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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÒNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA PRENSA HIDRAULICA
SEMI-AUTOMÁTICA PARA LA COMPRESION DE ESPIRALES
EN UN TALLER AUTOMOTRIZ
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO MECATRÒNICO
AUTOR: ANDRÈS MARCELO SANTIANA CAVIEDES
DIRECTOR: ING. ALEXY VINUEZA
Quito, Juliio , 2014
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2014
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo Andrés Marcelo Santiana Caviedes, declaro que el trabajo aquí descrito
es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado
o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
Andrés Marcelo Santiana Caviedes
C.I. 1716429269
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO Y
CONSTRUCCION DE UNA PRENSA HIDRAULICA SEMI-AUTOMÁTICA
PARA LA COMPRESION DE ESPIRALES EN UN TALLER AUTOMOTRIZ”,
que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrònico fue desarrollado por
Andrés Marcelo Santiana Caviedes, bajo mi dirección y supervisión, en la
Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones
requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
ING. ALEXY VINUEZA LOZADA MSC.
DIRECTOR DEL TRABAJO
C.I. 17147110056
DEDICATORIA
Dedico mi proyecto de tesis a mi familia por estar siempre dándome el apoyo
necesario todo el tiempo para lograr mis metas.
A mis padres por su apoyo incondicional en cada momento, por sus
consejos que me motivaron para poder concluir una etapa más en la vida.
A todos los que confiaron en mí, e hicieron posible el hecho de poder
concluir el presente proyecto.
Para todos ellos hago esta dedicatoria.
AGRADECIMIENTO
Agradezco en primer lugar a Dios, por haberme dado la fuerza y valor para
culminar los estudios universitarios siendo un gran logro para mi vida
profesional.
Expresar mi agradecimiento a mis padres por todo el esfuerzo que realizan
día a día, para alcanza una profesión formando una persona de bien, gracias
por los sacrificios y la paciencia.
A mí hermano, en quien he podido confiar siendo un gran apoyo para seguir
adelante.
Gracias a todas aquellas personas que de una u otra forma me ayudaron a
crecer como persona y como profesional.
Agradezco también de manera especial al director de tesis quién con sus
conocimientos y apoyo supo guiar el desarrollo de la presente tesis.
Gracias a todos los que hicieron posible este proyecto.
ÌNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN .................................................................................................. xiv
ABSTRACT ................................................................................................. xv
1.
INTRODUCCIÓN .................................................................................... 1
OBJETIVO GENERAL ............................................................................ 3
OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................... 3
2.
MARCO TEORICO ................................................................................. 4
2.1.
GENERALIDADES ........................................................................... 4
2.1.1.
SISTEMAS DE SUSPENSIÓN ............................................... 4
2.1.1.1.
Ballestas .............................................................................. 4
2.1.1.2.
Resortes .............................................................................. 5
2.1.1.3.
Barra de torsión ................................................................... 7
2.1.2.
AMORTIGUADORES.............................................................. 7
2.1.3.
DIAGNÓSTICO PARA AMORTIGUADORES ......................... 8
2.1.3.1.
Amortiguadores en mal estado ............................................ 9
2.1.3.2.
Síntomas de fatiga de los resortes .................................... 11
2.1.4.
DESMONTAJE Y MONTAJE DE AMORTIGUADORES CON
ESPIRAL.. ............................................................................................. 12
2.2.
HIDRÁULICA .................................................................................. 15
2.2.1.
INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA ................................... 15
2.2.2.
PRESIÓN .............................................................................. 15
2.2.3.
CAUDAL ............................................................................... 16
2.2.4.
FLUIDO ................................................................................. 16
2.2.4.1.
2.2.5.
Viscosidad ......................................................................... 17
BOMBA HIDRÁULICA .......................................................... 17
i
2.3.
2.2.5.1.
Bomba de Engranajes ....................................................... 17
2.2.5.2.
Bomba de Paletas ............................................................. 18
2.2.5.3.
Bomba de Pistón ............................................................... 18
2.2.5.4.
Depósito ............................................................................ 20
2.2.5.5.
Filtros (en la descarga, o en la salida de presión) ............. 21
2.2.5.6.
Conductos de comunicación .............................................. 21
CILINDROS HIDRÁULICOS ........................................................... 22
2.3.1.
2.3.1.1.
FUERZA DEL CILINDRO...................................................... 23
Velocidad de Trabajo ......................................................... 24
2.3.2.
CILINDRO SIMPLE EFECTO ............................................... 24
2.3.3.
CILINDRO DOBLE EFECTO ................................................ 25
2.4.
ELEMENTOS DE REGULACION Y CONTROL ............................. 27
2.4.1.
2.5.
Válvulas ................................................................................ 27
2.4.1.1.
Válvulas reguladoras de presión........................................ 27
2.4.1.2.
Válvulas Direccionales ....................................................... 28
2.4.1.3.
Electroválvula .................................................................... 28
2.4.1.4.
Válvulas Reguladoras de Flujo .......................................... 29
2.4.1.5.
Válvula Anti-retorno ........................................................... 29
PRENSA ......................................................................................... 30
2.5.1.
TIPOS DE PRENSAS ........................................................... 30
2.5.1.1.
Prensas Mecánicas ........................................................... 30
2.5.1.2.
Prensas Neumáticas.......................................................... 30
2.5.1.3.
Prensas Hidráulicas ........................................................... 31
2.5.1.3.1. Principio de Pascal.......................................................... 31
2.5.1.3.2. Funcionamiento Prensa Hidráulica ................................. 32
2.6.
ESTRUCTURAS ............................................................................. 34
ii
2.6.1.
VIGAS ................................................................................... 34
2.6.2.
COLUMNAS.......................................................................... 34
2.6.2.1.
Radio de giro ..................................................................... 35
2.6.2.2.
Fijación de un extremo y longitud efectiva ......................... 36
2.6.2.3.
Relación de Esbeltez ......................................................... 37
2.6.2.4.
Relación de esbeltez de transición .................................... 38
2.6.2.5.
Carga Crítica...................................................................... 38
2.6.2.6.
Factor de diseño y carga admisible ................................... 39
2.6.3.
TIPOS DE SUJECIÓN .......................................................... 40
2.6.3.1.
Sujeción por pernos ........................................................... 40
2.6.3.2.
Resistencia del perno ........................................................ 40
2.6.3.3.
Soldadura .......................................................................... 41
2.6.3.3.1. Tipos de Soldadura ......................................................... 42
2.6.3.3.2. Clasificación de los electrodos según AWS (American
Welding Society) ............................................................................. 45
2.7.
PANEL DE CONTROL.................................................................... 46
2.7.1.
3.
CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC) ............ 46
2.7.1.1.
Programa y Lenguaje de Programación ............................ 47
2.7.1.2.
Programas de aplicación y del sistema ............................. 47
2.7.1.3.
Tipos de Lenguajes de Programación de PLC’s ................ 48
2.7.2.
CIRCUITO DE SEGURIDAD ................................................ 48
2.7.3.
CONTACTOR ....................................................................... 49
2.7.4.
GUARDAMOTOR ................................................................. 49
2.7.5.
SENSOR INDUCTIVO .......................................................... 50
METODOLOGÍA ................................................................................... 51
3.1.
METODOLOGÍA MECATRÒNICA .................................................. 51
iii
3.1.1.
METODOLOGÍA DE DISEÑO............................................... 52
3.2.
REQUERIMIENTOS DE LA MÁQUINA .......................................... 52
3.3.
RESTRICCIONES DE LA MÁQUINA ............................................. 53
3.3.1.
DIMENSIONES ..................................................................... 53
3.3.2.
MOVIMIENTO LINEAL DEL CILINDRO................................ 55
3.3.3.
UBICACIÓN DE LA MÁQUINA ............................................. 56
3.3.4.
SISTEMA DE SEGURIDAD .................................................. 56
3.3.5.
TABLERO ELÉCTRICO ........................................................ 56
3.4.
OBJETIVOS PRINCIPALES DE LA MÁQUINA .............................. 56
3.5.
VARIABLES LIBRE ........................................................................ 57
3.6.
DESARROLLO DEL CONCEPTO DE LA MÁQUINA ..................... 57
3.6.1.
3.6.1.1.
ALTERNATIVAS DE DISEÑO .............................................. 58
Opresor de resortes neumático vertical de columna simple
fija……….. .......................................................................................... 58
3.6.1.2.
Opresor de resortes hidráulico vertical de doble columna
fija……….. .......................................................................................... 59
3.6.1.3.
Opresor de resortes hidráulico vertical de columna simple
fija……….. .......................................................................................... 60
3.6.2.
ANÁLISIS
DE
ALTERNATIVAS
POR
CRITERIOS
PONDERADOS ..................................................................................... 61
4.
3.7.
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS..................... 63
3.8.
FORMALIDAD DE LAS PRUEBAS................................................. 63
DISEÑO ................................................................................................ 64
4.1.
ANALISIS DEL DISEÑO MECANICO ............................................. 64
4.1.1.
DISEÑO DE COLUMNAS ..................................................... 66
4.1.2.
DISEÑO DE LA MESA CENTRAL ........................................ 70
4.1.3.
CALCULO DE LA VIGA SOPORTE ...................................... 71
iv
4.1.4.
DISEÑO DE LA PLACA SOPORTE ...................................... 73
4.1.5.
DISEÑO DE PASADORES ................................................... 75
4.1.6.
DISEÑO DE LA SOLDADURA .............................................. 77
4.2.
ANÁLISIS DEL DISEÑO DEL SISTEMA HIDRÁULICO ................. 79
4.2.1.
SELECCIÓN DE LA BOMBA HIDRÁULICA ......................... 79
4.2.2.
DIÁMETRO DEL CILINDRO ................................................. 79
4.2.3.
CÀLCULO DEL CAUDAL...................................................... 81
4.2.4.
CALCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR ELÉCTRICO ... 83
4.2.5.
DISEÑO Y SIMULACION DEL SISTEMA HIDRAULICO ...... 83
4.3.
DISEÑO ELECTRICO Y DE CONTROL ......................................... 87
4.3.1.
4.4.
DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL ............................... 90
4.3.1.1.
Tablero de Control ............................................................. 90
4.3.1.2.
Control de la maquina ........................................................ 91
4.3.1.3.
Programación .................................................................... 92
INTEGRACIÒN DE LOS SISTEMAS .............................................. 93
4.4.1.
CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA ............................ 93
4.4.2.
INTEGRACIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO ..................... 95
4.4.3.
CONSTRUCCIÓN DE LA MESA CENTRAL Y UÑETA
COMPRESORA .................................................................................... 97
4.4.4.
5.
INSTALACIÓN DEL PANEL DE CONTROL ......................... 98
ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................ 100
5.1.1.
MONTAJE ........................................................................... 101
5.1.2.
PRUEBAS DE MOVIMIENTO ............................................. 102
5.1.3.
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO CON CARGA MÍNIMA 102
5.1.4.
PRUEBAS
DE
FUNCIONAMIENTO
CON
CARGA
MAXIMA….. ........................................................................................ 104
v
5.2.
ANÁLISIS DE RESULTADOS ...................................................... 106
5.3.
VENTAJAS DE LA MÁQUINA ...................................................... 107
5.3.1.
6.
ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO ....................... 108
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................... 111
6.1.
CONCLUSIONES ......................................................................... 111
6.2.
RECOMENDACIONES ................................................................. 113
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 114
ANEXOS .................................................................................................... 119
vi
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Características de las bombas hidráulicas ..................................... 19
Tabla 2. Relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón ............ 27
Tabla 3. Especificaciones SAE para pernos de acero ................................. 41
Tabla 4. Equivalencias aproximadas entre los grados SAE, ASTM y métricos
de aceros para tornillos ................................................................................ 41
Tabla 5. Características de los electrodos ................................................... 45
Tabla 6. Cuadro de comparación ponderada por pares de requerimientos de
ingeniería ..................................................................................................... 61
Tabla 7. Tabla de selección de alternativas del
proyecto (ESCALA 5:
OPTIMO 1: MENOR) ................................................................................... 62
Tabla 8. Cuadro de selección de alternativa por criterios ponderados ........ 62
Tabla 9. Resultados de las pruebas del resorte ........................................... 64
Tabla 10. Propiedades del acero ASTM A36 ............................................... 67
Tabla 11. Longitudes de resortes más comunes ........................................ 70
Tabla 12. Bomba de engranajes externos ................................................... 79
Tabla 13. Características de la suspensión (Fiat uno) ............................... 103
Tabla 14. Pruebas del resorte (Fiat uno) ................................................... 103
Tabla 15. Características de la suspensión (BMW 525) ............................ 104
Tabla 16. Pruebas del resorte BMW 525 ................................................... 105
Tabla 17. Tabla comparativa ..................................................................... 108
Tabla 18. Costos de operación ................................................................. 109
Tabla 19. Presupuesto del proyecto .......................................................... 109
Tabla 20. Costos de operación .................................................................. 110
Tabla 21. Tabla de torques para ajustar los amortiguadores ..................... 119
Tabla 22. Esquemas hidráulicos. Simbología e interpretación .................. 128
Tabla 23. Especificaciones del sensor inductivo ........................................ 138
Tabla 24. Eespecificaciones de electroválvula........................................... 139
vii
ÌNDICE DE ECUACIONES
PÁGINA
EC. 2.1………. ............................................................................................. 15
EC. 2.2….…… ............................................................................................. 16
EC. 2.3…….… ............................................................................................. 16
EC. 2.4………………. .................................................................................. 23
EC. 2.5…….……… ...................................................................................... 24
EC. 2.6…………………………………… ....................................................... 24
EC. 2.7…….… ............................................................................................. 24
EC. 2. 8……………………. .......................................................................... 26
EC. 2.9………….……………………. ............................................................ 26
EC. 2.10 ....................................................................................................... 36
EC. 2.11……….………. ............................................................................... 37
EC. 2.12……………………………….…………… ......................................... 37
EC. 2.13……….. .......................................................................................... 38
EC. 2.14………………….………. ................................................................. 39
EC. 2.15………………………………… ........................................................ 39
EC. 2.16………. ........................................................................................... 39
EC. 4.17…….. ............................................................................................. .65
EC. 4.18………………. ................................................................................ 65
EC. 4.19…….. ............................................................................................. .76
EC. 4.20…….. ............................................................................................. .78
EC. 4. 21………………………. ..................................................................... 78
EC. 4.22…….. .............................................................................................. 81
EC. 4.23……………………………….………. ............................................... 83
viii
ÌNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Suspensión de Ballestas................................................................. 4
Figura 2. Etapas del Resorte ......................................................................... 5
Figura 3. Fuerzas que actúan en resorte ....................................................... 6
Figura 4. Alturas del resorte aplicando distintas cargas. ................................ 6
Figura 5. Oscilaciones del espiral (sin amortiguador y con amortiguador) ..... 7
Figura 6. Barra de Torsión ............................................................................. 7
Figura 7. Amortiguador espiral en función con todos los componentes ........ 8
Figura 16. Amortiguadores en mal estado ................................................... 9
Figura 17. Desgaste desigual en los neumáticos......................................... 10
Figura 18. Balanceo o inestabilidad en el vehículo ...................................... 10
Figura 19. Rebotes incontrolados en el vehículo ......................................... 10
Figura 20. Pruebas de frenado .................................................................... 11
Figura 21. Retirar la rueda ........................................................................... 12
Figura 22. Desajuste del amortiguador ........................................................ 13
Figura 23. (a) Opresor de resortes Utilizado (b) Compresión del Espiral ..... 13
Figura 24. Desmontaje del amortiguador ..................................................... 13
Figura 25. Ajuste de amortiguador al espiral ............................................... 14
Figura 26. Montaje del amortiguador al automóvil ....................................... 14
Figura 27. Partes de la bomba de engranajes ............................................. 18
Figura 28. Partes de la bomba de paletas ................................................... 18
Figura 29. Bomba hidráulica de pistones oscilantes .................................... 19
Figura 30. Componentes del tanque hidráulico ........................................... 20
Figura 31. Componentes básicos del cilindro hidráulico ............................. 23
Figura 32. Áreas del Cilindro ....................................................................... 23
Figura 33. Cilindro hidráulico de simple efecto con resortes ....................... 25
Figura 34. Funcionamiento del cilindro de doble efecto ............................... 26
Figura 35. Válvula reguladora de presión ................................................... 28
Figura 36. Electroválvula con accionamiento bobina-muelle ....................... 28
Figura 37. Válvula de aguja reguladora de flujo ........................................... 29
Figura 38. Esquema válvula anti-retorno ..................................................... 29
ix
Figura 39. Prensa mecánica ........................................................................ 30
Figura 40. Principio de pascal ...................................................................... 32
Figura 41. Prensa hidráulica de accionamiento manual ............................. 33
Figura 42. Prensa hidráulica robotizada ...................................................... 33
Figura 43. Deformación de la viga aplicada una fuerza ............................... 34
Figura 44. Columna en compresión y deflexión ........................................... 35
Figura 45. Pandeo de una columna ............................................................. 36
Figura 46. Formas de restricción de una columna ....................................... 37
Figura 47. Comportamiento de la carga crítica ............................................ 38
Figura 48. Esquema del proceso de soldadura ........................................... 42
Figura 49. GMAW Área De Soldado.. .......................................................... 43
Figura 50. Soldadura FCAW (Flux Cored Arc Welding) .............................. 43
Figura 51. Soldadura GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) .......................... 44
Figura 52. Esquema del proceso de Soldadura (SAW) ............................... 44
Figura 53. Controlador lógico programable (PLC) ....................................... 46
Figura 54. Contactor electromagnético ........................................................ 49
Figura 55. Guardamotor .............................................................................. 50
Figura 56. Sensor inductivo ......................................................................... 50
Figura 57. Fases de metodología Mecatrònica de la maquina .................... 51
Figura 58. Viga estructural ........................................................................... 54
Figura 59. Mesa soporte .............................................................................. 54
Figura 60. Compresor superior .................................................................... 54
Figura 61. Cilindro hidráulico ....................................................................... 55
Figura 62. Base de la estructura .................................................................. 55
Figura 63. Ganchos de compresión ............................................................. 57
Figura 64. Opresor de resortes neumático de columna simple ................... 58
Figura 65. Prensa hidráulica de doble columna ........................................... 59
Figura 66. Opresor de resortes hidráulico de una sola columna .................. 60
Figura 67. Diagrama Fuerza – Deformación del resorte ............................. 65
Figura 68. Esquema de componentes ......................................................... 66
Figura 69. Diagrama de cuerpo libre de la columna .................................... 67
Figura 70. Dimensiones viga UPN-100 ........................................................ 69
x
Figura 71. Dimensionamiento de la columna ............................................... 70
Figura 72. Dimensionamiento de la viga mesa ........................................... 71
Figura 73. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos del a viga soporte . 72
Figura 74. Dimensiones de la placa compresora ......................................... 73
Figura 75. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos de la placa soporte 74
Figura 76. Dimensiones del rectángulo ........................................................ 74
Figura 77. Esquema del perno pasador ...................................................... 75
Figura 78. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos de los pasadores .. 76
Figura 79. Diseño de Soldadura .................................................................. 78
Figura 81. Elementos del sistema hidráulico ............................................... 84
Figura 82. Sistema en estado de reposo ..................................................... 85
Figura 83. Activación de la electroválvula A ................................................ 86
Figura 84. Activación de la electroválvula B ................................................ 87
Figura 85. Partes del contactor .................................................................... 89
Figura 86. Diagrama eléctrico de arranque y paro del motor ....................... 89
Figura 87. Distribución del tablero de control ............................................... 90
Figura 88. Diagrama de control.................................................................... 91
Figura 89. Diagrama de Funciones .............................................................. 92
Figura 90. Programa de control ................................................................... 93
Figura 91. Construcción de la Estructura ..................................................... 94
Figura 92. Agujero de pasadores ................................................................. 94
Figura 93. Soportes del cilindro hidráulico ................................................... 95
Figura 94. Instalación del cilindro................................................................. 95
Figura 95. Componentes de la centralina hidráulica .................................... 96
Figura 96. Conexión de mangueras hidráulicas ........................................... 97
Figura 97. Mesa central ............................................................................... 98
Figura 98. Colocación de mesa central y uñeta compresora ....................... 98
Figura 99. Instalación del tablero de control ................................................ 99
Figura 100. Cableado del tablero de control ................................................ 99
Figura 101. Montaje del amortiguador ....................................................... 102
Figura 102. Fuerza – deformación de carga mínima ................................. 104
Figura 103. Fuerza - deformación carga máxima ...................................... 106
xi
ÌNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1
Torques del Amortiguador ......................................................................... 119
ANEXO 2
Factores de Conversión ............................................................................. 119
ANEXO 3
Propiedades de las Áreas .......................................................................... 120
ANEXO 4
Longitud efectiva del cilindro según la fijación ........................................... 121
ANEXO 5
Especificaciones de Vigas UPN ................................................................. 122
ANEXO 6
Propiedades de los Aceros Estructurales .................................................. 123
ANEXO 7
Planos de la Máquina ................................................................................ 124
ANEXO 8
Símbolos Hidráulicos ................................................................................. 128
ANEXO 9
Características de la Bomba de engranajes externos ................................ 132
ANEXO 10
Mangueras Características ........................................................................ 132
ANEXO 11
Datos técnicos del LOGO! ......................................................................... 133
ANEXO 12
Simulación del Programa ........................................................................... 135
xii
ANEXO 13
Detalles del Sensor Inductivo..................................................................... 137
ANEXO 14
Electroválvula............................................................................................. 139
ANEXO 15
Datos técnicos del motor ........................................................................... 140
xiii
RESUMEN
En el presente proyecto se desarrolló el diseño y construcción del prototipo
para comprimir sistemas de suspensión de los automóviles. La máquina
compresora de espirales es basada en el principio de la prensa hidráulica
con una capacidad de 2 toneladas.
En el primer capítulo se presenta una breve introducción general del
proyecto, en conjunto con los objetivos y el alcance a desarrollarse.
El segundo capítulo describe las generalidades de los diferentes sistemas de
suspensión que poseen los vehículos en la actualidad, se muestra los
efectos de una mala suspensión con el cambio convencional de
amortiguadores. Se describen los conceptos básicos acerca de la hidráulica
con todos los factores influyentes como presión, caudal etc. y los diferentes
componentes necesarios para un sistema hidráulico.
Se detalla el funcionamiento y la clasificación de prensas según el uso
requerido. La descripción de estructuras, columnas, vigas, y los diferentes
tipos de sujeción. El sistema de control se muestra la descripción del
controlador, contactor, guardamotor y el sensor.
El tercer capítulo muestra la metodología del proyecto a realizarse con los
requerimientos, restricciones, y objetivos de la máquina, estableciendo
parámetros de ingeniería para la elección del prototipo correcto.
El cuarto capítulo consta de cálculos, diseños, simulaciones virtuales, y la
determinación de materiales a utilizarse, todo esto realizado para asegurar el
correcto funcionamiento del opresor hidráulico de resortes.
El quinto capítulo es el análisis de resultados, realizado ya con el opresor
concluido, donde se realizan las pruebas de funcionamiento empezando por
el montaje de los amortiguadores al opresor, después verificar cada uno de
los movimientos, por último la interpretación de resultados obtenidos con las
diferentes cargas aplicadas al opresor.
El diseño, construcción del opresor, y las pruebas de funcionamiento
cumplen con los objetivos establecidos.
El último capítulo se describe las conclusiones y recomendaciones obtenidas
durante el desarrollo del presente proyecto.
xiv
ABSTRACT
In this project the design and construction of the prototype was developed for
compressing suspension systems of cars. The spiral compressor machine is
based on the principle of the hydraulic press with a capacity of 2 tons.
In the first chapter show a general introduction to the project, together with
the objectives and scope to develop.
The second chapter describes the overview of the different suspension
systems possessing vehicles today, the effects of a bad sample suspension
with conventional dampers change. Basic concepts of hydraulics with all
influential factors such as pressure, flows etc. are described and various
components required for a hydraulic system.
Operation and the classification according to the required use presses
detailed. The description of structures, columns, beams, and types of
restraint, the control system controller description, contactor, breaker and the
sensor is shown.
The third chapter shows the methodology of the project and by the
requirements, constraints, and objectives of the machine, setting engineering
parameters for choosing the right prototype.
The fourth chapter consists of calculations, design, computer simulations,
and the determination of materials to be used, all made to assure proper
operation of the hydraulic spring oppressive.
The fifth chapter is the analysis of results, and performed with the completed
oppressor, where performance tests starting with the assembly of the
oppressor cushions are made, then check each of the movements, and
finally the interpretation of results obtained with the different loads applied to
the oppressor.
The design, construction of the oppressor, and operational testing conform to
the objectives set.
The last chapter the conclusions and recommendations obtained during the
development of this project is described.
xv
1.
INTRODUCCIÓN
En el tema propuesto es partir desde el estudio de amortiguadores y
espirales en los que se trabajan a diario, disponibilidad de espacio para la
instalación de la prensa que permita un libre acceso y comodidad para el
operario, el diseño de una estructura para la colocación de los espirales de
forma segura y estable, el diseño hidráulico el que va a poner en
funcionamiento la prensa con sus respectivos componentes que serían:
bomba hidráulica, motor eléctrico, mangueras de alta presión, pistones
hidráulicos, y el depósito hidráulico para el almacenamiento del fluido
hidráulico con su respectivo filtro.
El objetivo de la suspensión en un vehículo es “absorber” las desigualdades
del terreno sobre el que se desplaza, a la vez que mantiene las ruedas en
contacto con el pavimento, proporcionando un adecuado nivel de confort y
seguridad.
La suspensión permite la reducción de fuerzas causadas por las
irregularidades en el terreno, permite tener el control de la dirección, permite
mantener adheridos los neumáticos a la carretera manteniendo una correcta
alineación de las ruedas y tener al vehículo en la altura óptima o la altura
deseada por el usuario.
Un resorte es una pieza mecánica que típicamente usada para almacenar
energía e irla liberando subsecuentemente. Se utiliza para absorber golpes o
para mantener la fuerza entre dos superficies. Están hechos de forma espiral
y con la capacidad de retornar su tamaño original una vez que la energía es
liberada.
Una prensa
hidráulica es
un
mecanismo
conformado
por vasos
comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante
pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. Los pistones son
llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Estos hacen funcionar
conjuntamente a la prensa hidráulica por medio de motores.
La prensas para cambiar amortiguadores para el uso en el taller automotriz
sea de fácil manejo, que pueda ser usada por cualquier empleado
1
capacitado o no capacitado, además gracias a su diseño es rápido y de fácil
mantenimiento en los sistemas de suspensión.
El sistema de control es a través de un PLC, que comanda las diferentes
acciones mediante pulsadores de manera sencilla para el operador, consta
del sistema de seguridad en caso de que existan sobre cargas en la
máquina
y un
paro
de
emergencia
para
deshabilitar
el sistema
inmediatamente.
La mejor ubicación del PLC está cerca de la máquina o proceso que
controlará. El PLC es ubicado en un panel metálico cerrado que mantiene el
hardware del PLC protegido de los peligros ambientales.
Los PLC’s existen varios tipos en el mercado por lo que cada uno tiene
diferentes tipos de lenguajes de programación.
Para el diseño del software se realiza un esquema tomando en cuenta los
requerimientos del operador, que sea de fácil acceso y manejo.
La distribución de los componentes y alambrado dentro del panel metálico
debe tomar en consideración los efectos del calor, ruido eléctrico, vibración,
mantenimiento y seguridad.
El análisis de resultados es realizado una vez instalados todos los
componentes, para posteriormente trabajar confiablemente en dicha
máquina.
2
OBJETIVO GENERAL
 Diseñar una prensa hidráulica que permita la compresión de espirales
controlada mediante un PLC para el cambio de amortiguadores o
espirales en los automóviles.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
 Diseñar la parte mecánica y estructural donde se va a implementar
el sistema.
 Diseñar el sistema hidráulico de la prensa.
 Diseñar el sistema de control de la máquina para el manejo
adecuado.
 Optimizar el proceso al momento de trabajar con los espirales.
El proyecto es una prensa compresora de espirales de la suspensión para el
montaje
o
desmontaje
de
amortiguadores,
con
el
principio
del
funcionamiento de una prensa hidráulica, diseñado en una estructura fija
donde se coloca el cilindro hidráulico de doble efecto para la compresión del
espiral.
La implementación del sistema hidráulico determinando el cilindro a utilizarse
para la máxima carga que se va aplicar, definir el tipo de mangueras de alta
presión, el control en la apertura y cierre de la electroválvula, también se
controlara el sensor inductivo, fin de carrera. Mediante un PLC que incluirá
dicha prensa.
El diseño y construcción de la prensa hidráulica compresora será elaborada
con estándares de diseños estudiados y analizados virtualmente. Aplicado
en un taller automotriz en el que a diario reciben automóviles con problemas
en la suspensión.
3
2.
MARCO TEORICO
2.1. GENERALIDADES
Esta parte servirá para investigar cada una de las fuentes de referencia
necesarias para desarrollar el proyecto, donde se tomará como inicio el
estudio de los sistemas de suspensión, amortiguadores, espirales, tipos y
formas de desmontaje, estructuras, cilindros hidráulicos, sistemas de control
semi-automático, etc., correspondientes al tema del proyecto con sus
características principales y la función principal en el mercado.
2.1.1. SISTEMAS DE SUSPENSIÓN
El sistema de suspensión está compuesto por un elemento flexible (resorte,
barra de torsión, muelle de goma, gas o aire) y un elemento de
amortiguación (amortiguador), el cual debe neutralizar las oscilaciones de la
masa suspendida ocasionadas por el elemento flexible al adaptarse a las
irregularidades del terreno.
Elementos de la suspensión simple son:
 Muelle o ballesta.
 Resorte.
 Barras de torsión.
2.1.1.1. Ballestas
Figura 1. Suspensión de Ballestas
Las ballestas están constituidas por un conjunto de hojas o láminas de acero
especial para muelles, unidas mediante unas abrazaderas que permiten el
deslizamiento entre las hojas cuando éstas se deforman por el peso que
4
soportan. La hoja superior, llamada hoja maestra, va curvada en sus
extremos formando unos ojos en los que se montan unos casquillos de
bronce para su acoplamiento al soporte del bastidor por medio de unos
pernos o bulones. (imac , 2008)
2.1.1.2. Resortes
Estos elementos mecánicos se utilizan en sustitución de las ballestas, pues
tienen la ventaja de conseguir una elasticidad blanda debido al gran
recorrido del resorte ocupando poco espacio y peso.
El resorte está constituido de un grueso alambre de acero, enrollado como
un cilindro de forma espiral de distintos diámetros y diferentes alturas.
Tienen la característica de que la distancia de compresión es proporcional a
la carga que soportan, es decir para carga doble se reducen a la mitad de
tamaño.
Los resortes soportan el peso del vehículo, mantienen la altura del vehículo y
absorben los impactos en la vía. Los resortes permiten mantener los
neumáticos pegados en el asfalto con una mejor adherencia y mucha
estabilidad en las curvas para evitar que el automóvil se vuelque,
disminuyendo el impacto dentro de la cabina del automóvil.
En el resorte no debe haber contacto entre las espiras, lo que la deformación
tiene que ser menor que el paso por el número de espiras. Caso contrario la
carga al momento de poner en marcha el vehículo se transmitirá
directamente en el chasis.
Figura 2. Etapas del Resorte
5
Durante el estudio de los resortes, el término bote se refiere al movimiento
vertical (hacia arriba y hacia abajo) del sistema de suspensión. El recorrido
de la suspensión hacia arriba que comprime el resorte y el amortiguador se
conoce como aplastamiento o compresión. El recorrido de la llanta y la rueda
hacia abajo que extiende el resorte y los amortiguadores se denomina rebote
o extensión.
Trabajan a torsión, retorciéndose proporcionalmente al esfuerzo que tienen
que soportar, acortando su longitud y volviendo a su posición de reposo
cuando termina el efecto que produce la deformación.
Figura 3. Fuerzas que actúan en resorte
Cuando el resorte es desviado, almacena energía. Sin amortiguadores, el
resorte se extenderá y liberará esta energía a una velocidad incontrolada. La
inercia del resorte hace que éste bote y se sobre extienda. Luego, se
comprime, pero de nuevo se desplazará demasiado lejos. El resorte continúa
botando a su frecuencia natural hasta que se utiliza toda la energía que se
puso originalmente en él. (MONROE AMORTIGUADORES Y STRUTS,
1995)
Figura 4. Alturas del resorte aplicando distintas cargas.
6
Figura 5. Oscilaciones del espiral (sin amortiguador y con amortiguador)
2.1.1.3. Barra de torsión
Este tipo de suspensión, está constituido por una varilla de acero elástico
sujeta por uno de sus extremos se le aplica por el otro un esfuerzo de
torsión, esta varilla tenderá a retorcerse, volviendo a su forma original por su
elasticidad cuando termine el esfuerzo de torsión.
Figura 6. Barra de Torsión
(Bermejo, 2012)
2.1.2. AMORTIGUADORES
Los amortiguadores son un componente del sistema de suspensión que
controla los espirales, manteniendo el vehículo en constante contacto con el
suelo y por ello la importancia que tienen en la seguridad vial, evitando
accidentes provocados por falta de adherencia de los neumáticos al suelo,
cuando los amortiguadores están desgastados se pierde adherencia entre el
neumático y la vía.
La función de los amortiguadores absorber la energía para eliminar
desbalanceo en la carrocería del vehículo producido por los distintos
7
movimientos, para absorber energía producida por golpes o impactos
sufridos en los neumáticos.
Los amortiguadores son un componente de la parte de suspensión del
vehículo que cumple una determinada función que permite mantener las
ruedas pegadas al suelo siendo un complemento muy importante con el
espiral ya que el amortiguador permite al resorte comprimir y descomprimir
de una manera controlada.
Figura 7. Amortiguador espiral en función con todos los componentes
(Urbieta, 2003)
Un amortiguador es un pistón hidráulico con flujo limitado, el objetivo de un
amortiguador es evitar que la llanta rebote por el movimiento armónico que
genera el resorte o barra de torsión.
2.1.3. DIAGNÓSTICO PARA AMORTIGUADORES
Por ser un sistema de piezas interconectadas es fundamental que ésta actúe
con eficacia y sincronismo en todas las circunstancias y terrenos por lo que
es importante realizar una inspección preventiva cierto tiempo, teniendo en
cuenta los siguientes pasos a seguir:
Inspeccionar visualmente el estado de la suspensión de forma periódica,
cada 20.000 o 30.000 Kilómetros, o al menos una vez al año.
8
Según la calidad del amortiguador tipo de suspensión y las
condiciones de funcionamiento, la vida media útil podría
establecerse de 40.000 a 100.000 kilómetros.
El uso frecuente en terrenos accidentados o el transporte continuo
de cargas
hará necesario un control más a menudo.
Los Amortiguadores suavizan la marcha a la vez que evitan los
rebotes incontrolados de las ruedas generando estabilidad en el
vehículo. (Centrocapemi, 2011)
2.1.3.1. Amortiguadores en mal estado
Si se observa que los amortiguadores están defectuosos por golpes, fugas
de aceite, o muy blandos o flojos realizar el cambio respectivo de los
mismos, también verificar la altura correcta del vehículo que es dada por los
espirales.
Figura 8. Amortiguadores en mal estado
9
Una deficiente amortiguación puede provocar desgastes irregulares de los
neumáticos.
Figura 9. Desgaste desigual en los neumáticos
Una consecuencia directa de unos amortiguadores desgastados es la
perdida de la seguridad en la conducción con una mala respuesta de la
dirección, rigidez o ruido en las curvas. Sientes balanceo o inclinación
excesiva en las curvas.
Figura 10. Balanceo o inestabilidad en el vehículo
Si los amortiguadores no están en buen estado comenzaran a producirse
rebotes incontrolados de las ruedas generando poca adherencia de los
neumáticos contra el suelo provocando la inestabilidad del vehículo.
Figura 11. Rebotes incontrolados en el vehículo
10
El equilibrio y la estabilidad de un automóvil en curvas y frenadas dependen
del buen funcionamiento del conjunto resorte / amortiguador.
La Figura 20 muestra que tan útiles son los amortiguadores al realizar
pruebas al momento de frenar demostrando una gran diferencia entre
amortiguadores en buen estado y regular estado, a distintas velocidades.
“La prueba número 996 del RAC (Royal Automobile Club por sus siglas en
inglés) demuestra el efecto sobre la distancia de frenado a 50 mph y 70 mph
en tres típicos sedanes familiares equipados con amortiguadores traseros al
100% y 50% de eficiencia.” (AutoZone, Inc., 2001)
Figura 12. Pruebas de frenado
2.1.3.2. Síntomas de fatiga de los resortes
Vehículo pierde altura, o inclinación hacia adelante, hacia atrás, o en
forma lateral.
Cuando acelera, la parte delantera se eleva o se frena la parte delantera
se inclina.
Demasiado desgaste en los amortiguadores, rótulas, extremos de
dirección y bujes, provocando excesivas oscilaciones en la carrocería o
emitiendo ruidos.
11
Las espiras del resorte muestran señales de que se están golpeando
entre sí.
Aparición de óxido en la superficie del resorte.
Variación en la distancia entre el borde de guardafangos y el centro de la
rueda, impidiendo que la carrocería no pueda recuperar su posición
original. (Centrocapemi, 2011)
2.1.4. DESMONTAJE Y MONTAJE DE AMORTIGUADORES CON
ESPIRAL
Se debe empezar con la comprobación de los amortiguadores en un banco
de pruebas.
Para el desmontaje primero se debe retirar la rueda del vehículo para tener
accesibilidad al amortiguador.
Figura 13. Retirar la rueda
Aflojar las tres tuercas que sujeta al plato con el resorte y el amortiguador en
la parte superior como indican las flechas rojas de la Figura 22(a) seguido de
los sujetadores que se encuentran en la parte inferior como indican las
flechas azules y las flechas rojas del Figura 21(b).
12
a)
b)
Figura 14. Desajuste del amortiguador
Comprimir el resorte utilizando los opresores de ganchos, son dos que se
sujetan en cada lado del espiral como se muestra en la Figura. 23 (a), una
vez que se acopla al resorte se procede ajustar de forma uniforme en cada
opresor hasta comprimir en la distancia requerida para como muestra la
Figura. 23(b).
Figura 15. (a) Opresor de resortes Utilizado (b) Compresión del Espiral
Aflojar la tuerca que sujeta al plato con el resorte y el amortiguador para
retirar el amortiguador por abajo del resorte tener cuidado de que no se
suelten los opresores.
Figura 16. Desmontaje del amortiguador
13
Para el montaje y armado se debe colocar todas las piezas en conjunto, y
revisar que todo se ajuste en su lugar sobre todo el plato y el resorte.
Retirar los opresores y apretar la tuerca del amortiguador con referencia a
los toques que se muestran en la tabla de anexos 1.
Figura 17. Ajuste de amortiguador al espiral
Colocar primero la base superior, sobreponer las tuercas para poder mover
el amortiguador centrándolo a la base de los discos.
Finalmente realizar el ajuste de todas las tuercas superiores e inferiores
como indica la Figura 26.
Figura 18. Montaje del amortiguador al automóvil
El cambio de Resortes se debe realizar cada dos cambios de
amortiguadores para garantizar seguridad y óptimo rendimiento de todos los
componentes de la suspensión. (EMTA, 2011)
14
2.2. HIDRÁULICA
2.2.1.
INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA
La hidráulica es una rama de la mecánica de fluidos y presente en la
ingeniería que comprende la transmisión y regulación de fuerzas y
movimientos por medio de los líquidos. Este estudio se trata de la
hidrodinámica donde se consideran tres aproximaciones importantes:
Que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no
varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con
los gases.
Se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad, ya
que se supone que un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es
mucho menor comparándola con la inercia de su movimiento.
Se supone que el flujo de los líquidos es en régimen estable o
estacionario, es decir, que la velocidad del líquido en un punto es
independiente del tiempo. (Mott R. , 1996)
Cuando se escuche la palabra “hidráulica” hay que remarcar el concepto de
que es la transformación de la energía, ya sea de mecánica o eléctrica en
hidráulica para obtener un beneficio en términos de energía mecánica al
finalizar el proceso.
Etimológicamente la palabra hidráulica se refiere al agua:
Hidros - agua. Aulos - flauta. (Royo, 1998)
2.2.2. PRESIÓN
La presión es la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual
actúa.
En cualquier caso en que exista presión, una fuerza actuará en forma
perpendicular sobre una superficie.
Se calcula mediante la siguiente fórmula:
EC. 2.1
15
Dónde:
P = Presión; [Pa], [bar], [kg/cm2].
F = Valor de la fuerza perpendicular a la superficie; [N], [kgf], [lbf].
A = Área o superficie sobre la que actúa la fuerza; [
], [
].
2.2.3. CAUDAL
Es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se
identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la
unidad de tiempo [l/min].
El caudal puede calcularse a través de las siguientes fórmulas:
EC. 2.2
Dónde:
Q = caudal; [lt/min].
V = volumen; [lt/s].
t = tiempo; [s].
Q= V. s
EC. 2.3
Dónde:
Q = caudal; [l/min].
V = velocidad; [m/s].
s = superficie; [
].
2.2.4. FLUIDO
Es un líquido transmisor de potencia que se utiliza para transformar,
controlar y transmitir los esfuerzos mecánicos a través de una variación de
presión o de flujo. (Interactive Industrial Training, 2000)
Transmitir presiones.
Refrigerar, evacuar el calor producido en el circuito.
Proteger contra corrosión.
16
2.2.4.1. Viscosidad
La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido para fluir a una
temperatura determinada.
Las viscosidades de los aceites hidráulicos pueden variar entre los 10 a 750
[cSt] (centiStokes).
En la viscosidad influye tanto la temperatura como la presión de trabajo.
El aumento de temperatura disminuye la viscosidad en tanto que el aumento
de presión la disminuye.
Un fluido que fluye fácilmente tiene una viscosidad baja. Un fluido que no
fluye fácilmente tiene una viscosidad alta.
2.2.5. BOMBA HIDRÁULICA
La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica
proveniente del motor.
Toma energía de una fuente como puede ser un motor y la convierte en
forma de energía hidráulica.
La bomba toma aceite de un depósito de almacenamiento y lo envía como
un flujo al sistema hidráulico.
Los engranajes de la bomba llevan el aceite a la cámara de salida de la
bomba.
La bomba sólo produce flujo (galones por minuto, litros por minuto,
centímetros cúbicos por revolución, etc.), que luego es usado por el sistema
hidráulico. La bomba NO produce “presión”. La presión se produce por
acción de la resistencia al flujo.
Hay tres tipos básicos de bombas: de engranajes, de paletas y de pistones.
2.2.5.1. Bomba de Engranajes
Una bomba de engranajes es un tipo de bomba hidráulica que consta de dos
engranajes del mismo tamaño, que se engranan entre si dentro de una
carcasa.
El engranaje impulsor es una extensión del eje impulsor. Cuando gira,
impulsa al segundo engranaje. Cuando ambos engranajes giran, el fluido se
17
introduce a través del orificio de entrada. Este fluido queda atrapado entre la
carcasa y los dientes de rotación de los engranajes, se desplaza alrededor
de la carcasa y se empuja a través del puerto de salida. La bomba genera
flujo y, bajo presión, transfiere energía desde la fuente de entrada, que es
mecánica, hasta un actuador de potencia hidráulica.
Figura 19. Partes de la bomba de engranajes
2.2.5.2. Bomba de Paletas
Las bombas de paletas tienen un conjunto de aletas con cinemática radial
Está construida con una carcasa, dentro de ella se encuentra un rotor
giratorio que sostiene a las paletas. Al girar el rotor las paletas son las
encargadas de aspirar el fluido, debido a la depresión que provocan con su
giro, para impulsarlo al exterior.
Figura 20. Partes de la bomba de paletas
2.2.5.3. Bomba de Pistón
Las bombas de pistones, un pistón se desplaza mediante un movimiento
giratorio de un eje en movimiento axial de vaivén, que produce en los
18
pistones aspirando el fluido de la zona de admisión y enviándolo hacia la
salida.
Este movimiento de vaivén succiona fluido y lo bombea hacia fuera.
Figura 21. Bomba hidráulica de pistones oscilantes
(AIU, 2012)
Tabla 1. Características de las bombas hidráulicas
(Festo, 2009)
19
2.2.5.4. Depósito
La función del tanque hidráulico o depósito es almacenar aceite, aunque no
es la única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire del
aceite.
Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, no permite
que entre suciedad externa. Su misión es recuperar el fluido después de
usarlo y mantener un nivel adecuado al uso de la instalación.
Los tanques hidráulicos generalmente son herméticos.
Figura 22. Componentes del tanque hidráulico
Tapa de llenado - Mantiene los contaminantes fuera de la abertura
usada para llenar y añadir aceite al tanque.
Mirilla - Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel
de aceite debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está
en un nivel a mitad de la mirilla, indica que el nivel de aceite es
correcto. Existen ciertas mirillas con termómetros que permite
monitorear la temperatura en que se encuentra el aceite.
Tuberías de suministro y retorno - La tubería de suministro permite
que el aceite fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno
permite que el aceite fluya del sistema al tanque.
Drenaje - Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite
sacar el aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje
20
también permite retirar de los aceites contaminantes como el agua y
sedimentos
Manómetro- Se pone después de la bomba e indica la presión de
trabajo. (AIU, 2012)
2.2.5.5. Filtros (en la descarga, o en la salida de presión)
Los filtros se emplean para el control de la contaminación por partículas
sólidas (trozos de metal, plásticos, etc.) de origen externo y las generadas
internamente por procesos de desgaste de las superficies de la maquinaria,
permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo como
del fluido hidráulico.
Filtro de impulsión o de presión: situado en la línea de alta presión
tras el grupo de impulsión o bombeo, permite la protección de
componentes sensibles como válvulas o actuadores.
Filtro de retorno: en un circuito hidráulico cerrado, se sitúa sobre la
conducción del fluido de retorno al depósito a baja presión o en el
caso de filtros semi-sumergidos o sumergidos, en el mismo depósito.
Actúan de control de las partículas originadas por la fricción de los
componentes móviles de la máquina. (Center, 1993)
2.2.5.6. Conductos de comunicación
Son conductos que constan de un tubo hueco flexible diseñado para
transportar fluidos de un lugar a otro.
Las mangueras hidráulicas están sometidas a condiciones extremas como
diferencias de presión durante el funcionamiento y exposición al clima,
agentes químicos, condiciones de operación en alta temperatura o
manipulación inapropiada durante el funcionamiento o mantenimiento.
La selección de los conductos es según material, diámetro, y presión de
trabajo.
Existen varios tipos de conductos hidráulicos para baja, mediana, alta y
extrema presión que deben cumplir con los siguientes requisitos:
Seguridad
Flexibilidad
21
Desempeño
Resistencia
Durabilidad
Debe ser calculado en el momento de diseño del sistema para la correcta
selección de cada elemento. De esta forma se obtiene un sistema eficiente
con capacidad de suministrar la cantidad de fluido necesario a la presión
requerida. (AIU, 2012)
2.3. CILINDROS HIDRÁULICOS
Los cilindros hidráulicos son actuadores mecánicos que su fuerza de salida o
movimiento, se produce en línea recta.
Su función es convertir la potencia hidráulica en potencia lineal mecánica.
Entre sus aplicaciones de trabajo se incluyen empujar, arrastrar, inclinar y
ejercer presión. El tipo y el diseño del cilindro dependen de las aplicaciones
específicas.
Los cilindros hidráulicos obtienen la energía de un fluido hidráulico
presurizado, que es aceite. Consta básicamente en dos piezas: un cilindro
barril y un pistón o émbolo móvil conectado a un vástago. El cilindro barril
está cerrado por los dos extremos, en uno está el fondo y en el otro, la
cabeza por donde se introduce el pistón, que tiene una perforación por
donde sale el vástago. El pistón divide el interior del cilindro en dos cámaras:
la cámara inferior y la cámara del vástago. La presión hidráulica actúa en el
pistón para producir el movimiento lineal. (Díez, 2014)
22
Figura 23. Componentes básicos del cilindro hidráulico
(DFL, 2000)
2.3.1. FUERZA DEL CILINDRO
La fuerza a realizar el cilindro es en función del área efectiva como se
muestra la figura 32, se determina con la siguiente ecuación. (Díez, 2014)
F = P * A (efectiva)
EC. 2.4
Dónde:
F = Fuerza del cilindro; [N].
P = Presión hidráulica de trabajo; [Pa].
A (efectiva) = Área efectiva del cilindro; [
].
Figura 24. Áreas del Cilindro
23
Formula del área efectiva del cilindro.
EC. 2.5
Formula del área pequeña de la cámara del cilindro.
EC. 2.6
2.3.1.1. Velocidad de Trabajo
La velocidad del émbolo indicará el caudal necesario de la bomba y el
diámetro de las conducciones. (Sole, 2007)
EC. 2.7
Dónde:
V = velocidad media del vástago; [m/s].
L = carrera del vástago; [m].
t = tiempo de recorrido; [s].
2.3.2. CILINDRO SIMPLE EFECTO
Este tipo de cilindro puede ser de empuje o tracción. El retorno del vástago
se realiza mediante la fuerza de la gravedad, el peso de una carga o por
medio de un muelle.
Este cilindro tiene un orificio, para que la cámara no se llene de aire como se
observa en la figura 33.
El cilindro de simple efecto ingresa el aceite por un lado del émbolo, por lo
que solo puede transmitir esfuerzo en una dirección.
Aplicaciones más frecuentes son:
Elevación de cargas
Descenso de cargas
Bloqueo de cargas
Desplazamiento de cargas
24
Figura 25. Cilindro hidráulico de simple efecto con resortes
(Sole, 2007)
2.3.3. CILINDRO DOBLE EFECTO
El cilindro hidráulico de doble efecto tiene la capacidad de extenderse como
al retraerse.
En este tipo de cilindro consta de dos orificios que hacen de entrada y salida
de fluido, de manera indistinta. Incluso se puede regular la velocidad de
desplazamiento del vástago.
Tiene dos cámaras, una a cada lado del émbolo. En el émbolo es donde va
sujeto el vástago o pistón; y es el que hace que se desplace el vástago de
un lado a otro según le llegue el fluido por una cámara u otra.
En la carrera de extensión, el fluido entra proveniente de la bomba por la
entrada B actuando sobre el pistón y el fluido del otro lado del pistón es
expulsado a estanque, a través de A. (Figura 34)
En la carrera de retracción el fluido ingresa por A actuando en la otra cara
del pistón y se expulsa el fluido del otro lado por B. (Figura 34)
El cilindro de doble efecto puede estar montado en cualquier posición o
dirección ya que el retorno del mismo no se debe a ninguna acción ajena al
mismo. (Talleres Lucas, 2013)
25
B
A
B
A
Figura 26. Funcionamiento del cilindro de doble efecto
En el cilindro de doble efecto actúan dos fuerzas que son:
Fuerza de Extensión
La fuerza de extensión se calcula con la siguiente formula:
EC. 2. 8
Fuerza de Retracción
La fuerza de retracción se calcula con la siguiente formula:
EC. 2.9
Dónde:
P = Presión; [MPa], [bar].
D = Diámetro interior del cilindro; [mm].
d = Diámetro del vástago del pistón; [mm].
0,9 = Coeficiente de rozamiento de rodamientos, juntas y partes móviles del
cilindro.
El factor de carga es la relación entre la carga real y la fuerza teórica de
salida del cilindro. La tabla 2 indica la relación entre el factor de carga y la
velocidad del pistón.
26
Tabla 2. Relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón
Velocidad del pistón (mm/s)
Factor máximo de carga
8 a 100
70%
101 a 200
30%
201 a 300
10%
2.4. ELEMENTOS DE REGULACION Y CONTROL
Encargados principalmente de regular el paso del aceite desde las bombas a
los elementos actuadores. Estos elementos, se denominan válvulas,
electroválvulas, sensores, que pueden ser activados de diferentes formas:
manualmente, por circuitos electrónicos, PLC’s, neumáticos, hidráulicos o
mecánicos.
2.4.1. Válvulas
Es un dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la
circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre,
cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.
La válvula es uno de los instrumentos de control más esenciales en las
máquinas que presentan fluidos.
2.4.1.1. Válvulas reguladoras de presión
Las válvulas de control de presión o de seguridad realizan funciones tales
como limitar la presión máxima de un sistema o regular la presión reducida
en ciertas partes del circuito u aquellas actividades que implican cambios en
la presión de trabajo. Su funcionamiento se basa en un equilibrio entre
presión y la fuerza.
La válvula reguladora de la presión tiene dos circuitos:
Un circuito regulador eléctrico más lento, para ajustar un valor de
presión.
27
Un circuito regulador mecánico-hidráulico más rápido, que compensa
las oscilaciones de presión de alta frecuencia.
Figura 27. Válvula reguladora de presión
2.4.1.2. Válvulas Direccionales
El fluido que circula por el sistema hidráulico debe ser dirigido
convenientemente a los diversos cilindros, actuadores, o motores, de
acuerdo a las exigencias y secuencias del trabajo que se deba realizar
Las válvulas direccionales más convencionales son las de dos, tres y cuatro
vías.
Estas pueden accionarse manualmente, mecánicamente o hidráulicamente y
por señal eléctrica (electro-válvulas).
2.4.1.3. Electroválvula
Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar
el flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería. La
válvula está controlada por una corriente eléctrica a través de una bobina
solenoidal.
Figura 28. Electroválvula con accionamiento bobina-muelle
28
Al cerrar el contacto se alimenta la bobina, el campo magnético generado
atrae al núcleo y deja pasar aire hacia la salida; al abrir el muelle devuelve a
la válvula a su posición inicial. (altecdust, 2013)
2.4.1.4. Válvulas Reguladoras de Flujo
Las válvulas reguladoras de caudal permiten controlar la velocidad de
avance o retroceso de un cilindro. Cada reguladora de caudal sólo regula la
velocidad en un sentido.
Una válvula de control de flujo genera resistencia adicional al circuito,
aumentando la presión, que da como resultado un desvío parcial del fluido
sobre la válvula de alivio y la disminución del desplazamiento de una bomba
compensada por presión.
Figura 29. Válvula de aguja reguladora de flujo
(Interactive Industrial Training, 2000)
2.4.1.5. Válvula Anti-retorno
La válvula anti-retorno puede funcionar como control direccional o como
control de presión. Una válvula anti-retorno no es más que una válvula
direccional de una sola vía. Permite el paso libre del aceite en una dirección
y lo bloquea en la otra. (AIU, 2012)
Figura 30. Esquema válvula anti-retorno
29
2.5. PRENSA
La prensa es una máquina que se utiliza para comprimir, puede actuar sobre
distintos materiales ya sea en frío o en caliente, para cualquier trabajo que
requiera una fuerte presión, o una gran fuerza.
2.5.1. TIPOS DE PRENSAS
2.5.1.1. Prensas Mecánicas
La prensa mecánica o prensadora es la máquina que, a través de un volante
de inercia, acumula energía y la transmite por vía mecánica o neumática a
una matriz estas prensas, permiten realizar el proceso conocido como
troquelación (la realización de agujeros en metales, plásticos, cartones u
otros materiales). (Palacios, Diseño de una Prensa Hidráulica para Elaborar
Pocetas de Acero Inoxidable, 2008)
Figura 31. Prensa mecánica
2.5.1.2. Prensas Neumáticas
Las prensas neumáticas son controladas por la manipulación de aire a
presión. El aire es forzado en un tubo que se llena con el aire y se aplica la
presión que hace que la prensa se desplace hacia abajo. Una vez que el
recorrido de la prensa está terminado, el aire se evacua a través de válvulas,
resortes mecánicos y hacen que la bomba se mueva de nuevo hacia arriba.
30
2.5.1.3. Prensas Hidráulicas
La prensa hidráulica es una máquina que consta de vasos comunicantes que
son impulsados por pistones de distintas áreas que mediante pequeñas
fuerzas podemos obtener mayores fuerzas para poder levantar pesos muy
grandes con una fuerza pequeña. Los pistones son componentes hidráulicos
que necesitan de líquido hidráulico para su funcionamiento requerido lo que
conjuntamente hacen funcionar a la prensa por medio de motores donde se
transforma la energía mecánica en energía hidráulica.
Las prensas tiene mucha utilidad en industrias, mecánicas, etc. por su fácil
utilización para realizar trabajos que no puede hacer la mano del hombre, la
prensa permite trabajar sobre distintos materiales sea en frío o caliente para
cualquier operación donde se requiere una gran presión.
Las prensas hidráulicas tienen capacidad de producción y trabajo más
rápido, por eso en la actualidad existe la preferencia de dicha prensa. Esto
es debido que las prensas hidráulicas son más rápidas, y confiables por el
avance tecnológico que existe hoy en día como motores más eficientes,
bombas, mangueras etc. (Scribd, 2011)
2.5.1.3.1.
Principio de Pascal
El principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y
matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: la
presión ejercida por un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un
recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en
todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.
El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca,
perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera
con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el
agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la
misma presión.
También podemos ver aplicaciones del principio de Pascal en las prensas
hidráulicas, en los elevadores hidráulicos y en los frenos hidráulicos. (Lara
Barragàn Gòmez & Trejo, 2007)
31
Figura 32. Principio de pascal
2.5.1.3.2.
Funcionamiento Prensa Hidráulica
El principio de funcionamiento de la prensa hidráulica, suponer una tubería
en forma de “U” cuyos extremos tienen un diámetro distinto; es decir, uno es
más ancho que otro. Si se llenara esta tubería con un fluido y colocáramos
sobre uno de los extremos un peso, el nivel del fluido en éste bajaría y en la
misma medida subiría el del otro extremo.
Se muestra cómo la fuerza es igual a la presión multiplicada por la
superficie. La prensa hidráulica amplifica una fuerza porque el fluido está
encerrado entre dos pistones de área diferente. Y es que estos vasos
comunicantes o émbolos son impulsados por pistones y mediante pequeñas
presiones se consiguen otras presiones mayores.
El principio de pascal que interactúa permite obtener fuerzas muy grandes
usando relativamente fuerzas pequeñas.
Accionamiento manualmente
Tiene un cilindro el cual tiene en su interior un émbolo que sale y comprime
la pieza contra la mesa, todo esto gracias al fluido del aceite hidráulico que
es accionado desde una bomba hidráulica de uso manual.
32
Figura 33. Prensa hidráulica de accionamiento manual
Prensas Automatizadas
Se acciona mediante controles automáticos a una bomba que permite la
circulación del fluido hidráulico en aquel cilindro para comprimir la pieza
sobre la mesa manejando con mucha precisión constando con: dispositivo
amortiguador de perforación y corte, mesa de trabajo móvil, dispositivo de
seguridad, dispositivo de refrigeración de aceite, pantalla táctil, control PLC,
etc.
Figura 34. Prensa hidráulica robotizada
(Scribd, 2011)
33
2.6. ESTRUCTURAS
Se define a estructura a los cuerpos que son capaces de resistir cargas sin
que exista una deformación excesiva de una de las partes con respecto a la
otra.
La función de una estructura consiste en transmitir las fuerzas de un punto a
otro en el espacio, resistiendo a su aplicación sin perder la estabilidad.
2.6.1. VIGAS
Es un elemento estructural lineal que trabaja principalmente a flexión. En las
vigas, la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones y suele ser
horizontal. El esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y
compresión, produciéndose las máximas en el cordón inferior y en el cordón
superior respectivamente, las cuales se calculan relacionando el momento
flector y el segundo momento de inercia. En las zonas cercanas a los apoyos
se producen esfuerzos cortantes. También pueden producirse tensiones por
torsión, sobre todo en las vigas que forman el perímetro exterior de un
forjado.
Figura 35. Deformación de la viga aplicada una fuerza
2.6.2. COLUMNAS
Una columna es un miembro estructural que soporta una carga axial de
compresión, que tiende a fallar por inestabilidad elástica o pandeo, más que
por aplastamiento del material. La inestabilidad elástica es la condición de
34
falla donde la forma de una columna no tiene la rigidez necesaria para
mantenerla erguida bajo la carga. Entonces, si no se reduce la carga, la
columna se colapsará. Es obvio que este tipo de falla catastrófica debe
evitarse en estructuras y en elementos de máquinas.
Las cargas que puede soportar una columna pueden ser concéntricas,
cuando se aplican sobre su centroide, o excéntricas, cuando se aplican a
cierta distancia de su eje centroidal.
Figura 36. Columna en compresión y deflexión
Cuando se incrementa la longitud de una columna, disminuye su capacidad
de soportar carga. Cuando la excentricidad es pequeña y la columna es
corta, la flexión lateral es despreciable, comparada con el efecto de la
compresión; por el contrario al aumentar la longitud, una pequeña
excentricidad puede producir un gran esfuerzo de flexión.
Los métodos para analizar y diseñar columnas, para garantizar la seguridad
bajo una diversidad de condiciones de carga.
2.6.2.1. Radio de giro
Una columna tiende a pandearse con respecto al eje el cual el radio de giro y
el momento de inercia son mínimos.
35
El radio de giro se calcula con la siguiente formula:
EC. 2.10
Dónde:
r = El valor mínimo del radio de giro de la sección transversal
I = El momento de inercia de la sección transversal, con respecto al eje
para el que I es mínimo; [
.
A = El área de la sección transversal; [
.
Figura 37. Pandeo de una columna
2.6.2.2. Fijación de un extremo y longitud efectiva
Es la forma en que se soportan los extremos de una columna existen tres
formas de restricción de extremos que son:
Articulada
Un extremo articulado de una columna está guiado de tal manera que no se
puede mover de un lado a otro, pero no ofrece resistencia a la rotación del
extremo.
Empotrada
Un extremo empotrado es sujetado contra la rotación en el soporte.
36
Libre
El extremo superior se encuentra libre no tiene restricción y no está guiado.
Figura 38. Formas de restricción de una columna; valores de K para obtener
la longitud efectiva
La forma de soportar ambos extremos de la columna afecta la longitud
efectiva de la columna que se define con la siguiente ecuación:
Le = K.L
EC. 2.11
Dónde:
L = Longitud real de la columna; [m], [pulg], [cm].
K = Constante que se muestra en la figura
2.6.2.3. Relación de Esbeltez
La relación de esbeltez es el cociente de la longitud efectiva de la columna
entre su radio de giro mínimo.
EC. 2.12
37
Dónde:
L = longitud real de la columna entre soportes
K=constante que depende del extremo fijo
2.6.2.4. Relación de esbeltez de transición
Depende del valor de la relación de esbeltez real de la columna que se
analiza, comparado con la relación de esbeltez de transición o constante de
columna Cc, que se define con la siguiente ecuación:
EC. 2.13
Dónde:
E = Modulo de elasticidad del material de la columna
Sy = Resistencia de la fluencia del material
2.6.2.5. Carga Crítica
La carga máxima que una columna puede soportar cuando está a punto de
pandearse se llama carga crítica, Pcr. Cualquier carga adicional provocará
que la columna se pandee y presente una deflexión lateralmente.
Figura 39. Comportamiento de la carga crítica
38
Se presentan dos métodos para analizar columnas rectas que son:
A. La fórmula de EULER para columnas largas y esbeltas.
Si Re > Cc columna es larga, emplear la fórmula de EULER.
EC. 2.14
B.
La fórmula de J.B. Johnson para columnas cortas.
Si Re < Cc columna es corta, emplear la fórmula de J.B. Johnson.
EC. 2.15
2.6.2.6. Factor de diseño y carga admisible
Al ocurrir una falla con una carga límite y no con un esfuerzo, el concepto de
diseño es un factor importante al momento de aplicar a la carga crítica.
Es garantizar que el diseño de la columna al momento de aplicar una carga
sea seguro, y que sea bastante menor que la carga critica de pandeo.
Factor de Diseño es:
Columnas de Maquinas N = 3
Columnas Estacionarias N = 2
Por lo tanto la ecuación de la carga admisible es:
Pa = Pcr/N
EC. 2.16
Dónde:
Pcr = carga critica de pandeo; [lb], [N].
Pa = carga admisible; [lb], [N].
P = carga real aplicada; [lb], [N].
N= factor de diseño
La carga real aplicada (P) debe ser menor que la carga admisible (Pa).
(Mott R. L., 2006)
39
2.6.3. TIPOS DE SUJECIÓN
Los dispositivos de sujeción son muy importantes en la construcción de
máquinas o dispositivos debido al uso que van a tener.
2.6.3.1. Sujeción por pernos
Para formar uniones desmontables, así como para lograr una mayor
velocidad de ejecución de las uniones, se utilizan los tornillos.
Se distinguen tres clases de tornillos: Los ordinarios o tornillos negros; los
calibrados o ajustados y los de alta resistencia.
Tornillos ordinarios: los tornillos que no cumplen las condiciones
indicadas anteriormente para los tornillos calibrados se designan como
tornillos negros u ordinarios.
Tornillos calibrados: se exige para los diámetros del agujero y de la
espiga un ajuste H 11/ h 11.
Para estructuras, y para tornillos de diámetros entre 20 y 30 mm, se
admite una holgura de 0,3 mm entre espiga y agujero.
Tornillos de alta resistencia: son apretados fuertemente con el fin de
crear una gran reacción de rozamiento entre las superficies en contacto y
aprovechar esta reacción de rozamiento para la transmisión de los
esfuerzos de los perfiles unidos.
Arandelas: evitar que la rosca o su terminal penetren en el agujero y se
produzcan tensiones adicionales a las calculadas por aplastamiento.
Agujeros: debe tener un diámetro de agujero 1 mm mayor que el
nominal del tornillo, o que el de su espiga. (PICAZO IRANZO, 2007)
2.6.3.2. Resistencia del perno
El valor llamado carga de prueba es el que se utiliza para el diseño. La
carga de prueba es la carga máxima (fuerza) que un perno puede
soportar sin sufrir una deformación permanente.
Las especificaciones SAE se muestran en la tabla 3. Los grados de los
pernos se numeran de acuerdo con las resistencias a la tensión.
40
Tabla 3. Especificaciones SAE para pernos de acero
(Nisbett, 2008)
Tabla 4. Equivalencias aproximadas entre los grados SAE, ASTM y métricos
de aceros para tornillos
2.6.3.3. Soldadura
Soldar es unir dos piezas de igual o distinta naturaleza mediante una
perfecta unión entre ellas, casi siempre con la aportación de calor, con o sin
41
aplicación de presión, y con o sin empleo de material de aportación,
pudiendo tener este la misma o distinta composición que los metales a unir.
2.6.3.3.1.
Tipos de Soldadura
SMAW (Shielded metal arc welding)
Soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido.
Nombres Corrientes:
 Pinza
 Electrodo
 Eléctrica
Figura 40. Esquema del proceso de soldadura
GMAW (Gas Metal Arc Welding)
Soldadura semiautomática con alambre macizo, o Soldadura MIG (Metal
Inert Gas), MAG (Metal Active Gas).
Nombres Corrientes:
 Semiautomática
 Alambre macizo
42
Figura 41. GMAW Área De Soldado. (1) Dirección de avance, (2) Tubo de
contacto, (3) Electrodo, (4) Gas (5) Metal derretido de soldadura, (6) Metal
de soldadura solidificado, (7) Pieza a soldar.
FCAW (Flux Cored Arc Welding)
Soldadura semiautomática con alambre tubular, por arco eléctrico con
núcleo de fundente.
Nombres Corrientes:
 Semiautomática
 Tubular
Figura 42. Soldadura FCAW (Flux Cored Arc Welding)
GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)
Soldadura por arco eléctrico con electrodo de tungsteno y protección
gaseosa TIG (Tungsten Inert Gas).
43
Nombres Corrientes:
 Argón
 TIG
Figura 43. Soldadura GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)
SAW (Submerged Arc Welding)
Soldadura por arco sumergido
Nombres Corrientes:
 Automática
 Arco Sumergido
Figura 44. Esquema del proceso de Soldadura (SAW)
44
2.6.3.3.2.
Clasificación de los electrodos según AWS (American
Welding Society)
Los electrodos son clasificados por la Especificación AWS teniendo en
cuenta los siguientes requisitos:
Fuerza a las que rompe el material cuando es tensionado (Tensión de
rotura, expresada en miles de [Libras/pulg²]).
Posición en la cual se puede soldar.
1.- Todas la posiciones.
2.- Plana y Horizontal.
Tipo de Corriente y Polaridad en que trabajan.
Tipo de revestimiento. (Eyheralde, 2012)
Tabla 5. Características de los electrodos
CLASIFICACION
TIPO DE
CORRIENTE Y
SEGÚN AWS REVESTIMIENTO POLARIDAD
XX10
CELULOSICO
CC(+)
XX11
CC(+) & CA
XX12
CC(-)
XX13
CC(-) & CA
XX14
XX24
XX15
XX16
CC (+)
CC (+) & CA
XX28
TODAS
PLANA &
HORIZONTAL
TODAS
BASICO
CC(+)
OBSERVACIONES
TODAS
RUTILICO
CC(-)
XX18
POSICIONES
PLANA &
HORIZONTAL
C/Polvo de FE
(≈30%)
C/Polvo de FE
(≈70%)
C/Polvo de FE
(≈30%)
C/Polvo de FE
(≈70%)
45
2.7. PANEL DE CONTROL
Los paneles de control desempeñan una función importante en el entorno de
manufactura actual. Al ser esenciales para los sistemas de automatización y
control, necesitan manejar varios desafíos, en tecnología de sistemas de
control, y la evolución de los procesos.
o Mitigación de ruidos: se crean barreras físicas con productos de blindaje
como el conducto de cableado blindado, el blindaje contra ruidos.
o Optimización del espacio: reducir el espacio en los paneles de control.
o Seguridad: proporciona advertencias visuales para mejorar la seguridad
del personal con etiquetas. (Yugsi, Scribd, 2009)
2.7.1. CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC)
Es una computadora para la automatización y control de maquinaria, el cual
es
operado
digitalmente
que
usa
una
memoria
interna
para
el
almacenamiento de instrucciones con el fin de realizar funciones específicas
que son controladas mediante los puertos de entrada y salida.
Con el uso de controles PLC (Control Lógico Programable) y controles
electrónicos se
mejora la velocidad y la flexibilidad de las maquinas o
procesos, ya que se logra tener alta velocidad de trabajo y autonomía.
Figura 45. Controlador lógico programable (PLC)
Los PLC's, son dispositivos electrónicos creados específicamente para el
control de procesos secuenciales, es decir procesos compuestos de varias
etapas consecutivas, con el fin de lograr que una máquina o cualquier otro
46
dispositivo funcione de forma automática. Puesto que están pensados para
aplicaciones de control industrial, su diseño les confiere una especial
robustez.
El PLC es realmente el cerebro que gestiona y controla automáticamente
grandes instalaciones. Dependiendo del tamaño de la planta y de la
complejidad de la automatización, el número de autómatas puede variar
desde uno hasta un número importante de autómatas enlazados.
Es posible que las instalaciones sean capaces de realizar distintas
funciones simultáneamente. Esto significa que se puede controlar varios
procesos tanto secuencialmente como en paralelo. (SIEMENES, 2003)
2.7.1.1. Programa y Lenguaje de Programación
Se puede definir un programa como un conjunto de instrucciones, órdenes y
símbolos reconocibles por el PLC, a través de su unidad de programación,
que le permiten ejecutar una secuencia de control deseada. El Lenguaje de
Programación en cambio, permite al usuario ingresar un programa de control
en la memoria del PLC, usando una sintaxis establecida.
Al igual como los PLC’s se han desarrollado y expandido, los lenguajes de
programación también se han desarrollado con ellos. Los lenguajes de hoy
en día tienen nuevas y más versátiles instrucciones y con mayor poder de
computación. Por ejemplo, los PLC’s pueden transferir bloques de datos de
una localización de memoria a otra, mientras al mismo tiempo llevan cabo
operaciones lógicas y matemáticas en otro bloque. Como resultado de estas
nuevas y expandidas instrucciones, los programas de control pueden ahora
manejar datos más fácilmente.
Adicionalmente a las nuevas instrucciones de programación, el desarrollo de
nuevos módulos de entradas y salidas también ha obligado a cambiar las
instrucciones existentes.
2.7.1.2. Programas de aplicación y del sistema
Los programas de aplicación que crean los usuarios están orientados a
ejecutar, a través del controlador, tareas de automatización y control. Para
47
ello, el usuario escribe el programa en el lenguaje de programación que
mejor se adapte a su trabajo y con el que sienta poseer un mejor dominio.
El conjunto de programas que realizan funciones operativas internas del
controlador,
incluyendo los traductores de lenguaje,
reciben la
denominación de programas del sistema o software del sistema. Un
elemento importante de éste, es el sistema operativo, cuyos servicios
incluyen el manejo de los dispositivos de entrada y salida del PLC, el
almacenamiento de la información durante largos períodos, el procesamiento
de los programas del usuario, etc. Estos programas ya vienen escritos y
están almacenados en una memoria No volátil dentro de la CPU, por lo tanto
no se pierden ni alteran en caso de pérdida de alimentación al equipo.
2.7.1.3. Tipos de Lenguajes de Programación de PLC’s
En la actualidad cada fabricante diseña su propio software de programación,
lo que significa que existe una gran variedad comparable con la cantidad de
PLC’s que hay en el mercado. No obstante, actualmente existen tres tipos de
lenguajes de programación de PLC’s como los más difundidos a nivel
mundial; estos son:
- Lenguaje de contactos o Ladder
- Lenguaje Booleano (Lista de instrucciones)
- Diagrama de funciones
2.7.2. CIRCUITO DE SEGURIDAD
Paros de Emergencia. La parada de emergencia para cada máquina es
directamente controlada por el PLC. Para proveer máxima seguridad,
estos circuitos no deben ingresar al controlador, sino que deben ser
alambrados física y externamente a éste. Estos interruptores de
emergencia deben ser ubicados en sitios en los que el operador pueda
acceder fácilmente.
Relé de Control Maestro. Este circuito provee un fácil camino para
remover la energía del sistema de I/O durante una situación emergente.
48
Este circuito puede ser des energizado presionando cualquier pulsador
de emergencia conectado al circuito. El CPU sin embargo, continúa
recibiendo energía aun cuando todas sus entradas y salidas estén
deshabilitadas. (Yugsi, Scribd, 2009)
2.7.3. CONTACTOR
Un contactor es un componente electromecánico que tiene por objetivo
establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de
potencia o en el circuito de mando, tan pronto se dé tensión a la bobina. Un
contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de
un receptor o instalación, con la posibilidad de ser accionado a distancia,
que tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo,
cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra
inestable, cuando actúa dicha acción.
Figura 46. Contactor electromagnético
(Schneider, 1999)
2.7.4. GUARDAMOTOR
Es el protector del motor contra cortocircuitos, dentro de límites establecidos
para su corte a través de disparadores magnéticos.
También existen los guardamotores con disparadores térmicos que es
ajustable, para la protección de sobrecarga.
49
El ajuste de corriente en el guardamotor debe estar de acuerdo con la
corriente de servicio a fin de obtenerse todas las protecciones del mismo.
Los guardamotores cuando la corriente de cortocircuito no es muy elevada,
funcionan a mayor velocidad que los fusibles. (Dielectro Industrial, 2005)
Figura 47. Guardamotor
2.7.5. SENSOR INDUCTIVO
Son interruptores electrónicos que funcionan sin necesidad de hacer
contacto. Estos sensores proporcionan dos señales on/off, y también una
señal análoga proporcional a la distancia.
Este sensor incorpora una bobina electromagnética que identifica la
presencia de un objeto metálico conductor. No reconoce objetos no
metálicos.
Figura 48. Sensor inductivo
Este sensor genera un campo magnético cambiante de alta frecuencia
mediante la bobina. Cuando se acerca un objeto metálico y entra en la zona
del campo magnético cambiante, se generan pérdidas por corrientes
circulares en la pieza. Lo que provoca que el circuito en resonancia se altere
y mande la señal. (MES Sigma, 2010)
50
3.
METODOLOGÍA
La metodología es una de las etapas específicas del estudio analítico y
crítico del proyecto que parte de una posición teórica y conlleva a una
selección de técnicas concretas acerca del procedimiento para realizar las
tareas vinculadas con la investigación, del proyecto.
La metodología es normativa (valora), pero también es descriptiva (expone)
o comparativa (analiza).
Método y metodología son dos conceptos diferentes. El método es el
procedimiento para lograr los objetivos con diferentes técnicas aplicadas.
Metodología es el estudio del método. (ITESCAM, 2014)
3.1. METODOLOGÍA MECATRÒNICA
Figura 49. Fases de metodología Mecatrònica de la maquina
El propósito de la Metodología Mecatrònica es que permite desarrollar
máquinas de tipo mecatrónico, que tienen abarcan muchas partes de la
ingeniería mecánica, electrónica, de control y computación que interactúan
de forma integral en el diseño de la máquina, la metodología Mecatrònica
ayuda a:
Reducir los tiempos de diseño e implantación
Reducir los costos asociados al diseño e implementación.
Tener un orden de actividades en un proyecto integral
51
Reducir la interacción de varios o muchos operadores.
Reemplazar métodos manuales por métodos automáticos.
Es una manera de cómo se puede integrar las actividades de diseño y su
interacción con manufactura, instrumentación y el control en máquinas.
En el siguiente esquema se muestra un diagrama de la metodología del
presente proyecto con cada una de las fases para la elaboración de la
máquina.
3.1.1. METODOLOGÍA DE DISEÑO
ANALISIS

SINTESIS
EVALUACION
Análisis: Investigar todos los requisitos de diseño y la reducción de
éstos a un conjunto completo de especificaciones.

Síntesis: Encontrar soluciones posibles para cada especificación y
desarrollar diseños completos a partir de estos.

Evaluación. Evaluar los diseños alternativos que satisfacen los
requisitos para un buen rendimiento en la operación, manufactura y
ventas antes de seleccionar el diseño final.
3.2. REQUERIMIENTOS DE LA MÁQUINA
Una
prensa
para
comprimir
resortes,
debe
cumplir
con
distintas
características que permitan tener un funcionamiento óptimo, como en la
fabricación y en las cualidades al momento de operar. Determinación de
parámetros que se deben tener en cuenta para la selección de las diferentes
alternativas del sistema de la máquina que son:
Soporte de carga
Al momento de comprimir el resorte de la suspensión del automóvil va a
generar una carga que debe soportar la estructura.
Transmisión de movimiento
La transmisión de movimiento a través de un fluido hidráulico para generar el
movimiento lineal del actuador.
52
Facilidad de Operación
Integrar el sistema eléctrico con el mecánico y control para facilitar la
operación de la máquina.
Eficiencia
Una maquina eficiente y segura al momento de comprimir el resorte en un
intervalo de tiempo mínimo.
Montaje y Desmontaje
El momento de montaje y desmontaje hidráulico accesible para solucionar
problemas futuros.
Facilidad de Mantenimiento
El mantenimiento del sistema hidráulico revisar niveles de aceite, controlar la
presión del sistema. El mantenimiento eléctrico revisar las borneras, los
pulsadores, etc.
Tamaño
El tamaño de la estructura de acuerdo a los requerimientos del operador
para evitar que existan lesiones o incomodidad al momento de operar la
máquina.
3.3. RESTRICCIONES DE LA MÁQUINA
Las restricciones de la maquina son tolerancias en condiciones extremas
para evitar fallas al momento del funcionamiento, hasta un determinado
límite.
3.3.1. DIMENSIONES
Dimensionamiento de la Columna
La dimensión de la columna es tomada en cuenta según la altura del
operador de la máquina con una longitud aproximada de 2,00 m.
53
Figura 50. Viga estructural
Dimensionamiento de la Mesa
Es ajustable de acuerdo al diámetro del amortiguador en el que se va a
trabajar. El diámetro máximo a trabajar es de 100 mm.
Figura 51. Mesa soporte
Dimensionamiento del Sujetador Superior
Es de tipo estándar para todo tipo de amortiguador, ajustable en el plato de
la suspensión. Este sujetador de tipo U tiene una semi -circunferencia
interna de 80 mm de diámetro.
Figura 52. Compresor superior
54
Dimensionamiento del Cilindro
El cilindro es dimensionado en función de la mesa central que se sitúa en la
estructura. Según la longitud de los resortes y amortiguadores que existen
en el mercado el recorrido del vástago será de 500 mm con una longitud
total del cilindro de 700 mm colocado en la estructura.
Figura 53. Cilindro hidráulico
Dimensionamiento de la Base
La base está compuesta por dos vigas de 1 metro para colocar las columnas
verticalmente y montar el equipo hidráulico sobre dicha base.
Figura 54. Base de la estructura
3.3.2. MOVIMIENTO LINEAL DEL CILINDRO
El cilindro hidráulico genera un movimiento lineal al momento de extender y
retraer el vástago. Tener limitaciones en los dos puntos del cilindro o no
extender completamente el cilindro para no provocar daños futuros a la
bomba.
55
3.3.3. UBICACIÓN DE LA MÁQUINA
Determinar el lugar donde exista el suficiente espacio para operar la
máquina, que el suelo sea estable y de gran resistencia con el fin de evitar
inestabilidad o vibraciones por la máquina.
3.3.4. SISTEMA DE SEGURIDAD
Es importante la seguridad en la máquina para evitar exponer en riesgo al
operador, por lo que debe tener las respectivas normas de seguridad en el
sistema eléctrico y el hidráulico, siendo las zonas más críticas que ponen en
riesgo al operador.
3.3.5. TABLERO ELÉCTRICO
El tablero eléctrico donde se encuentra los elementos de control y los
mandos, para encender el sistema funciona a una tensión de 220 v. El
tablero debe ir colocado a una altura adecuada donde no incomode, y de
fácil acceso a los mandos de control.
3.4. OBJETIVOS PRINCIPALES DE LA MÁQUINA
Comprimir el sistema de suspensión de los vehículos a cierta altura
para montar y desmontar amortiguadores o resortes.
Anclar fijamente el sistema suspensión (amortiguador, resorte) a la
prensa.
Controlar el sistema hidráulico para una compresión adecuada por
parte del cilindro.
Instalar un sistema de control amigable con el operador dando
seguridad al momento de manejar dicha prensa.
56
3.5. VARIABLES LIBRE
Tiempo de trabajo
El trabajo de compresión al espiral con el sistema actual toma un tiempo
aproximado de 20 a 30 minutos. El sistema es un tornillo con ganchos en los
extremos como se muestra en la figura 62.
Figura 55. Ganchos de compresión
Con la prensa hidráulica de espirales es disminuir el tiempo de trabajo
aproximadamente en 10 minutos, con una rápida operación de la máquina.
Longitud de operación
El ajuste de la mesa inferior es móvil para trabajar a distintas alturas. Por lo
tanto el sujetador superior depende del recorrido del pistón del cilindro
hidráulico.
Presión y Fuerza
Dicha prensa consta de un sistema hidráulico el cual proporciona la fuerza
para la compresión. La fuerza necesaria actúa según la presión con la que
esté trabajando el sistema hidráulico.
3.6. DESARROLLO DEL CONCEPTO DE LA MÁQUINA
La
máquina
prensa
resortes
para
el
montaje
o
desmontaje
de
amortiguadores, es basado en el principio de funcionamiento de una prensa
hidráulica, desde una estructura fija donde se integra los sistemas de
operación como el cilindro hidráulico de doble efecto sujeto a la estructura.
Una bancada donde se colocará los espirales con las guías en los extremos
57
para evitar un descarrilamiento del espiral y los bastidores con huecos para
regular la altura de la bancada.
El sistema hidráulico parte del cilindro, el tipo de mangueras de alta presión,
el control en la apertura y cierre de las electroválvulas.
El controlador un PLC para permitir el correcto funcionamiento con el
respectivo panel de control para la interacción máquina-operador.
3.6.1. ALTERNATIVAS DE DISEÑO
Se analizan diferentes alternativas de diseño según los requerimientos
específicos, se obtienen tres tipos alternativas para la compresión de
espirales.
3.6.1.1. Opresor de resortes neumático vertical de columna simple fija
Sirve para oprimir resortes de la suspensión del automóvil y desmontar
amortiguadores. Tiene la capacidad 1 Tonelada.
El opresor neumático funciona a través de aire comprimido para poner en
funcionamiento el cilindro.
La estructura consta de una sola columna para la sujeción del sistema de
suspensión.
Figura 56. Opresor de resortes neumático de columna simple
(Mikel's, 2011)
58
Características:
Área máxima de trabajo 593 mm
Recorrido 330 mm
Tamaño de resorte 101-254 mm
Resortes a partir del diámetro 4 " a 6-1/3”.
Longitud de funcionamiento de 14 " con siete diversas posiciones.
El marco de acero soldado con autógena para la fuerza y la
durabilidad polvo-revestidos, inoxidables montado en el piso para
estabilidad.
3.6.1.2. Opresor de resortes hidráulico vertical de doble columna fija
El opresor hidráulico funciona a través de fluidos hidráulicos para la
expulsión y retracción del cilindro. Aumentando la capacidad de operación a
2 Toneladas.
La estructura consta de dos columnas para una mejor sujeción del sistema
de suspensión.
Figura 57. Prensa hidráulica de doble columna
Características:
Capacidad Máxima ≈ 2 TON.
Cilindro Hidráulico
59
Control Semi - Automático
Altura mínima 300 mm.
Altura Máxima 600 mm.
Movimiento del Cilindro 300 mm
3.6.1.3. Opresor de resortes hidráulico vertical de columna simple fija
El opresor hidráulico manual funciona a través de una bomba manual, el
cilindro hidráulico se activa con un pedal rebatible. Con operación de 1
Tonelada.
La estructura consta de una columna donde van sujetos los soportes
ajustables al resorte.
Figura 58. Opresor de resortes hidráulico de una sola columna
(Mikel's, 2011)
Características:
Capacidad Máxima ≈ 1 TON.
Cilindro Hidráulico
Bomba Manual
Área Máxima de Trabajo 590 mm.
Recorrido Hidráulico 325 mm
60
3.6.2. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS POR CRITERIOS PONDERADOS
Para la selección del opresor más adecuado se realiza un análisis según la
tabla de criterios ponderados, con requerimientos de ingeniería con
referencia a las tres alternativas descritas anteriormente, escogiendo el
opresor más factible en: diseño, construcción, operación, y mantenimiento,
etc. Definir el modelo de diseño y por ultimo realizar la construcción de
dicha máquina.
Tabla 6. Cuadro de comparación ponderada por pares de requerimientos de
Requerimien
tos de
esfuerzos
por parte del
operador
Capacidad
de Carga
Ponderación
Complejidad
de control
Σ+1
Facilidad de
Mantenimien
to
Distancia de
Operación
Distancia de
Operación
Complejidad de
control
Requerimientos de
esfuerzos por
parte del operador
Capacidad de
Carga
Tamaño
Facilidad de
Mantenimiento
Facilidad de
Montaje
Tamaño
Fácil uso
Facilidad de
Montaje
Fácil uso
CRITERIOS
ingeniería
1
0,5
1
0,5
1
0,5
0
5,5
0,14
0,5
1
0,5
0
1
0
5
0,13
0,5
1
0
1
0,5
4,5
0,12
1
0,5
0,5
0
4
0,11
0,5
1
1
6
0,16
1
0,5
5,5
0,14
0
3
0,08
1
4,5
0,12
SUMA
38
1
1
0,5
0
0
1
0
1
0,5
1
0
1
0,5
0
0,5
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0,5
1
61
TAMAÑO
FACILIDAD DE
MANTENIMIENTO
DISTANCIA DE OPERACION
COMPLEJIDAD DE CONTROL
REQUERIMIENTO DE
ESFUERZOS POR PARTE DEL
OPERADOR
CAPACIDAD DE CARGA
2
5
4
3
5
3
4
3
4
4
4
4
2
5
2
4
5
2
4
5
4
4
2
4
TOTAL
FACILIDAD DE MONTAJE
ALTERNATIVA 1
ALTERNATIVA 2
ALTERNATIVA 3
FACIL USO
Tabla 7. Tabla de selección de alternativas del proyecto (ESCALA 5:
OPTIMO 1: MENOR)
27
34
27
Alternat
0,28
iva 1
Alternat
0,70
iva 2
Alternat
0,56
iva 3
PRIORIDAD
Σ
CAPACIDAD DE CARGA
REQUERIMIENTOS DE
ESFUERZOS POR PARTE
DEL OPERADOR
COMPLEJIDAD DE CONTROL
DISTANCIA DE OPERACIÓN
FACILIDAD DE
MANTENIMIENTO
TAMAÑO
FACILIDAD DE MONTAJE
FÁCIL USO
CRITERIOS
Tabla 8. Cuadro de selección de alternativa por criterios ponderados
0,39
0,48 0,44 0,64 0,28
0,32
0,48 3,31
3
0,65
0,36 0,22 0,64 0,70
0,40
0,60 4,27
1
0,39
0,48 0,44 0,64 0,28
0,16
0,48 3,43
2
62
Se analizan las tres alternativas, para la elección de la alternativa más
factible se parte por los requerimientos de ingeniera describiendo cada
característica general de las 3 alternativas, comparando con cada uno de los
requerimientos y evaluando de 0 no necesario y 1 muy necesario como se
muestra en la Tabla 6.
La Tabla 7 muestra las tres alternativas, calificando cada una de las
alternativas según los requisitos de ingeniera con una escala 5 optimo y 1
menor, culminada la evaluación se suma el puntaje de cada alternativa
teniendo como resultado la ALTERNATIVA 2 con mayor viabilidad.
En la tabla 8 se realiza la selección de la alternativa por criterios ponderados
para definir el diseño más factible. La ALTERNATIVA 2 el “Opresor De
Resorte Hidráulico Vertical De Doble Columna Fija” es el diseño a realizarse
por cumplir mayoritariamente con los requisitos de ingeniería propuestos.
3.7. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
Se realizan diferentes tipos de análisis con diferentes condiciones en el
funcionamiento de la prensa hidráulica compresora, uno de los análisis más
importantes es la medición de presión hidráulica en la máquina,
interpretando los resultados obtenidos en una tabla, para la relación de
presión fuerza y deformación del resorte, con las distintas presiones
obtenidas, se determina la fuerza real aplicada al momento de comprimir.
3.8. FORMALIDAD DE LAS PRUEBAS
Desmontaje del amortiguador al vehículo.
Ajustar el amortiguador en la mesa central, colocando la abrazadera y
ajustar las tuercas respectivas.
Encender la bomba.
Descender el eje del cilindro hasta la detección del sensor.
Comprimir en las distancias establecidas.
Visualizar la presión del manómetro.
63
4.
DISEÑO
4.1. ANALISIS DEL DISEÑO MECANICO
El opresor de resortes hidráulico vertical de doble columna fija, su función
principal es la extracción del resorte del amortiguador, primeramente es
establecer la fuerza necesaria para comprimir el resorte en una distancia
requerida para aflojar o ajustar de manera segura la tuerca del amortiguador.
Para determinar la fuerza se realizó las pruebas con el resorte de longitud
inicial de 310 mm.
Lo = 310 mm
En la Tabla 9 se muestran los resultados obtenidos del resorte, según la
fuerza aplicada y distancia de deformación del resorte.
Tabla 9. Resultados de las pruebas del resorte
FUERZA (F)
DISTANCIA (x)
[ lbf]
[ N]
(mm)
(m)
240 lbf
1067,57 [ N]
25 mm
0.025 m
538 lbf
2393,14[ N]
42 mm
0.042 m
754 lbf
3353,95[ N]
55 mm
0.055 m
943 lbf
4194,67 [N]
70 mm
0.070 m
1178 lbf
5240
87 mm
0.087 m
1372 lbf
6102,96 [N]
100 mm
0.1 m
[N]
Para determinar la constante del resorte se utiliza la Ley de Hooke, con la
deformación que experimenta en este caso el espiral del automóvil, siendo
64
directamente proporcional a la fuerza la fórmula queda expresada de la
siguiente manera:
F=k*x
EC. 4.17
Dónde:
F = fuerza; [N].
k = constante del resorte; [N/m].
x = distancia; [m].
Con los datos obtenidos de la Tabla 9 se realiza el grafico fuerza –
deformación para encontrar la pendiente de la recta y determinar la
constante del resorte.
Fuerza - Deformación
7000
6000
Fuerza
5000
4000
3000
2000
1000
0
0.025
0.042
0.055
0.070
0.087
0.1
Deformacion
Figura 59. Diagrama Fuerza – Deformación del resorte
Con la figura 67 se obtiene y2, y1, x2, x1 para aplicar la siguiente formula:
EC. 4.18
Dónde:
Y2 = 6102 [N]
X2 = 0.1 [m]
Y1 = 1067 [N]
X1 = 0.025 [m]
65
m = 67133,33 [N/m]
La pendiente calculada es igual a la constante del resorte
k = 67133,33 [N/m]
Obtenida la constante se aplica la ecuación 4.15 para determinar la fuerza
máxima que se necesita para deformar el resorte en una distancia de 0,28
m.
F = 67133, 33 [N/m] * 0, 28 [m] = 18797, 33 [N] = 1916, 79 [kgf]
F = 2000 [kgf] = 19 613.30 [N]
Se obtiene una fuerza de 18797,33 [N] que equivale 1916,79 [kgf],
estableciendo una fuerza de 2000 [kgf] para el diseño de los componentes.
4.1.1. DISEÑO DE COLUMNAS
Figura 60. Esquema de componentes
Las columnas son las piezas más importantes de la prensa, porque
sostienen a todos los componentes para el funcionamiento de máquina,
ayuda mantener la estabilidad y precisión al momento de operar. En la figura
66
67 se muestra un esquema virtual de cómo se encuentran todos los
componentes de la prensa.
Para el cálculo de las columnas se desplaza la fuerza de trabajo al extremo
superior de la columna, como se observa en el diagrama de cuerpo libre
(figura 68), donde la columna está sometida a compresión axial. Tomando
en cuenta que se encuentra Empotrada – Libre.
Figura 61. Diagrama de cuerpo libre de la columna
Antes de efectuar los cálculos de la columna se debe conocer las
características del acero A36 siendo el más común en perfiles estructurales.
La siguiente tabla indica las propiedades:
Tabla 10. Propiedades del acero ASTM A36
Propiedades del Acero ASTM A36
Densidad:
7850 Kg/m3
Límite de fluencia:
32-36 (250-280) Ksi (MPa)
Resistencia a la tensión:
58 – 80(400-550) Ksi (MPa)
Módulo de elasticidad:
29000 Ksi
En la figura 46 buscamos K la restricción de la columna es Empotrada –
Libre, tomamos el valor práctico que señala dicha figura.
67
Empotrada Libre: K = 2,1.
Columna estacionaria el factor de diseño en la carga N = 2
Establecidos los parámetros de la columna se calcula la longitud efectiva con
la ecuación 2.11.
Le = K * L
Le = 2,10 * 59,05 pulg
Le = 124,015 pulg
Con la ecuación 2.16 se determina la carga crítica de pandeo
Pcr = Pa * N
Pcr = 4400 lb * 2 = 8800 lb
La relación de esbeltez o constante de columna se calcula con los datos de
la tabla 10 aplicando la ecuación 2.13.
Cc = 126,09
Aplicando la fórmula de EULER suponiendo que es columna larga para
determinar el momento de inercia (I) obteniendo con la ecuación 2.14.
68
I= 0, 4728
= 19, 68
Con el momento de inercia se determina el tipo de viga con que se va a
trabajar para el diseño de la estructura y garantiza que va soportar la carga
aplicada.
Según Anexo 5 se busca una viga mayor a I= 19, 68
UPN -100 con I = 29, 3
y un área de A = 13, 5
, que es la viga
.
Figura 62. Dimensiones viga UPN-100
Una vez seleccionado el tipo de viga se realiza la comprobación para
conocer si es una columna larga con la comparación; si la relación de
esbeltez (Re) es mayor que la constante de la columna (Cc).
260,87 > 126,09
Como se observa en la comparación
es mayor que Cc lo que se
determina que es una columna larga donde fue aplicada la fórmula de
EULER.
69
Figura 63. Dimensionamiento de la columna
4.1.2. DISEÑO DE LA MESA CENTRAL
El diseño de la mesa central se determina según las diferentes longitudes de
los sistemas de suspensión que existen en el mercado, se analiza las
longitudes según la tabla 11 que muestra las diferentes longitudes de
resortes, mediante esta tabla se determina una mesa móvil para el acople de
diferentes longitudes.
Tabla 11. Longitudes de resortes más comunes
MARCA DEL
VEHICULO
ESPIRAL
DELANTERO (MM)
ESPIRAL
TRASERO (MM)
CHEVROLET
CORSA
380
350
TOYOTA HILUX
4X4
575
545
VOLKSWAGEN
GOL
370
390
BMW SERIE 3
390
375
70
La mesa está conformada por dos vigas en la parte delantera y trasera de la
columna soldado junto a la placa de soporte del amortiguador y con los
respectivos agujeros para colocar los pasadores.
4.1.3. CALCULO DE LA VIGA SOPORTE
La viga soporte va a ir en la parte delantera y trasera de la columna junto a
la base compresora del amortiguador, con los respectivos huecos de los
pasadores. Es la parte principal en el funcionamiento de la mesa central.
Se dimensiona la viga en función de las columnas. La medida con la que se
va a trabajar para los cálculos se muestra en la Figura 72.
Figura 64. Dimensionamiento de la viga mesa
Con la longitud de la viga se realiza el diagrama de momentos y de cortantes
para ver el punto más crítico de la viga al que va estar sometido y poder
seleccionar la viga adecuada en esta parte de la prensa. La carga máxima
que se aplica en este punto es de 19613.3 N o 2000 Kg.
Se realiza el diagrama de cuerpo libre teniendo en cuenta que la viga consta
de dos soportes en cada extremo siendo los pasadores, y la fuerza que
interactúa en la viga.
Se observa en la figura 73 en la parte de los soportes la fuerza total se
distribuye en la mitad en cada uno de los pasadores, cada pasador va a
soportar 9806 N o 1000 kg de fuerza al momento de trabajar en esta sección
de la máquina. El momento máximo que sufre la viga es en el centro de la
viga 175mm donde interactúa la fuerza de compresión al amortiguador
generada por el cilindro hidráulico.
71
Figura 65. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos del a viga soporte
Una vez obtenido las fuerzas cortantes y el momento flector máximo se
realiza el análisis para el cálculo de la viga.
72
Una vez realizado el cálculo de Wxx se elige el tipo de viga en el catálogo
(ver anexo 5) donde la viga más adecuada es la UPN-80 pero por seguridad
y siendo un punto crítico de la maquina se selecciona UPN-100.
UPN – 100
Wxx = 41,20
4.1.4. DISEÑO DE LA PLACA SOPORTE
La placa soporte va en el centro de las vigas, con forma de brazo para
sostener el amortiguador y darle estabilidad. La Figura 74 indica la longitud
de la placa para realizar el cálculo del espesor indicado
Figura 66. Dimensiones de la placa compresora
La placa compresora tiene dos soportes el uno fijo a un extremo de la viga y
el otro a 155 mm como se expresa en el diagrama de cuerpo libre de la
figura 75.
La fuerza aplicada en la placa de 19613,3 N, esta fuerza es aplicada en una
distancia de 270 mm donde dicha placa consta de una semi circunferencia
para el acople del amortiguador.
El diagrama de cortantes muestra que el punto crítico se encuentra en el
soporte B soportando toda la fuerza ejercida.
El diagrama de momentos indica el momento máximo que es producido en el
punto B, siendo un momento negativo por la ubicación de los soportes y de
la fuerza aplicada, para la aplicación en los cálculos se toma como positivo.
73
Figura 67. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos de la placa soporte
El material para diseñar la placa es en ASTM – A242 las propiedades (Ver
anexo 6).
Sy = 50 ksi = 345 MPa
Mmax = 2, 26 x 10^6 N-mm
Se determina que la placa es un rectángulo por lo tanto al aplicar
las
propiedades de las áreas (ver anexo 3) se obtiene que:
Figura 68. Dimensiones del rectángulo
74
H = 10 mm
El espesor de la placa mínimo es 10 mm.
4.1.5. DISEÑO DE PASADORES
Los pasadores sostendrán la mesa, permitiendo mover y ajustar en la altura
deseada para trabajar. Se introducen en las caras laterales de las columnas,
tal como se muestra en la figura 77 donde la mesa genera una fuerza
cortante al perno. El perno pasador tiene una carga de 9806,65 N que son
1000 kg.
Figura 69. Esquema del perno pasador
Para determinar el diámetro de los agujeros en las columnas y mesa central
se realiza el diseño al cortante.
Se definen los pernos que se van a utilizar como pasadores. Ver Tabla 3
donde se muestra el grado SAE de los pernos.
75
Para el diseño se determina el grado del perno a utilizarse en este caso es
grado SAE #2, equivalente en grado métrico 5.8 (Ver Tabla 4).
Figura 70. Diagrama de fuerzas cortantes y momentos de los pasadores
Para calcular el diámetro de los pasadores se utiliza la fórmula del esfuerzo
cortante de sección circular.
EC. 4.19
El factor de diseño = 2.5
Resistencia de fluencia (Sy) = 57 [ksi] = 392,99 [MPa].
76
Se obtiene un diámetro de 13 mm en los agujeros de la mesa central y las
columnas. Los pernos pasadores a utilizarse de ½ pulgada.
4.1.6. DISEÑO DE LA SOLDADURA
El cálculo de la soldadura se utilizara en el ensamble de toca la estructura en
todas las juntas de la base, columnas y mesa, placa soporte. Se utilizara la
misma dimensión del cordón para todos los elementos soldados.
 Metal base grado ASTM A36
 Tipo de electrodo E 6011
 Resistencia a la Tensión = 60000 psi
 Limite Elástico = 48000 psi
 Tensión por esfuerzo de corte permisible (σp) = 13600 psi
 Fuerza permisible por pulg de ancho de cordón (fp) = 9600 lb/pulg
77
 Carga máxima que soporta cada cordón (P) = 19612 N = 2000 lb
 Longitud del cordón de soldadura (h) = 50 mm ≈ 2 pulg
 Factor de seguridad (N) = 2
Figura 71. Diseño de Soldadura
Fuerza por pulgada de ancho de cordón de soldadura es:
EC. 4.20
El ancho del cordón de soldadura para soporta la fuerza es:
EC. 4. 21
Para optimizar el diseño los cordones de soldadura en toda la estructura
serán de un tamaño mínimo de 3 mm.
78
4.2. ANÁLISIS DEL DISEÑO DEL SISTEMA HIDRÁULICO
El sistema hidráulico está compuesto de diferentes elementos que son
conectados entre sí para realizar una operación conjunta.
4.2.1. SELECCIÓN DE LA BOMBA HIDRÁULICA
Se determina la bomba hidráulica a utilizarse (Ver Tabla 1). La bomba de
engranajes externos se utilizará para realizar el diseño hidráulico, en la
siguiente tabla se indican las características de esta bomba.
Tabla 12. Bomba de engranajes externos
4.2.2. DIÁMETRO DEL CILINDRO
La ecuación 2.14, fórmula de EULER para una sección circular determina el
diámetro del cilindro. La longitud total del vástago es de 30 cm.
Dónde:
N = 3,5 el coeficiente de seguridad para cilindros hidráulicos.
Pa = 2000 kg
Le = Un extremo libre, un extremo fijo 2 x L (Ver Anexo 4)
E (acero) =
79
El diámetro del vástago del cilindro se determina en 30 mm por factores de
seguridad y diseño.
Se aplica la ecuación 2.8 para determinar el diámetro interior del cilindro.
Datos:
Carga = 19613 [N]
Presión de servicio = 160 [bar] = 16 [MPa]
La velocidad de movimiento del vástago se calcula con la ecuación 2.7.
V = 0,03 m/s = 30 mm/s
Velocidad del vástago = 30 mm/s
Factor de carga = 70% (Ver Tabla 2)
La fuerza de salida del cilindro es:
80
Con la fórmula de la fuerza de extensión del cilindro se determina que:
D = 0,034 [m] = 34 [mm].
El diámetro interno del cilindro es 34 mm, se considera un diámetro interno
comercial del cilindro de 60 mm.
La fuerza de retracción del vástago se calcula con la ecuación 2.9 con los
diámetros.
4.2.3. CÀLCULO DEL CAUDAL
Con los diámetros obtenidos del vástago y el cilindro se calcula el volumen y
el caudal.
Se calcula el volumen de las dos cámaras del cilindro con la siguiente
ecuación.
EC. 4.22
Dónde:
V = Volumen; [
A = Área; [
].
]
C = Carrera del cilindro; [m].
81
Volumen de la cámara grande.
Volumen de la cámara pequeña.
Volumen total:
Caudal:
X
X
= 8, 89 l/min
82
4.2.4. CALCULO DE LA POTENCIA DEL MOTOR ELÉCTRICO
Se calcula la potencia requerida del motor para el sistema. Influye el caudal
calculado anteriormente y los demás datos son en función de la bomba de
engranajes externos.
La tabla 12 se toma los valores de la eficiencia en la bomba de engranajes
externos que son: 0,8 – 0,91, para los cálculos se toma el valor de 0,9.
η = 0,9 eficiencia de la Bomba
EC. 4.23
La potencia óptima del motor es 2HP para mover la bomba hidráulica (Ver
Anexo 15).
4.2.5. DISEÑO Y SIMULACION DEL SISTEMA HIDRAULICO
La simulación del sistema hidráulico se realizó atreves del software
FluidSIM-H de Festo, para realizar la simulación del sistema hidráulico se
debe conocer la simbología del sistema hidráulico a realizarse (Ver Anexo
8). El software permite observar el funcionamiento de los diferentes
componentes hidráulicos, dirección del fluido, y conexiones estableciendo
parámetros de presión, e indicando la presión a través del manómetro.
83
Válvula
4 Vías
3 Posiciones
Figura 72. Elementos del sistema hidráulico
La figura 82 muestra la conexión del sistema, primero el cilindro hidráulico de
doble efecto conectado a la válvula de 4/3 vías, que se utiliza en el
direccionamiento del fluido hidráulico para la extensión y retracción del
cilindro.
La posición de la válvula limitadora de presión se encuentra cerrada. Si
alcanza la presión de apertura P, T se abren. Cuando la presión cae por
debajo del nivel preestablecido, la válvula se cierra de nuevo. La dirección
del flujo se indica por la flecha.
La unidad de potencia del sistema está constituida por motor eléctrico,
bomba hidráulica, y el filtro, para que el aceite de regreso al tanque no se
contamine.
84
Válvula
4 Vías
3 Posiciones
Figura 73. Sistema en estado de reposo
En la Figura 83 (a) muestra la simulación del sistema, como se extiende el
cilindro activando la electroválvula en la posición A para realizar dicha
función. Las flechas indican la dirección del fluido hidráulico.
Donde P es la presión que envía la bomba, pasa por la válvula y el retorno
del aceite es al tanque T.
En la figura 83 (b) muestra la extensión completa del cilindro, llegando a la
máxima presión dada por bomba, establecida por la válvula limitadora que
en este caso es 160 bares para la simulación.
85
Válvula
4 Vías
3 Posiciones
a)
b)
Figura 74. Activación de la electroválvula A
En la figura 84 (a) la imagen muestra como el vástago del cilindro retrocede
hasta regresar a su posición inicial. En la fase de retracción la válvula se
sitúa en posición B cambiando el sentido del aceite en la parte válvula –
cilindro, indicando que el fluido va de regreso hacia el tanque como indican
las flechas de la figura 84 (a).
Por último se muestra el cilindro en su posición inicial con todo el vástago
retraído, la línea café indica como el aceite circula por la válvula de 4/3 vías
y como llega al cilindro para retraerle. El manómetro muestra su máxima
presión que está establecida en 160 bares, toda la cavidad del cilindro se
llena de aceite.
86
Válvula
4 Vías
3 Posiciones
a)
b)
Figura 75. Activación de la electroválvula B
4.3. DISEÑO ELECTRICO Y DE CONTROL
El diseño eléctrico para poner en operación el motor y bomba. Para el
arranque del motor es por un switch en el tablero de control. El arranque en
el motor eléctrico depende según su aplicación, si es lento o gradualmente
hasta alcanzar su velocidad nominal, pero en este caso se necesita que el
arranque sea instantáneo para generar presión desde que se activa el motor.
La protección principal del tablero es el breaker, permitiendo cortar la
energía de manera inmediata de todo el sistema, protegiendo al sistema de
potencia de cortocircuitos y sobrecargas, evitando que existan daños debido
a fallas externas.
La figura 86 muestra el arranque instantáneo del motor, se necesita una
alimentación de 220 V, fusibles de protección, el guardamotor, y los
contactores.
87
Los fusibles son elementos de protección, que cuando la intensidad de
corriente supere un punto determinado el filamento por el que está
constituido el fusible se funda por un cortocircuito o por un exceso de carga,
evitando incendios o daños en los elementos.
El guardamotores es para proteger el motor de sobre cargas, cortocircuitos,
etc. La configuración para el set-point del guardamotores se calcula de la
siguiente manera:
Corriente del Motor x Factor de seguridad (1,50)
En este caso tenemos el que el motor es de 2hp, con una corriente de 6 A.
6 A x 1,50 = 9 A
El set-point del guardamotor se programa en 9A para paros de emergencia
automáticamente cuando excede la corriente establecida.
Los contactores realizan el accionamiento del motor y cierre de corriente del
circuito eléctrico.
Al alimentar la bobina tanto los contactos principales como los auxiliares
cambian de posición. Alimentando al motor a través de los contactos
principales y cambiando el estado de los contactos auxiliares, cerrando el
primero y abriendo el segundo.
El contactor se divide en tres partes fundamentales.
Contactos de potencia, a través de los cuales se alimenta el circuito
de potencia.
Contactos auxiliares, utilizados para el circuito de mando o maniobra.
Electroimán, Elemento mecánico que acciona los contactos de
potencia y maniobra o auxiliares.
88
Figura 76. Partes del contactor
Figura 77. Diagrama eléctrico de arranque y paro del motor
(YoReparo, 2012)
89
4.3.1. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control incluye pulsadores, led indicadores, apertura y cierre
de la electroválvula 4/3 vías, y el sensor inductivo todo el sistema de control
es comandado por el Logo PLC 230RC.
4.3.1.1. Tablero de Control
Se ubica en la parte superior de la maquina donde se encuentran todos los
elementos de control y conexiones eléctricas.
Las dimensiones del tablero son de 300 x 300 x 160 mm con el espacio
suficiente para integrar todos los sistemas.
Se distribuyen los pulsadores en el tablero de control como indica la figura
87, con las etiquetas respectivas.
Figura 78. Distribución del tablero de control
El pulsador de emergencia debe ser llamativo, de fácil accesibilidad y de
grandes dimensiones, es el único pulsador que tiene autoenclavamiento al
ser pulsado queda enclavado y no permite poner en funcionamiento hasta
que el pulsador sea desactivado.
El encendido de la bomba es un switch de dos posiciones ON/OFF.
Los pulsadores SUBE, BAJA, COMPRIMIR son sin enclavamiento y solo
funcionan al momento de encender la bomba.
90
Los led’s indicadores el de color verde indica que el sistema esta prendido y
funcionando correctamente, el de color amarillo solo se enciende cuando el
vástago del cilindro está bajando y comprimiendo.
4.3.1.2. Control de la maquina
La máquina es controlada por el logo PLC-230RC (Ver Anexo 11), para la
apertura y cierre de la electroválvula siendo activado mediante pulsadores
desde el panel de control.
La figura 88 muestra el diagrama esquemático de funcionamiento interno del
sistema siguiendo determinadas órdenes requeridas por el operador.
Figura 79. Diagrama de control
91
La primera instrucción es encender la bomba para que empiece a funcionar
el sistema. Se presiona el pulsador BAJA el vástago del cilindro empieza a
desplazarse, hasta que el SENSOR inductivo instalado detecta la presencia
del amortiguador en la máquina, en ese instante se habilita el pulsador
COMPRIMIR para seguir con el procedimiento de compresión del sistema.
La retracción del vástago a su posición inicial es presionando SUBE hasta
que activa el fin de carrera ubicado en la brida evitando que todo el eje del
cilindro entre en la recamara.
El pulsador de EMERGENCIA puede ser activado en cualquier momento en
que este trabajando la máquina deteniendo el sistema hidráulico
instantáneamente.
4.3.1.3. Programación
La programación y simulación del controlador se utiliza el software LOGO!
Soft Comfort con el lenguaje diagrama de funciones (FUP), siendo un
lenguaje gráfico en funciones y conexiones.
En la siguiente figura se muestra un ejemplo de programación mediante el
diagrama de funciones.
I 2.3
&
≥1
I 4.1
Q 1.6
I 3.2
Figura 80. Diagrama de Funciones
Establecidos los requerimientos de control en la máquina y los elementos
que van a ser controlados se realiza la programación. Se definen todos los
elementos de entrada (I) en el Plc y las salidas (Q).
En la figura 90 se muestra el programa listo para ser simulado y cargado en
el PLC para las pruebas respectivas.
92
Figura 81. Programa de control
La simulación del programa (Ver Anexo 12) se muestra todas las fases del
programa. La simulación es realizada por el mismo software para comprobar
su funcionamiento antes de cargar el programa al controlador.
4.4. INTEGRACIÒN DE LOS SISTEMAS
Una vez realizado todo el diseño de la máquina se integran todos los sistemas
para realizar la construcción, la selección es basada en los parámetros de
funcionamiento y entorno al mercado, a los que va estar sometido dicho
sistema.
4.4.1. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA
Para construir la estructura se realizó previamente planos de la máquina que
consta cada una de las partes (Ver Anexo 7).
Una vez cortada la viga en las medidas establecidas, se suelda las partes de la
estructura con SMAW. Se empieza por la base para posteriormente colocar las
93
columnas. Cada columna es fijada a la base de manera vertical como se puede
ver en la figura 91.
Figura 82. Construcción de la Estructura
Antes de realizar la estructura, en las columnas se realizó los agujeros (Ver
Anexo 7) para colocar los pasadores que posteriormente sostendrán la mesa
móvil. En la imagen se muestra los agujeros realizados en la fresadora con una
broca de Ø = 13 mm.
Figura 83. Agujero de pasadores
94
Se colocan los soportes, son perfiles en “L” con un agujero céntrico donde se
va a colocar la brida del cilindro hidráulico.
Figura 84. Soportes del cilindro hidráulico
4.4.2. INTEGRACIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO
Con la estructura terminada se integra el sistema hidráulico fijando
primeramente el cilindro hidráulico a la estructura como se observa en la
figura 89 se ajusta con tornillos de presión, que se mantenga fija a la
estructura y que no existan vibraciones por el cilindro.
Figura 85. Instalación del cilindro
95
La centralina del sistema hidráulico es construida por MEQSELECTIVE
empresa dedicada a sistemas hidráulicos trabajando con estándares y
normas. Está constituida por los elementos que se observan en la siguiente
imagen.
Figura 86. Componentes de la centralina hidráulica
1) Motor de 2HP, 60hz 3410 RPM VCA 220 – 460. (Ver Anexo 14)
2) Bomba de engranajes,
0,8 – 3 GPM con presión de trabajo de 2500
PSI.(Ver Anexo 8)
3) Válvula reguladora de caudal, toma de ½, 4500 PSI unidireccional.
4) Electroválvula 4-3 NA CC. (Ver Anexo 13)
5) Manifold para electroválvula
6) Recipiente metálico para almacenamiento de aceite.
7) Matrimonio LOVE JOY
8) Filtro de succión (Interno)
9) Filtro de Retorno
10) Tapa Roscada
11) Mirilla de 5’’ con medidor de temperatura
12) Manómetro
96
El sistema es colocado en la parte posterior sobre la base de la estructura, todo
y cada uno de los elementos hidráulicos son desmontable para cambios futuros
por fallas o mantenimientos.
La conexión de las mangueras son colocadas mediante las recomendaciones
del proveedor (Ver Anexo 10), son mangueras de alta presión de ½ pulgada
(Ver Anexo 10) los datos técnicos de las mangueras permiten saber si son las
adecuadas para el sistema hidráulico.
Figura 87. Conexión de mangueras hidráulicas
4.4.3. CONSTRUCCIÓN DE LA MESA CENTRAL Y UÑETA
COMPRESORA
La mesa como se definió en el diseño está compuesta de dos vigas y la
placa central se corta los pedazos de viga con la medida establecida, se
realizan los agujeros para colocar los pasadores.
La placa central y la uñeta compresora tienen un espesor de 10mm que son
cortadas con soplete de oxiacetileno.
Posteriormente soldar la placa sobre los dos pedazos de viga para concluir
la construcción de la mesa central. La figura 92 muestra la mesa ya
ensamblada.
97
Figura 88. Mesa central
La uñeta compresora consta de un hueco central para fijarle al eje del
cilindro hidráulico. Para juntar la uñeta al eje con una tuerca de 1 pulgada.
La figura 98 se muestra como queda fijado la mesa central y la uñeta
compresora al eje del cilindro hidráulico.
Figura 89. Colocación de mesa central y uñeta compresora
4.4.4. INSTALACIÓN DEL PANEL DE CONTROL
Se realiza la distribución del tablero con los agujeros y la colocación de los
mandos de control como se indicó anteriormente antes de ser colocado el
tablero a la máquina.
98
Figura 90. Instalación del tablero de control
Antes de colocar se cablea el tablero de control, para el sistema de control
con cable 18 AWG, y con cable 14 AWG el sistema eléctrico.
Se realizan las instalaciones dentro del tablero. Los fusibles de 32 A seguido
del breaker, el contactor con el guardamotor, el PLC y las respectivas
borneras.
Se instala un relé para activar el sensor inductivo (Ver Anexo 13) donde las
características del sensor indican que trabaja con corriente continua de 6-36
V con una conexión PNP.
Se colocan canaletas para que los cables no se cuelguen. Al terminar de
instalar todos los componentes y cableado, se descarga el programa al PLC.
Figura 91. Cableado del tablero de control
99
5.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
El opresor de resortes funciona a través de un sistema hidráulico que es
controlado automáticamente por un PLC que comanda la electroválvula de 4
posiciones, 3 vías para la expulsión y retracción del vástago que tiene una
carrera de 300 mm, y diferentes posiciones que cumple ciclo (expulsión y
retracción) en 10 segundos. Las dimensiones que ocupa la máquina
opresora son 1,5 metros de alto y un área aproximada de 0,60
, siendo
una máquina estacionaria por sus dimensiones y su peso. La máquina
opresora tiene una capacidad de longitud máxima de 600 mm y una longitud
mínima de 300 mm. Los resortes presentan distintos diámetros, espesores
del alambre, o diferente forma, lo que hace que cada resorte tenga
diferentes características de resistencia. Los resortes de menor longitud son
de 350 mm y de mayor longitud son de 575 mm, con un diámetro de 95 mm
hasta 180 mm o de forma helicoidal, la placa compresora tiene un diámetro
de 200 mm, y una capacidad de compresión para 2 toneladas con una
presión máxima de 160 bares. Consta de elementos de protección de sobre
carga eléctrica e hidráulica.
Las pruebas se realizan una vez que se carga el programa en el controlador,
todos los elementos instalados y conectados se procede a realizar las
pruebas de funcionamiento de la máquina, realizando pruebas en vacío,
pruebas con carga mínima y con una carga promedio, registrando los datos
obtenidos para la verificación de los resultados.
Las pruebas en vacío se realizan para comprobar que todo el sistema esté
funcionando y los movimientos sean los correctos, en este caso el motor gira
en sentido horario haciendo funcionar a la bomba, generando presión desde
el arranque en el sistema.
Se comprueba el funcionamiento del programa activando las electroválvulas
para subir y bajar el vástago del cilindro.
Se realiza las pruebas de seguridad en la máquina en el guardamotor y el
pulsador de emergencia, para estas pruebas se programa en un punto
menos de lo establecido para verificar su funcionamiento,
una vez
programada el punto de corte de corriente del motor se enciende la bomba e
100
instantáneamente se detiene porque salta el protector eléctrico del motor
indicando su buen funcionamiento.
El pulsador de emergencia se pone en funcionamiento, deteniendo
instantáneamente todo el sistema, para establecer de nuevo se desactiva el
pulsador y vuelve a su normalidad el sistema.
Las pruebas del sensor se realizan con la presencia de cualquier metal para
saber si detecta y manda la señal al controlador.
El fin de carrera es activado por la placa compresora superior cuando se
retrae el cilindro, donde detiene al vástago en una distancia segura.
Con las pruebas de funcionamiento se verifican a cada uno de los elementos
para posteriormente aplicar las cargas para evaluar el sistema.
Al realizar el acople del amortiguador a la mesa central, no existe una
fijación segura, por lo que se construye una abrazadera integrándole a la
mesa central.
La uñeta compresora superior no muestra deficiencias al momento de
colocar el amortiguador, para las pruebas se regula la mesa en la altura
deseada por el operador.
Se toman datos de la presión al momento de comprimir los amortiguadores
de carga mínima y promedio, para conocer la fuerza con la que actúa el
cilindro, para la compresión y establecer el ajuste de presión.
5.1.1. MONTAJE
Para realizar el montaje del amortiguador – espiral a la maquina
(previamente desmontado del vehículo) se coloca en la mesa como se
muestra en la figura 92. Se ajusta la abrazadera colocada en la mesa que
permite fijar firmemente al amortiguador de manera vertical.
Se enciende la máquina y se procede a operar desde el panel de control
viendo cómo se extiende el vástago del cilindro hasta hacer contacto con el
amortiguador.
En el siguiente paso se realiza la compresión hasta donde el operador pueda
realizar el trabajo requerido.
101
Una vez terminado se descomprime para desmontar el espiral y el
amortiguador de la máquina.
Figura 92. Montaje del amortiguador
5.1.2. PRUEBAS DE MOVIMIENTO
Las pruebas y verificación del sistema de la máquina, comienza desde la
activación de la bomba, debido que esta debe girar sentido horario
anteriormente mencionado, todo esto se verifica y se conecta de la manera
indicada.
El movimiento del cilindro es lineal colocado de manera vertical, se verifica
su funcionamiento, sin la aplicación de una carga. El movimiento de la
maquina es correcto como se requiere.
El movimiento de la mesa que se realiza manualmente utilizando los
pasadores para la fijación.
5.1.3. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO CON CARGA MÍNIMA
Para la prueba con carga mínima se realizó con el amortiguador del vehículo
Fiat UNO, de características apropiadas por ser un vehículo pequeño.
102
Tabla 13. Características de la suspensión (Fiat uno)
Longitud del Resorte (Descomprimido)
360 mm
Longitud del Resorte (Comprimido)
300 mm
Diámetro Externo
130 mm
Diámetro de Alambre del Espiral
12,75 mm
Numero de Espiras
7
Las pruebas se realizaron con la longitud del resorte descomprimido
tomando los datos de presión y deformación en el resorte que se presentan
a continuación en la tabla 14.
La fuerza del cilindro se calcula en Newton con la Ecuación 2.4. El área
efectiva es calculada en función al diámetro interno del cilindro.
Tabla 14. Pruebas del resorte (Fiat uno)
Deformación
Presión
Fuerza
[mm]
[PSI] / [KPa]
[N]
50 mm
50 psi / 345 KPa
975 N
90 mm
100 psi / 689 KPa
1943 N
130 mm
200 psi / 1379 KPa
3889 N
160 mm
250 psi / 1724 KPa
4862 N
175 mm
300 psi / 2068 KPa
5832 N
103
Fuerza - Deformaciòn
8000
7000
FUERZA [N]
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
60
110
160
170
DEFORMACIÒN [mm]
Figura 93. Fuerza – deformación de carga mínima
La figura 102 muestra como la fuerza va aumentando con la deformación del
resorte. En los últimos puntos la deformación del resorte es mínima a
comparación de la fuerza que va creciendo, significa que la presión también
aumenta para generar más fuerza por parte del cilindro.
5.1.4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO CON CARGA MAXIMA
Para la prueba con carga máxima se realizó con el amortiguador del
vehículo BMW modelo 525, de buenas características para realizar las
pruebas, debido que es un automóvil largo y pesado.
Tabla 15. Características de la suspensión (BMW 525)
Longitud del Resorte
360 mm
(Descomprimido)
Longitud del Resorte
300 mm
(Comprimido)
104
Diámetro Externo
145 mm
Diámetro de Alambre del Espiral
13,6 mm
Numero de Espiras
7
Las pruebas se realizaron con la longitud del resorte descomprimido (360
mm), tomando lectura de la deformación del resorte cada cierta distancia
junto con la lectura de la presión proporcionada por el manómetro. En la
tabla 16 se muestra la deformación y presión aplicada para determinar la
fuerza para este tipo de resorte.
La fuerza es calculada de la misma manera como se realizó el cálculo en
las pruebas de carga mínima, con la misma área efectiva del cilindro.
Tabla 16. Pruebas del resorte BMW 525
Distancia
Presión
Fuerza
[mm]
[PSI] / [KPa]
[N]
60 mm
150 psi / 1034 KPa
2916 N
110 mm
200 psi / 1379 KPa
3889 N
160 mm
300 psi / 2068 KPa
5832 N
170 mm
350 psi / 2413 KPa
6805 N
105
Fuerza - Deformaciòn
8000
7000
FUERZA [N]
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
60
110
160
170
DEFORMACIÒN [mm]
Figura 94. Fuerza - deformación carga máxima
Se muestra en la figura que para mayor deformación, mayor fuerza y
presión, de la misma forma que la figura 102. En los últimos puntos muestra
que la deformación va disminuyendo, a diferencia de la fuerza que va
aumentando, este resorte por los resultados obtenidos muestra ser un
resorte de gran resistencia.
5.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS
La tabla 9 muestra los resultados obtenidos por el resorte, donde se indica la
fuerza aplicada al resorte, en comparación a las pruebas realizadas en la
maquina se aplica una fuerza en función de la presión determinando la
fuerza necesaria ejercida por el cilindro para deformar el resorte.
La fuerza aplicada al resorte mediante una carga es referente a la fuerza que
ejerce el cilindro sobre el resorte como se observa en las pruebas. La
comparación de la tabla 9 con las tablas obtenidas en los resultados
presenta una mínima diferencia de fuerza.
En el análisis con carga mínima y carga máxima en la maquina se toma en
cuenta las distancias del resorte comprimido y descomprimido. Para
106
desmontar el resorte del amortiguador que se encuentra comprimido cierta
distancia, el cilindro aumenta en un 10 % la fuerza de extensión del vástago.
El resorte desmontado del amortiguador tiene mayor longitud pero menor
resistencia, por lo tanto es suficiente la fuerza de extensión nominal.
El análisis con carga mínima se determina que necesita una fuerza inicial de
975 [N], y una fuerza máxima de 5832 [N]. En la prueba el resorte es
deformado hasta 175 mm.
La distancia del vástago utilizada es 250 mm para poder deformar al espiral
en 175 mm, no presenta ningún problema de
pandeo en el cilindro ni
deformación en los elementos.
El análisis con carga máxima presenta una fuerza inicial de 2916 N en
comparación a la fuerza inicial de menor carga requiere de mucha más
fuerza. La fuerza máxima aplicada al resorte es de 6805 [N], donde se
presenta una diferencia con el de menor carga debido que el resorte
presenta más resistencia.
La distancia del vástago utilizada en el análisis con carga máxima es de 210
mm, existiendo una diferencia con el análisis de menor carga debido que el
resorte varía por el diámetro del alambre.
Para las fuerzas iniciales y fuerzas máximas que se analizaron en las
pruebas se debe tomar en cuenta la fuerza de extensión del cilindro.
El sistema trabaja en óptimas condiciones con cada uno de los componentes
se encuentra listo para poner a trabajar la máquina.
5.3. VENTAJAS DE LA MÁQUINA
Con la prensa el taller puede simplificar los procesos y reducir costes
además de una mayor eficacia y productividad. A continuación se muestra
una tabla comparativa del sistema convencional de ganchos y el sistema
actual de la prensa hidráulica semi - automática.
107
Tabla 17. Tabla comparativa
Antes
El
acoplamiento
ganchos
al
Después
de
resorte,
los La prensa consta de una Disminuye
el
se mesa central para fijar el tiempo de trabajo
necesita de un banco para amortiguador
fijar el amortiguador.
Ventajas
en
la en 70%
misma máquina.
El trabajo de desmontaje al El desmontaje lo puede Se
reduce
la
resorte necesita de hasta realizar una persona.
mano de obra en
dos personas.
50%
Los ganchos deben ser La placa compresora de Se disminuye el
ajustados
la
proporcionalmente
comprimir
esfuerzo
comprime esfuerzo físico en
para uniformemente
realizando
físico
máquina
por
sin 90%
un realizar un esfuerzo físico
el por el operador.
operador.
El proceso es manual.
El proceso es semi - El
automático.
Los ganchos no pueden La
máquina
desmontar varios resortes varios
seguidamente.
es
eficaz en un 80%
desmonta Aumenta
resortes producción
seguidamente.
No son tan confiables con Brinda
proceso
la
en
60%
seguridad
y Aumenta
la
resortes muy rígidos sin confianza con resortes seguridad
del
poseer
un
un
seguridad.
sistema
de rígidos
contando
con operador en
sistemas de seguridad.
85%
5.3.1. ANÁLISIS ECONÓMICO DEL PROYECTO
Se realiza un análisis económico para determinar los beneficios y la
factibilidad del proyecto realizado. Con este análisis se podrá conocer el
costo de la inversión y rentabilidad.
108
Se toman en cuenta los datos económicos del taller enfocado en el cambio
de suspensiones, como un punto de partida para detallar los costos y
beneficios que proporcionará el proyecto.
Se analizan los datos de la
tabla 18 antes de la implementación del
proyecto.
Tabla 18. Costos de operación
Rubro
USD $
$ 200,00
Ganchos de Compresión
$ 45,00
Mano de Obra
$ 245,00
Total
El taller automotriz recibe aproximadamente de 10 a 15 autos semanalmente
los cuales 4 a 8 automóviles se realizan mantenimientos en la suspensión.
La mano de obra por cambio de suspensión tiene un costo de $ 45, y toma al
mecánico aproximadamente desde una hora hasta tres horas según la
cantidad de automóviles. El mecánico recibe una comisión del 70% por cada
cambio.
La siguiente tabla muestra el presupuesto de la inversión del proyecto.
Tabla 19. Presupuesto del proyecto
Rubro
Estructura
Viga UPN 100 x 6m.
Mesa Central
Placas
Pasadores
Total
Sistema Hidráulico
Cilindro doble efecto
Mangueras y Acoples
Centralina completa
US$
$ 89,00
$ 20,00
$ 16,40
$ 10,00
$ 135,40
$ 400,00
$ 120,45
$ 1.198,00
109
Total
$ 1.718,45
Sistema Eléctrico y Control
Panel
Contactor y guardamotor
PLC
Sensor inductivo
Cables
$ 20,55
$ 29,34
$ 100,00
$ 25,00
$ 15,00
Implementos electrónicos (Led's,
Pulsadores, switch, fusible, borneras)
Total
Mano de Obra
Imprevistos
TOTAL
$ 120,00
$ 309,89
$ 450,00
$ 100,00
$ 2.713,74
La inversión es la cantidad de dinero necesaria para poner el proyecto en
operación. Dicha inversión es integrada por capital propio. A continuación se
presentan los costos de operación con la máquina en funcionamiento
Tabla 20. Costos de operación
Rubro
Inversión del proyecto
Mano de Obra
Total
USD $
$ 2713,74
$ 35,00
$ 2748,74
Es una gran inversión que en periodo de tiempo es recuperado para generar
una ganancia. Se observa en la tabla 20 el costo de mano de obra disminuye
por el hecho que la prensa minimiza el tiempo de trabajo con el objetivo de
aumentar clientes en un 60% en 7 a 13 autos semanalmente, con una
utilidad de $105 para el taller. La inversión es recuperada en 7 meses está
representada en tiempo, seguridad y satisfacer la demanda del taller
automotriz.
110
6.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1. CONCLUSIONES
La prensa hidráulica para la compresión de resortes, cumple con
todos objetivos y alcance establecidos, optimizando el proceso de
trabajo.
El propósito del proyecto es poder tecnificar los procesos de trabajo
en el taller automotriz, donde se realiza el cambio de suspensiones a
través de un método no tan confiable que expone al mecánico
físicamente.
El cilindro hidráulico fue construido en relación a la fuerza requerida
para la compresión de un resorte rígido, la longitud del vástago se
determinó mediante el estudio y análisis de los resortes más comunes
en el mercado.
El uso del cilindro hidráulico es una buena alternativa para realizar
movimientos lineales de manera rápida con una velocidad constante y
con gran capacidad de carga.
Cada elemento de la máquina es accesible y desmontable para
realizar cambios o mantenimientos.
El sistema de control es colocado en la parte superior de la máquina
evitando contacto con el sistema de potencia para evitar interferencia
en el sistema de control, o muchas vibraciones puede provocar que
los cables se aflojen.
La respuesta del sistema de control es inmediata, al momento de
trabajar en la apertura y cierre de la electroválvula, de misma manera
en el circuito de potencia permite el arranque y paro del motor. La
seguridad del paro de emergencia también es de respuesta inmediata
deteniendo el motor y control.
111
La prensa hidráulica no requiere de operadores con experiencia,
puede ser utilizada por cualquier persona con los conocimientos
indicados y precauciones básicas.
Al momento de realizar las pruebas de funcionamiento se acopló
piezas extra para proporcionar más seguridad, la abrazadera de la
mesa central para la fijación del amortiguador de manera segura y el
plato superior acoplado a la uñeta compresora para evitar que por
alguna circunstancia resbale el espiral.
112
6.2. RECOMENDACIONES
Las siguientes recomendaciones de diseño e ingeniería se deben tomar en
cuenta para la construcción del prototipo.
Realizar un diseño virtual de los elementos para simular su
funcionamiento, previo a la construcción. Antes de realizar cualquier
instalación
o
cargar
programas
al
controlador
se
verifica
su
funcionamiento virtual, teniendo en cuenta las entradas y salidas
utilizadas virtualmente para una correcta instalación física.
Establecer tolerancias mayores a las definidas al momento de realizar
cortes por oxiacetileno, para realizar posteriormente cortes, lijadas, o
soldadura de elementos en las distancias requeridas.
A continuación se indican las recomendaciones establecidas para el
operador de la prensa y mantenimiento.
Al momento de encender la maquina no se debe operar inmediatamente,
sino esperar un tiempo en el que la bomba presurice y llene de aceite el
sistema hidráulico.
Verificar que la presión no sobrepase de 500 PSI, observando que no
existan fugas de aceite en las conexiones. Nunca comprimir un resorte
en su totalidad, porque pierde las características elásticas presentando
una deficiencia en la suspensión.
Prestar atención en cada uno de los elementos al momento de trabajar
en la máquina, tomando las medidas de seguridad correspondientes.
Realizar mantenimientos preventivos y correctivos para alargar la vida
útil de los componentes. Utilizar siempre aceite hidráulico ISO 48, ISO
68 cuando el nivel de aceite se encuentre bajo el límite.
113
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118
ANEXOS
ANEXO 1
Torques del Amortiguador
Tabla 21. Tabla de torques para ajustar los amortiguadores
Tamaño de tornillo
Torque Sugerido
M10
30 (N-m)
M12
40 (N-m)
M14
50 (N-m)
ANEXO 2
Factores de Conversión
119
ANEXO 3
Propiedades de las Áreas
120
ANEXO 4
Longitud efectiva del cilindro según la fijación
121
ANEXO 5
Especificaciones de Vigas UPN
122
ANEXO 6
Propiedades de los Aceros Estructurales
123
ANEXO 7
Planos de la Máquina
a) Cortes de la Viga
b) Agujeros en la Viga
124
c) Planos de la Base
d) Base con la Columnas y soportes
125
e) Plano de Soportes
f) Plano Columnas Cilindro
126
g) Plano Cilindro Hidráulico
127
ANEXO 8
Símbolos Hidráulicos
Tabla 22. Esquemas hidráulicos. Simbología e interpretación
CILINDROS
BOMBAS DE
DESPLAZAMIENTO
METODOS DE
ACCIONAMIENTO
simple efecto
Simples, tipo paleta, pistones
y engranes.
Resorte
doble efecto
Simple tipo pistones con
drenaje exterior
Manual
Doble efecto
ajustable
Doble tipo paleta y engranes
Botón
Para servicio
pesado
BOMBAS DE
DESPLAZAMIENTO
VARIABLE
Palanca
Telescopio
Control manual por volante
Pedal
Doble vástago
Control por compensador de
presión
Mecánico
128
Retención mecánica
LINEAS
VALVULA DE CONTROL
POR PRESION
Línea de
trabajo
(principal)
Válvula de contrabalanza
Solenoide
Líneas de
pilotaje (para el
control)
Válvula de secuencia
Servomotor
Línea de trabajo
(principal)
Válvula reductora de presión
Compensado por
presión
Dirección de
flujo hidráulico
Válvula reductora de presión
con check integrado.
Mando remoto
Líneas que se
cruzan
LINEAS
LIINEAS
129
Líneas unidas
internamente
Líneas flexible
Línea de depósito
por encima del nivel
de fluido.
Líneas con una
restricción de
flujo
Deposito comunicado al aire
Línea de depósito
por debajo del nivel
de fluido.
VALVULA
VALVULA
VALVULA DE
CONTROL DE
FLUJO
Anti retorno
Tres posiciones cuatro vías
Válvula de control de
flujo compensado
por presión y
temperatura
Válvula de cierre
NC
Dos posiciones cuatro vías
en transición
Válvula de control de
flujo con control
remoto
130
Control de
caudal ajustable
no compensado.
Válvula de infinitas
posiciones indicadas por las
dos líneas horizontales.
Dos posiciones
dos vías
ACCESORIOS
Dos posiciones
tres vías
Acumulador cargado con
gas
Dos posiciones
cuatro vías
Filtro
Válvula de control de
flujo con check
integrado.
Válvula de control
de flujo compensado
por presión y
temperatura con
check integrado.
PRESOSTATO
Sencillo o doble
Manómetro
131
ANEXO 9
Características de la Bomba de engranajes externos
ANEXO 10
Mangueras Características
Instalación de Mangueras
132
Dimensiones de Mangueras
ANEXO 11
Datos técnicos del LOGO!
133
134
ANEXO 12
Simulación del Programa
Fase 1
135
Fase 2
Fase 3
136
Fase 4
ANEXO 13
Detalles del Sensor Inductivo
Lugar de origen: Zhejiang, China
Marca: OMKQN
Número de modelo: LJ30A3-15-Z/BX
Uso: Sensor de Posición
Teoría: Inductancia del sensor
Salida: Transductor de la conmutación
Dimensión: M30 * 70
Distancia de detección: 15 mm
Objeto detectado: metal magnético
Modo de Instalación: no enrasado
Modo de conexión: cable de 2 m PVC
Material de la carcasa: latón niquelado
Material de la cabeza de inducción: ABS
137
Grado de protección: IP 67
Temperatura de funcionamiento: -30 ~ 70º
Humedad de funcionamiento: 35 ~ 95% RH
Tabla 23. Especificaciones del sensor inductivo
o Conexión sensores PNP
Conmutan el polo positivo a la carga
o Conexión sensores NPN
138
Conecta el potencial positivo a la carga.
ANEXO 14
Electroválvula
Tabla 24. Especificaciones de electroválvula
139
ANEXO 15
Datos técnicos del motor
140