Universidad Católica Argentina Facultad de química e ingeniería Fray Rogelio Bacon
Trabajo Práctico ELEVADOR A CANGILONES
Carrera: Ingeniería Industrial Materia: Elementos de Máquina Año: 2011 Integrantes: Cabestrero, Maximiliano Rolt, Federico
Índice INDICE TABLA DE CONTENIDOS PRIMERA PARTE ELEVADOR
A
CANGILONES:
DESCRIPCION
DE
LOS
COMPONENTES;
FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO 1. Elevadores a Cangilones 1.1. Introducción 1.2. Descripción de los componentes 1.2.1. Unidad de Accionamiento 1.2.2. Tambor de Accionamiento 1.2.3. Cabeza del Elevador 1.2.4. Freno 1.2.5. Ramal de Subida 1.2.6. Ramal de Bajada 1.2.7. Tambor de Reenvío 1.2.8. Dispositivo de Estiramiento 1.2.9. Pie del Elevador 1.2.10 Correa . 1.2.11. Cangilones 1.3. Alineación Correa 1.4. Uniones de Correa 1.5. Funcionamiento y Mantenimiento
………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… ………………………………… …………………………………
Pág. 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 8 10 11 11
SEGUNDA PARTE CÁLCULO ELEVADOR A CANGILONES 2. Cálculo Elevador a Cangilones 2.1. Objetivos 2.2. Alcance 2.3. Consignas 2.4. Croquis Instalación 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Determinación del Coeficiente de Llenado Selección Cangilón Determinación Ancho de Banda Cálculo Paso Velocidad Aconsejada Banda Calculo Velocidad Banda Cálculo Banda
………………………………. ………………………………. ………………………………. ………………………………. ………………………………… ……………………………….. ……………………………….. ……………………………….. ……………………………….. ……………………………….. ……………………………….. ………………………………..
14 14 14 14 15 Pág. 16 16 16 17 17 18 19
Índice 9.1. 9.2. 9.3. 9.4.
10 11 12 13 14 15 16 17 18
Cálculo Capacidad de Elevación ……………………………….. Cálculo del Peso del Material Elevado por Metro Lineal …… Cálculo del Número de Cangilones ……………………………….. Cálculo de la Tensión Efectiva ……………………………….. 9.4.1. Cálculo de Tensión Efectiva en Función de la Carga …… 9.4.2. Tensión Efectiva en Función del Nº de Cangilones …… 9.5. Cálculo de Tensión Máxima ……………………………….. 9.6. Cálculo de la Unidad de la Tensión ……………………………….. 9.7. Cálculo del Número de Telas ……………………………….. 9.8. Determinación del N° de Telas mínimo y máximo 9.8.1. Número mínimo de telas ……………………………….. 9.8.2. Número máximo de telas ……………………………….. 9.9. Determinación de cobertura correa ……………………………….. 9.10. Indicación de cinta elevadora ……………………………….. Cálculo del Tambor Motriz y Tensor ……………………………….. Cálculo Potencia ……………………………………………… Cálculo Reductor (Selección) ……………………………………………… Acoplamientos ……………………………………………………………………. 13.1. Reductor (eje de alta velocidad) - Motor …………………………. 13.2. Reductor (eje de baja velocidad) – Eje tambor motriz …… Cálculo ejes …………………………………………………………………… 14.1. Cálculo eje tambor motriz ………………………………………… Anillo de Fijación …………………………………………………………… 15.1. Selección anillo de fijación – Tambor motriz y Tensor ……….. Rodamientos …………………………………………………………………… 16.1. Selección rodamientos – Tambor motriz y Tensor ……………….. ANEXO I (Tablas) ANEXO II (Catálogos) Bibliografía
……………………………………………………………. ……………………………………………………………. …………………………………………………………….
II
19 19 20 20 20 21 21 22 22 23 23 23 24 24 24 25 26 27 27 28 30 30 36 37 38 38 Pág. 41 54 91
Índice
III
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1. ELEVADORES A CANGILONES 1.1. INTRODUCCIÓN Los elevadores de correa a cangilones son los equipos más comunes y económicos para el movimiento vertical de materiales a granel. Los cangilones son los recipientes que contienen el material, tomándolo en la parte inferior del sistema y volcándolo en la parte superior, para este cometido deben tener una configuración adecuada. Los cangilones van montados sobre la correa que es la que trasmite el movimiento del tambor de accionamiento y la que debe absorber los esfuerzos provocados por esta transmisión además del peso efectivo del material elevado y el peso propio de los cangilones. Las correas utilizadas deben poseer una gran resistencia transversal para garantizar la sujeción de los bulones del cangilón. Las mismas deben ser seleccionadas en función del cálculo a realizar de acuerdo a las características de cada elevador.
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1.2. DESCRIPCION DE LOS COMPONENTES
1.2.1. UNIDAD DE ACCIONAMIENTO Se
encuentra
localizada
en la parte
superior del elevador, está constituida por un motor y un reductor que puede estar ligado directamente al eje del tambor de accionamiento o a través de un acole elástico o dentado. Toda la unidad se sustenta por una plataforma construida a tal fin. 1.2.2. TAMBOR DE ACCIONAMIENTO Es el encargado de transmitir el movimiento a la correa, normalmente fabricado en fundición o chapa de acero. Pueden tener una pequeña biconicidad (bombé) a los efectos de centrar la correa
y siempre y
cuando el cangilón lo permita. Es altamente recomendable el recubrimiento del mismo con caucho a los efectos de protegerlo del desgaste producido por la gran cantidad de polvo que
genera
recubrimiento
evita
el
sistema.
también
el
Este
desgaste
prematuro de la correa y eficientiza el uso de la potencia ahorrando energía. También aumenta haciendo
el
coeficiente más
patinamiento. El
de rozamiento
difícil diámetro
un del
eventual
mismo
se
calcula en función de la descarga y la velocidad para
lograr
una
operación
eficiente.
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1.2.3. CABEZA DEL ELEVADOR También localizada en la parte superior del elevador y es una estructura metálica que contiene al
tambor
de accionamiento,
formando parte de la misma la unidad de accionamiento, el freno y la boca de descarga. El capot de la cabeza
o
sombrero debe
tener el perfil adecuado adaptarse
para
lo más posible a la
trayectoria del
material
elevado
en el momento de producirse la descarga. Esta trayectoria depende de varios factores como ser el tipo de cangilón, la velocidad de
la
correa y el diámetro del tambor de accionamiento. 1.2.4. FRENO Es un sistema ligado al eje del tambor de accionamiento. Permite el libre movimiento en el sentido de elevación. Cuando por cualquier motivo el elevador se detiene con los cangilones cargados, este sistema impide el retroceso de la correa, evitando así que el material contenido en los mismos sea descargado en el fondo del elevador. Los dispositivos más usados son: el de malacate o el de cinta. 1.2.5. RAMAL DE SUBIDA Junto con el ramal de bajada une la cabeza con el pie del elevador. Normalmente fabricado en chapa plegada y soldada de construcción modular. Cada cuerpo se une al siguiente con bulones. Su largo depende de la altura del elevador. Sus dimensiones deben ser tales que permitan el paso de la correa y los cangilones con holgura. Este ramal (también denominado "pantalón") contiene a la correa y cangilones cargados en su 7 de 91
movimiento ascendente. Sobre el mismo normalmente se encuentra ubicada la puerta de inspección. 1.2.6. RAMAL DE BAJADA Caben las consideraciones generales indicadas para el ramal de subida. Este ramal (también denominado "pantalón") contiene a la correa y cangilones vacíos en su movimiento descendente. 1.2.7. TAMBOR DE REENVÍO Se localiza en la parte inferior del elevador. Sobre el eje del mismo se encuentra montado normalmente el dispositivo de estiramiento. Su construcción se recomienda que sea aleteada o tipo "jaula de ardilla" para evitar que el material derramado se introduzca entre el tambor y la correa provocando daños a la misma. Su diámetro es generalmente igual al tambor de accionamiento o menor que el mismo.
1.2.8. DISPOSITIVO DE ESTIRAMIENTO Como su nombre lo indica este dispositivo permite el tensado de la correa para lograr un perfecto funcionamiento del
sistema. Este
dispositivo puede ser de dos tipos: a tornillo (el más usual) o automático (para elevadores de grandes capacidades).
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1.2.9. PIE DEL ELEVADOR Se encuentra ubicado en
la parte inferior del elevador y contiene al tambor de
reenvío. Son partes integrantes del mismo la tolva de alimentación y el dispositivo de estiramiento. Esta parte de la estructura se encuentra regularmente provista de puertas de inspección y de limpieza.
1.2.10. CORREA Estructuralmente y en términos generales las correas utilizadas en elevación son
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iguales a las utilizadas en transporte. No obstante debe tenerse muy en cuenta al momento de su selección, la mayor robustez que deben poseer. No olvidemos que su resistencia longitudinal se va a ver afectada por el perforado al que es sometida para la fijación de los cangilones a través de los bulones y debe poseer mayor resistencia transversal para lograr una correcta sujeción de los mismos. A la hora de la selección de una correa elevadora y por lo expresado en el párrafo anterior, no solo es importante realizar el cálculo de tensión de la correa sino que la misma deberá dimensionarse en función de su robustez, de su capacidad para soportar el arrancamiento de los cangilones, de su porcentaje de estiramiento como así también la forma de estirarse en función del tiempo de uso, sus resistencias químicas y físicas, su capacidad para disipar la energía estática siempre presente en estos sistemas de elevación, su necesidad de ignifugancia, y cualquier otro factor particular del sistema en estudio y que pueda influir de un modo determinante en la selección de la correa. Cada modelo de correa posee una resistencia nominal al arrancamiento de los cangilones que se expresa en una proyección máxima que los mismos deben tener. Este es un dato que aporta el fabricante como así también el de porcentaje máximo de estiramiento y la forma de producirse el mismo a través del tiempo de uso. En función de este último punto es siempre recomendable la utilización de correas con urdimbre (sentido longitudinal) de poliéster, fibra que tiene un menor porcentaje de estiramiento (normalmente no mayor de un 1,5%) y el mismo se produce en los primeros meses de uso, luego del cual la correa ya no se estira. Respecto a las dimensiones de la correa se recomienda observar los siguientes requisitos en cuanto al ancho de la misma: debe ser de 10 mm. a 25 mm. más ancha que el cangilón de cada lado. (Entre 20 mm a 50 mm más ancha en total que el largo del cangilón). La distancia del borde de la correa al lateral del pantalón debe ser como mínimo de 50 mm para elevadores de hasta 30 metros de altura y de 75 mm para los de mayor altura, a fin de evitar rozamiento lateral. Es también importante tener en cuenta
el
diámetro
mínimo
de
tambor que la correa soporta como elevadora y que también es un dato aportado por el fabricante para cada modelo. Durante el proceso de perforado de la correa para el 10 de 91
alojamiento de los bulones del cangilón, es importante tener en cuenta que los agujeros deben ser del mismo diámetro que los bulones a utilizar y que deben estar alineados y escuadrados (ángulo de 90º) respecto a la línea central de la correa, para evitar distorsiones en el funcionamiento (vaivén).
1.2.11.CANGILONES Dentro del sistema de elevación son los elementos que alojan a la carga en su carrera ascendente. Según su construcción, pueden ser metálicos de chapa soldada o estampados, de material plástico, de
fibra, de acero
inoxidable o de fundición. Existen infinidad de formatos y dimensiones, cada fabricante de elevadores normalmente cuenta con un diseño particular. Existen también grandes fábricas de cangilones de diferentes materiales y con diseño estandarizado. Las
medidas
básicas
con
las
cuales
se
define
un
cangilón, son tres: Largo, profundidad y proyección. En el proceso de selección de los mismos, se aconseja seguir las indicaciones del fabricante respecto a la velocidad de la correa y al diseño del capot o sombrero del elevador, fundamentalmente en los elevadores centrífugos donde el "momento" de descarga del cangilón es factor determinante de la eficiencia del sistema y está íntimamente ligado a la velocidad de la correa y diseño del capot indicado. Los cangilones son fijados a la correa a través de bulones especiales de cabeza plana y de gran diámetro. Es aconsejable el uso de arandela bombeada y tuerca autofrenante. El cangilón debe poseer una porción embutida anular a la perforación y que permita el alojamiento de la cabeza del bulón y de la correa para que dicha cabeza no sobresalga de la superficie interna de la correa, hecho que puede provocar aflojamiento de los mismos como así también pérdida de adherencia al tambor de mando cuando el mismo no se encuentra recubierto.
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De acuerdo a como se monten los cangilones, diseño de los mismos y velocidad del sistema, los elevadores se pueden clasificar en: a) Elevadores de descarga centrífuga: Como su nombre lo indica la descarga del cangilón se efectúa por fuerza centrífuga al momento de girar la correa sobre el tambor de mando. Los cangilones van montados en una o varias filas según su diseño. La carga se efectúa normalmente por dragado del material depositado en el pie del elevador. La velocidad de la correa es alta (entre 1,2 a 4 m/seg.).
El
"paso"
entre
cangilones
normalmente es de 2 a 3 veces su proyección. Existe una variante a este sistema, donde los cangilones son "sin fondo" y el espaciamiento es 12 de 91
mínimo (entre el 10% y el 11% de su profundidad); cada un número determinado de cangilones sin fondo se intercala uno de igual perfil pero con fondo. Con este último sistema se logra una verdadera "columna" de material que permite diseñar elevadores de menores dimensiones para una misma capacidad de elevación. Estos elevadores se utilizan en materiales que fluyen libremente y secos (granos, azúcar). b) Elevadores de descarga por gravedad Los cangilones están instalados en forma continua, sin espaciamiento entre ellos y la descarga se efectúa por gravedad utilizando la parte inferior del cangilón precedente como tolva de descarga. La carga se realiza directamente desde tolva (no por dragado). La velocidad de la correa es baja (entre 0,5 a 1,0 m/seg.). Estos elevadores se utilizan en materiales frágiles, muy húmedos o de alta granulometría (café, arcilla, piensos). La descarga por gravedad del tipo central (fig. 19) se realiza, en la parte interna de la carcasa, a velocidades bajas (0,4 a 0,5 m/s). En este caso, la fijación de los cangilones se realiza sobre cadenas y posee un sistema de volteo.
1.3. ALINEACIÓN DE LA CORREA En un sistema de elevación, la falta de alineación de la correa provocará problemas tales como rotura y arrancamiento de cangilones, rotura de correa y daños estructurales en el elevador. 13 de 91
Las causas de desalineación de correa más comunes en un sistema de elevación son: •
Uniones de correa fuera de escuadra.
•
Fijación de cangilones fuera de escuadra.
•
Carga del elevador descentralizada.
La doble conicidad de tambores de mando puede ser un auxiliar importante en la alineación de la correa, pero podrá ser utilizada solamente en aquellos casos donde el cangilón lo permita. 1.4. UNIONES DE CORREA Según su forma, definiremos tres tipos de uniones básicas: •
En ángulo
•
Por superposición
•
Por yuxtaposición ("poncho")
1.5. MANTENIMIENTO El funcionamiento satisfactorio y seguro depende de la tensión de la banda, del desgaste y rotura de los cangilones, del control de alimentación, de las descargas sin obstrucciones y de la limpieza. Muchos problemas de funcionamiento provocan descargas poco eficientes. Esto da como resultado sobrecargas para el motor, portillos de descarga obstaculizados, bandas del elevador estiradas, baja capacidad, daño a los cangilones, cangilones arrancados de la banda, quemaduras en la polea 14 de 91
de cabeza y problemas asociados con las maquinas. Lista de control para la inspección de mantenimiento Banda: se esta resbalando, se sale del centro, esta muy desgastada, desgarrada por pernos? Cangilones: hay algún cangilón gastado, deformado, suelto o se atora en la cubierta? Poleas: asegúrese de que el eje este horizontal y que la polea este en la posición correcta. Examine los cojinetes y sus tornillos de montaje. Cubierta de la cabeza: controle el desgaste y la salida de polvo del ducto de descarga. Motor propulsor: se mantiene limpio? Inspeccione la caja de engranajes, los engranajes, los acoplamientos, el freno que impide la reversa, pernos de montaje. Lubricación: Lubricar semanalmente los rodamientos del motor, de las poleas conductoras y conducidas. Mensualmente verificar el nivel de aceite del reductor. Electricidad: controle el abastecimiento de energía, conexiones a tierra, controles, aparatos de seguridad (por ejemplo, interruptores, sensores térmicos, protecciones de sobrecarga e interruptores del motor en movimiento.) Pie del elevador: examine los claros, el desgaste del ducto de entrada, placas deslizantes de control, paneles de acceso, limpieza. Ramales de subida y bajada: están distorsionadas? Busque pernos y rebordes corroídos. Controle los paneles de alivio de explosiones y paneles de acceso. Estructura: examine los soportes, las escaleras de acceso, plataforma de servicio, guarda y rieles En los lugares donde el desgaste es causado por el deslizamiento del producto, se pueden colocar revestimientos de acero especial o de plástico duro resistentes a la abrasión. Donde el desgate es causado por el impacto del grano se tiene como posibles soluciones: poner un colchón de grano (esto es barato, pero produce mezclas si se maneja un tipo diferente de grano), o coloque colchones de hule o losetas de cerámica. Una banda debe reemplazarse antes de que su trama de soporte este expuesta por el desgaste se debe cambiar antes de que se caiga por la pierna del elevador; debido al peligro de que se produzcan chispas y una explosión de polvo. La causa mas común de que la banda se caiga es la falla de la junta de la banda. Las juntas con traslapos y las juntas de extremos empalmados son igualmente resistentes, pero las instrucciones del fabricante deben seguirse cuidadosamente. Mantenga la polea en servicio limpia. El grano aplastado sobre ella puede crear una nueva corona fuera del centro, que fuerce la banda hacia afuera de su alineamiento y
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fricciona las guardas de acero. Los aceites en el grano aplastado también corroen la cubierta de la banda. Si se nota cualquier hundimiento en un silo o techumbre adyacente, verifique que el elevador continúe completamente vertical.
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2. CALCULO ELEVADOR A CANGILONES 2.1.
OBJETIVOS El presente trabajo tiene como objetivo la aplicación de los conceptos desarrollados en la cátedra “Elementos de máquinas” así como de otras cátedras afines, con el propósito de calcular y diseñar un elevador de cangilones.
2.2.
ALCANCE El presente trabajo comprende: selección de componentes, diseño y cálculo de componentes netamente mecánicos constituyentes del elevador de cangilones en cuestión, excluyendo el cálculo estructural, las especificaciones eléctricas, de comando y operación del mismo. 2.3.
CONSIGNAS
Realizar el diseño y cálculo de un elevador de cangilones con las siguientes características: •
Capacidad: Q = 700 Tn/h
•
Altura de elevación: h = 60 m
•
Tipo de Carga: por dragado
•
Tipo de descarga: por fuerza centrifuga
•
Material a transportar: semilla de soja
•
Granulometría: 4 a 20 mm
•
Peso especifico: ρ = 0,728 Tn/m³
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2.4. CROQUIS INSTALACIÓN
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3. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE LLENADO
Se entiende por coeficiente de llenado a la relación entre el volumen del cangilon ocupado por el material y el volumen total del mismo. El mismo depende del material, la forma del cangilon y la velocidad de la banda. Según tabla Mercurio Nº 55 (Pág. 49), el coeficiente de llenado a adoptar para soja es ϕ = 0,7 − 0,8
4. SELECCIÓN DEL CANGILÓN
Del catalogo Volante Hnas (ver pág. Nº55) seleccionamos el modelo de cangilón que posea la mayor capacidad de carga disponible.
ANCHO
PROY.
(A)
(B)
PROF. Perf. Diám/BUL. Dist.AGUJ/mm MÁX. U.
520 x 215 x 163
(C) 5
VOL.
(E)
(F)
x metro
Litros
3/8”
110
5,80
8,7
*Las dimensiones se encuentran expresadas en mm.
5. DETERMINACIÓN ANCHO DE BANDA (B) 19 de 91
El ancho de banda (B) se determina en base al número de filas de cangilones que se van a utilizar y el ancho de los mismos. El número de filas es una variable que surge del dimensionamiento del equipo y se encuentra directamente relacionada con la capacidad de carga que debe cubrir el equipo. B = F× A +D B = 2 × 520 + 60 B = 1100 mm
Donde, F = Número de filas A = Ancho del cangilón D = Distancia entre fila de cangilón (30 a 100 mm)
6. CÁLCULO PASO (P)
El fabricante de cangilones brinda como dato la cantidad de unidades por metro lineal de banda. Este valor se utiliza para calcular el paso entre cangilones y definir así el perforado de la banda.
Z=
1 1 1 ⇒P = = = 0,172 m P Z 5,8 u/m
Donde, Z = Cantidad de cangilones por m
7. VELOCIDAD ACONSEJADA BANDA
De la experiencia surge que la velocidad aconsejada del transporte debe ser de 20 de 91
v =3
m sg
Con este valor se han obtenidos resultados apreciables en la practica ya que se evitan problemas en la descarga del equipo (altas velocidades) así como también el retorno de material por el pantalón del elevador (bajas velocidades). Cabe destacar que según la bibliografía las velocidades que se manejan en este tipo de transporte (descarga por fuerza centrifuga) son del orden de entre los 2 y 4 m/sg.
8. CÁLCULO VELOCIDAD BANDA
Aplicando la velocidad de banda de 3 m/sg nos encontramos que no es suficiente para cubrir nuestros requerimientos. Esto nos obliga a calcular una velocidad que se ajuste a nuestro diseño utilizando los datos suministrados por el enunciado y los obtenidos de las distintas selecciones hechas hasta el momento.
Q = 3,6 × Vcang × ϕ × ρ × v × 2 × Z;
Z=
1 P
Donde, Q = Capacidad en Tn / hs; 3,6 = Factor de conversión, para convertir Kg. a Tn. y Seg. a Hs. Vcang = P= v= φ=
(1 Tn / 1000 kg) x (3600 seg. / 1 hs.) Capacidad de cada cangilón (litros); Paso de los cangilones (metros); Velocidad de la banda o cadena (m/seg.); Coeficiente de llenado de cada cangilón que varía entre 0,75 y 0,8. Dependerá del material que se eleva, la forma del cangilón y la
velocidad de la banda. ρ = Peso específico del material (Tn / m3 ) Z = Cantidad de cangilones por m De la ecuación de capacidad de carga (Q), despejamos la velocidad de banda (v).
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v=
Q×P 3,6 × Vcang × ϕ × ρ × 2
v=
700 Tn / h × 0,172 m 3,6 × 8,7 dm3 × 0,8 × 0,728 Kg / dm3 × 2
v = 3,3 m / Sg
9. CÁLCULO BANDA La especificación correcta de una banda para elevador envuelve una serie de cálculos fundamentales. 9.1.
CÁLCULO CAPACIDAD DE ELEVACIÓN (Q) A través de la siguiente formula podremos verificar la capacidad de elevación (Q), en función de los datos presentados.
Q=
60 × v × p 1 × n e
Donde, v = Velocidad de la banda o cadena (m/mín.); p1 = Peso del material contenido en cada cangilón, en Kg; n = Número de filas de cangilones; e = Distancia entre centros de cangilones, en mm.
Q=
(
)
60 × ( 3,3 m / Sg × 60 Sg / mín ) × 0,8 × 0,728 Kg / dm³ × 8,7 dm3 × 2 172 mm
Q = 700 Tn / h
9.2.
CÁLCULO DEL PESO DEL MATERIAL ELEVADO (Pm) POR METRO LINEAL
Pm = 17 ×
T v
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Donde, v = Velocidad de la banda o cadena (m/mín.); T = Toneladas por hora elevadas, en tn/h.
Pm = 17 ×
700 Tn / h 3,3 m / sg × 60 sg / mín
Pm = 60,1Kg / m
9.3.
CÁLCULO DEL NÚMERO DE CANGILONES (N)
N=
1000 × Ca × n e
Donde, Ca = Longitud de la correa abierta, en m (por el diámetro ver item 10. ); e = Distancia entre centros de cangilones, en mm. n = Número de filas de cangilones;
N=
1000 × ( 60 m × 2 + π × 1,05 m ) × 2 172 mm
N = 1433,7 < 1433 Cangilones
9.4.
9.4.1.
CÁLCULO DE LA TENSIÓN EFECTIVA (Te) CÁLCULO DE TENSIÓN EFECTIVA (Te) EN FUNCIÓN DE LA CARGA Te = Pm × ( H + H0 ) Donde, Pm = Peso del material elevado, en Kg/m; H = Altura de elevación (este dato corresponde a la distancia entre centros de tambores), en m; H0 = Altura equivalente para compensación de los efectos de las fuerzas de carga y fricción en los tambores, en m 23 de 91
OBS: Debido a que el elevador descarga por fuerza centrifuga, se adopta H0 = 7 m. Te = 60,1kg / m × ( 60 m + 7 m
)
Te = 4026,7 Kgf
9.4.2.
TENSIÓN EFECTIVA (Te) EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE CANGILONES H + H0 Te = 0,8 × p1 × N × H Donde, p1 = Peso del material contenido en cada cangilón, en Kg; N = Número de cangilones; H0 y H = Definidos en el ítem anterior.
(
Te = 0,8 × 0,8 × 0,728 Kg / dm3 × 8,7 dm3
m+7 m ) × 1433 Cangilones × 60 60 m
Te = 6486,42 Kgf
9.5.
CÁLCULO DE TENSIÓN MÁXIMA (Tm) Tm = ( 1+ K ) × Te Donde, K = Factor de accionamiento según tabla “Mercurio” Nº47 (ver pag. 46) Tm = ( 1+ 0,85 ) × 6486,42 Kgf
Tm = 12000 Kgf
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9.6.
CÁLCULO DE LA UNIDAD DE LA TENSIÓN (Ut) Tm L
Ut =
Donde, L = Ancho de banda, en cm. Ut =
12000 Kgf 110 cm
Ut = 109,09 Kgf / cm 9.7.
CÁLCULO DEL NÚMERO DE TELAS (NL)
NL =
Ut Rt
Donde, Ut = Unidad de tensión, en Kgf/cm; Rt = Tensión admisible de la tela, en Kgf/cm/tela. Ver tabla Nº18, pag.41
Para tela PN-1000: Para tela PN-1200: Para tela PN-2200: Para tela PN-3000: Para tela PN-4000:
109,09 Kgf / cm = 10,91 telas < 11 telas 10 Kgf / cm / tela 109,09 Kgf / cm NL = = 7,8 telas < 8 telas 14 Kgf / cm / tela 109,09 Kgf / cm NL = = 4,96 telas < 5 telas 22 Kgf / cm / tela 109,09 Kgf / cm NL = = 3,31 telas < 4 telas 33 Kgf / cm / tela 109,09 Kgf / cm NL = = 2,48 telas < 3 telas 44 Kgf / cm / tela NL =
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9.8.
DETERMINACIÓN DEL Nº DE TELAS MÍN. Y MÁX.
Después del cálculo del número mínimo de telas necesarias para componer la cubierta, deberá comprobarse el número mínimo y máximo de telas recomendados, que en nuestro caso se encuentran definidas en las tablas “MERCÚRIO” Nº49 y 51 (ver pag. 47 y 48). 9.8.1. NÚMERO MÍNIMO DE TELAS El número mínimo de telas debe ser respetado para evitar que los cangilones sean arrancados de la correa. Usando la tabla “MERCURIO” Nº49 y teniendo en cuenta los datos presentados, tenemos que: Peso especifico: Pe = 0,728 Kg/m3 – por lo tanto < 1600 Kg/m3 Granulometría del material: 20 mm – por lo tanto < 30 mm Proyección del cangilón:: pj = 215 mm – como no consta en la tabla, adoptamos el valor inmediatamente superior: por lo tanto pj = 250 mm P/ PN 2200 : NL Mín = 4 telas P/ PN 3000 : NL Mín = 4 telas Hasta este punto, se consideraron apenas solo los cálculos y los valores tomados de la tabla “ MERCÚRIO” nº 49. la indicación sería: P/ PN 2200 : 5 telas, debido al NL calculado P/ PN 3000 : 4 telas, debido al NL mínimo 9.8.2. NÚMERO MÁXIMO DE TELAS CUADRO COMPARATIVO DE ALTERNATIVAS POSIBLES Tipo de Lona PN 2200 PN 3000 % TAD =
Tensión Adm. (RT) 22 33
NL Calculado 4,96 ≅ 5 3,31 ≅ 4
Tm NL × Rt × L
% TADPN3000 ≅ 83 % 26 de 91
NL Mín. 4 4
% TAD
NL Máx.
83
6
9.9. DETERMINACIÓN DE COBERTURA CORREA Alta temperatura Cobertura lado cangilones Cobertura lado tambor
3 mm 1,5 mm
9.10. INDICACIÓN DE CINTA ELEVADORA ELEVADORA ALTA TEMPERATURA CON 6 TELAS PN3000, COBERTURA 3 mm x 1,5 mm; DIMENSIONES 124 m x 1100 mm – ABIERTA 10. CÁLCULO TAMBOR MOTRIZ Y TENSOR
Dpolea= 900 mm n =
v × 60 3,3m / Sg × 60 = = 70 RPM π × Dpolea π × 0,9m
Dpolea= 1050 mm n =
v × 60 3,3m / Sg × 60 = = 60 RPM π × Dpolea π × 1,05m
Dpolea= 1200 mm n =
v × 60 3,3m / Sg × 60 = = 52,5 RPM π × Dpolea π × 1,2m
Dpolea= 1350 mm n =
v × 60 3,3m / Sg × 60 = = 46,7 RPM π × Dpolea π × 1,35m
Según la tabla “MERCÚRIO” nº , el diámetro mínimo a adoptar en función de la cantidad de telas es de 750 mm. Por conveniencia adoptaremos un diámetro de polea de 1050 mm, debido a que es una medida que se utiliza generalmente en transportes de estas características a pesar de variar su capacidad de trabajo. 11. CALCULO POTENCIA
NAbs =
Te × v 4500
27 de 91
Donde, NAbs = Potencia absorbida, en HP; Te = Tensión efectiva, en Kgf; v = Velocidad de la banda o cadena (m/mín.);
NAbs =
4026,7 Kgf × 3,3 m / sg × 60 sg / mín 4500
NAbs = 177,17 HP
N=
NAbs η
Donde, N = Potencia mínima a instalar; NAbs = Potencia absorbida; η = Rendimiento (0,75) N=
177,17 HP 0,75
N = 236,2 HP Del catalogo de motores de WEG (Pág.73) vemos que la potencia calculada no se encuentra, con lo cual debemos adoptar el valor inmediato superior. En conclusión, el motor a instalar responderá a los siguientes datos: •
N= 250 HP (185 KW)
•
n= 1500 RPM (1490)
•
Carcaza 355 M/L
12. CALCULO REDUCTOR (Selección, ver pagina 62) Paramax Serie 9000 Potencia motor = 250HP (185 Kw) Velocidad del eje de alta velocidad = 1490 rpm Posiciones de los ejes y de montaje = ejes de angulo recto, montaje horizontal 28 de 91
Condiciones de la carga Tipo de carga, hs de operación = carga uniforme 16 hs diarias Determine el FS SF = 2 Calculo potencia equivalente de transmisión PE = 185 Kw x 2 = 370 Kw Velocidad del eje de baja velocidad = 60rpm Relación de reducción 1500 rpm / 60 rpm = 25 Determinar el tamaño Tamaño 9080, relación nominal de reducción 25 PE ≤ P Ok
P = 379Kw
Verificar las dimensiones Verificar la disposición de ejes PB / LB Verificar la nomenclatura PHD9080 R3-RB-25 LB RBF LBF Temperatura ambiente = 40°C Factor de corrección de T° sin ventilador, Ta Ta = 0,70 Potencia térmica sin ventilador PT = 144 Kw PT x Ta = 144 Kw x 0,70 = 100.8 Kw < 185 Kw = PM NO Factor de corrección de T° con ventilador, Ta Ta = 0,73 Potencia térmica con ventilador, PT PT = 340 Kw PT x Ta = 340 Kw x 0,73 = 248,2 Kw > 185 Kw = PM OK
MODELO SELECCIONADO: PHD9080R3-LBFB-25 (con ventilador y tope de detención) 13. ACOPLAMIENTOS 29 de 91
13.1.
REDUCTOR (EJE DE ALTA VELOCIDAD) – MOTOR Acoplamiento Elástico Tipo A - Marca Gummi (Ver pag.76) Selección: Datos necesarios •
Potencia en HP, CV ó Kw
•
Velocidad de giro en rpm
•
Diámetro de los ejes
•
Factor de servicio (conforme a tabla II, ver pag.79)
Selección rápida: Multiplicar la potencia por el factor de servicio: •
HP x Fs
•
CV x 1.014 x Fs
•
Kw x 1.34 x Fs
El valor obtenido, igual o superior, se compara en la tabla I (ver pag.78), en la columna de velocidades (rpm) correspondiente. La parte superior de la columna indica el tamaño de acople a utilizar. Verificar en la tabla III (ver pag.80) el diámetro de cada uno de los ejes en función del máximo y del mínimo. Elevador a cangilones accionado por motor eléctrico de 185Kw y 1490rpm (1500rpm) Según la tabla II, utilizamos Fs (factor de servicio) = 2 185Kw x 1,34 x 2 = 495,8 HP → Seleccionamos: acoplamiento elástico Gummi A-95 Gummi A-95 Ø Máx. Alesaje [mm] 90 Ø Aguj. Piloto [mm] 40 Una vez definido el acoplamiento debemos corroborar los diámetros máximos y mínimos de alesaje de las masas del mismo.
Reductor (Eje Alta Velocidad) Motor
Diámetro [mm] 60 m6 75 m6 30 de 91
Como podemos ver el acoplamiento admite los diámetros de los ejes del motor y del reductor (eje alta velocidad).
REDUCTOR (EJE DE BAJA VELOCIDAD) – ÁRBOL MOTRIZ
13.2.
Acoplamiento Elástico Tipo BR - Marca Gummi (ver pag.80) El método de selección en este punto difiere del anterior, ya que para realizar la elección del acoplamiento nos basaremos en el cálculo del torque nominal (tn). Se utiliza la siguiente formula conforme a la unidad de potencia.
tn =
946,27 × Kw × fs (ver pag.79) RPM
Donde, Kw (N) = Potencia, en Kw; fs = Factor de servicio; RPM (n) = Velocidad, en RPM Se busca en tabla (ver pag.81) el modelo cuyo torque nominal sea igual o superior al calculado, verificar el diámetro de los ejes en función del máximo y el mínimo.
31 de 91
Aplicando la formula del torque nominal (tn), obtenemos:
tn =
946,27 × 185 Kw × 2 60 RPM
tn = 5835,33 Nm El valor obtenido nos determina que el acoplamiento elástico apto para nuestra aplicación es un Gummi BR – 110.
Ø Máx. Alesaje [mm] Ø Aguj. Piloto [mm]
Gummi BR-110 100 40
Pero nos encontramos que el diámetro máximo de alesaje del acoplamiento no se ajusta a nuestras necesidades debido a que es menor al definido por el eje. Entonces debemos buscar aquel modelo que se ajuste dimensionalmente al eje del tambor motriz y del reductor (baja velocidad) pero a la vez cumplimente con el valor del torque nominal obtenido de cálculo. Seleccionamos el acoplamiento elástico Gummi BR – 180, que como podemos ver el alesaje máximo que permite se ajusta a nuestro requerimiento además de tener un torque nominal 5 veces mayor al calculado.
Ø Máx. Alesaje [mm] Ø Aguj. Piloto [mm]
Gummi BR-180 165 50
Reductor (Eje Baja Velocidad) Eje Tambor Motriz
Diámetro [mm] 165 m6 165 n6
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14. CÁLCULO ARBOL 14.1.
CÁLCULO ARBOL TAMBOR MOTRIZ
REFERENCIAS A: Acoplamiento B; E: Rodamiento C; D: Anillo de fijación Como primera medida para llevar a cabo el cálculo del árbol debemos determinar las propiedades del material a emplear. Nosotros emplearemos un AISI 4140 OQT (oil quenched and tempered; bonificado) 1.000 ºF. De la figura A 4-4 (ver pag.51), sy = 154.000 psi,, Wu = 168.000 psi y el porcentaje de elongación = 18 %. Entonces el 33 de 91
material tiene una buena ductilidad. Mediante la figura 5-8 (ver pag.52) se puede estimar sn = 58.000 PSI = 58 KSI. Se debe aplicar un factor por tamaño a la resistencia por fatiga, porque el eje será bastante grande para transmitir los 250 HP. Aunque no se conoce el tamaño real en este momento, se podría seleccionar Cs = 0,7, de la figura 5-9 (ver pag.52), como una estimación. También se debe especificar un factor de confiabilidad. Es una decisión de diseño. Para este caso, se diseñara para una confiabilidad de 0,99 y se manejará CR = 0,81 (ver tabla 5-1. pag.52). Ya se puede calcular la resistencia a la fatiga modificada (s´n): S´n = Sn × CR × CS Donde, sn = Resistencia a la fatiga en función de la resistencia a la tensión; CR = Factores de confiabilidad aproximados; CS = Factor por tamaño. S´n = 58.000 psi × 0,81 × 0,7
S´n = 32.886 psi Se supondrá que el factor de diseño es N = 3. Esto es debido a la incertidumbre que se tiene con respecto a las cargas dinámicas o solicitaciones a las que puede estar expuesto el elevador en caso de un atascamiento o un enganche. Ahora se calculara el par torsional (T) en el eje, con la ecuación:
T=
63.000 × P n
Donde, P = Potencia, en HP; n = Velocidad, en RPM 63.000 × 250 HP T= 60 RPM
T = 262.500 Lb.Pulg Fuerzas: el siguiente paso es indicar las solicitaciones a las que se encuentra sometido 34 de 91
el eje, en sus planos de acción correctos y en la dirección correcta. Se calculan las reacciones en los rodamientos, y se preparan los diagramas de fuerza cortante y momento flexionante. Fuerzas en los puntos C y D: Para definir las fuerzas que actúan en los puntos C y D debemos considerar las solicitaciones generadas por el peso propio del tambor motriz (envolvente, tapas, etc) y las provocadas por utilizar transmisión con banda plana (ref. banda del elevador). Fuerza flexionante sobre el eje, para transmisiones con bandas planas (FB)
FB =
2.0 × T D/2
Donde, T = Par torsional del eje, en Lb.Pulg; D = Diámetro del tambor; en Pulg.; 2.0 = Constante
FB =
2.0 × 262.500 Lb.Pulg 41,34 Pulg/ 2
FB = 25.350,75 Lb = 11500 Kg = F1
Peso tambor motriz
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V = 0,12 m3 δ Acero = 7870 Kg / m3 δ=
m V
m = δ Acero × V m = 7870 Kg / m3 × 0,12 m3 m = 944,5 Kg = 2082,3 Lb = F2 Entonces, la fuerza flexionante total (F) es: F = F1 + F2 F = 25.350,75 Lb + 2.082,3 Lb F = 27.433,05 Lb < 27.600 Lb Repartida en ambos puntos (C y D) por igual, queda: RC = RD = 13.800 Lb
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37 de 91
Diseño del eje: Se empleara la ecuación expresada más abajo para determinar el diámetro mínimo aceptable del eje, en cada punto de interés. Hay que tener en cuenta que se puede emplear la ecuación aunque solo haya torsión o solo haya flexión. 1
2 3 2 32 × N Kt × M 3 T D= × + 4 Sy π S´n
Donde, N = Factor de diseño; Kt = Factor de concentración de esfuerzos; M = Momento flexionante combinado, en lb.pulg; S´n = Resistencia modificada a la fatiga, psi; T = Par torsional, en Lb.pulg; Sy = Resistencia a la fluencia.
En el punto A y a su derecha: Par = 262.500 Lb.Pulg; momento de flexión = 0. El acoplamiento se fija al eje por medio de una chaveta. Como el par torsional es constante, no se usara el factor de concentración de esfuerzos en este cálculo. Con la ecuación antes expuesta, obtenemos:
32 × 3 3 262.500 psi D1 = × + π 4 154.000 psi
2
1 3
D1 = 3,56 Pulg. = 90,4 mm En el punto B y a su derecha: Es el asiento del rodamiento, con un escalón a la derecha donde se requiere una transición bien redondeada. Par torsional = 262.500 Lb.Pulg
Momento flexionante = 0
Entonces, D2 = 3,56 Lb.Pulg = 90,4 mm
38 de 91
Kt= 1,5
En el punto C: Se pretende que el diámetro sea igual, desde la derecha del rodamiento B hasta la izquierda del rodamiento D. La peor condición se presenta en ambas direcciones donde hay transiciones bien redondeadas. Par torsional = 262.500 Lb.Pulg
Momento flexionante = 203.688 Lb.Pulg
Kt= 1,5
Entonces, D3 = 6,6 Lb.Pulg = 167,6 mm En el punto D y a su izquierda: Es un asiento de rodamiento parecido al que hay en B. Par torsional = 262.500 Lb.Pulg
Momento flexionante = 0
Entonces, D4 = 3,56 Pulg = 90,4 mm Resumen de diámetros de eje Parte acoplada Diám. Número Acoplamiento A D1 Rodamiento B D2 Anillo de Fijación C D3 Anillo de Fijación D D4 Rodamiento E D5
Diám. Mín. 3,56 Pulg 3,56 Pulg 6,6 Pulg 6,6 Pulg 3,56 Pulg
Diám. Especificado 6,5 Pulg 165 mm 6,7 Pulg 170 mm 7,9 Pulg 200 mm 7,9 Pulg 200 mm 6,7 Pulg 170 mm
15. ANILLOS DE FIJACIÓN Para vincular los ejes, motriz y tensor, a los tambores utilizaremos anillos de bloqueo 39 de 91
(anillos de fijación) que se componen de dos anillos cónicos: •
Anillo interno A
•
Anillo interno B
Unidos
por
dos
anillos
sección
troncocónica. •
Anillo troncocónico interno C
•
Anillo troncocónico externo D
El desplazamiento axial de los anillos troncocónicos C y D hacia el interior desplazan radialmente expandiendo y comprimiendo respectivamente los anillos A y B bloqueando de esta forma el eje y el cubo. La presión generada sobre la superficie de contacto es proporcional a la fuerza axial Fv aplicada sobre los tornillos de apriete. 15.1.
SELECCIÓN ANILLO DE FIJACIÓN - TAMBOR MOTRIZ Y TENSOR
Para llevar a cabo la selección del anillo de bloqueo debemos calcular el par torsional al cual están sometido los ejes (motriz y tensor) teniendo en cuenta el factor de servicio aplicado en el punto 13.2. ( fs = 2).
Mt =
9550 × N × Fs n
Mt =
9550 × 185 Kw × 2 60 RPM
Mt = 58891,7 Nm Del catalogo de anillos de bloqueo (pág. 85) seleccionamos el modelo RingBlock 1120 - 200 mm (d) x 260 mm (D). 16. RODAMIENTOS
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En base a las condiciones de trabajo a las que estará sometido el elevador a cangilones y analizando las ventajas y desventaja de cada tipo de rodamiento (ver tabla, pág.86), seleccionaremos rodamientos de rodillos a rotula. Estos están constituidos por dos hileras de rodillos con un camino de rodadura esférico común en el aro exterior, y dos caminos de rodadura en el aro interior inclinados para formar un ángulo con el eje del rodamiento. Esto les dota de una atractiva combinación de características que les hace irremplazable
en
distintas
aplicaciones
muy
exigentes.
Son
autoalineables
y
consecuentemente insensibles a la desalineación del eje con respecto al alojamiento y a la flexión o curvatura del eje. Los rodamientos de rodillos a rotula puede soportar grandes cargas radiales, además de grandes cargas axiales que actúan en ambos sentidos.
16.1.
SELECCIÓN RODAMIENTOS - TAMBOR MOTRIZ Y TENSOR
Para el cálculo y selección de los rodamientos adoptaremos una vida nominal de 40.000 hs (ver tabla, pág.86). Una vez calculada la capacidad de carga dinámica (C), seleccionaremos de la tabla de rodamientos (ver tabla, pág.87), aquel que posea un valor igual o mayor al calculado y se ajuste dimensionalmente al diámetro del eje. En la selección deberemos tener en cuenta la utilización de manguitos de fijación y soportes para los rodamientos. Esto es debido al tipo de montaje que se debe realizar, al lugar donde se encuentran ubicados los rodamientos y al mantenimiento que se le deba realizar periódicamente a los mismos (lubricación o cambio por rotura).
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Lh10 = Lh =
L × 106 n × 60
Donde, Lh10 = Lh
Vida Nominal, en hs;
= L = Vida Nominal, en 106 Revoluciones; n = Velocidad, en RPM
L=
Lh × n × 60 106
L=
40000 Hs × 60 RPM × 60 106
L = 144 Mill / Re v
L10
C =L = P
p
Donde, L10 = L =
Vida Nominal, en 106 Revoluciones; C = Capacidad de Carga Dinámica, en kN; P = Carga Dinámica Equivalente, en kN; p = Exponente de Vida
C=
p
L ×P
C = 10 3 144 Mill / Re v × 61,25 kN C = 272 kN
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De acuerdo a lo mencionado en el anterior párrafo, seleccionamos un rodamiento de rodillo a rótulas sobre manguito de fijación para eje de 170 mm, que responde a la siguiente designación: Rodamiento: 23038 CC/W33 (C = 865 kN) Manguito de fijación: H3038 Soporte SNL: 3038
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CANGILONES BUCKET 57 de 91
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REDUCTORES SUMITOMO - PARAMAX SERIE 9000 59 de 91
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63 de 91
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MOTORES WEG
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81 de 91
82 de 91
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85 de 91
86 de 91
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CLASES DE MÁQUINAS
L10h horas de servicio
Electrodomésticos, máquinas agrícolas, instrumentos, aparatos para uso médico.
300 a 3 000
Máquinas usadas intermitente o por cortos períodos: Máquinas-herramienta portátiles, aparatos elevadores para talleres, máquinas para la construcción.
3 000 a 8 000
Máquinas para trabajar con alta fiabilidad de funcionamiento por cortos períodos o intermitentemente: Ascensores, grúas para mercancías embaladas.
8 000 a 1 2000
Máquinas para 8 horas de trabajo diario no totalmente utilizadas: Transmisiones por engranajes para uso general, motores eléctricos para uso industrial, machacadoras giratorias.
10 000 a 25 000
Máquinas para 8 horas de trabajo diario totalmente utilizadas: 20 000 a 30 000 Máquinas-herramientas, máquinas para trabajar la madera, máquinas para la industria mecánica general, grúas para materiales a granel, ventiladores, cintas transportadoras, equipo de imprenta, separadores y centrífugas. Máquinas para trabajo continuo, 24 horas al día: Cajas de engranajes para laminadores, maquinaria eléctrica de tamaño medio, compresores, tornos de extracción para minas, bombas, maquinaria textil.
40 000 a 50 000
Maquinaria para abastecimiento de agua, hornos giratorios, máquinas cableadoras, maquinaria de propulsión para transatlánticos.
60 000 a 100 000
Maquinaria eléctrica de gran tamaño, centrales eléctricas, ventiladores y bombas para minas, rodamientos para la línea de eje de transatlánticos.
≈ 100 000
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91 de 91
92 de 91
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Segunda Parte: Cálculo Elevador a Cangilones Bibliografía: Primera Parte 1. || MÁQUINAS DE ELEVACION Y TRANSPORTE - Gusmeroli, Dardo (UTN) Segunda Parte 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.
Manual PIRELLI - Diseño de Cintas Transportadoras Belt Conveyor Design - Dunlop Manual Mercúrio - Cintas transportadoras Belt Conveyor Design - Dunlop Catalogo de Reductores, Paramax - SUMITOMO Catalogo de Acoplamientos Elásticos Gummi Diseño de Elementos de Máquina, 5ta edición – Robert Mott Catalogo de Anillos de Bloqueo Ringblock Manual de Rodamientos SKF Manual PIRELLI - Diseño de Cintas Transportadoras
17. Belt Conveyor Design – Dunlop Diseño de Elementos de Máquina, 5ta edición – Robert Mott
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