmente por vigas, columnas y láminas de acero A500, así como las nervaduras que permite minimizar los esfuerzos que actúan sobre los perfiles que soportan el cilindro hidráulico. Se ubican también en la lámina de compactación; estarán sujetos mediante uniones soldadas. Por lo anterior, se realiza el cálculo de la soldadura sobre la que debe soportar el mayor esfuerzo, de acuerdo a la imagen 40.

79

Imagen 40. Soldadura

Fuente: Fuente: Robert L Norton. Diseño de Máquinas. México: Pearson Educación. 2.006. Inicialmente, se calcula el factor de geometría con base en la selección del cordón:

Aw = 2b + 2d

Donde;

𝐴𝑤 = Dimensiones de la soldadura 𝑑 = 𝑏 =Dimensiones del perfil seleccionado (240mm) (106mm) respectivamente Se reemplazan valores;

Aw = 2(106mm) + 2(240mm)

Aw = 692mm ∗1 𝑚

1.000𝑚𝑚= 0,692𝑚

A continuación, se plantea la ecuación de flexión para la geometría de la viga en I;

sw = 𝑏 ∗ 𝑑 + 𝑑2/3

Donde;

𝑆𝑤 = Factor geométrico a flexión 𝑑 = 𝑏 =Dimensiones del perfil seleccionado (240mm) (106mm) respectivamente

80

Se reemplazan valores;

sw = 0,106𝑚 ∗ 0,240𝑚 +(0,240 𝑚)2

3

𝑆𝑤 = 0,04464m2

Una vez encontrados los factores de geometría, se calcula el factor de esfuerzo cortante y el de esfuerzo de flexión al que estará sometida la soldadura;

fs = V

Aw

Donde;

fs = Fuerza cortante vertical Aw = Dimensiones de la soldadura

fs = 117.679 Nm

0,692 m= 170.056 𝑁/𝑚 ∗

0,057101𝐿𝑏𝑖𝑛

1𝑁𝑚

= 971,05 𝐿𝑏/𝑖𝑛

Se plantea el factor de esfuerzo a flexión de acuerdo a la siguiente ecuación;

fb = M

𝑠𝑤

Donde;

M = Momento máximo sobre la viga Sw= Factor geométrico a flexión

fb = 30.249 Nm

0,04464 𝑚2= 677.620

𝑁

𝑚∗ (

1𝑙𝑏

4,4482 𝑁) ∗ (

1 𝑚

39,37 𝑖𝑛) = 3.869,3 𝐿𝑏/𝑖𝑛

Al hallar las fuerzas que actúan sobre la soldadura, se procede a realizar un análisis de fuerzas, de acuerdo a lo planteado por Robert Mott, en busca de la fuerza resultante (Fr) como se ve en el triángulo de fuerzas y de esta forma encontrar el diámetro del electrodo (w).

81

𝐹𝑟 = √(3.869,3𝑙𝑏

𝑖𝑛)

2

+ (971𝑙𝑏

𝑖𝑛)

2

= 3.989,2𝑙𝑏

𝑖𝑛

Con la fuerza resultante se selecciona el tipo de electrodo que se usará para soldar la estructura. Se selecciona el electrodo E70 con un esfuerzo cortante admisible de 15.800 psi y 11.200 Lb/in de fuerza admisible por pulgada de lado, como se muestra en el cuadro 11. Cuadro 11. Esfuerzo cortante y fuerzas sobre las soldaduras

Fuente: Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquinas. 2.006. Donde; fr= Fuerza resultante W= Diámetro del electrodo

𝑊 = 𝐹𝑟

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜

W = 3.989,2 lb/in

11.200lb𝑖𝑛 ∗ 𝑖𝑛

= 0,356 𝑖𝑛 ≅3

8𝑖𝑛

W = 0,356 in ∗25,4 𝑚𝑚

1 𝑖𝑛= 9 𝑚𝑚

Una vez calculado el diámetro de electrodo necesario para realizar la soldadura, se normaliza de acuerdo al espesor de la placa teniendo en cuenta el cuadro 9.

82

Cuadro 12. Tamaños normalizados de electrodo

Fuente: LARRY JEFFUS. Welding and Metal Fabrication. Respecto al cuadro anterior, se determina que diámetro normalizado del electrodo debe ser de 3/8 in lo equivalente a 9,5 mm de diámetro. 4.6 CÁLCULOS DE PERNOS Para el cálculo de los pernos es necesario determinar el estado de carga en el que se encuentra cada perno, debido a la fuerza ejercida por el cilindro. Los tornillos están a tensión y sujetan el cilindro hidráulico con el soporte, como se muestra en la imagen 41. La carga total que deberán soportar los pernos es de

40.000 kgf, la cual es dividida en el número de pernos dando como resultado 6.666 kgf por perno.

Imagen 41. Sujeción con pernos

Se escogen tornillos de grado 4 SAE de diámetro 1 in, con una resistencia de prueba

mínima de 65.000 psi, límite de fluencia de 100 ksi y una resistencia a la tensión de 115 ksi. (Ver imagen 42).

83

Imagen 42. Especificaciones y resistencia

Fuente: Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquinas. 2.006. Para continuar, con base en la imagen 42 se determinan los parámetros para el cálculo de área de esfuerzo de tensión, longitud de unión, longitud del vástago, longitud del vástago sin rosca, longitud de la rosca dentro de la unión y su longitud total. Imagen 43. Junta o unión

Fuente: Robert L. Mott. Diseño de elementos de máquinas. 2.006. Donde; l = Longitud de la unión ls= Longitud del vástago sin rosca lc= Longitud con roscada lt= Longitud de la rosca dentro en la zona de sujeción lp= Longitud del perno

84

La longitud de la sujeción es de 2,51 in, que es el espesor del soporte y de la base de sujeción del cilindro. Para la selección del perno, es necesario determinar la precarga de acuerdo a la siguiente ecuación, tomada del libro de Diseño de elementos de máquinas de Robert Mott.

𝐹𝑖 = 0,8 x Sp x At

Dónde;

Fi = Precarga Sp =Resistencia de prueba mínima

At =Área de esfuerzo a tensión Se reemplazan valores;

Fi = 0,8 x 65.000 psi x 0,6060 in2 = 31.512 lb Se determina la longitud roscada;

Lc= 2 d + 0,25

Dónde;

lC =Longitud roscada d =Diámetro tentativo del perno Se reemplazan los valores;

lC = 2 x (1 in ) + 0,25 = 2,25 in Se determina la longitud del perno;

L= l + H

Dónde;

l =Longitud de la junta H = altura de la tuerca

85

Cuadro 13. Dimensiones principales del perno

Fuente: Unified National standard A partir de la selección realizada en el cuadro 13 se determina H altura de la tuerca 0,859 in.

Se Reemplazan valores de acuerdo a la selección realizada;

L= 2,5 in + 0,8593 in =3,36 in

Se calcula la longitud del vástago;

ls = l − lc Dónde;

ls =Longitud del vástago sin roscar l =Longitud del perno Lc = Longitud roscada Se reemplazan valores;

ls = 3,36 in − 2,25 in = 1,11 in Se determina la longitud en la zona de sujeción;

lt = l − ls

86

Dónde;

lt = Longitud de la rosca dentro en la zona de sujeción l =Longitud de zona de sujeción ls = Longitud del vástago sin rosca Se reemplazan valores;

lt = 3,36 in − 1,11 in = 2,25 in Se procede a hallar la rigidez material del perno;

1

Kb=

lt

At x E+

ls

Ab x E

Dónde; 1

Kb=Rigidez del perno

At =Área del esfuerzo a tensión ls =Longitud del vástago lt =Longitud en la zona de sujeción

Ab =Área de diámetro mayor E =Módulo elástico del material A36 Se reemplazan valores;

1

𝐾𝑏=

2,25 in

0,6060 in2 x 30 x 106 lb in2

+ 1,11 in

0,78539 in2 x 30 x 106 lb in2

= 5.851.507lb/in

Determinando la rigidez del perno, se encuentra la rigidez del material;

Km = d ∗ E ∗ Ae𝑏∗(dl

)

Dónde;

Km =Rigidez del material

E =Módulo elástico l =Longitud de zona de sujeción d =Diámetro mayor A= Parámetros de rigidez b= Parámetros de rigidez

87

Se reemplazan valores;

Km = (1 in) ∗ 30 x 106lb

in2∗ 0,78715 e

0,62873∗(1 𝑖𝑛

3,36 𝑖𝑛 )

Km = 78.729,7 lb/in

Encontrada la rigidez del, material se determina el factor rigidez;

C =kb

Km + kb

Dónde;

Kb = Rigidez del material C = Factor rigidez Km =Rigidez del material Se reemplazan valores;

C =5.852.325 𝑙𝑏/𝑖𝑛

78.729,7lbin + 5.852.325 lb/in

= 0,96

Hallando el factor de rigidez se procede a calcular la carga en proporción de la carga aplicada que experimenta el perno y el material del perno;

Pb = C x P Dónde;

Pb =Carga en proporción de la carga aplicada para el perno C =Factor rigidez

P =Carga a soportar Se reemplazan valores;

Pb = 0,96 ∗ 14.666 lbf = 14.079,3 lb Se halla la carga en proporción de la carga aplicada para el material;

Pm = (1 − C) x P

88

Dónde;

Pm = Carga en proporción de la aplicada para el material C =Factor rigidez P =Carga a soportar Se reemplazan valores;

Pm = (1 − 0,96 )x 14.666 lb = 586,64 lb Determinada la carga para el material se procede a calcular carga resultante para el material;

Fb = Fi + Pb Dónde;

Fi =Precarga Pb = Carga en proporción de la aplicada para el perno Fb =Carga resultante para el perno Se reemplazan valores;

Fb = 31.512 lb + 14.079,3 lb = 45.591 lb Se halla la carga resultante para el material;

Fm = Fi − Pm Dónde;

Fm =Carga resultante para el material Fi =Precarga Pm = Carga en proporción de la aplicada para el material Se reemplazan valores;

Fm = 31.512 lb − 586.64 lb = 30.925,3 lb Se procede a calcular el esfuerzo admisible del perno;

σb =Fb

At

89

Dónde;

σb =Esfuerzo admisible del perno Fb =Carga resultante para el perno At =Área del esfuerzo a tensión Se reemplazando valores;

σb =45.591 lb

0,6060 in2 = 75.232,6 psi

Se halla el factor de seguridad;

Ny =sy

σb

Dónde; Ny =Factor de seguridad

sy =Límite de fluencia del material del perno grado 4

σb =Esfuerzo admisible del material Se reemplazan valores;

Ny =115.000 psi

75.232,6psi= 1,6

De acuerdo a los aportes de Robert Mott, el factor de seguridad debe ser mayor o igual al admisible, respecto al comportamiento de la carga (estáticas de tracción). Por lo tanto, el factor de seguridad se encuentra entre el rango esperado para el perno calculado. Carga requerida para la separar la unión;

Po =Fi

(1 − C)

Donde;

Fi = Precarga

C = Factor rigidez Po= Carga requerida para la separar la unión

Po =14.666 lb

(1 − 0.96)= 366.650 𝑙𝑏

90

Calculada la carga requerida para la separar la unión, se continua con el cálculo del factor de seguridad contra la separación.

Nseparación =Po

P

Donde;

P = Carga Po = Carga requerida para la separar la unión Nseparación= Factor de seguridad contra la separación

Nseparación =366.650 𝑙𝑏

14.666 lb = 25

El factor de seguridad contra la separación28 es aceptable como se puede ver en la ecuación anterior, cuando este valor se encuentra igual o por debajo de 5 se considera crítico, el factor de seguridad contra la fluencia es bajo, pero así se esperaba, ya que el perno se precargó un 80% de la fuerza de prueba del perno, como la precarga es más alta, se garantiza que al ser aplicada la fuerza externa el perno no se romperá ni habrá fallas en la unión del perno diseño. 4.7 CÁLCULO DE DOBLADO Dada la importancia de los diferentes procesos de manufactura para la construcción de elementos de máquinas, se realiza desarrollo por poblado para la tolva de alimentación del sistema de compactación. Tolerancia de doblado29

𝐵𝐴 = 2𝜋 ∗𝐴

360∗ (𝑅 + 𝐾𝑏𝑎 ∗ 𝑡)

Donde; BA = Tolerancia de doblado en (mm) A = Ángulo de doblado en grados R = Radio de doblado, (mm) t = Espesor del material, (mm) Kba = Es un factor para estimar el estirado. Los siguientes valores de diseño se recomiendan para Kba : si R < 2t < Kba = 0.33; y si R ≥ 2t, Kba = 0.50. Estos valores de Kba predicen que el estiramiento ocurre solamente si el radio de doblado es más pequeño en relación con el espesor de la lámina.

28 NORTON ROBERT. L Diseño de elementos de máquinas. 758 p. 29 MARCINIAK,Z.; DUNCAN,J. L. andHU,S. J. Mechanics of sheet metal forming. 2. Ed. Oxford : Butterworth-Heinemann, 2002.

91

𝐵𝐴 = 2𝜋 ∗90°

360°∗ (6 𝑚𝑚 + 0,33 ∗ 12,7) = 16 𝑚𝑚

Fuerza de doblado. La fuerza que se requiere para realizar el doblado depende de la geometría del punzón y del dado, así como de la resistencia, espesor y ancho de la lámina de metal que se dobla, La fuerza máxima de doblado se puede estimar por medio de la siguiente ecuación,

𝐹 =𝐾𝑏𝑓 ∗ 𝑇𝑆 ∗ 𝑤 ∗ 𝑡2

𝐷

Donde; F = Fuerza de doblado (N) TS = Resistencia a la tensión del metal en lámina (MPa) w = Ancho de la parte en la dirección del eje de doblez (mm) t = Espesor del material o la parte (mm) D = Dimensión del dado abierto en (mm) En mecánica, la ecuación se basa en el doblado de una viga simple, y Kbf es una constante que considera las diferencias para un proceso real de doblado, Su valor depende del tipo de doblado; para doblado en V, Kbf = 1.33 y para doblado de borde, Kbf = 0.33.

𝐹 =0.33 ∗ 31,6

𝑘𝑔𝑚𝑚2 ∗ 35 𝑚𝑚 ∗ (12,7𝑚𝑚)2

20𝑚𝑚 = 2.943,3 𝑘𝑔

Imagen 44. Doblado de bordes

Fuente: GROOVER,Mikell P. Fundamentos de manufactura moderna. México, D.F: McGraw-Hill España, 2.007.

92

La pieza se realiza por medio de un doblez de bordes (ver imagen 44), ya que este se usa para alta producción y ángulos no mayores a 90°; el doblez se puede efectuar por medio de prensas hidráulicas o excéntricas. Este proceso se realiza en la tolva del sistema de compactación. Calculada la estructura, soldadura y demás elementos bajo el estado de cargas expuesto en el numeral 4.3.2, se puede determinar que se hace necesario el uso de una lámina la cual irá soldada a la estructura con el único fin de contener el retal de papel o cartón puesto que al ser particulado es necesario contenerlo para compactarlo.

93

5. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS Una vez se realiza el diseño de la estructura a partir de los cálculos respectivos, se selecciona el material (Ver cuadro 14), con el que se elabora un análisis por elementos finitos, donde se evalúan los elementos de la estructura del sistema de compactación. Cuadro 14. Características del material

Material A500

Densidad 7.850 kg/m3

Límite de fluencia o falla 345 MPa

Límite de rotura 428 MPa

5.1 ANÁLISIS DE SOPORTE CILINDRO HIDRÁULICO Con el fin de verificar y comparar los resultados obtenidos analíticamente, se realizar un análisis por elementos finitos el cual transforma mediante el uso de una malla tetraédrica, se define el elemento en un aproximado lineal (modelo discreto), se puede acomodar fácilmente a cualquier geometría, por lo cual es muy útil para geometrías complejas o zonas de concentrados de esfuerzos, Puede refinarse localmente sin afectar otras zonas (muy usado en zonas de concentradores de esfuerzos, esquinas o capa límite). Todo lo anterior con el fin de identificar desplazamiento y esfuerzos en los elementos estructurales del sistema de compactación a simular. El tamaño seleccionado para la malla es de 50 mm ya que este tamaño confirma el procedimiento realizado analíticamente, como se puede verificar en el Cuadro 15., dado que una malla de mayor tamaño se aleja del resultado esperado. A continuación, se establecen las fuerzas y restricciones fijas en la base de cada soporte, como se ilustra en la imagen 45.

94

Imagen 45. Restricción y fuerzas

La carga aplicada sobre este soporte es la reacción de la fuerza ejercida por el cilindro hidráulico. Este soporte tiende a flectarse, como se muestra en la imagen 42. Para realizar este análisis se simulan las condiciones de trabajo, bajo las cuales dos perfiles IPN 240 soportan el cilindro hidráulico con una carga de 392.266 N. 5.1.1 Desplazamiento. Una vez realizada la simulación, se obtiene un desplaza-miento de 0,895 mm. En el área de color rojo (Ver imagen 46) se marcan los puntos en los cuales se presentan los mayores desplazamientos. La deflexión máxima permitida cumple respecto a la determinada analíticamente en el numeral 4.3.2.

95

Imagen 46. Desplazamiento nodal del elemento en mm

5.1.2 Esfuerzos en el elemento. Con la simulación realizada se obtiene un valor de esfuerzo máximo de 180,03 MPa (Ver imagen 47), el cual, al ser comparado con el esfuerzo de fluencia del material, (345 MPa), garantiza soportar el esfuerzo al que se someterá.

96

Imagen 47. Esfuerzo elemental nodal

Realizada la simulación, en las vigas que soportan la carga que ejerce el cilindro hidraulico y deacuerdo al material usado se obtiene un resultado de esfuerzo con el que se puede comprobar el factor de seguridad con la siguiente ecuación. Donde; n= Factor de seguridad

𝜎Falla= Esfuerzo de falla del material 𝜎= Esfuerzo

97

𝑛 =𝜎𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎

𝜎

𝑛 =345 𝑀𝑃𝑎

180,03 𝑀𝑃𝑎= 1,9

El factor de seguridad obtenido esta entre el rango dado por el libro de Robert Mott diseño de elementos de máquinas; donde, n= 1,25 a 2 para el diseño de estructuras bajo cargas estáticas. En el cuadro 15 se demuestra la diferencia obtenida para cada uno de los casos demostrando la distribución de las fuerzas se asumió de forma correcta. Cuadro 15. Comparación de análisis

ESTRUCTURA

Análisis analítico Análisis elementos finitos

Desplazamiento 3,1 mm 0,895 mm

Esfuerzo del material 345 Mpa 345 Mpa

Esfuerzo Von Mises 172,5 Mpa 180 Mpa

Factor de seguridad 2 1,9

El análisis por elementos finitos (FEA), es una técnica con la que se busca predecir la respuesta de estructuras y materiales a factores como fuerzas, calor y vibración. Con el fin de verificar el comportamiento de las fuerzas que actúan sobre la estructura del sistema de compactación, se realizó un análisis por elementos finitos, en el cual se modelaron las fuerzas planteadas analíticamente, proporcionando las características del material mencionadas en numerales anteriores. La simulación se realiza en el software NX30, el cual tiene un lenguaje de programación C++ y trabaja mediante un sistema de ecuaciones algebraicas asociadas a la modelación del fenómeno empleado para el análisis estructural. El comportamiento del material y las condiciones de contorno se aplican a cada elemento. Este software (NX9.0) procesa y hace posible la resolución de cálculos complejos en cuestión de minutos. Cabe resaltar que el análisis por elementos finitos31 (FEA) se usa con mayor frecuencia en aplicaciones de mecánica estructural y sólida para calcular tensiones

30 Siemens Industry Software, S L;Press Release. 2017. Disponible en: https://www.plm.automation.siemens.com/es/about_us/newsroom/press/press_release.cfm?Component=212122&ComponentTemplate=822 31 KOLAN,Krishna; THOMAS,Albin andLEU,Ming. NX 9.0 for Engineering Design; 174 p.

98

y desplazamientos. Estos son a menudo críticos para el rendimiento del hardware y se pueden usar para predecir fallas. Por todo lo anterior, al simular el comportamiento de las fuerzas, se obtiene un resultado en el esfuerzo cercano al determinado analíticamente, ya que el modelo planteado funciona correctamente. Además, el desplazamiento obtenido analíticamente es mayor que el obtenido en la simulación, debido a que para reducir el desplazamiento se incorporaron elementos estructurales de apoyo adicionales (pies de amigo) con el fin de disminuir el desplazamiento. 5.2 ANÁLISIS PLACA DE COMPACTACIÓN A continuación, se procede a realizar el análisis por elementos finitos de la placa de compactación, teniendo en cuenta las cargas y restricciones que actúan sobre ella, con una malla de 50 mm. Imagen 48. Cargas y restricciones placa de compactación

5.2.1 Resultado de desplazamiento. Para este análisis se utiliza un acero A36 con el que se obtiene un desplazamiento de 0,0181 mm, (Ver imagen 49).

99

Imagen 49. Desplazamiento de la placa de compactación

5.2.2 Esfuerzo en la placa de compactación. Al realizar el análisis de la placa de compactación con un acero A36, el cual tiene un límite de fluencia de 250 MPa, se obtiene un esfuerzo máximo de 56,8 MPa (Ver imagen 50); se puede comprobar el factor de seguridad con la siguiente ecuación.

𝑛 =𝜎𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎

𝜎

Donde; n= Factor de seguridad

𝜎Falla= Esfuerzo de falla del material 𝜎= Esfuerzo sismulación

𝑛 =250 𝑀𝑃𝑎

56,8 𝑀𝑃𝑎= 4,40

El factor de seguridad obtenido esta entre el rango dado por el libro de Robert Mott diseño de elementos de máquinas; donde, n= 1,25 a 2 para el diseño de estructuras bajo cargas estáticas. El factor de seguridad es alto respecto al rango presentado, pero el tamaño de los perfiles y el espesor de la lámina no se pueden cambiar porque se necesita mantener la configuración planteada en el diseño.

100

Imagen 50. Esfuerzo de la placa de compactación

101

6. MANUALES

Imagen 51. Compactadora de papel

En este capítulo se indica el modo correcto para el uso del equipo, cómo funciona, las advertencias necesarias para que opere de manera óptima y las indicaciones para realizar un buen mantenimiento del sistema de compactación que se muestra en la imagen 51. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO La compactadora de retal de papel puede ejercer una fuerza máxima de 40 toneladas fuerza (TF), la máquina está conformada principalmente por un sistema electrohidráulico y una estructura construida en acero ASTM A500 y A36, con un área de operación mínima requerida para este equipo de 25 m2. Volumen máximo del bloque 1m3

Dimensiones del bloque compactado 1 m3

Fuerza de avance 40 toneladas fuerza (TF)

Potencia motor 20 hp

102

Materiales a compactar retal de papel y cartón

6.1 RECOMENDACIONES DE INSTALACIÓN Nota: Tanto el cilindro del sistema de compactación como la banda que alimenta la cavidad de compactación no funciona si la puerta se encuentra abierta. 6.1.1 Instrucciones de seguridad. Al usar herramientas eléctricas se deben seguir precauciones de seguridad con el fin de reducir riesgos de descargas electricas y lesiones. Mantenga el área de trabajo despejada; los espacios de trabajo desordenados

pueden provocar accidentes o lesiones

Ambiente de trabajo; no exponga el sistema de compactación a la lluvia, tenga el área de trabajo bien iluminada, no use herramientas en presencia de líquidos o gases inflamables

Mantenga al personal no capacitado alejado; no permita que el personal no autorizado, especialmente niños entren en contacto con el sistema de compactación

No sobrecargue el sistema de compactación; el trabajo se realizará de mejor forma y más segura en las condiciones para las que se diseño

No haga mal uso del sistema de compactación; no intente compactar materiales diferentes a los establecidos por el fabricante.

Mantenga una buena postura; al trabajar en el sistema de compactación no incline ni extienda demasiado su cuerpo.

Evite el encendido accidental; asegúrese de que los interruptores tengan una posición off (apagado) antes de conectarla a la electricidad

Tenga presente la señalización de seguridad para la operación del sistema de compactación

6.1.2 Recomendación de instalación de señales de advertencia en el equipo. Los principales riegos al operar el equipo son: riesgo mecánico, riesgo eléctrico y riesgo físico. Dado que, la máquina compactadora opera mediante un fluido hidráulico a una temperatura que oscila entre 20°C y 40ºC, la placa móvil opera a baja velocidad, el motor trabaja a un voltaje de 220 v y los componentes electrohidráulicos a 24 v. Por lo tanto, los riesgos mencionados se describen a continuación;

103

Nota: Es importante señalizar adecuadamente el sitio de trabajo donde se usará el equipo, para que el operario y las personas que transiten sus alrededores puedan permanecer alerta ante los riesgos derivados del contacto inapropiado, inadvertido e inexperto con el equipo y su entorno. 6.1.3 Riesgo mecánico. La placa móvil se mueve por el avance y retroceso del pistón hidráulico para comprimir el papel, como consecuencia de una falla en los sensores, en la operación o una inadecuada realización de este proceso, una persona puede quedar atrapada en la cavidad de compactación y provocarse lesiones importantes, irreversibles o incluso comprometer su integridad física. Además, se debe tener especial cuidado de nunca obstruir la cavidad de compactación durante el llenado de la misma o cuando la placa este en movimiento, en caso de ocurrir se debe accionar el botón paro de emergencia lo antes posible. Por lo anterior se deben tener las siguientes precauciones;

Delimitar el área de trabajo y no permitir personal no autorizado en dicha área Las personas deben evitar entrar en contacto con las partes móviles de la

máquina No debe haber elementos como herramientas en el área de trabajo cuando la

máquina este en operación

Imagen 52. Riesgo mecánico

Fuente: Seton http://www.se ton.es/señales-peligro-peligro -riesgo-atrapamiento 6.1.4 Riesgo eléctrico. En el equipo se va a suministrar voltaje considerable, en caso de entrar en contacto con una persona, puede electrocutarse provocándole quemaduras o incluso la muerte. Adicionalmente, se puede provocar un incendio o dañar el equipo, por eso se deben tener en cuenta las siguientes precauciones para prevenir riesgos.

104

Verificar que el motor eléctrico no este sobrecalentado

Aislar correctamente los empalmes entre los cables y verificar que los cables no estén pelados o en mal estado

No tensionar los cables eléctricos

No abrir la caja eléctrica sin tener la respectiva capacitación eléctrica, usar

calzado dieléctrico, guantes aislantes y gafas de seguridad

Verificar que en el área de trabajo no se encuentren líquidos ni charcos al encender el equipo

Realizar la instalación eléctrica fuera del alcance del personal que transite por el área y señalizar el riesgo

Imagen 53. Riesgo eléctrico

Fuente: seton http://www.seton.es/

señales-autoadhesivo 6.1.5 Riesgo físico. El sistema hidráulico del equipo cuenta con motor eléctrico y bomba hidráulica que generan altos niveles de ruido de manera constante; en una persona u operador que se exponga por tiempos prolongados puede causar trauma acústico y secuelas crónicas que comprometen la audición del trabajador. Por lo tanto, siempre se deben utilizar elementos protección auditiva en el área de operación del equipo.

105

Imagen 54. Riesgo auditivo

Fuente: https://acufenosblo wordpress.com 6.2 RECOMENDACIONES DE INSTALACIÓN En este numeral se presentan las recomendaciones para la instalación correcta del equipo, teniendo en cuenta que por recomendación del fabricante se entrega totalmente ensamblado. El sistema de compactación debe ser transportado por un montacargas, hasta

ubicarlo en el lugar de trabajo, bajo las condiciones adecuadas para su funcionamiento

Se recomienda que el área ocupada por el sistema, sea libre de humedad y a

una temperatura ambiente

Verificar que el sistema cuente con todos sus elementos y que se encuentre correctamente ubicadas y ajustadas

Asegurarse que el área donde se ubique el sistema de compactación, cuente

con una conexión trifásica para garantizar su funcionamiento Al conectar la unidad de potencia se iluminará un botón (testigo) al encenderse 6.3 ACCESORIOS Y PARTES En este numeral se describen las 3 componentes principales sistema de compactación. 6.3.1 Estructura. El componente fue diseñado específicamente para llevar a cabo el proceso de compactación, proporcionar soporte a el sistema en su totalidad y adicionalmente conformar geométricamente el bloque una vez se realiza el proceso.

106

Por otro lado, el diseño interior de la cavidad de compactación que compone la estructura proporciona estabilidad, guiando la placa móvil y evitando movimientos no deseados. El componte estructural del sistema de compactación se muestra en la imagen 55 está conformado por; (1) base zona de compactación, (2) cara lateral derecha, (3) cara lateral izquierda, (4) cara posterior, (5) ducto de alimentación, (6) puerta, (7) soporte cilindro hidráulico y (8) elemento de cierre. Imagen 55. Componente estructural

6.3.2 Placa móvil. Este componente es el encargado de moverse en el interior de la cavidad durante el proceso de compactación para realizar el proceso y conformación del bloque, a partir, de la fuerza ejercida por el cilindro. Por otro lado, los elementos de este componente dirigen la placa móvil, con el fin de evitar movimientos heterogéneos que pueden causarse por la configuración del material a compactar. Adicionalmente, los ganchos ubicados en la parte posterior de la placa móvil, deben acoplarse a una guaya de acero al final del proceso para facilitar la extracción del bloque de la cavidad de compactación. La placa móvil que se muestra en la imagen 56, está compuesta por; (1) base de compactación, (2) aletas soporte, (3) mesa, (4) pieza central y (5) ganchos.

107

Imagen 56. Placa móvil

6.3.3 Unidad hidráulica y cilindro hidráulico. Este componente en conjunto es el encargado de suministrar potencia, fuerza y movimiento al sistema de compactación, esto con el fin de realizar el proceso de compactación. El cilindro hidráulico es el encargado de mover la placa, ejerciendo la fuerza suficiente para compactar el material. El componente que se muestra en la imagen 58, está conformado por; (1) cilindro hidráulico, (2) mangueras y (3) la unidad de potencia hidráulica. Para acoplar la placa móvil al vástago del cilindro hidráulico, se implementó un orificio ubicado en el extremo del vástago y otro en la pieza central, los cuales son atravesados por un pasador, con el fin de sobreponer los elementos y asegurar las piezas como se muestra en la imagen 57.

108

Imagen 57. Esquema unión de la placa al vástago

Imagen 58. Unidad y Cilindro

109

6.4 PASOS PARA OPERAR DEL EQUIPO En este numeral se describe el procedimiento que permite al operario poner en marcha el equipo, describiendo su funcionamiento paso a paso. 6.4.1 Paso 1. Identificar los componentes electrohidráulicos del equipo como indicadores, pulsadores, interruptores, entre otros. La imagen 59 que se muestra a continuación, facilita la identificación de cada uno de estos. Imagen 59. Tablero de mando

Para mayor información de cada elemento que conforma el tablero de mando, consultar el cuadro 16, en el cual se encuentra la nomenclatura asignada al tablero de mando y su respectiva descripción.

110

Cuadro 16. Nomenclatura del tablero de mando

Nomenclatura Descripción

Interruptores/pulsadores

S0 Interruptor on/off

S1 Paro de emergencia con enclavamiento mecánico

S2 Llenar-compactar (banda)

S3 Retroceder (stop)

S4 Compactar (compactar)

Pilotos

H1 Indicador de obstrucción en la cavidad

H2 Banda alimentación activada

H3 Retroceder cilindro

Sensores

S5 Sensor puerta abierta-cerrada

S6 Sensor obstrucción de la cavidad

S7 Sensor nivel satisfactorio

S8 Sensor fuerza

S9 Sensor A0 (posición inicial)

S10 Sensor posición cilindro afuera

S11 Sensor de seguridad (posición inicial cilindro)

Interruptor on/ off (S0). Permite encender o apagar el equipo, se encuentra

ubicado en el extremo superior izquierdo del tablero de mando Paro de emergencia con enclavamiento mecánico (S1). Detiene el

funcionamiento del equipo en situaciones de emergencia, está ubicado en el centro de la parte superior del tablero de mando

Llenar- compactar (S2). Permite activar la banda transportadora para iniciar la

alimentación de la cavidad y posteriormente el proceso de compactación, se ubica en el extremo izquierdo del tablero de mando

Retroceder (S3). Permite el retroceso del cilindro hidráulico para realizar otro

ciclo de compactación o retirar el cilindro, se encuentra en la parte central del tablero de mando

111

Compactar (S4). Inicia el proceso de compactación en caso de no estar en funcionamiento la banda transportadora o realizar una alimentación manual, se encuentra en la parte inferior izquierda del tablero de mando

Indicador de obstrucción (H1). Permite identificar una obstrucción en el proceso de compactación, se ubica en la parte superior derecha del tablero de mando

Banda alimentación activa (H2). Permite identificar cuando la banda trasportadora esta activa, se encuentra en la parte derecha el tablero de mando

Sensor de puerta abierta-cerrada (S5). Permite el funcionamiento del sistema de

compactación cuando está cerrada la puerta, de lo contrario no se inicia el proceso por seguridad, se ubica en la cara lateral

Sensor de obstrucción de la cavidad (S6). Es un sensor de barrera que permite

identificar objetos extraños en la cavidad, para evitar accidentes durante el proceso, se ubica en el extremo anterior de la cavidad de compactación

Sensor de nivel satisfactorio (S7). Este sensor permite identificar el nivel de

llenado en la cavidad máximo para iniciar el proceso de compactación se ubica en el interior de la cavidad de compactación a una altura de 1,50 m

Sensor de fuerza (S8). Este sensor permite restringir el avance del cilindro

cuando alcanza el nivel establecido, se ubica en la base de la cavidad de compactación en contacto con el material a compactar

Sensor de posición inicial (S9). Este sensor indica que el cilindro esta en la

posición S0 en con el vástago en el interior del embolo, se ubica en el vástago con el fin detenerlo en la extensión deseada.

Sensor de posición cilindro afuera (S10). Este sensor indica que el cilindro esta

en su máxima extensión con el vástago extendido en su totalidad, se ubica en el vástago con el fin detenerlo en la extensión deseada.

Sensor de seguridad (S11). Es un sensor redundante de seguridad para la

posición inicial o de retroceso del cilindro hidráulico, se ubica en el vástago con el fin detenerlo en la extensión deseada.

En la imagen 60 mostrada a continuación, se puede observar la ubicación de

cada uno de los sensores en el sistema de compactación y durante el paso a paso se describe cada función que realizan durante el proceso de compactación de papel y cartón.

112

Imagen 60. Ubicación de sensores en el sistema de compactación

6.4.2 Paso 2. Identificar en el tablero de mando el botón de encendido y oprimirlo, se enciende la máquina y se verifica que el indicador este encendido (rojo), como se muestra en la siguiente imagen 61; Imagen 61.Encendido

113

6.4.3 Paso 3. Se oprime el pulsador S2 que se muestra en la imagen 62, para iniciar la alimentación de papel por medio de la banda transportadora para llenar la cavidad de compactación. Imagen 62. Llenado- compactar

Una vez se encuentra llena la cavidad hasta una altura promedio de 1,50 metros (ver imagen 63), el sensor nivel satisfactorio (S7) se activa deteniendo la banda transportadora, permitiendo que el cilindro hidráulico sujeto a la placa móvil descienda para compactar el retal de papel. Imagen 63. Alimentación y nivel satisfactorio

114

En caso de no estar en funcionamiento la banda transportadora o querer utilizar la alimentación manual, el operario para compactar deberá pulsar S4 que se muestra en la imagen 64. Imagen 64. Compactar

6.4.4 Paso 4. El operario debe decidir si va a realizar otro ciclo de llenado y/o compactado; siendo así, debe pulsar S3 que se muestra en la imagen 65 para retornar el cilindro; cuando el cilindro se encuentre en su posición inicial deberá pulsar S2 o S4 de acuerdo a los pasos anteriormente mencionados en el paso 3. En caso de que el bloque se vaya a retirar, el operario deberá abrir la puerta, zunchar, anclar el cable a la placa móvil y pulsar S3 para expulsarlo. Imagen 65. Retorno cilindro

Cuando el cilindro ejerce la fuerza máxima, se detiene dejando el papel comprimido. El equipo cuenta con un sensor de fuerza que emite una señal no permite el avance del cilindro. El indicador de fuerza (ver imagen 69), indica al operario que la placa móvil ejerció la máxima fuerza de compactación que logra la máquina y por lo tanto

115

se detuvo, a continuación, el operario debe pulsar S3 para retornar el cilindro y de ser necesario comenzar un nuevo ciclo o expulsar el bloque. 6.4.5 Paro de emergencia. El paro de emergencia es un interruptor con enclava-miento, que se encuentra en el tablero de mando y está diseñado para evitar situaciones peligrosas. Su función consiste en detener la operación inmediata del equipo; con el fin de prevenir o disminuir las situaciones que puedan poner en peligro a los trabajadores y/u operarios, evitar daños en la máquina o minimizar los riesgos mencionados anteriormente. Se pone en funcionamiento solo con la activación del interruptor que se muestra en la imagen 66.

Imagen 66. Paro de emergencia

6.4.6 Indicadores led. Estos indicadores luminosos sirven para indicarle al operario que una parte del proceso ya terminó y así poder iniciar la ejecución del siguiente, o en algunos casos para indicar una falla o peligro en el equipo. Los indicadores se muestran y describen a continuación.

Imagen 67. Indicador de obstrucción

116

El indicador de obstrucción (imagen 67), detecta elementos ajenos al equipo, incluso personas en la entrada de la cavidad de compactación. Cuando esté se encuentre activo no avanzará el cilindro para continuar el proceso. Imagen 68. Banda activa

El indicador de banda (imagen 68), permite al operario identificar cuando la banda se encuentra activa, y por ende alimentando el equipo. Si pulsa S4 se detendrá la banda y este indicador se apagará.

Imagen 69. Indicador de fuerza

6.4.7 Paso 5 Zunchado del bloque. El bloque de papel se debe zunchar cuando se obtiene el tamaño adecuado; el proceso se realiza cuando el cilindro junto a la placa móvil comprime el papel con su fuerza máxima, luego de esto, el operario pasa el zuncho a través de los orificios (ver imagen 70), tensiona, amarra y corta el zuncho sobrante y se repite la operación. Se sugiere poner tres zunchos alrededor del bloque mínimo, luego de zunchar correctamente el bloque.

117

Imagen 70. Zunchado de bloque

6.4.8 Paso 6 Expulsión del bloque. Para este paso el operario debe tomar unas guayas (2) de acero que pasan bajo el cubo y están sujetas en la parte baja-frontal de la zona de compactación; acoplar a los ganchos ubicados en la parte posterior de la placa de compactación (ver imagen 71), con el fin de que al retroceder el cilindro hidráulico la guaya se tense y posteriormente se realice la extracción del bloque de papel zunchado. Imagen 71.Esquema guaya tensa

Si el bloque fabricado no tiene suficiente rigidez debido al tipo de papel que está compactando, se recomienda poner un cartón en la parte superior y otra en la

118

inferior del bloque, (cara en contacto con piso y cara en contacto con placa móvil) para proporcionar mayor rigidez. 6.4.9 Operación semi-automática. El equipo opera únicamente en modo semi-automático, dado que, luego de encenderlo se inicia el proceso de alimentación a partir de la banda transportadora, una vez se alcanza el nivel satisfactorio de llenado, inicia el proceso de compactación del bloque, el cual termina con el zunchado y expulsión del bloque final. Sin embargo, durante el zunchado y expulsión se hace necesaria la intervención del operario. La secuencia de operación puede modificarse debido al comportamiento del material y la forma los residuos de papel, se pueden agregar o disminuir los ciclos de llenado en el cual se agrega material al bloque y es compactado nuevamente esto se hace bajo el criterio del operario. 6.5 MANUAL DE MANTENIMIENTO El mantenimiento le permite a la empresa y los operarios preservar las condiciones óptimas y/o necesarias para el correcto desempeño y funcionamiento del sistema. Además de extender la vida útil del mismo. A continuación, (ver cuadro 17) se mencionan los elementos y las recomendaciones necesarias para cada elemento del sistema; se deben realizar operaciones de mantenimiento para tener un correcto desempeño y aumentar la disponibilidad del equipo. Las actividades de limpieza que debe realizar el operario al finalizar cada jornada de trabajo, permiten prolongar la vida útil del equipo. En el siguiente cuadro se muestran los principales componentes y subcomponentes del sistema de compactación y el procedimiento a realizar con cada uno durante el mantenimiento, con el fin de proporcionar las herramientas necesarias al operario u encargado para realizar un mantenimiento con la frecuencia adecuada. Cuadro 17. Programa de mantenimiento

Sistemas Subcomponente Procedimiento Detalle de

procedimiento Observaciones Frecuencia

Estructural

Tolva Inspección visual Mantener aseado Usar elementos apropiados que

eviten la corrosión Diario

Limpieza Mantener libre, sin

material que obstruya el paso

Utilizar cepillo de cerda plástica con el fin de remover

residuos

Diario

Elementos estructurales

Lubricación y limpieza

Lubricar las bisagras y

pasadores y cierres

Usando aceite multipropósito

Mensualmente

119

Cuadro 17. (Continuación)

Componente Subcomponente Procedimiento detalle de procedimiento

Observaciones Frecuencia

Estructural Cavidad de

compactación Limpieza

Remover residuos que se encuentren

en el interior Diariamente

Placa móvil

Limpieza Remover residuos Diariamente

Ajustar el pasador que sujeta el

vástago a la placa Mensualmente

Inspección de guías

Medir el desgaste de las guías

Usar un calibrador para medir el

desgaste Semestralmente

Sistema hidráulico

Motor

Medir vibración Las vibraciones

deben estar entre 0,28 - 0,7 mm/2

Usar medidor de vibraciones

Semestralmente

Verificar amperaje ≤ 16,4 Amp

Usar pinza amperimétrica,veri

ficación de conexiones,

cableado, estado de dicho cableado

Semestralmente

Limpieza

Mantener limpio el embobinado y escobillas para evitar fallas o aislamiento

Utilizar cepillo de cerda plástica con el fin de remover

residuos

Semestralmente

Aislamiento y respuesta del

motor

Realizar un megueo

La prueba se realiza con un megohmetro

Semestralmente

Medir la temperatura en un

punto central (tapa de

visualización de escobillas y

embobinado)

La temperatura se debe encontrar en un rango de entre

40 - 63 grados centígrados

Usar un termómetro

infrarrojo Semestralmente

Cilindro hidráulico

Limpieza Retirar restos de

polvo con un paño seco

Emplear un paño seco para retirar

suciedad Mensualmente

Ajuste Ajustar tornillos de

sujeción; torque de 150 Lb.ft

Usar torquimetro Semestralmente

Verificación

Revisar que el cilindro no tenga

fugas en conexiones y

empaquetaduras

Semanalmente

Unidad hidráulica

Verificación Verificar el nivel de aceite en el

tanque Diariamente

Cambio de aceite Cambiar el aceite

de la unidad hidráulica

El aceite se debe cambiar cada

2.000 horas de operación, según

el fabricante

2.000 horas de operación

Calibración Revisar la presión de trabajo en la

unidad hidráulica

Observar en el manómetro que el

rango de la presión se

encuentre entre 1.800 y 1.750 psi

Anualmente

120

Cuadro 17. (Continuación)

Componente Subcomponente Procedimiento detalle de procedimiento

Observaciones Frecuencia

Sistema hidráulico

Bomba hidráulica Inspección Verificar la presión

de trabajo

Observar los manómetros que mantengan de

2.500 a 2.800 psi

Mensualmente

Filtros unidad hidráulica

Filtro Cambio de filtro Remitirse al manual de fabricación

Trimestralmente

Ductos de succión y descarga

Ajuste y verificación

Verificar la presión de succión y

descarga

Observar los manómetros de

entre 2.500 a 2.800 psi

Mensualmente

121

7. ESTUDIO FINANCIERO Para analizar y evaluar financieramente la construcción de la compactadora se deben tener en cuenta los costos de materia prima, costos de mano de obra y costos adicionales a la fabricación. 7.1 INVERSIÓN 7.1.1 Costos de Ingeniería. Se calculan la cantidad de horas invertidas en la elaboración del diseño e ingeniería del sistema de compactación, junto con el precio estimado de cada una, se suman los recursos necesarios para desarrollar el proyecto (información recopilada en el siguiente cuadro) y con esto se evalúa financieramente el proyecto. Cuadro 18. Costos de ingeniería

ÍTEMS UNIDAD CANTIDAD $/UNIDAD TOTAL FUENTE FINANCIAD.

TALENTO HUMANO

Proponentes (2) H-H 914 $7.000 $6.398.000 Proponentes

Orientador H-H 60 $15.000 $900.000 F.U.A

Total talento humano $7.298.000

GASTOS MAQUINARIA Y EQUIPO

Computador UNI 2 $1.500.000 $3.000.000 Proponentes

Licencia de software NX 10 H 1 $500.000 $500.000 F.U.A

Total Maquinaria y Equipo $3.500.000

FUNGIBLES

Libros UNI 2 $120.000 $240.000 Proponentes

Papel Resmas 3 $13.000 $39.000 Proponentes

Tinta Cartuchos 4 $45.000 $180.000 Proponentes

Total fungibles $459.000

Total $11.257.000

122

7.1.2 Costos de materia prima. Estos costos se dividen en dos partes, los costos de los elementos del sistema electrohidráulico y los costos de los materiales para la construcción de la estructura. Cuadro 19. Costos de fabricación y sistemas del equipo

Sección Elemento Cantidad Denominación Precio Total

Sistema hidráulico

Cilindro hidráulico

1 c/u 3.200.000 3.200.000

Unidad hidráulica completa

1 c/u 5.150.000 5.150.000

Mangueras 2,5 mts

2 c/u 180.000 360.000

Terminales mangueras

4 c/u 17.000 68.000

Sistema de mando

Tablero eléctrico y sensores (instaldos)

1 c/u 1.855.000 1.855.000

Estructura Materiales estructurales, construcción y pintura

1 c/u 7.847.852 7.847.852

TOTAL 18.480.852

Para mayor información de los precios y componentes ver los Anexos G y H. 7.1.3 Costo total de la fabricación del sistema de compactación. Teniendo en cuenta los costos de ingeniería obtenidos en el cuadro 18 y los costos de fabricación y sistemas del equipo que se muestran en el cuadro 19, se determina que el precio total para la fabricación del sistema de compactación diseñado es de $29.737.852 millones de pesos (IVA incluido). El transporte debe ser asumido por la empresa MAC ANILLADOS Y ACABADOS IMPRESOS S.A.S, ya que el camión es de su propiedad. Sin embargo, para efectos de la evaluación financiera se tiene en cuenta un precio de alquiler de $130.000 día. 7.2 COMPARACIÓN PRECIOS COMPACTADORAS Se cotizó una máquina compactadora de residuos nacional, con características similares en relación al diseño propuesto, la cual tiene un costo de $39.270.000 millones de pesos (IVA incluido), para mayor información consultar Anexo I. Por lo tanto, se realizó una comparación de precios (sistema de compactación diseñado Vs máquina compactadora nacional), mediante lo cual se concluye que, al fabricar

123

el sistema de compactación diseñado, se reduce el costo en 24,3% y se considera viable su fabricación. Adicionalmente, se cotizó una máquina compactadora de residuos importada, con características similares a las que tiene el diseño planteado, la cual tiene un costo de $ 10.840 dólares (USD), para mayor información consultar Anexo J. Además, se deben tener en cuenta los gastos totales de importación del producto, que corresponden a un 36,6%32 adicional (ver tabla 2). Se asume una tasa de cambio de $ 2.805,12 COP y se obtiene un valor total de $41.535.411,84 pesos colombianos (COP) como precio de la máquina importada. Tabla 2. Porcentaje del valor. Coste, seguro y flete (CIF)

Fuente:Los costos y el tiempo que tarda importar y exportar una mercancía en Colombia. En: DINERO

De acuerdo al valor de la máquina importada en pesos colombianos y con los costos de importación ($41.535.411,84), se realiza una comparación de precios (sistema

32 García Jorge, Collazos María, López David, Montes Enrique. Los costos y el tiempo que tarda importar y exportar una mercancía en Colombia. En: DINERO.

124

de compactación diseñado Vs máquina importada) y se concluye que, al fabricar el sistema de compactación diseñado, se reduce el costo en 28,4% y se considera viable su fabricación. 7.3 COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Una vez evaluados lo costos de fabricación del sistema de compactación, se deben determinar los costos de operación y mantenimiento, dentro de los cuales se encuentra energía, salario de operarios y mantenimiento del equipo. 7.3.1 Costos del operario. Actualmente, el costo anual del operario de la máquina con la que cuenta MAC anillados y acabados impresos SAS es de $17.845.830; valor en el cual la empresa incluye horas extra y dominicales por las que debe pagar para la operación de la máquina. Este dato fue suministrado por la empresa. Teniendo en cuenta el salario mínimo fijado para el año 2017 en Colombia más los aportes establecidos por la ley, se obtiene un salario de $1.191.982 mensual; entonces, el costo anual de contratar un operario para el sistema de compactación diseñado se calcula a continuación,

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = 𝑠𝑎𝑙𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 × 12 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 = $1.191.982 × 12 = $14.303.784

Cabe resaltar que, con el sistema de compactación diseñado el operario contratado solo va a trabajar 8 horas diarias y 192 horas al mes, por lo cual no se debe incurrir en gastos adicionales que correspondan a horas extra, nocturnas o dominicales. Es decir que, el costo anual del operario calculado al implementar el sistema de compactación corresponde a $14.303.784. 7.3.2 Consumo de energía. De acuerdo a los ítems planteados en el siguiente cuadro, se determina el consumo de energía de la máquina usada actualmente y el diseño propuesto. Con el fin de evaluar si la energía necesaria para el funcionamiento del sistema de compactación diseñado es proporcional o menor a la energía consumida actualmente. Cuadro 20. Características la máquina actual y el diseño propuesto

Descripción Actual 1.800 kg/h Diseño 2.800 kg/h

Potencia motor (hp) 10 14

Tiempo de accionamiento (seg) 46 50

Acciones del cilindro por paca 3 3

Numero de pacas por hora 6,5 4,6

Acciones del cilindro por hora 19,5 13,8

Tiempo de operación por hora (min)

14,95 11,5

125

Cuadro 20. (Continuación)

Descripción Actual 1.800 kg/h Diseño 2.800 kg/h

Días de trabajo mes 20 20

Meses trabajados en el año 12 12

Motor (voltaje) 380 380

Amperaje (I) 15 27

Polos 4 4

Rpm 1800 1700

Factor de potencia (FP) 0,85 0,85

Eficiencia (Ef) 0,87 0,89

Para calcular la energía consumida por año de la máquina actual y el sistema de compactación diseñado, se determina el tiempo de operación en el año y se emplea la siguiente ecuación;

𝐸 =√3 × 𝐼 × 𝑉 × 𝐹𝑝 × 𝐻𝑟𝑠

1000 × 𝐸𝑓

Donde; I= Amperaje V= Voltaje Fp= Factor de potencia Hrs= Horas Luego, se toma el tiempo trabajado por la máquina, el tiempo de operación del motor en una hora y se halla un estimado del tiempo que trabaja durante el año. Con colaboración del operario de la máquina actual, se determina que el motor opera 15 minutos por hora,11 horas al día y 20 días al mes;

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 = 15 𝑚𝑖𝑛 ×1 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

60 𝑚𝑖𝑛× 11

ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

𝑑𝑖𝑎× 20

𝑑𝑖𝑎𝑠

𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠× 12

𝑚𝑒𝑠

𝑎ñ𝑜

= 660ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

𝑎ñ𝑜

Una vez obtenido el tiempo operado actual, se reemplazan valores en la siguiente ecuación,

𝐸 =√3 × 𝐼 × 𝑉 × 𝐹𝑝 × 𝐻𝑟𝑠

1.000 × 𝐸𝑓

126

𝐸 =√3 × 15 × 380 × 0,85 × 660

1.000 × 0,87= 6.366 𝑘𝑤𝑎𝑡𝑡/𝑎ñ𝑜

De acuerdo al sistema de compactación diseñado, se determina que el motor opera 11,5 minutos por hora,8 horas al día y 20 días al mes;

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 = 11,5 𝑚𝑖𝑛 ×1 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

60 𝑚𝑖𝑛× 8

ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

𝑑𝑖𝑎× 20

𝑑𝑖𝑎𝑠

𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠× 12

𝑚𝑒𝑠

𝑎ñ𝑜

= 368ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

𝑎ñ𝑜

Una vez obtenido el tiempo operario en el sistema de compactación diseñado, se reemplazan valores en la siguiente ecuación,

𝐸 =√3 × 𝐼 × 𝑉 × 𝐹𝑝 × 𝐻𝑟𝑠

1000 × 𝐸𝑓

𝐸 =√3 × 27 × 380 × 0,85 × 368

1.000 × 0,89= 6.245 𝑘𝑤𝑎𝑡𝑡/𝑎ñ𝑜

Por todo lo anterior, se infiere que la diferencia de consumo entre los equipos es de 121 kwatt/año. Dado que la diferencia obtenida es del 2%, se considera que es una diferencia muy baja, por lo cual no se va a considerar en el estudio económico. 7.3.3 Costo de mantenimiento. Según la empresa el equipo tiene un avaluó comercial actual de $5.000.000, y el costo de mantenimiento durante el año 2017 fue de $2.550.000. El costo del sistema de compactación diseñado es de $29.737.852 y el costo de mantenimiento cotizado por la empresa que vende los equipos hidráulicos es de $1.400.000 anualmente, para mayor información consultar anexo I. Cuadro 21. Comparación costos de operación y mantenimiento

Descripción Actual 1.800 kg/h Diseño 2.800 kg/h

Costo del equipo $5.000.000 $29.737.852

Costo operario $17.845.830 $14.303.784

Costo mantenimiento $2.550.000 $1.400.000

Total $ 25.395.830 $45.441.636

7.4 ANÁLISIS FINANCIERO Para analizar financieramente el proyecto, es necesario determinar cuánto dinero se debe invertir y en cuánto tiempo se tardará en recuperar la inversión.

127

En este numeral, se analiza sí el sistema de compactación diseñado es viable económicamente a partir del método costo anual equivalente (CAE). Para dicho análisis se halla un valor de salvamento del 20% sobre el valor inicial del equipo. se estima un periodo de depreciación de 5 años y se reemplaza en la siguiente ecuación;

𝑐𝑢𝑜𝑡𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑣𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛

𝑐𝑢𝑜𝑡𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =29.737.852 − $5.947.570

5= $4.758.056

La tasa de oportunidad (TIO) que define la empresa es del 15%, con esto se calcula el factor de anualidades como se determina en la siguiente ecuación;

1

(1 + 0,15)+

1

(1 + 0,15)2+

1

(1 + 0,15)3+

1

(1 + 0,15)4+

1

(1 + 0,15)5= 3,352

Después de determinar el valor de las anualidades y el factor actual, el último periodo de los cinco que fueron seleccionados, de acuerdo a la siguiente ecuación;

𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 =1

(1 + 0,15)5= 0,4971

Para explicar los casos, se hacen dos diagramas de flujo efectivo de la máquina usada actualmente y del sistema de compactación diseñado, los cuales se muestran a continuación, Diagrama costo de operación y salvamento de la máquina actual;

128

Diagrama de costo de operación y valor inicial del sistema de compactación diseñado;

Al ubicar los flujos de efectivo para cada caso, se restan los flujos de efectivo anuales, el valor inicial y el salvamento; con el fin determinar la diferencia en costo de operación y mantenimiento en el sistema de compactación diseñado. Diagrama comparativo, Máquina actual Vs sistema de compactación diseñado;

El valor presente neto se halla con la siguiente ecuación;

𝑉𝑃𝑁 = −∑𝐸𝑗

(1 + 𝑖)𝑛+ ∑

𝐼𝑗(1 + 𝑖)𝑛

Donde;

129

VPN= Valor presente neto Ej= Egresos i= Interés Ij= Inversión n= Periodo

𝑉𝑃𝑁 = −24.737.852 +4.692.046

(1 + 0,035)1+

4.692.046

(1 + 0,035)2+

4.692.046

(1 + 0,035)3+

4.692.046

(1 + 0,035)4

+4.692046

(1 + 0,035)5= −3.553.020

Teniendo en cuenta lo anterior, se puede concluir que, al fabricar el sistema de compactación diseñado y operarlo durante 5 años, a la empresa le faltarían $3.553.020 para recuperar la inversión al finalizar el quinto año. Por lo cual, se decide calcular la ganancia del sexto año y determinar si se logra recuperar la inversión realizada. La ganancia del año 6 se halla con la siguiente ecuación;

𝐼𝑗(1 + 𝑖)𝑛

Donde; Ij= Inversión i= Interés n= Periodo

4.692.046

(1 + 0,035)6= 3.816.982

Dado que la ganancia en el 6 año es de $3.816.982 y en el quinto año aún se deben $3.553.020, se realiza una resta y se determina que además de recuperar la inversión, se obtiene una ganancia de $263.872.

130

8. CONCLUSIONES Una vez se realiza el análisis comparativo en cuanto al costo de comprar una

máquina nacional, importada o fabricar el sistema diseñado se concluye que fabricar el sistema de compactación es viable económicamente, dado que representa un ahorro en el costo inicial del 24,3% y 28,4% respecto a la compra de una máquina nacional o importada respectivamente

Además de ser económicamente viable fabricar el sistema de compactación, la inversión realizada por la empresa MAC anillados y acabados impresos SAS, se recupera en su totalidad a los 6 años de operación, ya que se presenta un ahorro del 23% en el costo de operación, lo que corresponde a $4.692.046

De acuerdo con los resultados obtenidos en la modelación realizada en el

software Nx versión 9.0, se verifica mediante elementos finitos que la máquina no presenta fallas estructurales y trabajará con un factor de seguridad de 1,9.

Durante el desarrollo del proyecto, se logra identificar la gran necesidad de

promover la industria recicladora, enfocada a la compactación y reutilización de residuos, dado que reciclar papel estadísticamente ofrece la ventaja de reducir emisiones gaseosas en 73%, emisiones líquidas 44% y reducir residuos sólidos producto de fabricación 39%

La evaluación de las alternativas de diseño, permitió conocer las características relevantes de cada una, a partir de las cuales se podría evaluar la implementación de estas en la industria recicladora que se dedica no solo a la compactación de residuos de papel y cartón, sino de pet, aluminio y chatarra.

131

9. RECOMENDACIONES

Se recomienda al implementar el sistema de compactación el uso una banda transportadora para alimentar regularmente el sistema de compactación

Se recomienda el desarrollo de un método de zunchado automático para el

sistema de compactación, que permita reducir el tiempo para llevar a cabo este proceso y así disminuir el número de intervenciones manuales que debe realizar el operario

Se recomienda establecer un sistema que transporte el bloque de retal ya

compactado, una vez terminado el proceso, para evitar el uso de un montacargas y agilizar la disposición de los bloques

132

BIBLIOGRAFÍA

BEER, Ferdinand P. Mecánica de materiales, MC GRAW HILL, 2004, p. 11 ENTREVISTA con Juan Pablo Barrios, empresario independiente del sector de plásticos. Bogotá, 29 de agosto de 2012. CREUS SOLÉ, Antonio. Neumática e hidráulica. Barcelona, MARCOMBO, 2011, p. 162 INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICAION. Documentación. Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación. NTC 1486. Sexta actualización. Bogotá: el instituto, 2008, p. 1 ________. Documentación. Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación. NTC 1486. Bogotá D.C.: El instituto, 2008. 36p. 2008. ________. Referencias documentales para fuentes de información electrónicas. NTC 4490. Bogotá D.C.: El instituto, 1998. 23p. MCMACORMAC, Diseño de estructuras de acero 5ta edi pag 23 http://www.academia.edu/28111116/Dise%C3%B1o_de_Estructuras_De_Acero_-_McCormac_5ta_Ed._.pdf MOTT, Robert L. Diseño de elementos finitos. 4ta Edición. (En línea). Fecha ( 5 de marzo del 2016). Disponible en: http://www.susferrin.com.ar/_capacitacion/pdf/SUSFERRIN_Diseno_Elementos_Maquinas.pdf NORMAS TECNICAS PARA DIBUJO TECNICO. (En línea). Principios generales de presentación y dimensionamiento. Fecha (1 de noviembre del 2017). Disponible en: file:///C:/Users/ISABEL%20CRISTINA/Downloads/Clase%203_Presentacion%20y%20dimencionamiento%20(2).pdf NORTON, Robert L. Diseño de maquinaria. 2da. Ed. México, Mc Graw-Hill, 2000. 877 p. ROLDAN VILORA,J. Prontuario hidráulica Industrial. 2001. 101-127 p. SHIGLEY, Joseph Edward. Diseño en ingeniería mecánica. 8ª. Ed. Mc Graw-Hill, 2008. 1059 p.

133

ANEXOS

134

ANEXO A. CATÁLOGO MANGUERAS

136

ANEXO B. CATÁLOGO ACEITE

139

ANEXO C. CATÁLOGO BOMBAS HIDRÁULICAS

141

ANEXO D. CATÁLOGOS MOTORES ELÉCTRICOS

144

ANEXOS E. CATÁLOGO CENTRAL HIDRÁULICA

146

ANEXOS F. USO DE ACEROS DE ALTA RESISTENCIA

148

ANEXOS G. COTIZACIÓN COMPONENTES ELECTRO-HIDRÁULICOS

150

ANEXO H. COTIZACIÓN MATERIALES ESTRUCTURALES

152

ANEXO I. COTIZACIÓN COMPACTADORA NACIONAL

154

ANEXO J. COTIZACIÓN COMPACTADORA AMERICANA

156

ANEXOS K. PLANOS SISTEMA DE COMPACTACIÓN

156

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