UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓNFACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECANICA

DISEÑO DE ELEMENTOS Y MECANISMOS DE UNA GRUA PORTICO

PARA EL PROCESO DE “COMPOSTAJE”

PARA UNA CAPACIDAD DE 4 TONELADAS

Perfil de proyecto de grado, presentado para optar al diploma académico de licenciado en ingeniería

electromecánica

Estudiantes: ROJAS CLAROS ANTONIO

ZAPATA VARGAS ALVARO ISRAEL

Docente: Ing. Julio Medina G.

Cochabamba –octubre de 2013

CONTENIDO

1. INTRODUCCION.

2. ANTECEDENTES Y DESCRIPCION DEL PROBLEMA.

3. OBJETIVO GENERAL.

4. OBJETIVOS ESPECIFICOS.

5. JUSTIFICACIÓN.

6. ALCANCES Y LIMITACIONES.

7. TEMARIO.

8. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES.

9. BIBLIOGRAFIA.

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1.- INTRODUCCIÓN.

El proceso de compostaje que se realizara en gran escala, alrededor de 260 toneladas de

residuos orgánicos al mes, razón por la cual se necesita, para realizar el ciclo completo, de la

ayuda de una grúa pórtico ya que este modelo de grúa se acomoda de una manera eficiente a lo

q seria manipular una serie de vagones y también hacer un control riguroso del contenido de

estos, es por ello que se llevara a cabo con la ayuda de una grúa pórtico todo este proceso

Los tres movimientos que realiza una grúa pórtico son:

1.- Traslación del pórtico. En dirección longitudinal a la nave

2.- Orientación del carro. Traslación de carro a lo largo de la viga principal.

3.- Elevación –La carga es subida o bajada

En la grúa pórtico, el carro que recorrerá la viga transversal será diseñado con la finalidad de

tener acoplado un cabezal agitador, justo en la parte central de dicho carro, este agitador

tendrá la función de mezclar el contenido de los vagones para poder brindar de alguna manera

un habitad más adecuado a las bacterias de los respectivos vagones.

Por otra parte, a los extremos del carro, se tendrá acoplado actuadores hidráulicos para realizar

el transporte de los vagones en una superficie total de 10 x 50 metros.

A grandes rasgos el carro mencionado, estará compuesto de 3 cuerpos, el cuerpo principal será

el que este situado al centro acoplado el agitador, a los extremos se situaran los 2 cuerpos

restantes con dimensiones un poco mas bajas, en el cual se acoplaran actuadores hidráulicos.

2.- ANTECEDENTES Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.

Para la realización de la transformación de los residuos orgánicos al COMPOST a través de

los micro organismos neurobicos que llevan a cabo en si la transformación, es necesario

bríndales a dichos organismos las condiciones óptimas para su proliferación, por lo tanto es

necesario controlar la temperatura, Este parámetro deberá ser controlado por un computador a

través de censores.

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El proceso del compostaje se llevara a cabo en vagones de una capacidad de 3.5 Tn cada una

con un total de 32 vagones. Todo el proceso cuenta con un total de 16 taps, los vagones

estarán dispuestos en 2 columnas y 16 filas. Por lo que para poder mover los vagones y

controlar los parámetros vitales de los organismos neurobicos, se aplicara un grúa pórtico que

realizara los movimientos longitudinales en el sentido de la nave, un movimiento

transversales en el sentido de la viga a través del caro-cabezal, este cabezal estará equipado

con actuadores hidráulicos para la elevación y volteo de los vagones (este ultimo en la etapa

final), además contara con un mesclador de gusano vertical accionado por un servo motor,

unas jabalinas que tienen censores de temperatura.

La grúa pórtico deberá moverse para tomar datos de los parámetros de cada uno de los

vagones cada cierto tiempo durante toda la jornada (día y noche) y tomar acciones tales como

remover los residuos orgánicos para oxigenar el medio, esta acción se realizara de acuerdo a la

decisión del computador dicha decisión está basada en los datos enviados por los censores.

3.-OBJETIVO GENERAL.

Diseñar una grúa pórtico que deberá soportar el peso del vagón cargado y el peso del carro-

cabezal y sus elementos con una luz de 10 mtrs.

4.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS.-

Diseño de la estructura del grúa pórtico por el método (LRFD).

- capacidad de carga 4 Tn.

- una luz de 10 m. Lineales.

Diseño y calculo de las uniones soldadas bajo la norma AWS D1.1.M

Diseño del carro cabezal

Diseño y calculo de mezclador tipo gusano vertical.

Diseño y calculo de accesorios jabalinas y elementos de elevación (ganchos).

Calculo de selección de actuadores hidráulicos, bombas hidráulicas, mangueras

hidráulicas, rodamientos, ruedas, rieles, cadenas, catalinas, motores.

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5.- JUSTIFICACIÓN.

Hoy en día el tema medio ambiental es la prioridad en todo tipo de procesos, y se debe reducir

al máximo los impactos ambientales producidos por cada tipo de procesos ya sean industriales,

petroleras, carreteras, etc.

Como bien se sabe cada actividad tiene sus entradas, salidas y residuos. Por lo que se tiene

varios tipos de residuos muy diversos, como residuos orgánicos, inorgánicos, tóxicos,

plásticos, metálicos, etc.

Una forma de ser gentil con el medio ambiente y reducir al máximo los impactos, además de

generar un amortiguamiento en los costos de adquisición de materia prima, es la reutilización

de los residuos, reciclando, transformando en materia prima para otro tipo de proceso. Un

claro ejemplo es la madera comprimida que está hecho de aserrín y pedazos pequeños de

madera.

En este proyecto se le dará mayor énfasis a los residuos orgánicos que son generalmente

residuos de las actividades del hogar como cascaras de frutas, verduras, pedazos de vegetales,

etc. Este tipo de residuos pueden ser transformados al COMPOST que tiene una gran variedad

de aplicaciones como fertilizante natural.

En este proceso de transformación la basura se reduce tanto como en volumen como en peso

hasta en un 50%.

En Cochabamba uno de los problemas es justamente es la basura. Que generan problemas de

tipo social y ambiental en la zona de relleno sanitario en este caso el denominado botadero de

k’ara K’ara ubicado en la zona sud de Cochabamba.

Aplicando este proceso los residuos orgánicos ya no significarían un problema ya que no

ocuparían espacios por periodos muy prolongados. Si no que una vez convertidos en compost

serian distribuidos.

6.- ALCANCES Y LIMITACIONES.

* para el cumplimiento de los objetivos se deberá realizar solamente el diseño del grúa pórtico

para que el puente grúa sea empleado como máquina de elevación y trasporte con poca

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frecuencia por jornada un ciclo de elevación y descenso por día, la función que desempeñara

con mucha más incidencia será de control y monitoreo de los parámetros vitales de los

microorganismos dentro de los vagones a través de los censores controlados por computador.

7.- TEMARIO.

CAPÍTULO I. ASPECTOS GENERALES

1.1 INTRODUCCION

1.2 ANTECEDENTES Y DESCRIPCION DEL PROBLEMA

1.3 OBJETIVO DE LA INVESTIGACION

1.3.1 OBJETIVO GENERAL

1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

1.4 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

CAPÍTULO II. INFORMACION DEL PROYECTO

2.1 INTRODUCCION

2.2CARCTERISTICAS DEL CICLO DE COMPOSTAJE

2.2.1 TAREAS REALIZADAS POR EL GRUA PORTICO

2.2.1 SUPERFICIE Y CONDICIONES DEL AREA DE TRABAJO

2.3 DATOS DE PARTIDA

2.3.1 DATOS DE LA CANTIDAD DE RESIUOS ORGANICOS QUE SE PRODUCE

EN LA REGION

2.3.2 CAPACIDAD QUE SE DEBE CUMPLIR EN UN PERIODO DE 30 DIAS

CAPÍTULO III. BASES DE DISEÑO

3.1 TIPOS DE GRUA

3.2 CLASIFICACION DE PUENTES GRUA

3.2.1 SEGÚN LAS NORMAS FEM

3.2.2 SEGÚN LA NORMA BRITANICA

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3.2.3 POR EL NUMERO DE VIGAS

3.2.3.1 PUENTE GRUA MONORIEL

3.2.3.1.1 DE VIGA SIMPLE

3.2.3.1.2 DE VIGA COMPUESTA

3.2.3.2 PUENTE GRUA BIRRIEL

3.2.3.3 GRUA PORTICO

3.2.3.4 GRUA SEMI-PORTICO

3.2.3.5 GRUAS PLUMA

3.3 COMPONENTES DE UN GRUA PORTICO

3.3.1 ESQUEMA Y COMPONENTES

3.3.2 VIGAS

3.3.3 POLIPASTO

3.3.4 GANCHOS

3.3.5 LINEAS DE ALIMENTACION DE CORRIENTE

3.3.6 CARRO O CABEZAL

3.3.7 CAJA REDUCTORA

3.3.8 MOTOR

3.4 SISTEMA DE MEZCLA SOLIDO – SOLIDO

3.4.1 FUNDAMENTOS

3.4.2 PROPIEDADES QUE AFECTAN A LA MEZCLA DE SOLIDOS

3.4.3 MECANISMOS MEZCLADORES

3.4.4 TIPOS DE MAQUINAS MEZCLADORAS DE SOLIDOS

3.4.4.1 MEZCLADOR DE BANDA

3.4.4.2 MEZCLADOR DE GUSANO VERTICAL

3.4.4.3 MEZCLADOR DE MAZA TRITURADORA

3.4.4.4 ROTORES GIRATORIOS

3.4.4.5 ROTOR SIMPLE

3.4.4.6 MEZCLADOR DE TURBINA

3.4.5 CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO

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3.5 CORROSION

3.5.1 MATERIALES METALICOS

3.5.2 MATERIALES NO METALICOS

3.5.3 CORROSION ESTRUCTURAL

3.5.4 COROSION GRAFITICA

3.6 ACERO INOXIDABLE

3.7 TIPO DE MOTORES

3.8 TIPO DE ACTUADORES

CAPÍTULO IV. PLANTEAMIENTO TECNICO

4.1 CARGAS Y CRITERIOS DE DISEÑO

4.1.1TIPOS DE CARGAS Y ACCIONES

4.1.1.1 ACCIONES PERMANENTES

4.1.1.2 ACCIONES VARIABLES

4.1.1.3 ACCIONES EXTRAORDINARIAS

4.1.2 CRITERIOS DE DISEÑO

4.1.2.1 DISEÑO EN RANGO ELASTICO

4.1.2.2 DISEÑO PARA ESTADOS LÍMITE

4.1.3 COMBINACION DE CARGAS FACTORIZADAS

4.1.4 CLASIFICACION DE LAS ESTRUCTURAS

4.1.5 CLASIFICACION DE LAS SECCIONES (PERFILES)

a) SECCIONES PLASTICASb) SECCIONES COMPACTASc) SECCIONES NO COMPACTASd) SECCIONES CON ELEMENTOS ESBELTOS

4.1.6 ELEMENTOS RIGIDIZADOS Y NO RIGIDIZADOS

4.2 CONECCIONES MECANICAS DE TORNILLOS

4.2.1 INSTALACION Y APRIETE DE LOS PERNOS

4.2.2 TIPOS DE AGUJERO PARA PERNOS

4.2.3 LONGITUD DE LOS PERNOS

4.2.4 ESPACIOS ENTRE CENTROS

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4.3 CONECCIONES SOLDADAS

4.3.1 PROCESESOS DE SOLDADURA

4.3.2 CLASIFICACION DE LA SOLDADURA

4.3.3 DEFECTOS DE UNIONES SOLDADAS

4.3.4 CAPACIDAD RESISTENTE DE LA SOLDADURA

4.4 MECANISMO SUSTITO DEL POLIPASTO

4.5 MEZCLADORA ADOPTADA

4.5.1 TIPO GUSANO VERTICAL

4.5.1.1 CARACTERISTICAS

4.5.2 LIMITACIONES Y ESPACIOS A UTILIZAR

4.5.3 MATERIALES DE CONSTRUCCION

4.6 RUEDAS Y RIELES

4.7 DESGASTE POR RODADURA

CAPÍTULO V. INGENIERIA DEL PROYECTO DE LA PARTE ESTRUCTURAL

5 CÁLCULO Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA

5.1 MIEMBROS EN COMPRESION

5.1.1 COLUMNAS CORTAS. PANDEO ELASTICO. TEORIAS DE ENGESSER Y

VON KARMAN

5.1.2 VERIFICACION DEL PANDEO LOCAL

5.1.3 MIEMBROS COMPUESTOS

5.2 MIEMBROS EN FLEXION DISEÑO PLASTICO DE VIGAS Y PORTICOS

5.2.1 FLEXION DE VIGAS EN REGIMEN ELASTICO

5.2.2 ESTADOS LÍMITE DE RESISTENCIA EN FLEXION

5.2.3 CONTROL DE FLECHA

5.2.4 COMPORTAMIENTO PLASTICO DE VIGAS COMPACTAS

5.2.5 CONDICION PARA LA APLICACIÓN DE CRITERIOS PLASTICOS

5.3 ANALISIS Y DISEÑO PLASTICO DE VIGAS

5.3.1 METODO ESTATICO

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5.3.2 METODO DE LOS MECANISMOS

5.4 ANALISIS Y DIESEÑO PLASTICO DE PORTICOS RIGIDOS

5.4.1 METODO DE LOS MECANISMOS COMBINADOS

5.5 CAPACIDAD RESISTENTE DE LOS PERNOS

CAPITULO VI. INGENIERIA DE PROYECTO DEL CARRO CABEZAL

6.1 CÁLCULO Y DISEÑO DEL CARRO CABEZAL

6.1.1 ESQUEMA Y PARTES DEL CARRO CABEZAL

6.1.2 CALCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR

6.1.3 CALCULO DE RUEDAS Y EJES

6.1.4 CALCULO DE LOS COJINETES

6.1.5 CALCULO DE LOS ACTUADORES

6.1.6 CALCULO DE LAS UNIONES ATORNILLADAS

CAPITULO VII. CÁLCULO Y DISEÑO DEL AGITADOR MEZLCADOR

7.1 ESQUEMA Y ELEMENTOS DEL MEZCLADOR

7.2 CALCULO DEL GUSANO

7.2 CALCULO DE COJINETES

CAPITULO VIII. DISEÑO Y CALCULO DE LA SOLDADURA

8.1 DISEÑO DE CONEXIONES SOLDADAS

8.1.1 REQUERIMEINTOS ESPESIFICOS PARA EL DISEÑO DE CONECCIONES

TUBULARES

8.1.1.1 ESFUERSOS PERMISIBLES

8.1.1.2 DISEÑO DE LA SOLDADURA

8.1.1.3 RESTRICCIONES DE CONEXIONES SOLDADAS

8.1.1.4 LIMITACIONES DE MATERIAL

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8.1.2 INSPECCION DE LA SOLDADURA

8.1.2.1 INSPECCION DE MATERIALES

8.1.2.2 INSPECION DE WPS

8.1.2.3 INSPECION DE TRABAJO Y REGISTRO

8.1.2.4 CRITERIOS DE ACEPTACION

CAPITULO IX. APLICAION NUMERICA DE LOS COMPONETES

9.1 SIMULACION DE LA VIGA A REQUERIMIENTOS DE FLECION

9.2 SIMULACION DE LAS COLUMNAS A REQUERIMIENTO DE COMPRESION

CAPITULO X. MONTAJE Y MANTENIMIENTO

10.1 MONTAJE

10.2 GUIA DE MANTENIMIENTO

10.2.1 PLAN DE MANTENIMIENTO

CAPÍTULO XI. COSTOS

11.1 COSTOS

11.1.1 COSTOS FIJOS

11.1.2 COSTOS VARIABLES

11.2 CALCULO DE COSTOS DE SOLDADURA ATRAVES DE SOFTWARE

CAPÍTULO XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

12.1 CONCLUCIONES

12.2 RECOMENDACIONES

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8.- EXPLICACION DEL TEMARIO.

CAPÍTULO I. ASPECTOS GENERALES

En este capítulo se muestra de una forma breve en que consistirá el proyecto, fijando los

objetivos como también las limitaciones del mismo

CAPÍTULO II. INFORMACION DEL PROYECTO

El capítulo 2 muestra la información del proceso para el cual se diseñara este equipo, haciendo referencia al ciclo que tendrá este.

CAPÍTULO III. BASES DE DISEÑO

Este capítulo recolecta la información de equipos ya existentes de los cuales se seleccionara uno como referencia para el diseño.

CAPÍTULO IV. PLANTEAMIENTO TECNICO

En este capítulo se desarrolla la teoría del método LRFD para el diseño de la estructura de la grúa pórtico, como también los criterios de selección del agitador.

CAPÍTULO V. INGENIERIA DEL PROYECTO DE LA PARTE ESTRUCTURAL

Es este capítulo se desarrolla todos los cálculos necesarios para cumplir con los requerimientos exigidos por la carga a la cual está destinada esta grúa pórtico

CAPITULO VI. INGENIERIA DE PROYECTO DEL CARRO CABEZAL

En este capítulo se desarrolla los cálculos para garantizar el buen funcionamiento de los distintos componentes del carro cabezal

CAPITULO VII. CÁLCULO Y DISEÑO DEL AGITADOR MEZLCADOR

En este capítulo se desarrolla los cálculos del mecanismo en agitador adoptado para poder cumplir con las exigencias del capítulo 2.

CAPITULO VIII. DISEÑO Y CALCULO DE LA SOLDADURA

En este capítulo se realizara los cálculos necesarios para que las uniones soldadas garanticen la integridad de la estructura en los miembros a unir.

CAPITULO IX. APLICAION NUMERICA DE LOS COMPONETES

En este capítulo se hará un estudio mediante software, para respaldar los cálculos realizados.

CAPITULO X. MONTAJE Y MANTENIMIENTO

En este capítulo se mencionara como hacer un control, como también un mantenimiento a los componentes que se ven afectados al desgaste por el funcionamiento continuo.

CAPÍTULO XI. COSTOS

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En este capítulo se hará la cotización en general que llegara a tener la estructura.

9.- CRONOGRAMA

ACTIVIDADES MES1 MES 2 MES 3 MES - 4 Mes 5 Mes 6

SEMANAS S1y 2 S3y4 S1y2 S3y4 S1y2 S3y4 S1y2 S3y4 S1y2S3y4

S1y2 S3y4

CAPITULO 1Y 2

CAPITULO 3Y 4

CAPITULO 5Y 6

CAPÌTULO 7Y 8

CAPITULO 9, 10

Y 11

10.- BIBLIOGRAFÍA

Ernst Helmut, APARATOS DE ELEVACION Y TRANSPORTE, (Editorial Bruñe; Tusa; Barcelona, 1969).

Código de soldadura estructural – acero. AWS D1.1 W.T.segui. “DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO CON LRFD”. Thomson

editores. 2da edición. España (2008). Vinagre Brasil Haroldo, MAQUINAS DE LEVANTAMIENTO, (Editora Guanabara Dois

S.A. Rio de Janeiro 1985). DISEÑO DE ESTRUCCTURA METALICAS estados limites LRFD Maria Graciela Fratelli Manual de construcción en acero LRFD ANSI 13° Edicion. Manual Del Ingeniero Químico SEXTA EDICION ROBERT H. PERRY Tomo 5 http://www.gruasa.com/puentemantenimientopreventivo.php (Mantenimiento preventivo) http://www.construsur.com.ar/Article346.html (Consideraciones de manteniendo) http://es.wikipedia.org/wiki/Servomotor (características de servomotores) http://www.info-ab.uclm.es/labelec/solar/electronica/elementos/Hidraulicos.htm

(actuadores hidráulicos) http://www.renold.es/Support/Roller_Chain_Selector/Renold_Chain_Selector.asp (catálogos

para la selección de cadenas)

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