2012 INTRODUCCION Un puente grúa es una estructura metálica en forma de puente, cuyos extremos se apoyan cada uno en forma transversal sobre vigas denominadas testeras, en las cuales se ensamblan para darle movimiento a la viga principal o viga puente a lo largo de la planta de la construcción. construcción. Estas ruedas circulan por unos carriles carriles elevados y paralelos paralelos llamados caminos de rodadura, los cuales van apoyados casi siempre a las columnas de la construcción. Siendo el transporte industrial una de las operaciones mas solicitadas y complicadas, en razón a la variedad de diseño y nuevas técnicas empleadas, a la vez que dada su habi habitu tual al apli aplica caci ción ón en todo todoss los los camp campos os de la indus industr tria ia,, es impo import rtant ante e para para los los profesionales, saber discernir con suficiente capacidad sobre las temáticas de esta. Sus aplicaciones son muy diversas desde las utilizadas en la instalación de maquinas maquinas como en las centrales eléctricas hasta los servicios para trabajo pesado.
DESCRIPCION DEL PROBLEMA El taller de maquinas-herramientas de la Universidad Francisco de Paula Santander no cuenta con un sistema para traslado y desplazamiento de cargas pesadas, lo anterior conlleva a la contratación de servicios externos de montacargas generando elevados costos a la administración universitaria pudiendo de una u otra manera acceder a un servicio propio de transporte de estas cargas. Por tanto el diseño de un puente grúa se plantea desde la necesidad que se tiene en el taller de maquinas-herramientas en cuanto al transporte y movilización de cargas en desplazamientos verticales y horizontales, es esta la principal razón por la cual se hace necesario diseñar este mecanismo de transporte. En el transcurso de este trabajo se busca de una manera general mostrar los cálculos y el diseño de un puente grúa adecuado para el espacio con el que cuenta el taller, tomando como aspecto de vital importancia la carga máxima de 3 toneladas que deberá soportar este elemento y sus mecanismos mecanismos adjuntos. adjuntos. Es necesario necesario recordar que es un proyecto proyecto que logra idealizar la capacidad de los ingenieros para resolver necesidades que pongan en práctica los conocimientos en diferentes áreas de la física, matemáticas, electrónica entre otras.
DESCRIPCION DEL PROBLEMA El taller de maquinas-herramientas de la Universidad Francisco de Paula Santander no cuenta con un sistema para traslado y desplazamiento de cargas pesadas, lo anterior conlleva a la contratación de servicios externos de montacargas generando elevados costos a la administración universitaria pudiendo de una u otra manera acceder a un servicio propio de transporte de estas cargas. Por tanto el diseño de un puente grúa se plantea desde la necesidad que se tiene en el taller de maquinas-herramientas en cuanto al transporte y movilización de cargas en desplazamientos verticales y horizontales, es esta la principal razón por la cual se hace necesario diseñar este mecanismo de transporte. En el transcurso de este trabajo se busca de una manera general mostrar los cálculos y el diseño de un puente grúa adecuado para el espacio con el que cuenta el taller, tomando como aspecto de vital importancia la carga máxima de 3 toneladas que deberá soportar este elemento y sus mecanismos mecanismos adjuntos. adjuntos. Es necesario necesario recordar que es un proyecto proyecto que logra idealizar la capacidad de los ingenieros para resolver necesidades que pongan en práctica los conocimientos en diferentes áreas de la física, matemáticas, electrónica entre otras.
MARCO TEORICO Los puentes-grúa son aparatos destinados al transporte de materiales y cargas en desplazamientos verticales y horizontales en el interior y exterior de los almacenes, su uso se encuentra limitado a su lugar de montaje siendo por tanto una grúa de tipo fijo. TERMINOLOGIA Y PARTES Las partes que en general forman el puente-grúa son las siguientes: Viga: puede ser del tipo de alma llena o del tipo cajón; el puente tiene una sola o varias vigas.
FIGURA 1 Carro: en el carro van montados los dispositivos de elevación principal y auxiliar y el mecanismo de situación. Viga testera Sistema de mando Gancho Suministro de corriente • • • •
FIGURA 2. PUENTES GRÚA
Puentes Grúas: un puente-grúa es una estructura metálica semejante a un puente, que apoya sus extremos sobre vigas llamadas testeras, estas vigas llevan partes de ruedas que permiten su desplazamiento a lo largo de la planta. Los puente-grúa son equipos muy utilizados en la industria para el transporte de cargas; desde muy livianas hasta de peso considerable, permitiendo de esta manera un gran ahorro de espacio y esfuerzo en el lugar en que sean requeridos. Tienen diversos usos, desde los utilizados por los operarios en talleres mecánicos, hasta los necesarios para realizar grandes montajes. Clasificación de los puentes grúas: los puentes grúas se clasifican de acuerdo a la conformación de la viga principal, en los siguientes tipos: • •
•
•
Puente grúa a base de viga principal sencilla Puente grúa con viga doble
Tipo de viga sencilla: este tipo consta de un puente conformado por una sola viga, soportada en los extremos por vigas testeras, y provisto de un aparejo que rueda sobre las alas de la viga longitudinalmente. Tipo de viga doble: formado por dos vigas iguales de acero, perfecto para cargas considerables y luces amplias, de suficiente resistencia para evitar el exceso de flecha
FIGURA 3. CLASIFICACION DE LOS PUENTE GRUA
Mecanismos: el puente grúa ya sea manual o eléctrico, dispone de tres mecanismos:
•
•
•
Mecanismo de elevación: este mecanismo puede ser manual o eléctrico, y es el encargado de elevar la carga. Mecanismo de traslación longitudinal: encargado de desplazar el conjunto de la grúa sobre el camino de rodadura, cubriendo el área total en el edificio donde opera. Puede ser manual o eléctrico. Mecanismo de traslación transversal: este desplaza el mecanismo de elevación a lo largo de la viga puente.
Monocarril: es una viga a base de un solo perfil laminado en “ ” o armado con doble perfil en “C”. Sobre el cual rueda un carrito portador de la carga. Los mecanismos requeridos para el Monocarril son: • •
Elevación de la carga Traslación longitudinal a lo largo de toda la viga.
Figura 4. MONOCARRIL Carga por impacto: debida al choque contra las juntas separadoras de los perfiles de la vía. Carga por acción del frenado: es aquella originada cuando la grúa en movimiento con la carga suspendida en la posición de máximo momento flector, es frenado súbitamente. Polipastos o aparejos: estos equipos son utilizados para efectuar desplazamientos verticales y horizontales de cargas, mediante sistemas mecánicos o combinación de mecanismos.
FIGURA 5. POLISPASTO Datos fundamentales: para calcular o diseñar estas maquinas priman una serie de datos generales a saber: Q= carga a elevar o trasladar C= capacidad de transporte por unidad de tiempo M= altura de elevación de Q L= distancia a transportar V= velocidad del régimen
Tipos de aparejos. •
Polipastos o garruchas: son aparejos manuales a base de combinación de poleas fijas y móviles, enlazadas entre si por un solo cable continuo. Uno de cuyos extremos se fija al bastidor del grupo de poleas superior o inferior y el otro se emplea para el agarre del operario o se enrolla en un tambor.
•
•
•
•
Poleas diferenciales: es un polipasto de reducción de carga, a base de dos poleas fijas superiores y una inferior para soporte de carga, enlazada todas por una cadena de eslabón redondo. Torno elevador o malacate llamado también malacate o winche: es un mecanismo compuesto de un tambor y un juego de poleas unidas por un cable para lograr la reducción del torque de la carga sobre el tambor. Dispositivo sin-fin y rueda helicoidal: es un dispositivo a base de gran reducción de carga y de velocidad logrado por dicha transmisión de pareja de engranajes. Aparejos multiples: si se reúnen una sucesión de poleas móviles de forma que el ramal libre del cable de cada polea se sujeta al bastidor de la inmediatamente superior y el extremo de la última se pasa por una polea fija, se obtiene un aparejo múltiple.
Accesorios de las maquinas de elevación: son los elementos que complementan los equipos para elevación y transporte, tan importantes como cualquiera de los otros equipos, ya que sin ellos es imposible realizar las tareas requeridas. A continuación se mencionan algunos de los mas importantes. Cables: sirven como elemento de empalme de otros accesorios como son: poleas, tambores, ganchos, etc. Su aplicabilidad va desde simples templetes para torres o postes, hasta complejos mecanismos de elevación como lo son las grúas. Presentan las siguientes características: • • • •
Transmiten potencias mas elevadas que correas o cadenas Su funcionamiento es silencioso y su montaje rápido. Se emplean para relaciones de velocidad grandes Tienen una duración promedio de 2 y 4 años para servicio continuo.
Clasificación: se clasifican de acuerdo a la constitución de los torones. • • •
Cordón tipo “warrington” Cordón tipo “séale” Cordón tipo fille (relleno)
Ganchos: los ganchos son accesorios empleados para la sustentación de la carga o de los mismos aparatos elevadores. Se constituyen de acero recocido, o de acero semiduro, empleando el proceso de estampado para ganchos de carga pesada. Entre los diferentes tipos de ganchos tenemos: Sencillo Doble Trapezoidal Elíptico Circular • • • • •
FIGURA 7. TIPOS DE GANCHOS Tambores para cables: los tambores para enrollamiento de cable son uno de los elementos más importantes que conforman el mecanismo de elevación. Los extremos del tambor deben terminar con bridas cuya altura o pestaña no permita la salida del cable. Clases de tambores: de acuerdo al número de ramales de cable que salen del tambor pueden ser: Sencillo: si solo se arrolla un único ramal Doble: si son dos los ramales que se enrollan, existiendo un separador o pestaña en la mitad. • •
DISEÑO DEL PUENTE GRUA De acuerdo al uso, las grúas se pueden clasificar en grúas de servicio permanente y grúas de servicio intermitente o de taller. Para la elección de las velocidades de trabajo, es factor determinante ante todo, la experiencia de las casas fabricantes en la construcción de grúas semejantes. Cuando se ha escogido el tipo de grúa que se va a instalar hay que determinar.
PARAMETROS DE DISEÑO • • • • • • • • • •
Capacidad de carga Q Altura de elevación de la carga Luz entre eje de carriles o distancia disponibles entre las paredes de la nave L Tipo de corriente eléctrica disponible Si el mando es a distancia, de una cabina, o por pulsadores colgados Velocidad de elevación Ve Velocidad del carro Vc Velocidad de traslación de la grúa Vt Altura de elevación de la carga HQ Longitud de desplazamiento del puente Ld
FIGURA 8. DIMENSIONES NORMALIZADAS
Las velocidades de elevación, traslación del carro y traslación del puente se pueden seleccionar de acuerdo a tablas. En cada una de las tablas encontramos tres tipos de velocidades de acuerdo al servicio que va prestar como se pueden ver a continuación: •
•
•
Velocidades lentas Servicios intermitentes Manipulación delicadas o de precisión Carga muy fuertes Velocidades medias Servicios industriales normales Velocidades rápidas Servicios de manutención continua Recorrido muy largo
Cargas de inercia: son las que surgen al frenar o embalar la carga Fi= Qmax + (Qmax/g)*a = Qmax*Kd Donde encontramos que Kd= 1.4 según recomendaciones.
Calculo estructural de la viga puente La viga utilizada en este tipo de grúa es un perfil laminado o armado con doble perfil. Para el cálculo de las fuerzas que actúan sobre la viga (Reacciones debida a las ruedas), debemos considerar dos casos:
En primer lugar considerando las reacciones de las ruedas iguales Cuando las reacciones son desiguales debido a que los mecanismos sobre el carro no están uniformemente repartidas.
Teniendo en cuenta el primer caso, la fuerza sobre cada pareja de ruedas será: P= (Q + Go) / 2 Donde Q= peso a levantar Go= peso del carrito con los mecanismos de elevación y traslación.
FIGURA 9. CARROS DEL PUENTE GRUA Analizando el diagrama de momentos por carga móvil, vemos que el momento máximo se encuentra a una distancia L/4 de cualquiera de las ruedas al centro de la viga, siendo L1 la distancia entre las ruedas del carrito. M1= P
/ 2L
Donde L= luz entre apoyos de la viga. En el segundo caso, las reacciones de cada par de ruedas son diferentes, suponiendo por ejemplo que P2 > P1, el valor del momento máximo ocurre debajo de P2 a una distancia del centro de la viga y será. M= Donde Xo =distancia entre la carga Q y la reacción P2 P1 + P2 = Q + Go
/4L
FIGURA 10. DIAGRAMA DE MOMENTOS
SELECCIÓN DEL PERFIL Con el valor del esfuerzo admisible obtenido en las tablas de los perfiles y con el valor del momento máximo determinamos el modulo de rigidez: Z= Mmax/
adm
Con el valor de Z hallado entramos a las tablas y seleccionamos un perfil cuyo valor de Z sea un poco superior a éste; con el perfil seleccionado obtenemos las demás dimensiones como son: Z= modulo de rigidez = momento de inercia alrededor del eje x
xx
P= peso unitario del perfil Ahora calculamos el momento originado por el peso propio de la viga el cual es: M2=PL^2 /8 Sumando los valores de los momentos debido a las cargas y al peso propio obtenemos el valor del momento total.
Mtotal=M1 + M2
FIGURA 11. CARGA DISTRIBUIDA Hallamos el valor del esfuerzo real debido al momento total y con el modulo de rigidez del perfil seleccionado. = Mtot /Z Comparamos el valor del esfuerzo real con el valor del esfuerzo admisible y debe cumplir: real •
•
•
<
adm
Diseño a flexión para carga móvil: según se asumen cargas iguales sobre cada pareja de ruedas o que resulten cargas desiguales. Selección de perfil: conocido el momento máximo o flector para cargas móviles y adoptando una fatiga por flexión admisible, se selecciona un tipo definido de perfil para la viga principal, sencilla o doble. Diseño a flexión por peso propio: definido un tipo de perfil para la viga principal o viga puente, debemos anexar sus características mas importantes: Modulo de sección Momentos de inercia Área de la sección Radio de giro Peso unitario propio
•
•
•
•
Chequeo por deflexión: comprobada la resistencia por flexión, debe chequearse el comportamiento por deflexión máxima, la cual ocurre en el centro de la viga. Calculo estructural de vigas testeras: se diseñan a flexión, como vigas simplemente apoyadas. Velocidad de traslación: esta normalizada velocidad de la carga y la luz entre apoyos, de acuerdo a la carga “Q” rango de velocidad entre 60 a 125 m/min. Para las luces entre apoyos de 10 a 35 m y valores de carga “Q” de 5, 7,15 hasta 75 Ton. Freno: localizado sobre el acoplamiento elástico entre el motor y la caja de primera reducción, por ser este eje de menor torque ya que es el más rápido.
Fuerzas a considerar en el cálculo del puente-grúa •
• • • •
Carga permanente: es la debida al peso propio, comprendida por la parte estructural, mas los mecanismos ensamblados en ella y sus accesorios. Carga accidental o no permanente Carga viva a levantar “Q”, variable según los requerimientos Fuerza de inercia de las partes móviles. La carga por viento: cuando el equipo esta expuesto a dichas condiciones.
VIGAS TESTERAS Son las vigas sobre las cuales van montadas las vigas principales con todas sus partes y en las que van instaladas las ruedas para movilizar el puente. La separación entre las dos vigas de las testeras, se toma según parámetros de la construcción.
FIGURA 13.FORMA DE UNION DE LA VIGA PRINCIPAL CON LA VIGA TESTERA SELECCIÓN DE VIGAS TESTERAS El perfil más conveniente para las testeras es el perfil C. Existen dos tipos de testeras: 1. Con dos ruedas que se utilizan para cargas pequeñas y moderadas hasta 20 Ton y 16 m. de luz. 2. Con cuatro ruedas para cargas y luces mayores
FIGURA 14. TESTERA DE DOS Y CUATRO RUEDAS PARA UNA VIGA SIMPLE Es el cálculo de viga testera más sencilla. Por concepto de carga móvil, llamamos Xo a la distancia mínima de la rueda y calculamos la fuerza sobre la testera. F1= 2P (1- Xo/L – L1/ 2L) Xo = distancia limite del carro Por concepto de peso propio: F2= PL/2 Donde P= peso de la viga por unidad de longitud. Entonces la fuerza máxima sobre la testera será: Fmáx.=F1 + F2 Con esta fuerza hallamos el momento máximo de la testera Mmax= Fmax.L1/ 4 Donde:
L1= distancia entre ejs de ruedas de la testera Con el valor del momento máximo y el del esfuerzo admisible hallamos el modulo de sección (Z): Z= Mmax…/
adm
Con el modulo de sección entramos a las tablas y seleccionamos el perfil adecuado. Con el valor de Z de la tabla y momento máximo hallamos el esfuerzo real de trabajo y lo comparamos con el esfuerzo admisible: = Mmax/ Zreal
trab
adm
CALCULO DE EJE Para el carrito: en el supuesto de que la carga ( Q + Go) se halle centrado en relación a ejes de ruedas: d1 = Debemos suponer una distancia l e de separación de testera del carro. Mmax=P1 * Mmax/4
CALCULO DEL PUENTE GRUA Calculo de un puente grúa para el taller de maquinas herramientas de la Universidad Francisco de paula Santander con cargas bajas cuyas características son: Capacidad Q= 2 Ton, Luz=L1=35 m. Todos los mecanismos eléctricos o manuales con velocidades así: Para elevación: 6 m/min Para translación de carrito: 30m/min Para translación del puente: 60 m/min Datos tomados según recomendaciones de las casas constructoras (Anexo a)
Distancia entre ejes así: •
Para el carrito: L1/9 =35/9=3.88 m.
•
Para el puente: L1
Peso del carrito Go: 640 Kg (Anexo b)
CALCULO DE LA VIGA PRINCIPAL P= (Q*Kd* +Go* 1)/ N° de ruedas Carga a transportar Q=3000 Kg. Factor de funcionamiento: Kd: se determina según el tiempo neto de trabajo del aparato, comparado con el tiempo de funcionamiento, teniendo en cuenta paradas y tiempo fuera de servicio. Kd=1+2*a/g=1,02 Tiempo frenado= t1=1 seg (asumiendo)
Aceleración= a = V elevación/Tiempo de frenado a= (6m/min)*(1min/60 seg)/(1 seg)=0.1 m/seg 2 a=0.1 m/seg2 Entonces
Kd= 1 + 2*a/g = 1 + 2*0.1/9.8 = 1.02 Factor de compensación:
se determina por la clase de grúa (anexo c)
=1.2 – grúas tipo Coeficiente de impacto:
se debe al choque de las ruedas con las juntas
separadoras de los perfiles de vía Nave principal
=1.15 para V=1 m/seg( Velocidad de translación del puente)(anexo
D)
P=(3000*1.02*1.2+640*1.15)/2 P=2204 kg L1=L/9=3.88 m L=Luz=35 m. Pviga=0.63 kg/cm
MOMENTOS DE INERCIA M1=P1*(L – L1/2)2/2L M1=2204*(1750)2/7000
M1=964250 kg/cm M2=Pviga L2/8 M2=0.63*35002/8
M2=964687.5 kg/cm
MOMENTO TOTAL Mtotal=M1 + M2
Mtotal= 1928937.5 kg/cm
ESFUERZO ADMISIBLE =1400 kg/cm2 (anexo E)
adm
Z=Mtotal/ σadm Z= 1928937.5/1400
Z=1377 cm3 Del libro Mecánica de materiales R.C HIBBELER (tabla 77) escogemos el perfil (W460 x 74) (Anexo F) =333 cm4
xx
Sxx =1460 cm3
yy
=16.6 cm4
Syy = 175 cm3
CALCULO DE LA VIGA TESTERA Distancia entre ejes l1=L/4 F1= 2*P*(1-Xo/L – l1/2L) F2=P*L/2
Peso viga * unidad de longitud P=2204 kg Según tabla 27 página 86 tomo II HELMUT ERNST Xo=58 cm
l1= 875 cm. Distancia entre ejes
Análisis de esfuerzos F1=2*2204*(1- 0.58/35 – 8.75/70)= 3784 kg F2= 2204/2=1102 kg Fmáx = F1 + F2= 4886 kg Mmax=Fmáx*l1/4 = 4886Kg* 875/4 = 1068812.5 kg-cm adm
= 1400 kg/cm2
Z= Mmax/
adm
Z= 1068812.5/1400 = 763.43 cm3
CALCULO DE LAS VIGAS TRANSVERSALES Para modelar la estructura es necesario aumentar la carga con los factores. •
Coeficiente de compensación
que depende de la clase de maquina de
elevación, para este caso el puente grúa a diseñar corresponde al grupo (anexo C) se obtiene un coeficiente •
=1.4
Factor por impacto y vibración en la maquina ( ) que de la tabla para una grúa de translación eléctrica =1.15 (anexo D) ᵠ
ᵠ
Entonces la carga viva última es:
P= 3000*1.4*1.5=4830 kg
L1=L/8=longitud entre ejes del carrito
L=35 m
Pviga=1.38 kg/cm M1=P1*(L-L1/2)2/2L M1=4830*(3281.25)2/7000
M1=7428955.078 kg/cm M2=Pviga L2/8 =2113125 kg/cm Mtotal=M1 + M2 Mtotal=9542080.078 kg/cm adm
= 1400 kg/cm2 (anexo E)
Z=Mtotal/
adm
Z=6815.8 cm3 Seleccionamos del libro mecánica de materiales (Tabla 7.7) R.C HIBBELER (anexo F) escogemos el perfil (W610 x 155) Ixx= 1.29 cm yy
4
I =0.0108 cm
Sxx=4.22 cm 4
yy
3
S =o.667 cm
3
CONCLUSIONES •
•
•
Mediante el desarrollo de este proyecto se integraron los conocimientos de diversas áreas vistos hasta el momento , su elaboración requiere de un adecuado manejo de modelos físicos, matemáticos y técnicos los cuales han sido aportados en las clases de tipo magistral y con las fuentes bibliográficas adecuadas permitiendo de esta manera poner en practica el desarrollo experimental de estos conocimientos. La solución total al problema planteado abarca conocimientos fuera del alcance de los cursos vistos, por lo tanto el desarrollo de este proyecto se idealiza y se hace de forma parcial. No obstante en la medida del avance a través de la carrera y la adquisición de mas conocimientos se complementará lo restante para llegar a dar solución total a la necesidad que presenta el taller de maquinasherramientas. El desarrollo de este proyecto esta enmarcado en las recomendaciones, normas y/o estándares encontrados en libros especializados en cuanto a elevación de cargas.
BIBLIOGRAFIA
Dubeel. Manual del constructor de maquinas HELLMUTT, Ernest, aparatos de elevación. Tomo I y II HIBBELER, R.C., Mecánica de materiales, Prentice Hall. 3ra Edición, México, 1995. NORMAS DIN 120 www.ganmar.com.ar www.temsamex.com www.emic.org
ANEXOS
ANEXO A. PESO DEL CARRO
ANEXO B. VELOCIDADES RECOMENDADAS
ANEXO C
ANEXO D
ANEXO E. ESFUERZOS ADMISIBLES
ANEXO F. PERFILES
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. Forma de sujeción de los carriles a la viga principal
FIGURA 2. Puentes grúas FIGURA 3. Clasificación de los puentes grúa FIGURA 4. Monocarril FIGURA 5. Polipastos FIGURA 6.Tipos de ganchos FIGURA 7. Dimensiones normalizadas FIGURA 8. Carro del puente grúa FIGURA 9. Diagrama de momento FIGURA 10. Carga distribuida FIGURA 11. Forma de unión de la viga principal con la viga testera FIGURA 12. Testera de dos y cuatro ruedas FIGURA 13. Posición extrema de la carga
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A. peso del carro
