Trabajo Investigativo

Ttulo: PROYECTO DE UN SISTEMA DE ELEVACIN NAVAL (PESCANTE) PARA LANCHA RPIDA

Autores:

Mst. C.T. Inv.Auxiliar. Elpidio Prez Rivero

Ing. Ariel Pereira Arcos

Resumen

En el presente trabajo se expone el clculo y proyecto de un sistema de elevacin

(Pescante) de lancha rpida en la popa de un buque de pesca.

Se hace un anlisis terico mecnico en la etapa de anteproyecto sobre la

distribucin de fuerzas para determinar la fuerza del cable de izaje, as como de la

seleccin de las principales dimensiones geomtricas del diseo, utilizando el

software EXCEL mediante la programacin de MACROS, que permitieron diversificar

y graficar de forma automatizada los resultados.

Se realiza un clculo de resistencia a cada una de las partes componentes del

diseo por diferentes mtodos, el tradicional, empleando el software Desing

Acelerator del Inventor 2011 y en el caso del elemento ms complicado y

responsable se realiza un clculo resistivo computacional utilizando el mtodo del

Elemento Finito con el Software Inventor 2011.

El diseo de las partes, piezas y ensambles se realiz con ayuda del software

Autodesk Inventor Professional 2011. Desde el punto de vista cinemtico se realiz

una modelacin fsica utilizando el Software Inventor 2011 y como resultado se

obtuvieron los principales datos tcticos tcnicos del Pescante.

1. Introduccin En el proceso de remodelacin de un buque surgi la necesidad de construir un

sistema de elevacin para embarcar y desembarcar una lancha rpida ubicada en la

zona de popa. Para ello, teniendo en cuenta y tomando como base de referencia las

experiencias del proyecto anterior el cual se muestra en la figura 1, se pretenden

realizar modificaciones estructurales que permitan que la lancha quede ubicada

dentro de los lmites del buque, figura 2 y no por fuera como en el primer proyecto.

Adems se plante como exigencia que los brazos del sistema de izaje (Pescante)

puedan bajar y subir sin la embarcacin.

Figura 1.Pescantes del proyecto anterior

Figura 2.Pescantes del nuevo proyecto

2. Clculo de la fuerza de cable

Para conocer como vara la fuerza del cable en dependencia de la variacin del

ngulo del pescante, se realiz un clculo mecnico terico de distribucin de

fuerzas en funcin de las dimensiones y ngulos fundamentales de las partes

componentes del sistema de elevacin. Para automatizar los clculos clsicos de

mecnica terica fue empleado el Excel el cual agiliz la obtencin de los resultados.

Figura 3. Sumatoria de momentos respecto al centro de giro del pescante

Donde:

x,0,y Sistema de coordenada de referencia con origen en el punto de apoyo

inferior del pescante.

L2 Longitud del brazo inclinado del pescante

L1 Longitud del brazo vertical del pescante

Lg Longitud del punto de apoyo inferior del pescante al centro de gravedad

c Distancia del punto de apoyo inferior al punto de apoyo del cable en cubierta

a Separacin del espejo de popa al punto de apoyo inferior del pescante

b Separacin del espejo de popa al punto de apoyo del cable en cubierta

Cgp Centro de gravedad del pescante

Fc Vector de la fuerza del cable

Ro - Vector fuerza de reaccin en el punto de apoyo inferior, simblicamente

representado direccionalmente a lo largo del eje del brazo vertical del pescante.

PL - Vector del peso de la lancha

PP Vector del peso del pescante

-ngulo de inclinacin del eje vertical del brazo del pescante con respecto al

espejo de popa de la embarcacin.

- ngulo entre el brazo inclinado del pescante y el brazo vertical del mismo.

g Angulo entre el eje vertical del brazo del pescante y la lnea que une el punto

de apoyo inferior con el centro de gravedad del pescante.

- Angulo entre el eje vertical del brazo del pescante y la lnea perpendicular al

eje de accin de la fuerza del cable.

La ecuacin de la esttica para los momentos de fuerza respecto al origen de

coordenada ubicado en el punto de apoyo inferior de la fig. 3 puede ser expresada

como:

0)(senLPP)90(cos2Lsen1LPLcos1LFM ggc0

Despejando la incgnita Fc, fuerza del cable se obtiene una ecuacin que expresa el

valor de esta fuerza en funcin de datos de entrada y datos geomtricos de

dimensiones principales del diseo:

cos1L

)(senLPP)90(cos2Lsen1LPLF

gg

c

Donde:

)90cos(

)90(arctan

AB

senA

)1(tan)cos1( basenLLcA

22 )basen1L(tanbasen1LB

Adems teniendo en cuenta la condicin de equilibrio de la esttica en cuanto a la

sumatoria de fuerzas en los ejes, se puede obtener una expresin para determinar el

valor de la reaccin en el punto de apoyo inferior:

cosFcxRo

senFcPPPLyRo

22 yRoxRoRo

Donde:

Ro x Componente en el eje x de la reaccin en el punto de apoyo inferior

Ro y Componente en el eje y de la reaccin en el punto de apoyo inferior

Ro Valor de la reaccin en el punto de apoyo inferior

Con ayuda del software Excel y a travs de su programacin con macro se realiz

de forma automatizada los clculos de los resultados mostrados a continuacin:

Tabla 1.Resultados del clculo de la fuerza de cable

3. Clculo del mecanismo de elevacin

a. Seleccin de cable y la polea

Para la seleccin del cable que baja y sube la lancha se tomaron en cuenta las

exigencias de las normas DIN 655 establecidas para sistemas de izaje. Partiendo del

valor de fuerza de cable que se muestra en la tabla 1, considerando el efecto pateca

y con un coeficiente de seguridad de 6, se seleccion un cable de dimetro 22 de 6

cordones y 19 hilos por cordn, con una carga de ruptura calculada bajo una

resistencia del hilo no menor de 160 Kg/mm2.

Figura 4. Esquema cinemtico del sistema pescante Figura 5.Polea del pescante

Las dimensiones principales de polea se determin a partir de la seleccin del cable

segn la norma DIN 4130 para cable con dimetro entre 16 y 22 mm, obtenindose

una polea de 460mm de dimetro, como la que se muestra en la figura 5.

b. Clculo de correspondencia del tambor del winche con el

dimetro del cable segn norma DIN 4130

Segn la norma el dimetro del tambor enrollado por el cable debe corresponder a la

siguiente frmula:

cd1eD

Donde:

D Dimetro del tambor donde se enrolla el cable

e - Coeficiente que depende del tipo de mquina de izaje y del rgimen de

explotacin de la misma, en el caso de cabrestantes para el izaje de cargas a

mquina tiene un valor de 20

dc Dimetro del cable

Tabla 2. Clculo de correspondencia del tambor del winche con el dimetro del cable

Dimetro del tambor del winche del

barco enrollado por el cable D 477 mm

Dimetro mnimo del tambor por clculo Dmin 437 mm

Dimetro del cable dc 23 mm

Coeficiente e 20 -

De la Tabla 2 se puede observar que existe correspondencia entre el tambor del

winche de la embarcacin y el dimetro del cable elegido, ya que el dimetro del

tambor del winche existente en el barco es mayor que el dimetro mnimo dado por

los resultados del clculo el cual soporta hasta un dimetro de cable de 23 mm y el

cable seleccionado es de 22mm.

4. Diseo tridimensional de las partes y piezas componentes de los

pescantes

En la actualidad el diseo asistido por computadora combinado con el mtodo de los

elementos finitos se han convertido en una poderosa herramienta ingenieril, la cual

se ha desarrollado y perfeccionado con la rpida evolucin de las nuevas

tecnologas. Para la realizacin de este proyecto fue empleado el software de diseo

Autodesk Inventor Professional 2011, el cual permiti modificar diseos anteriores

hechos en Mechanical Desktop 2004 y Autocad 2004, posicionarlos en el nuevo

ensamble, crear los nuevos diseos y realizar los diferentes clculos que garanticen

la capacidad de carga a poder elevar por el sistema. A continuacin se muestran

varios ejemplos de unidades ensambladas.

5. Clculo de resistencia estructural del brazo del pescante

Teniendo en cuenta la complejidad del diseo desde el punto de vista estructural y la

alta responsabilidad de este elemento constructivo en el funcionamiento del

pescante, para realizar el clculo de resistencia se realiz un clculo por elementos

finitos utilizando un paquete de clculos por elementos finitos que trae el software

Autodesk Inventor Professional 2011 para el clculo de resistencia.

Como se puede apreciar en la figura 6, en el modelo tridimensional del pescante no

se producen concentraciones de tensiones que puedan afectar la resistencia

estructural del sistema de izaje, despus de un anlisis de los resultados del clculo

se puede apreciar que el coeficiente de seguridad mnimo oscila sobre un valor de 3

(ver figura 7). Lo que demuestra suficiente reserva an para soportar eventos de

cargas dinmica, adems se puede sealar que en el proceso del clculo se

consider una carga de 5 T, la cual es superior a la carga real de explotacin.

Figura 6. Resultados del clculo de resistencia estructural

Figura 7. Coeficientes de seguridad del clculo de resistencia estructural

6. Clculo y diseo del tope con sistema de empuje

Con el objetivo de satisfacer la exigencia de poder accionar el sistema de pescante

sin embarcacin se dise un tope inteligente con sistema de empuje.Este

mescanismo es el encargado de limitar hasta 60 grados el giro del pescante

mediante un tope que se encuentra en su interior , la parte exterior sirve de guia

para el sistema de muelles.Los muelles con su energa son los encargados de hacer

girar el pescante 19 grados sin embarcacin, hasta que su centro de gravedad pase

el punto de giro y empiese a rotar por la accin de su propio peso. En la figura 8 se

muestra el tope con sistema de empuje en el emsamble general del sistema de

elevacin naval.

Figura 8. Vista del tope con sistema de empuje en el ensamble

La fuerza necesaria para hacer rotar el pescante 19 grados se determin a partir de

la ecuacin de la esttica para los momentos de fuerza respecto al origen de

coordenada ubicado en el punto de apoyo inferior de la figura 9, la cual puede ser

expresada como:

( )

Donde:

Fnt Fuerza necesaria total para poner un brazo pescante en movimiento.

Fn Fuerza necesaria a vencer por cada sistema de muelles en uno de los brazos

del pescante.

C Distancia desde el centro de gravedad hasta el centro de giro del pescante.

ngulo entre eje vertical y la lnea que une el centro de gravedad y el punto de

giro.

Coeficiente de friccin.

r Radio del eje.

Bv Brazo variable de la fuerza necesaria (el brazo cambia en funcin del ngulo de

rotacin de pescante).

Figura 9. Suma de momentos respecto al centro de giro del pescante para

determinar la fuerza necesaria.

La reserva de fuerza del sistema de muelles se determin a partir de la diferencia de

la fuerza mxima del sistema de muelles (energa elstica propia del material del

muelle) y la fuerza mxima necesaria (calculada sobre la base del equilibrio esttico

mecnico del sistema), la cual puede ser expresada como:

Donde:

La energa elstica disponible de tres muelles conectados en serie no es ms que la

suma de la fuerza de los tres muelles menos el peso propio de cada uno y de las

piezas de conexin entre ellos.

( )

Donde:

Mediante una simulacin del movimiento del pescante en el software Inventor 2011

se pudo medir el brazo de la fuerza de necesaria (Bv), el cual vara con la posicin

del ngulo entre el mamparo de popa y el pescante, con ayuda Excel se realizaron

de forma automatizada los clculos de los resultados mostrados a continuacin:

Tabla 2. Resultados del clculo de la fuerza necesaria para poner el pescante en

movimiento y la reserva de fuerza del sistema de muelles.

Los datos que a continuacion se muestran fueron obtenidos a apartir del software

Desing Acelerator del Inventor 2011 del cual se obtuvo el grfico de la

caracterstica de los muelles, para cada uno de los muelles intalados en el tope con

sistema de empuje ,ver figura 9 y 10.

Figura 10. Tope con sistema de empuje

Fuerzas del muelle

Fuerza mnima F1 200,000 N

Fuerza mxima F8 1350,000 N

Fuerza de trabajo F 775,000 N

Dimensiones de muelle

Longitud del muelle en estado libre

L0 500,000 mm

Dimetro del alambre d 10,000 mm

Paso t 47,000 mm

Dimetro exterior D1 140,000 mm

Dimetro medio D 130,000 mm

Dimetro interior D2 120,000 mm

Figura 11.Grfico de la caracterstica de los muelles

Espiras del muelle

Espacio entre espiras en estado libre a 37,000 mm

Parmetros

Inicio Final

Espira final de cierre

nz1 1,500 ul nz2 1,500 ul

Espira de transicin

nt1 1,000 ul nt2 1,000 ul

Espiras de apoyo zo1 0,500 ul zo2 0,500 ul

Material de muelle (alambre de acero clase 1 ,GOST)

ult 1545,000 MPa

Nmero total de espiras c 13

Espiras activas n 10

Direccin de las espiras cualquiera

Limite de resistencia a la traccin

Limite de resistencia a la torsin A 772,500 MPa

Modulo de elastisidad G 78500,000 MPa

Densidad 7860 kg/m^3

Resistente al ambiente marino

Caractersticas del muelle

Constante de muelle k 4,466 N/mm

Longitud del alambre l 5408,000 mm

Masa del muelle m 3,338 kg

En la figura 11 se muestra el muelle en estado libre hecho tridimensional por el

Desing Acelerator, con lo que se pudo comprobar la distancia necesaria a desplazar

por el sistema de muelles.

Figura 12. Muelle en estado libre hecho tridimensional por el Desing Acelerator

7. Datos tcticos tcnicos principales

1. Capacidad de carga: 10 Ton

2. Cantidad de pescantes: 2

3. Angulo mximo de rotacin de los pescantes: 60 grados

4. Cantidad de winches : 2

5. Fuerza mxima de un winche del buque: 5 Ton

6. Dimetro del cable: 22mm

7. Largo total del cable de un pescante: 67 m

8. Distancia del puente de popa del buque a la banda de la embarcacin en el

agua: 820 mm

9. Tiempo total aproximado de movimiento del pescante hasta poner la

embarcacin en el agua: 4 min.

10. Posibilidad de maniobra de los pescantes: Con o sin embarcacin en el

pescante

11. Velocidad del buque durante la maniobra con los pescantes 0 nudos

Conclusiones

El empleo software Autodesk Inventor Professional 2010 del diseo tridimensional,

el clculo automatizado con el EXCEL, as como de clculo por el mtodo de

elemento finito permitieron realizar un anlisis profundo y detallado de cada una de

las partes y piezas del sistema de izaje para determinar todas sus las dimensiones y

los materiales necesarios para su fabricacin. Tambin permiti que se determinaran

los principales datos tcticos tcnicos del Pescante

Bibliografa

Equipos de Elevacin. Edicin CUJAE

V.S. Shubin Diseo de Maquinaria Industrial. Tomo 2. Pueblo y Educacin. 1977

Ing. Contra Almirante N.P. Chikier. Edicin militar. Manual del especialista de servicio de

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