UNIVERSIDAD DE TALCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL MECÁNICA
ELEMENTOS DE MÁQUINAS DISEÑO DE GRUA PORTAL
ALUMNOS:
CARLOS CARVAJAL GUTHEMBERG DÍAZ ROLANDO GÓMEZ
PROFESOR: AMBROSIO OLIVOS
CURICÓ - CHILE 2017
Índice 1.
Introducción ..................................................................................................... 3 1.1 Definición precisa y acotada del problema a resolver ............................... 3 1.2 Antecedentes generales y contexto .......................................................... 3 1.3 Objetivo General ....................................................................................... 3 1.4 Objetivos Específicos ................................................................................ 3 1.5 Resultados esperados ............................................................................... 3 1.6 Alcances y eventuales restricciones.......................................................... 4 2. Estado del arte ................................................................................................ 4 3. Marco teórico .................................................................................................. 5 3.1 Propuesta de desarrollo ................................................................................ 5 4. Memoria de cálculos ....................................................................................... 7 4.1 Cálculo de la viga horizontal: ........................................................................ 7 4.2 Cálculo de pandeo en las vigas verticales ................................................ 8 4.3 Cálculo de soldadura ................................................................................ 9 5. Selección de componentes ............................................................................. 9 6. Diseño en CAD y simulación ......................................................................... 12 6.1 Elementos finitos ..................................................................................... 13 7. Manual de uso y mantenimiento ................................................................... 15 8. Bibliografía .................................................................................................... 16
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1. Introducción 1.1 Definición precisa y acotada del problema a resolver Solucionar el problema de distribuir y levantar cargas en el espacio con seguridad de hasta una masa de 2000 kilógramos.
1.2 Antecedentes generales y contexto Se utiliza para levantar cargas con mayor seguridad y eficiencia en áreas de trabajos, ya sea pequeñas o grandes, todo de acuerdo al contexto en el cual se necesite. Por ejemplo, se pueden usar desde la extracción de un motor en un taller mecánico hasta el desmonte de contenedores en un puerto. En este caso se necesita una grúa tipo pórtico para el taller mecánico de la Universidad de Talca en donde se trabaja con cargas medianas en poco espacio, bajo techo y donde pueda cargar y descargar un camión.
1.3 Objetivo General Diseñar una grúa portal para el taller de la Escuela de Ingeniería Civil Mecánica de la Universidad de Talca.
1.4 Objetivos Específicos
Estudiar las condiciones y alcances requeridos Planificar tareas individuales Escoger materiales de construcción Calcular y seleccionar partes y piezas Realizar planos de fabricación Analizar el diseño mediante software de elementos finitos Crear manual de uso y mantenimiento
1.5 Resultados esperados Satisfacer las necesidades del taller mecánico, calculando y diseñando una grúa portal con todos los requerimientos técnicos y físicos.
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1.6 Alcances y eventuales restricciones
Espacio del taller, cerrado y de gran altura. Tipo de suelo, de concreto sin mayores interferencias. Temperatura de trabajo, desde los -2°C en invierno hasta los 40°C en verano. Carga máxima que tiene que soportar alcanza los 2000 kilógramos. Obtención de algunos componentes, ruedas y ganchos. La operación de la grúa será principalmente por los 2 profesores de taller. Se sugiere que sea económico.
2. Estado del arte Una grúa portal es un aparato de elevación de cargas de un punto a otro obteniendo ventaja mecánica. Existen muchos tipos de grúas portales en el mercado, las cuales van desde la elevación de pequeñas cargas en un taller mecánico a transporte de grandes contenedores en barcos
Figura 1 Grúa portal más grande del mundo
Varía además el tipo de grúa si es móvil, la forma de elevación de carga, las ruedas, tecles y tipo de apoyo en la estructura de esta.
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3. Marco teórico Para el diseño de una grúa portal se debe tener en cuenta las fuerzas que van a estar involucradas, los esfuerzos, propiedades de los materiales y geometría de esta, para así desarrollar una grúa con la mayor eficiencia posible. Esfuerzos: con esto podremos determinar las dimensiones que se necesitarán en relación a la carga a la cual se encuentra sometida nuestra máquina. Propiedades de los materiales: saber cuáles son las propiedades de los materiales permite elegir de la mejor manera posible la materia prima para la construcción del proyecto. Una grúa es una máquina cuya función es elevar cargas u objetos para trasladarlos de un punto a otro y contienen mecanismos simples como poleas, contrapesos o tecles para mover objetos de gran masa. De acuerdo a las características requeridas se necesita una grúa portal.
3.1 Propuesta de desarrollo Grúa pórtico Partes componentes: -tecle -carro porta tecle -carril -perfiles -ruedas -elementos de fijación Tecle el tecle es uno de los elementos primordiales para la grúa ya que este es el encargado de realizar el trabajo de levante de la grúa, permitiendo levantar grandes pesos con un mínimo de esfuerzo, dentro de la gama de los tecles podemos encontrar principalmente tres tipos de tecles, estos son: -Tecle eléctrico -Tecle manual cadena -Tecle palanca El tipo de tecle para nuestra grúa será seleccionado según las toneladas necesarias que debe levanta, el peso del este y el costo según la utilidad que se le puede dar, además de la disponibilidad que tenga dentro del país. Carro porta tecle Otro componente necesario será el carro porta tecle que será el encargado de mover el tecle a lo largo del carril, permitiendo ajustar el gancho de la grúa para 5
su utilización en distintas posiciones a lo largo de la grúa. Dentro de la gama de carros porta tecle encontraremos: -Carros Manuales -Carros Eléctricos Para la selección del carro porta tecle a utilizar se tomaran en cuenta los factores del peso de este, el costo y la disponibilidad dentro del país. Carril El carril será el componente por donde se desplace el carro porta tecle. Para la selección del carril se tomara en cuenta el tipo de material, la carga que debe soportar, el esfuerzo máximo que soporta, las dimensiones, el peso y la disponibilidad dentro del país. Perfiles Para la estructura principal que sostendrá el carril se utilizaran perfiles tubulares cuadrados. Los perfiles serán seleccionados según el material, el esfuerzo máximo que soporte, las dimensiones y la disponibilidad dentro del país. Ruedas de trabajo pesado Para que la grúa tenga una mejor precisión, comodidad y una mayor utilidad tendrá dentro de sus componentes ruedas que permitan el desplazamiento dentro del lugar de trabajo. El tipo de rueda será seleccionado según el peso de la estructura que deberá soportar, costo y la disponibilidad dentro del país. Elementos de fijación Dentro de los elementos de fijación tendremos en cuenta soldaduras y pernos, que serán seleccionados según el costo, y la facilidad de transporte que se le quiera dar a la grúa.
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4. Memoria de cálculos Finalmente se tiene: Restricciones Peso de levante: 2000 kg Altura: 3,00m Ancho: 2,80m de acuerdo a la norma chilena para las dimensiones de camiones Consideraciones de diseño Funcionalidad, resistencia, utilidad, costo, tamaño
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4.1 Cálculo de la viga horizontal: Momento:
= 2000 ∗ 1,4 + ∗ 1,4+ ∗ 1,4 + ∗ 1,4 ~2100 ∗1,4 = 2940 ∗ ≈ 2940 ∗ 103 ∗ Esfuerzo:
= = .. ..= 2 = 24 = 12 = 24 2 ≤ 2940 ∗ 103 ∗ ≤ 12 ≥ 245000 3 Donde Z corresponde al momento de inercia dividido por la distancia al eje neutro.
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Revisando el catálogo de CINTAC:
= 2523 = 26,2 = 21 = 18,5 Entonces, verificando con los valores reales:
= 295800 ∗ 295800 ∗ ≤ 12 252000 3 11,7 ≤ 12 Se verifica con los valores reales que el esfuerzo al que está sometida la barra es menor al admisible del material.
4.2
Cálculo de pandeo en las vigas verticales
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4.3
Cálculo de soldadura
La soldadura se aplica para la unión de la viga horizontal con las vigas verticales y para unir las vigas verticales con las de apoyo:
Para un 2:176.6 []
1:110[] 1:2112.86 [] :427[] :2 :9.807 ∗ 1∗ √ 2 ≤ ℎ ∗ 1 2 ∗ ℎ = 2,495[] ℎ = 0,777[]
Comercialmente, la altura de cordón mínima disponible es de 3[mm] por lo que se usará esa altura en todas las uniones soldadas.
5. Selección de componentes Se selecciona la viga en perfil I para que el carro porta tecle se desplace sin problemas. El modelo IPE220 se adapta a las solicitaciones del problema, sacado de catálogo CINTAC de material acero A37-24ES.
Tabla 1 Catálogo de las vigas IPE de CINTAC
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Figura 2 Viga IPE
Selección de tecle Tecle cadena para 2 Toneladas, seleccionado de Sodimac, posee una extensión máxima de 3 metros. De marca Strommer, modelo HSZ 2. –
Tabla 2 Tipos de tecle Strommer
Figura 3 Tecle Strommer
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Selección de carro porta tecle Carro porta tecle para 2 toneladas seleccionada de Casa del Tecle, sus dimensiones se adaptan a la viga IPE220 y a las solicitaciones de cargas. De la línea AP Plain Trolley, modelo AP-20 •
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Tabla 3 Tabla carro porta tecle
Figura 4 Carro porta tecle
Ruedas de la grúa •
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Se instalarán 4 ruedas de trabajo pesado, de Polymerland, modelo 2-1845 Es giratoria, tiene freno, diámetro de 150mm y soporta 750 kilógramos cada una
Tabla 4 Datos rueda seleccionada
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Estimación de costos materiales
Tabla 5 Costos de materiales
Costo mano obra
Tabla 6 Costo mano de obra
6. Diseño en CAD y simulación Modelo 3D
Figura 5 Grúa portal propuesta
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6.1 Elementos finitos Las simulaciones en elementos finitos se realizaron en software Ansys 15.0. Condiciones de borde:
Figura 6 Condiciones de borde
Vigas inferiores se simulan empotrados en su cara inferior y se aplica una fuerza de 2112,87 [kgf] vertical hacia abajo en el medio de la viga horizontal superior. Mallado:
Figura 7 Mallado
Mallado de tamaño 50mm por elemento, resultando 16109 elementos y 32963 nodos. 13
Deformación:
Figura 8 Deformacion en Ansys
Con la simulación se tiene una deformación máxima de 0,81913 [mm] en la viga superior. Esfuerzo:
Figura 9 Esfuerzo de Von Mises simulado por Ansys
Se tiene un esfuerzo máximo de 33,455 [MPa]
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7. Manual de uso y mantenimiento Manual de uso Esta máquina está diseñada para mover objetos en el espacio con cargas mediadamente pesadas, no se recomienda el traslado de objetos.mas bien solamente carga y descarga. 1.-coloque la grúa sobre el objeto que desea mover. 2.-fije las ruedas con el fin de que no se mueva al momento de levantar el objeto. 3.-ajuste de tal manera el gancho de manera que este se mantenga fijo y asegurado para no generar algún accidente. 4.-una vez levantada la carga preocúpese de que si se va a trasladar (no se recomienda trasladar objetos) esta se mueva a una velocidad baja y lo más apegada al suelo posible, con el fin de que no se produzca un péndulo ni volcamiento. 5.-vuelva a fijar las ruedas en el lugar que va a descargar. 6.-baje lentamente la carga y desajuste y saque el gancho. 7.-capacidad máxima de carga 2000kg
Manual de mantenimiento 1.-Asegurarse que la estructura esta descargada 2.- Asegurarse de contar con un área limpia y ordenada para empezar a realizar el mantenimiento 3.-Revisar las uniones y asegurarse que estén en buenas condiciones 4.-Revisar que los pernos se encuentren con el torque adecuado 5.-Proceder a desmontar el carro y tecle 6.-Revisar que los componentes del carro se encuentren en óptimas condiciones 7.-Revisar que la estructura del tecle se encuentre en óptimas condiciones (lubricación, etc) 8.-Revisar que las ruedas se encuentren en óptimas condiciones
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8. Bibliografía Perfil IPE220 12,10m $244349+iva http://www.cintac.cl/novedades/wpcontent/uploads/2011/03/vigas_laminadas.pdf Carro porta tecle $135.791+iva $186.827+iva http://www.casadeltecle.cl/productos_carros.html modelo AP-20 Tecle $79.990 http://www.sodimac.cl/sodimac-cl/product/1122495/Tecle-Cadena2-Toneladas/1122495 Ruedas http://www.sofbalchile.cl/rueda-hitech-poliuretano-px.php
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