Proyecto IngenierÃ-a del diseÃ±o 2

INGENIERÍA MEC$NICA

DISEÑO DE UNA MÁUINA COMPAC!ADO"A DE #A!AS DE $E$IDAS $E$IDAS DE A#UMINIO A#UMINIO

AUTOR: CELIS VARGAS RODRIGO SAMUEL CICLO: VIII ÍNDICE DE CONTENIDO RESUMEN

4

INTRODUCCIÓN

6

CURSO: INGENIERÍA DEL DISEÑO Compactadora de latas de bebidas de aluminio Trujillo, Agosto Ag osto del !"#

Page 1

CAPÍTULO 1: DETERMINACIÓN DETERMIN ACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO

7

1.1 Estado de a te!"oo#$a.

7

1.% E"sa&os 'ea()ados so*'e as astas de a+,("(o.

1-

1. L(sta de e/(#e"!(as.

14

CAPÍTULO %: DISEÑO DE LA MÁ0UINA

1

%.1 Est'+!t+'a de 2+"!(o"es.

1

%.1.1 A*st'a!!(3": Caa "e#'a 5a! 8 *o/9.

1

%.1.% Se!+e"!(a de o;e'a!(o"es.

%-

%.1. <(a!(3" de os ;'o!esos t=!"(!os.

%-

%.1.4 Re;'ese"ta!(3" de a est'+!t+'a de 2+"!(o"es.

%1

CAPÍTULO : CONCEPTO DE LA SOLUCIÓN

%%

.% Mat'() ,o'2o3#(!a.

%%

. Co"!e;tos de so+!(3".

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CAPÍTULO 4: PRO?ECTO PRELIMINAR

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4.1 Dete',("a!(3" de !o"!e;to de so+!(3" 3;t(,o.

%

4.1.1 Des!'(;!(3" de 2+"!(o"a,(e"to 2+"!(o"a,(e"to de a so+!(3" 3;t(,a: P'otot(;o %.

%

CAPITULO >: PRO?ECTO DE


>.1 C!+os & see!!(3" de !o,;o"e"tes.



>.1.1 D(seBo & !!+o de 2+e')as e" e 'eso'te.

4

>.1.% C!+o de ,o,e"to to'so' 'e+e'(do ;o' e ,e!a"(s,o.

7

>.1. See!!(3" de a !ade"a SISO & !!+o de a 2+e')a e'#o"3,(!a de o;e'ado'.

41

>.1.4 C!+o de '*oes.

4

>.1.4.1 C!+o ;'e(o de '*o ;'("!(;a.

4

>.1.4.% C!+o de2("(t(o de '*o ;'("!(;a.

4

>.1.4. C!+o ;'e(o de '*o se!+"da'(o.

4

>.1.4.4 C!+o de2("(t(o de '*o se!+"da'(o.

>

Compactadora de latas de bebidas de aluminio

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CAPÍTULO 1: DETERMINACIÓN DETERMIN ACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO

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1.1 Estado de a te!"oo#$a.

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1.% E"sa&os 'ea()ados so*'e as astas de a+,("(o.

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1. L(sta de e/(#e"!(as.

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CAPÍTULO %: DISEÑO DE LA MÁ0UINA

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%.1 Est'+!t+'a de 2+"!(o"es.

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%.1.1 A*st'a!!(3": Caa "e#'a 5a! 8 *o/9.

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%.1.% Se!+e"!(a de o;e'a!(o"es.

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%.1. <(a!(3" de os ;'o!esos t=!"(!os.

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%.1.4 Re;'ese"ta!(3" de a est'+!t+'a de 2+"!(o"es.

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CAPÍTULO : CONCEPTO DE LA SOLUCIÓN

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. Co"!e;tos de so+!(3".

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CAPÍTULO 4: PRO?ECTO PRELIMINAR

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4.1 Dete',("a!(3" de !o"!e;to de so+!(3" 3;t(,o.

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4.1.1 Des!'(;!(3" de 2+"!(o"a,(e"to 2+"!(o"a,(e"to de a so+!(3" 3;t(,a: P'otot(;o %.

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CAPITULO >: PRO?ECTO DE
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>.1 C!+os & see!!(3" de !o,;o"e"tes.

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>.1.1 D(seBo & !!+o de 2+e')as e" e 'eso'te.

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>.1. See!!(3" de a !ade"a SISO & !!+o de a 2+e')a e'#o"3,(!a de o;e'ado'.

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>.1.4 C!+o de '*oes.

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>.1.4.1 C!+o ;'e(o de '*o ;'("!(;a.

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>.1.4.% C!+o de2("(t(o de '*o ;'("!(;a.

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>.1.4. C!+o ;'e(o de '*o se!+"da'(o.

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>.1.4.4 C!+o de2("(t(o de '*o se!+"da'(o.

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>.1.> C!+o de as +"(o"es ;o' !Faetas de !a'as ;a'aeas.

>4

>.1.6 C!+o de os ;asado'es.

>7

>.1.7 C!+o de as !a(as.

6%

>.1. C!+o & e'(2(!a!(3" de as *(eas.

6-

>.1. C!+o & e'(2(!a!(3" de as ,a"(eas.

64

>.1.1- See!!(3" de ta,aBo ta,aBo & "G,e'o de *(as *(as ;a'a a !,a'a de !o,;a!tado.

66

>.1.11 See!!(3" de 'oda,(e"tos de '*o ;'("!(;a.

6

>.1.1% C!+o de to'"(os.

7-

>.1.1%.1 C!+o de a +"(3" ato'"(ada UTTH UTTH #+$as a"#+a'es 8 ta;a.

7-

>.1.1%.% C!+o de a +"(3" ato'"(ada UARH *ase de 'eso'te 8 !o,;a!tado'. !o,;a!tado'.

71

CAPÍTULO 6: COSTOS E INSTRUCCIÓN DE
7%

6.1 Costos de ad+(s(!(3" de ee,e"tos "o',a()ados

7

6.% Costos de ad+(s(!(3" ad+(s(!(3" de ee,e"tos est'+!t+'aes est'+!t+'aes & ;a"!Fas ,et(!as

74

6. Costos de ad+(s(!(3" de ,ate'(aes ;a'a os ee,e"tos de ,+("a

7>

6.4 Costos de ,a+("ado & e"sa,*e

7>

6.> O*te"!(3" de !ostos totaes

76

CONCLUSIONES

77

ILIORA<ÍA

7

RESUMEN El presente proyecto comprende el diseño de una máquina compactadora de latas de bebidas de aluminio, la cual cual tiene como función principal alcanzar una compactación de


Page &

por lo menos un quinto del volumen inicial de la lata. La máquina ha sido diseñada para aplast aplastar ar latas latas de gaseos gaseosas, as, cervez cervezas as y bebida bebidass energi energizan zantes tes previa previamen mente te drenada drenadass manualmente en caso sea requerido y se considera que podrá ser utilizada en pequeños negocios, centros comerciales o centros de acopios de metales facilitando y colaborando el reciclaje de aluminio. La lata vaca ingresa a la máquina a trav!s de una rampa que alimenta la cámara de compactado, en dicha cámara se realiza primero el pre"compactado mediante un punzón y

lueg luego o se comp compac acta ta con con un bloqu bloque e medi median ante te un meca mecani nism smo o biel biela"m a"man aniv ivel ela a que que

garantiza, por la geometra de la misma, que la lata se reduzca a la quinta parte de su volumen inicial. #inalmente la lata compactada cae a trav!s de una ranura hacia un depósito ubicado en la parte baja de la máquina. La máquina ha sido diseñada lo más compacta posible y ocupa un espacio de $%%mm de largo por &$'mm de ancho y una altura de (')'mm. *demás posee guardas de seguridad para proteger los elementos móviles e+puestos que pudieran causar daño alguno al operador. El accionamiento de la máquina será a trav!s de una manija, la cual será operada de forma rotacional por una persona de forma segura sin causar fatiga o molestia alguna debido a las consideraciones ergonómicas en el diseño. La máquina tiene una capacidad de compactar como mnimo  latas por minuto de forma continua. En la primera parte del proyecto se presenta el estado actual de la tecnologa y los ensayos hechos sobre las latas de aluminio en distintas formas de compactado. Luego se presentan los resultados de dichos ensayos, con los cuales se determina la forma más efic eficie ient nte e de comp compac acta tado do,, es deci decirr la form forma a que que requi requier ere e la meno menorr fuer fuerza za para para la compactación. La metodologa propuesta en el presente proyecto está basada en las recomendaciones de la *sociación *lemana de -ngenieros /0-1. /0- &&&(, con el ttulo de 2etodologa de 0iseño en -ngeniera, es el documento a partir del cual se han e+trado las directrices que dan la estructura y coherencia al plan metodológico de diseño del presente proyecto. 3osteriormente se determina una alternativa de solución óptima y se realizan todos los cálculos necesarios para garantizar el correcto funcionamiento de la máquina.


Page '

#inalmente se realizó un análisis económico de la fabricación y ensamblaje de la máquina, obteni!ndose un costo apro+imado del primer prototipo de 4 56', costo que disminuirá si se considera una producción en serie, por lo que se estara cumpliendo con lo deseado en la lista de e+igencias.

INTRODUCCIÓN Los envases de aluminio se comenzaron a usar en los años $'7s para contener zumos congelados. En ($(, la empresa 8eynolds 2etals 9o. presentó al p:blico un estudio


Page (

demostrando que la conservación de bebidas en envases de aluminio ofrecan mejores ventajas frente a los contenedores de hojalatas, además la inclusión de aditamentos en los envases para facilitar el consumo de su contenido, como el ;abre" fácil<, aceleró la difusión y comercialización de dichos envases. =n claro ejemplo es que en ($), las reconocidas empresas como 3epsi y 9oca"9ola comenzaron a envasar sus productos en latas de aluminio en grandes cantidades. >asta la introducción del 3olietileno ?ereftalato 3E?1 en (', la demanda de latas de aluminio fue intensa. 0ebido a la elevada energa que se usa en la obtención de aluminio primario se ve conveniente reciclarlo. *demás, el aluminio es un material (''@ recuperable y el proceso de refundido tan solo requiere el %@ de la energa necesaria para la obtención del aluminio primario. * nivel mundial, muchos pases se preocupan por el reciclaje de aluminio como Estados =nidos, Aapón, Brasil y pases de Europa. En el 3er:, debido a la poca iniciativa de las autoridades no se promueve el reciclaje de aluminio, nuestro pas tiene un sistema de reciclaje de aluminio prácticamente ine+istente. En los :ltimos años el reciclaje de aluminio ha crecido rápidamente en pases e+tranjeros como Brasil, y con este crecimiento cada vez se innova en artculos relacionados a esta práctica, como por ejemplo la invención de máquinas destinadas a compactar las latas para reducir el volumen y poder ser más trasportable hacia los centros de reciclaje. 9onsumir bebidas, como gaseosas y cervezas, en latas de aluminio sera mucho más barato y eco amigable si hubiese la suficiente demanda para que las empresas dediquen su producción a fabricar sus productos en dichos envases en lugar de plásticos y botellas, y de esta forma ofrecer dichos productos a un menor precio.

CAPITULO 1 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO


Page )

1.1 Estado de a te!"oo#$a. En la actualidad se encuentra en el mercado internacional aplastadoras de latas de uso casero de varios tipos de accionamientoC #uerza >umanaC e+isten máquinas que emplean un simple mecanismo de palanca para aplastar las latas de aluminio como la compactadora manual de la figura (.(, cuyo precio es de 4(&.D e+isten además compactadoras accionados por el pie como el de la figura (.&, cuyo precio es de 4&5.%$. *demás podemos encontrar máquinas que emplean mecanismos más complejos por ejemplo mediante el accionamiento de un mecanismo biela"manivela como el de la figura (.6. 0ebido a la simplicidad de la primera máquina compactadora, está más difundida en el mercado internacional debido a su bajo precio, pero cabe mencionar que compacta la lata a lo más hasta la tercera parte del volumen inicial, por lo cual no entrara en competencia con el posterior diseño que compactará como mnimo a la quinta parte como se detallará posteriormente en la lista de e+igencias.


Page *


Page +

<+e')a J(d'+(!a: ?ambi!n e+isten máquinas accionadas por sistemas hidráulicos como la de la figura (.5. Este tipo de máquina requiere de otros componentes adicionales como una unidad hidráulica, válvulas y mangueras, los cuales aumentan considerablemente su precio. Es por esto que son poco difundidas en el mercado debido a su elevado costo y al espacio que ocuparan.

<+e')a Ne+,t(!aC *dicionalmente podemos encontrar máquinas accionadas por dispositivos neumáticos como el de la figura (.%, muy parecidas a la compactadora de latas hidráulica antes mencionada. La ventaja de esta máquina es que es muy rápida, pero a su vez relativamente cara, 4&)% costo no incluye el sistema de aire comprimido1. En la mayora de los casos esta máquina es fabricada de forma caseraD pero encontramos en la página de .telenovation.com que este dispositivo para reducción volum!trica de latas es comercializada, solo que se necesita de una lnea de aire comprimido e+tra, lo que aumentara el costo total para la máquina.


Page ,

A!!(o"adas ;o' +" ,oto' e=!t'(!o C 0entro de los componentes de estas máquinas presentan un motor el!ctrico y un acople para poder entregar la fuerza necesaria para compactar las latas mediante un mecanismo de biela"manivela. *dicionalmente se le pueden acoplar mecanismos de e+pulsión y alimentación. *l igual que las anteriores máquinas, esta tampoco está muy difundida en el mercado debido al alto costo y gran tamaño.

En resumen, podemos encontrar diversos tipos de máquinas compactadoras de latas en el e+tranjero, en cambio, en el 3er: a:n el porcentaje de compra o fabricación de estas máquinas es casi ine+istente. ?ambi!n es importante resaltar que las máquinas compactadoras manuales, mostradas anteriormente, no alcanzan el objetivo principal de la presente tesis, es decir que no logran compactar a la quinta parte del volumen inicial.

1.% E"sa&os 'ea()ados so*'e as atas de a+,("(o. 3ara poder determinar las fuerzas reales que se necesitan para poder compactar las latas, fue necesario realizar ensayos en la 2áquina =niversal de ?racción y 9ompresión 2#L. Fe ensayaron los dos tipos de latas de aluminio entre cervezas y gaseosas tipo (1 y bebidas energizantes tipo &1D sumando un total de && pruebas. Las latas fueron sometidas a cargas de compresión en distintas posiciones y condiciones finales seg:n la tabla (.(. Los resultados de los ensayos son mostrados a continuación en los siguientes cuadros.


Page 1-

?abla (.( Ensayos sobre latas de aluminio


Page 11


Page 1%

Los resultados anteriores nos llevan a la conclusión que el m!todo más eficiente para poder reducir las latas a la quinta parte de su volumen inicial, es el m!todo que utiliza el pre compactado para la posterior compresión en dirección radial hasta un espesor final de hfG $$mmH%G (6mm ver gráfico de tendencias, figuras (.) y (.I1. Jtros m!todos de compactado requieren una fuerza mayor o tienen fluctuaciones de hasta un 5&@ que hacen que la fuerza de compactado sea muy variable. Fi bien es cierto que para el caso de las latas de bebidas energizantes el espesor final debe llegar a hfG %6mmH%G ((mmD cuando se realiza el m!todo de compactación con pre compactado, la pared lateral queda casi totalmente comprimida dejando unos espacios vacos en el centro de la lata seg:n la figura (.. En consecuencia se garantiza que compactando a un espesor final de (6 mm para ambos tipos de latas se consigue reducir dichas latas a la quinta parte de su volumen inicial.


Page 1&

3or lo tanto emplearemos una pre"compactación que se dará por medio de un punzón en el centro de la lata, para luego proceder a la compactación principal, la cual será en dirección radial.


Page 1'

1. L(sta de e/(#e"!(as. La siguiente lista de e+igencias fue desarrollada analizando los resultados de los ensayos mostrados en los cuadros anteriores y las necesidades planteadas como objetivos de la presente tesis. Esta lista nos permitirá en los captulos siguientes plantear y definir el diseño de solución óptimo. ?abla (.&. Lista de e+igencias.

LISTA DE EKIENCIAS

UNI@ERSIDAD CSAR @ALLEO

P'o&e!to: 9ompactador de latas

Ca'a!te'$st(!a

Deseo o e/(#e"!(a

Des!'(;!(3"

P#. ( de 5
#=K9-K

E

*plastar latas vacas de refrescos gaseosos, cerveza y bebidas energizantes, compactándolas al menos a la quinta parte de su volumen inicial para facilitar su transporte. 8odrigo 9elis

#=K9-K

E

La máquina estará destinada a usarse en pequeños negocios, centros comerciales y en centros de acopio de metales. 8odrigo 9elis

#=K9-K

E

Fe buscará en todo el proceso de diseño que la máquina sea lo más simple, funcional y económico posible . 8odrigo 9elis

#=E8M*

E

La fuerza de compactado debe ser la suficiente para reducir la lata vaca por lo menos a la quinta parte de su volumen original. Esta fuerza será hallada empricamente.


Page 1(



P#. & de 5


Ca'a!te'$st(!a

Deseo o e/(#e"!(a

Des!'(;!(3"

8odrigo 9elis EKE8NO*

0

La energa requerida para el proceso será producida por una persona. 8odrigo 9elis

2*?E8-* 38-2*

E

Folamente se emplearán latas vacas de aluminio de bebidas comoC gaseosas, cervezas y energizantes. 8odrigo 9elis

38J0=9?-/-0*0

0

La máquina compactará como mnimo (' latas por minuto, a condiciones normales de operación para un adulto .

FEN=8-0*0

E

La máquina tendrá un nivel de seguridad suficiente, a fin de preservar por la integridad de las personas y no afectar al medio ambiente.

8odrigo 9elis

8odrigo 9elis FEN=8-0*0

E

Los elementos móviles de la máquina deben ser concebidos, construidos y protegidos de manera que se prevenga cualquier tipo de accidente

NEJ2E?8O*

0

El diseño de la máquina debe ser lo más compacto posible para que pueda ser ubicado fácilmente.


8odrigo 9elis

Page 1)




Ca'a!te'$st(!a

Deseo o e/(#e"!(a

Des!'(;!(3"

P#. 6 de 5
E8NJKJ2O*

E

La transferencia de energa hombre" máquina, no debe causar fatiga en el operador. 8odrigo 9elis

FEP*LEF

0

La máquina contará con señales que permitan su fácil uso además de advertencias sobre cualquier riesgo. 8odrigo 9elis

=FJ

E

La máquina será diseñada para que en operación sea lo más silenciosa posible, por lo tanto no perturbará el ambiente en el cual sea ubicada. .

#*B8-9*9-K

E

La máquina podrá ser fabricada en talleres locales y los materiales deben encontrarse disponibles en el mercado nacional.

8odrigo 9elis

8odrigo 9elis #*B8-9*9-K

E

Las piezas que conformen la máquina serán de formas sencillas y de fácil fabricación.

?8*KF3J8?E

0

Esta máquina estará provista de elementos que faciliten su traslado y su peso no debe e+ceder de %' Qilogramos.


8odrigo 9elis

Page 1*



P#. 5 de 5


Ca'a!te'$st(!a

Deseo o e/(#e"!(a

Des!'(;!(3"

8odrigo 9elis 2JK?*AE

E

La máquina será de simple montaje, facilitando las actividades de mantenimiento. 8odrigo 9elis

2*K?EK-2-EK?J

E #ácil acceso para la lubricación y debe contar con protección contra la corrosión 8odrigo 9elis

9JF?JF

0

El costo de diseño no debe sobrepasar los 46''' y los costos de fabricación 45'' . 8odrigo 9elis

3L*MJF

0

El diseño de la máquina deberá ser entregado como má+imo el (%H'5H&'(6.


Page 1+

CAPÍTULO % ESTRUCTURA DE
El presente captulo tiene por objetivo sentar las bases del diseño, mediante el análisis de la estructura de funciones, elaboración de la matriz morfológica y conceptos de solución que permitan obtener una solución óptima, y por :ltimo realizar los cálculos y selección de componentes principales e importantes que darán por definido el diseño de la máquina compactadora de lata seg:n el diagrama de flujo presentado a continuaciónC

%.1 Est'+!t+'a de 2+"!(o"es. * continuación se realizará la abstracción del BlacQ"Bo+, conocido como ;9aja negra<, en la cual se define que para unas entradas especficas se obtendrán, a trav!s de procesos a:n desconocidos, las salidas esperadas. 3osteriormente se analizará la caja negra desarrollando una estructura de funciones que estará sustentada en los ensayos que se realizaron y en la lista de e+igencias desarrollada en el captulo anterior. En la estructura de funciones se divide la función principal en varias sub funciones que al ejecutarse correctamente aportarán a la realización del objetivo planeado.


Page 1,

%.1.1 A*st'a!!(3": Caa Ne#'a 5a! 8 *o/9.

ENTRADAS: Mate'(aC Entrada de las latas de aluminio vacas. •

•

E"e'#$a: La energa requerida para drenar, alimentar, posicionar y compactar las latasD mediante fuerza humana, el!ctrica, neumática o hidráulica. SeBaC Feñales visuales para el ingreso de las latas vacas a la compactadora.

SALIDAS: •

•

•

Mate'(a: Falida de las latas compactadas como mnimo a la quinta parte de su volumen. E"e'#$a: Energa como ruido, vibraciones, desgaste y calor de fricción. SeBa: Feñales visuales o sonoras que indiquen que la lata fue compactada satisfactoriamente.


Page %-

%.1.% Se!+e"!(a de o;e'a!(o"es. 3rimero se debe verificar que las condiciones de la máquina est!n correctas, una vez verificada la operatividad de la misma se procede a drenar de forma manual el lquido residual que pudo haber quedado en la lata y luego se coloca y alinea correctamente en la máquina compactadora. Feguidamente se proporciona la energa necesaria a la máquina, para que luego la fuerza se trasmita mediante el mecanismo conveniente para amplificarla y as poder pre compactar y compactar la lata. =na vez que la lata haya sido compactada a la quinta parte de su volumen inicial, !sta será e+pulsada, ya sea por gravedad o por otro mecanismo e+pulsor. #inalmente se procederá a repetir el proceso con cada lata de aluminio.

%.1. <(a!(3" de os ;'o!esos t=!"(!os. 19 P'e;a'a!(3" • •

0renar y posicionar la lata correctamente en la cámara de compactado. 9olocar la lata vaca en el sistema de alimentación.

%9 Ee!+!(3" • • • •

Nenerar la fuerza. *mplificar la fuerza. 3re"compactar la lata. 9ompactar la lata.

9 Co"t'o • • • • • •

/erificar que la lata sea alimentada correctamente. /erificar que no se atasquen las latas vacas. -niciar el mecanismo de generación de la fuerza. 9ontrolar el proceso de pre"compactado de la lata. 9ontrolar el proceso de compactado de la lata. 9ontrolar la e+pulsión de las latas compactadas.

49
E+pulsar la lata compactada. *lmacenar la lata compactada.


Page %1

8einiciar la secuencia de operaciones.


Page %%

%.1.4 Re;'ese"ta!(3" de a est'+!t+'a de 2+"!(o"es


Page %&

CAPÍTULO  CONCEPTO DE LA SOLUCIÓN

.% Mat'() ,o'2o3#(!a.

CAPÍTULO  CONCEPTO DE LA SOLUCIÓN

.% Mat'() ,o'2o3#(!a.


Page %'


Page %(


.4 Co"!e;tos de so+!(3". P'otot(;o N1

Page %)

.4 Co"!e;tos de so+!(3". P'otot(;o N1

#igura &.5. 3rototipo de solución KR(.


Page %*

P'otot(;o N%

#igura &.%. 3rototipo de solución KR&.


Page %+

P'otot(;o N


Page %,

CAPÍTULO 4 PRO?ECTO PRELIMINAR 4.1 Dete',("a!(3" de !o"!e;to de so+!(3" 3;t(,o. Ta*a 4.1. Ea+a!(3" de !o"!e;tos de so+!(3" 8 @ao' t=!"(!o.


Page &-

Ta*a 4.%. Ea+a!(3" de !o"!e;tos de so+!(3" 8 @ao' e!o"3,(!o.


Page &1

#igura 5.(. 0iagrama de evaluación t!cnico S económico seg:n /0- && &%.

A ;a't(' de a"(s(s t=!"(!o e!o"3,(!o ;ode,os !o"!+(' +e e ;'otot(;o de so+!(3" 3;t(,o es e "G,e'o % 5-.7%H -.719H &a +e es e +e ,s se a;'o/(,a a a 'e!ta & a ;+"to 51H 19.


Page &%

4.1.1 Des!'(;!(3" de 2+"!(o"a,(e"to de a so+!(3" 3;t(,a: P'otot(;o %. La máquina será propulsada por fuerza humana a trav!s de una manija, la cual magnifica y transmite la fuerza a otro eje mediante una cadena. El segundo eje transmite el momento torsor a un mecanismo biela"manivela. Luego, el mecanismo biela manivela transmite movimiento lineal a un !mbolo compactador1, el cual desliza sobre unas guas produciendo la compresión de las latas de manera radial. El elemento que compacta las latas contiene un dispositivo incrustado indentador1 para realizar el pre compactado. 0icho dispositivo funciona con la ayuda de un resorte de compresión, el cual genera la fuerza necesaria para pre compactar la lata. El m!todo de dosificación será sencillo, ya que debido a las dimensiones de la cámara, solo podrá ingresar una lata por compactado. La máquina tambi!n contará con un sistema de alineación constituido por las paredes laterales de la rampa de alimentación. 0espu!s que se haya alcanzado la reducción a la quinta parte de la lata que se garantiza por las dimensiones de la cámara de compactado, el elemento compactador pistón1 retorna a su posición inicial y la lata cae mediante una ranura en la parte inferior de la máquina.


Page &&

CAPITULO > PRO?ECTO DE.1 C!+os & see!!(3" de !o,;o"e"tes: En esta sección se desarrollarán los cálculos, verificaciones y selección de los componentes más importantes de la máquina para que !sta, al momento de ser fabricada y puesta en operación trabaje confiablemente sin riesgos de alguna posible falla. En la figura %.( se muestra una vista isom!trica de la máquina terminada y en la figura %.& se muestra el mecanismo aislado. 9omo se e+plicó anteriormente, el procedimiento de compactado será mediante el mecanismo de biela"manivela, por lo tanto para efectos de cálculo del mecanismo se considerará la aplicación de una fuerza crtica constante. Esta fuerza crtica o má+ima será la suma de la fuerza necesaria del compactado principal radial y la fuerza del pre" compactado, que es ejercido por el indentador a trav!s del resorte. En la figura %.6 se esquematiza las posiciones del compactador y del indentador en el proceso de compactado.

#igura %.(. 2odelo total de la máquina compactadora.


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Feg:n los resultados de los ensayos e+perimentales, captulo (.& se decidió que las latas de aluminio serán aplastadas hasta llegar a los (6 mm de espesor espesor final1D por lo tanto, la fuerza necesaria para poder realizar el compactado será de (5'' K. *demás, debido a las posibles fluctuaciones de dicha fuerza se considerará un factor de (.&, el cual incrementa la fuerza de compactado a ($I' K.

<(#+'a >.%. Me!a"(s,o tota de a ,+("a !o,;a!tado'a. >.1.1 D(seBo & !!+o de 2+e')as de 'eso'te: 3ara el sistema de pre"compactado, como se aprecia en la figura %.5, se utilizará un resorte de compresión y se procederá a diseñarlo seg:n la norma 0-K &'I. Fe denomina -K0EK?*0J8 al componente de la máquina el cual por medio de la fuerza del resorte realizará el pre"compactado. 0icho -ndentador tendrá que ejercer una fuerza de %' K como mnimo para poder garantizar el pre compactado y deberá recorrer una distancia equivalente al diámetro menos el espesor final, como se muestra en la figura &.('. 3or lo tanto se consideran los siguientes parámetros inicialesC • • • •

0istancia recorrida sobre la lata por el indentadorC T+ G %6 mm #uerza para garantizar el pre"compactadoC #( G %' K #uerza má+ima deseable al final del compactadoC #& G &'' K 0eformación final del resorteC f& G f( U T+


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*demás, se considerará para el diseño que el diámetro e+terior del resorte no deberá e+ceder los %' mm debido a limitaciones geom!tricas.

#igura %.6. 3osiciones del proceso de compactado. 0ebido a que el resorte estará sometido a cargas variables, será formado en fro de alambre de acero para muelles patentado y estirado de la clase 9 seg:n 0-K ()&&6 sin tratamiento de granallado y rectificado por ambos lados.


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#igura %.5. Fistema compactador. Luego de realizar los cálculos correspondientes para el diseño, se obtiene el diseño del resorte, el cual, seg:n la figura &.(& posee las siguientes caractersticasC • • • • • • • • • • • • •

0eformación inicial del resorteC f( G ().) mm 0eformación final del resorteC f& G )'.) mm 0iámetro del alambreC d G 5 mm 0iámetro medioC 0m G 5' mm 0iámetro interiorC 0i G 6$ mm 0iámetro e+teriorC 0e G 55 mm 0iámetro e+terior aumentadoC 0a G 55.('& mm K:mero de espiras efectivasC if G (5 K:mero de espiras realesC igG ($ Longitud del resorte sin cargaC L' G (%' mm Longitud de ensamble del resorteC L( G (6&.6 mm Longitud al final del compactadoC L& G ).6 mm 9onstante de elasticidadC c G &.I6 KHmm


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#igura %.%. 9omportamiento del resorte en la operación.

>.1.% C!+o de ,o,e"to to'so' 'e+e'(do ;o' e ,e!a"(s,o. =na vez obtenida la fuerza del pre compactado má+ima, se procederá a hallar la fuerza final, la cual es la suma de #& fuerza má+ima del resorte1 y #c fuerza para el compactado1, con lo cual se obtiene una fuerza total de (II' K 31. 3ara obtener el momento torsor requerido, las fuerzas en las bielas y la fuerza normal sobre el compactador se emplea como base el libro de Aoseph E. Fhigley, denominado ;?heory of 2achines and 2echanisms<. En el captulo ($ del mismo, el autor desarrolla una serie de ecuaciones que derivan a la obtención de los parámetros necesarios para el cálculo del mecanismo biela"manivela, siendo el bosquejo básico del mecanismo esquematizado en la figura %.$.


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#igura %.$. 2ecanismo biela"manivela. 3ara el cálculo del torque total requerido, se considerará como la suma de dos componentes que se detallan a continuaciónC " ?orque generado por la cinemática del mecanismo, seg:n la ec. ($.(% del libro de Fhigley.

0ondeC


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" ?orque generado por las inercias de los elementos del mecanismo, seg:n la ec. ($.6' del libro de Fhigley.

Estos parámetros iniciales para el cálculo, son obtenidos luego de varias iteraciones para tener resultados adecuados ya que se tienen limitaciones geom!tricas y de fuerza humana. * continuación en la tabla &.5 se presentan los resultados obtenidos de torque total ?1, fuerzas en las bielas #b1 y fuerzas normales sobre el compactador #n1. Estos parámetros han sido evaluados para cada ángulo t1 desarrollado por el movimiento rotacional del mecanismo.


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?abla %.(. 8esultados de la solución del mecanismo.

* partir de los resultados anteriores determinamos que la posición crtica se encuentra cuando tGI'V y presenta los valores má+imos de 2t&G(&5.5$ K. y #bG((%.5. 3ara simplificar los cálculos posteriores se procederá a tomar los valores mayores apro+imados de 2tG(&$ K.m y #bG&''' K. 9abe resaltar que posteriormente se calcularán los árboles con las condiciones reales una vez determinados las dimensiones de los mismos en base a cálculos borrador.


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>.1. See!!(3" de a !ade"a SISO & !!+o de a 2+e')a e'#o"3,(!a de o;e'ado'. 3ara la selección del sistema de transmisión por cadena, emplearemos la norma BFH-FJ, la cual es la más usada en el mercado local. 0el cálculo anterior se considera que el torque requerido 2t&1 es (&$ K.m, con una velocidad angular de apro+imadamente  rpm, lo que nos produce una potencia de ((I Watts. 3ara determinar las caractersticas del sistema de transmisión, ver figura &.(5 y &.(%, se toma en cuenta consideraciones ergonómicas seg:n #rancesco 3rovenza autor de ;3rojetista de máquinas<, donde indica que la fuerza sobre una manija que puede ejercer una persona es apro+imadamente (' Qgf a una velocidad de 66 rpm, además se consideraron factores geom!tricos que se muestran en la figura &.($, como la altura del centro de giro de la manija respecto al piso y el radio de la misma. 0el cálculo completo de la cadena se obtiene lo siguienteC • • • • • • • • •

3aso de la cadenaC 3 G 6HI ; K:mero de dientes del piñón motrizC M( G () K:mero de dientes de la rueda conducidaC M& G )$ 8elación de transmisiónC i G 5.5)( 0istancia entre centrosC 9 G &II.$ mm K:mero de eslabonesC Ke G ((' 8adio de la manija que acciona al piñónC 8 G &%' mm /elocidad de giro de la manijaC n( G 5' rpm #uerza del operador sobre la manijaC #o G ((.% Qgf

La fuerza má+ima recomendada para un operador, quien ejerce la misma fuerza constante por largos intervalos de tiempo, es de (' Qgf produciendo un movimiento rotacional continuo. El presente requiere de una fuerza de ((.% Qgf, la cual es aplicada en breves intervalos de tiempo del movimiento rotacional, el cual seg:n la tabla &.5 estara comprendido entre los ángulos t $%V " 'V, y además considerando las inercias de los elementos, esta fuerza podra considerarse adecuada dentro de los lmites ergonómicos debido a que además el uso de la máquina no será por largos periodos de tiempo.


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#igura %.). Elementos del sistema de transmisión.

#igura %.I. Fistema de transmisión por cadena.


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#igura %.. 9onsideraciones ergonómicas

>.1.4 C!+o de '*oes. >.1.4.1 C!+o ;'e(o de '*o ;'("!(;a. El árbol principal es el encargado de transmitir la potencia generada por el movimiento rotacional de la manija, a trav!s del sistema de transmisión, hacia las & manivelas del mecanismo de compactado. En la figura &.() se muestran los elementos que componen el árbol principal. 3ara dar inicio al cálculo del árbol principal, se bosqueja el diagrama de cuerpo libre 09L ver figura &.(I1 y a partir del cual se plantean las ecuaciones de equilibrio que permitan determinar las reacciones en los apoyos 8B y 89. Estas ecuaciones son desarrolladas a continuaciónC


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#igura %.('. 0iagrama de cuerpo libre S árbol principal. 3ara el diseño se presentan los siguientes parámetros inicialesC • • • • • • • • • •

2omento torsor a transmitir por el árbol principalC 2t& G (&$ K.m #uerza en las bielasC #b G &''' K 0iámetro primitivo de la rueda dentadaC 0& G &6'.% mm #uerza de la cadenaC #c G &X2t& H 0& G ('6.6 K Yngulo de posicionamiento rueda"piñónC Z G $' deg Yngulo formado entre #c y eje +C [ G 5& deg Longitud del tramo ;*B
Luego de resolver las ecuaciones de equilibrio presentadas anteriormente ver ane+o 61 se obtienen las reacciones en los apoyos 8B y 89, las cuales son cruciales para desarrollar los diagramas de fuerzas cortantes 0#91 y los diagramas de momentos 02# y 02?1, ver figuras del &.( al &.&6. • • • •

8eacción en el apoyo ;B<, en dirección +C 8eacción en el apoyo ;B<, en dirección yC 8eacción en el apoyo ;9<, en dirección +C 8eacción en el apoyo ;9<, en dirección yC

8B+ G (6&&. K 8By G &'.5 K 89+ G "(6%.I K 89y G "('&(.% K


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#igura %.((. 0iagrama de fuerzas cortantes en el plano +y S árbol principal.

#igura %.(&. 0iagrama de momentos flectores en la dirección + S árbol principal

#igura %.(6. 0iagrama de fuerzas cortantes en el plano yz S árbol principal.


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#igura %.(5. 0iagrama de momentos flectores en la dirección y S árbol principal.

#igura %.(%. 0iagrama de momentos torsores en la dirección z S árbol principal. * continuación se procede a determinar el diámetro mnimo requerido de cada sección mediante un análisis de resistencia a la fatiga seg:n la e+presión de 9. Bach. 3ara poder encontrar dichos diámetros se considera lo siguienteC • • • • •

2aterial del árbol principalC 9Q 5% #actor de seguridad recomendado seg:n Bach1C #F8 G (.I #actor de corrección de superficieC 9s G '.I #actor de corrección de tamañoC 9t G '.)) #actor de corrección de temperaturaC 9temp G (

Fe considera que los factores de corrección de superficie, tamaño y temperatura son valores promedios para facilitar el proceso de cálculo previo del árbol, ya que dichos valores no influyen significativamente en los resultados. 3or otro lado, los factores efectivos por la concentración de esfuerzos son tomados de la bibliografa ;\onstruQtionselemente de 2aschinenbaues< del autor ?ochtermann, y son presentados en la tabla %.&.


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?abla %.&. #actor de concentración de esfuerzos.

3ara determinar los diámetros mnimos requeridos se emplean los momentos flectores y torsores hallados anteriormente, estos resultados son mostrados en la tabla %.6. Los criterios para la asignación de los diámetros mnimos para las secciones donde se alojan rodamientos, es que estas deben ser m:ltiplos de % y a partir de dichas secciones se va disminuyendo el diámetro de tal forma que no sea un cambio de sección crtico en el árbol. ?abla %.6. 0iámetros de las secciones del árbol principal

Es importante mencionar que los puntos crticos del árbol se encuentran en las secciones B y 9, donde se ubican los rodamientos, es por esto que a dichas secciones se les asigna un diámetro de 6' mm. *demás se dimensionan las longitudes de los cubos de los elementos que presentan uniones con chavetas las manivelas y la rueda dentada1 con la recomendación de que esta longitud debe estar en el rango de entre ( y (.6 veces el diámetro de la sección.


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>.1.4.% C!+o de2("(t(o de '*o ;'("!(;a. * continuación se procede a verificar por secciones el factor de seguridad mediante la e+presión de 9. Bach con la geometra real del árbol principal seg:n el plano de despiece 0%"*6.

3ara esto, dicho factor de seguridad recomendado F?E-K>-L3E8"

8J3E8H\onstrucQtioselemnte 6"Fpringer ($1 debe estar en el rango ](,&^(,I_. 9uando el punto crtico de la sección es una cambio de sección, se aplicará el concepto de factor efectivo de concentración de esfuerzos [Q seg:n el ;2anual de 8esistencia de 2ateriales &< del ingeniero Aorge 8odriguez. En cambio para el caso de canales chaveteros y anillos de retención se aplicará seg:n la tabla %.&. 3ara los factores de corrección superficie, tamaño y temperatura se consideran las condiciones realesD es decir, se consideran los acabados superficiales, diámetros reales y temperatura ambiental. Los resultados son mostrados a continuaciónC ?abla %.5. #actores de seguridad por secciones del árbol principal.

3or lo tanto se verifica que el árbol principal no fallará a la fatiga, debido a que los factores de seguridad son mayores a los permisibles.

>.1.4. C!+o ;'e(o de '*o se!+"da'(o. El árbol secundario es el encargado de transformar la fuerza que ejerce el operador, a trav!s de una manija, en un momento torsor 2t(1 para que !ste pueda dar giro y fuerza al árbol principal a trav!s del sistema de transmisión por cadena. En la figura %.($ se muestran los componentes del árbol secundario.


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#igura %.($. 9omponentes del árbol secundario. 3ara dar inicio al cálculo del árbol secundario, se bosqueja el diagrama de cuerpo libre 09L ver figura %.($1 y a partir del cual se plantean las ecuaciones de equilibrio que permitan determinar las reacciones en los apoyos 8b y 8c. Estas ecuaciones son desarrolladas a continuaciónC


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#igura %.(). 0iagrama de cuerpo libre S árbol secundario. 3ara el diseño se presentan los siguientes parámetros inicialesC • • • • • • • • •

2omento torsor a transmitir por el árbol sec.C 2t( G &I.(I K.m #uerza del operador sobre la manijaC #o G ((% K 0iámetro primitivo del piñón motrizC 0( G %(.I mm #uerza de la cadenaC #c G &X2t& H 0& G ('6.6 K Yngulo de posicionamiento rueda"piñónC Z G $' deg Yngulo formado entre #c y eje +C [ G 5& deg Longitud del tramo ;ab
Luego de resolver las ecuaciones de equilibrio presentadas anteriormente se obtienen las reacciones en los apoyos 8b y 8c, las cuales son cruciales para desarrollar los diagramas de fuerzas cortantes 0#91 y los diagramas de momentos 02# y 02?1, ver figuras del &.&$ al &.6'. • • • •

8eacción en el apoyo ;b<, en dirección +C 8eacción en el apoyo ;b<, en dirección yC 8eacción en el apoyo ;c<, en dirección +C 8eacción en el apoyo ;c<, en dirección yC

8b+ G "$'%.5 K 8by G "6&5.( K 8c+ G (6'6.6 K 8cy G ('%%.& K


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#igura %.(I. 0iagrama de fuerzas cortantes en el plano +y S secundario.

#igura %.(. 0iagrama de momentos flectores en la dirección + S secundario.

#igura %.&'. 0iagrama de fuerzas cortantes en el plano yz S árbol secundario.


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#igura %.&(. 0iagrama de momentos flectores en la dirección y S árbol secundario.

#igura %.&&. 0iagrama de momentos torsores en la dirección z S árbol secundario. * continuación se procede a encontrar el diámetro mnimo requerido de cada sección por un análisis de resistencia a la fatiga seg:n la e+presión de 9. Bach. 3ara poder encontrar dichos diámetros se considera lo siguienteC • • • • •

2aterial del árbol secundarioC 9Q 5% #actor de seguridad recomendado seg:n Bach1C #F8 G (.I #actor de corrección de superficieC 9s G '.I '.I #actor de corrección de tamañoC 9t G '.)) #actor de corrección de temperaturaC 9temp G (

Fe considera que los valores promedios los factores de corrección de superficie, tamaño y temperatura, al igual que para el árbol principal, son valores promedios para facilitar el previo previo cálcul cálculo o del árbol, árbol, ya que dichos dichos valore valoress no influy influyen en signif significa icativ tivame amente nte en los resultados. El cálculo completo del árbol secundario se encuentra detallado en el ane+o 6, en el cual para determinar los diámetros mnimos requeridos se emplean los momentos flectores y torsores hallados anteriormente, estos resultados son mostrados en la tabla %.%. ?abla ?abla %.%. 0iámetros de las secciones del árbol ár bol secundario.


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La manija seleccionada, 0-K5$"&%'"/&& de material NN"&', posee un cubo de sección cuadrara X1 de lado && mm apro+imadamente 6(.( mm de diámetro1, debido a esto los diámetros para los rodamiento ubicados en las secciones b y c serán de 6% mm debido a que estos deben ser m:ltiplos m:ltiplos de %. *demás *demás se dimensiona dimensiona la longitud longitud del cubo del piñón motriz motriz con la recomendación recomendación de que esta longitud longitud debe estar en el rango de entre ( y (.6 veces el diámetro de la sección.

>.1.4.4 C!+o de2("(t(o de '*o se!+"da'(o. 3ara el cálculo definitivo del árbol secundario se toman las mismas consideraciones al igual que el árbol principal y los resultados son mostrados a continuación en la tabla %.$. ?abla ?abla %.$. #actores de seguridad por secciones del árbol secundario.

0e los cálculos cálculos anteri anteriore oress se obtien obtienen en factor factores es de seguri seguridad dad altos, altos, debido a que la restricción del tamaño del cubo cuadrado LG&&mm de la manija 8G&%' mm obligó a aumentar los diámetros de las secciones del árbol secundario. 3or lo tanto se verifica que el árbol secundario no fallará a la fatiga, debido a que los factores de seguridad son mayores a los permisibles.


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>.1.> C!+o de as +"(o"es ;o' !Faetas de !a'as ;a'aeas Las chavetas son los elementos encargados de transmitir la potencia entre elementos dispuestos en sentido a+ial. 3ara el diseño, se emplean chavetas seg:n la norma 0-K $II% * ver figura %.&61 entre los siguientes elementosC árbol principal S manivelas figura %.&51, árbol principal S rueda conducida figura %.&%.1 y árbol secundario S piñón motriz figura %.&$1. Fiendo los parámetros iniciales los siguientesC • •

• •

3resión admisible del cuboC padm G % K H mm`& 2omento 2omento torsor torsor a trasmitir trasmitir entre el árbol árbol principal principal y las manivelasC manivelasC

2t& H & G $6

K.mm 0iámetro de la secciónC d G &$ mm 2omento 2omento torsor torsor a transmi transmitir tir entre el árbol árbol principal principal y la rueda dentadaC dentadaC

2t& G

•

(&$''' K.mm 0iámetro de la secciónC d G &I mm 2omento torsor a transmitir entre el árbol secundario y el piñón dentadoC 2t( G &I

•

(I( K.mm 0iámetro de la secciónC d G &% mm

•

El cálculo de las chavetas se basa en hallar la longitud mnima efectiva que debe poseer dicha chaveta para que no fallen los elementos unidos por un e+ceso de presión de aplast aplastami amient ento, o, el cual cual se presen presenta ta mayorm mayorment ente e en el cubo. cubo. Esta Esta longit longitud ud mnima mnima se determina con la siguiente e+presiónC

0onde ;t< es la profundidad que penetra la chaveta en el cubo.


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#igura %.&6. =nión mediante chaveta.

#igura %.&5. =nión árbol principal " manivelas.


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#igura %.&%. =nión árbol principal S rueda conducida.

#igura %.&$. =nión árbol secundario S piñón motriz.

El cálculo completo muestra los resultados obtenidos son mostrados en la tabla %.). 3or lo tanto se deberán emplear las siguientes chavetas seg:n 0-K $II%C


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• • •

Yrbol principal S manivelasC '& chavetas I + ) +&I Yrbol principal S rueda dentadaC '& chavetas I + ) + 6& Yrbol secundario S piñón dentadoC '( chaveta I + ) + &&

En el caso de la unión entre el árbol principal y la rueda dentada, se vio la necesidad de emplear & chavetas, debido al alto momento torsor a transmitir y a la corta long itud del cubo de la rueda 6$ mm1D para esto se empleó un factor de corrección de '.)%, ya que se tiene en cuenta de que solo el )%@(' de las chavetas trabajan en forma efectiva debido al aplastamiento y las tolerancias de la unión. ?abla %.). Felección de chavetas.

>.1.6 C!+o de os ;asado'es. Los pasadores son empleados como elementos de unión entre & o más piezas que se articulan entre s. 3ara el diseño de la máquina compactadora, estos pasadores se presentan uniendo las manivelas con las bielas como se muestra en las figuras %.&) y %.&I. * continuación se presentan los parámetros inicialesC • • • •

2aterial del pasadorC 9Q 5% 2aterial de las bielasC *F?2 S *6$ 2aterial de las manivelasC F*E ('&' ?ipo de cargaC 9argas pulsantes


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• • • •

#uerza actuanteC # G (''' K 3resión superficial admisible Ft H BronceC padm G I KHmm& Espesor de las bielasC tb G (&.) mm Espesor de las manivelasC tm G 6& mm

3ara poder encontrar el diámetro mnimo que estos pasadores deben tener para no fallar en la operación, estos se verifican por fle+ión y por corte en el pasador, y por aplastamiento en las bocinas bronce1 de las bielas, debido a que estas poseen el menor espesor y son más propensos a fallar. En la figura %.& se muestran los diagramas de cuerpo libre de los elementos acoplados para visualizar cómo será la interacción de los elementos en el diseñoC a1 09L de la manivela, b1 09L del pasador y c1 09L de la biela.

#igura %.&). 9omponentes de la unión por pasadores.

#igura %.&I. =nión articulada por pasadores.


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#igura %.&. 09L7s de los elementos a articular. El cálculo del pasador incluye la verificación de la bocina de bronce, debido a que se considera una presión superficial admisible entre el pasador acero1 y la bocina bronce1 de I KHmm&. 0icho cálculo completo se encuentra en el ane+o % y se obtiene que el diámetro mnimo requerido para el pasador es (%.') mm, para el diseño el diámetro asignado será de (I mm para asegurar que el pasador trabaje confiablemente. Feg:n el catálogo de *ceros *requipa de barras lisas, material F*E ('5%, se selecciona una barra de )HI &&.&6 mm1 como material base del pasador para su posterior mecanizado. *demás es importante mencionar, que este se acoplará a la biela y a la manivela con un juego de (I >)Hf) para garantizar una buena articulación entre dichos elementos.


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>.1.7 C!+o de as !a(as. En el diseño de la compactadora de latas se emplearán clavijas para poder unir las bielas al compactador principal, estas clavijas estarán solidarias al compactador pero se articularán con las bielas para poder convertir el movimiento rotacional de las manivelas en movimiento lineal reciprocante en el compactador como se muestra en las figuras &.6' y &.6(, para de esta manera lograr el objetivo principal de aplastar las latas a la quinta parte de su volumen inicial.

#igura %.6'. 9omponentes de la unión por clavijas. * continuación se muestran los parámetros iniciales para el cálculoC • • • • • • • • •

2aterial de la clavijaC 9Q 5% 2aterial de las bielasC *F?2 S *6$ 2aterial del compactador principalC F*E ('&' ?ipo de cargaC 9argas pulsantes #uerza actuanteC # G (''' K Espesor de las bielasC tb G (&.) mm 3resión superficial admisible Ft H BronceC padm G I KHmm& Longitud libre de aplastamientoC L( G I' mm Longitud sometida a aplastamientoC L& G &% mm

3ara poder encontrar el diámetro mnimo necesario que estas clavijas deberán tener para no fallar durante la operación, estas se verifican por fle+ión en la clavija, por aplastamiento


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en la biela y por aplastamiento en el compactador. En la figura %.6( se aprecia como los elementos reaccionan ante la aplicación de la fuerza # G (''' K, resaltando que la verificación de aplastamiento en el compactador se analizará el punto superior del compactador, debido a que en este lugar se presenta una superposición de aplastamientos generados por la fuerza directa # 3#1 y la presión por el momento flector 321.

#igura %.6(. =nión articulada por clavijas.(( 0el cálculo completo se obtiene que el diámetro mnimo que deberán tener las clavijas es de &6.'% mm, lo cual para el diseño se asigna el valor de &% mm para asegurar que la clavija trabaje confiablemente. Feg:n el catálogo de *ceros *requipa de barras lisas, material F*E ('5%, se selecciona una barra de ( (HI< &I.%I mm1 como material base de la clavija para su posterior mecanizado. *demás, esta se acoplará a la biela con un juego de &% >)Hf), para garantizar la correcta articulación, y con un apriete de &% >)Hp$ para asegurar que la clavija se mantenga firmemente adherida al compactador principal.

>.1. C!+o & e'(2(!a!(3" de as *(eas.


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Las bielas son los elementos encargados de recibir la fuerza a trav!s de los pasadores para entregársela a las clavijas, y estas a su vez al compactador principal para poder realizar el compactado figura %.6&1, estas bielas estarán sometidas solamente a cargas de compresión debido a la operación del mecanismo seg:n la figura %.. Los parámetros iniciales para el cálculo y verificación de las bielas son los siguientesC • • • • • •

2aterial de las bielasC *F?2 S *6$ #uerza actuante por bielaC #B G (''' K Espesor de las bielasC tb G (&.) mm *ncho de las bielasC bb G 6I.( mm Longitud efectiva de las bielasC l G 66' mm 0iámetro del agujero má+imo sección B1 dag2 G &% mm

#igura %.6&. 9omponentes del mecanismo biela " manivela.

#igura %.66. Esquema de las bielas.


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Es importante mencionar que las dimensiones de la sección de la biela han sido obtenidas luego de varias iteraciones para cerciorarnos que ning:n elemento de la máquina compactadora falle. El cálculo completo se encuentra en el ane+o ), en el cual se realizan las verificaciones de pandeo en los planos +"+ e y"y, fluencia y fatiga. En el caso de la verificación de pandeo, este se desarrolló seg:n el m!todo europeo ?etmajer modificado1 seg:n el manual de ;8esistencia de 2ateriales &< del -ngeniero Aorge 8odrguez. 3ara poder calcular el factor de seguridad #F1 se emplea una e+presión empleada en el libro para el cálculo de mecanismos biela"manivela. En el caso de la verificación por fluencia, la sección crtica a analizar es la que presenta el área mnima, la cual se ubica en la unión de la biela con la clavija como se muestra en la figura %.65.  por :ltimo es verificado a la fatiga, donde se considera que la biela trabaja a cargas pulsantes debido a que solo en un breve lapso del movimiento la biela trabaja a compresión y en el tiempo restante no está sometida a carga alguna considerable. Luego de las verificaciones se obtienen los factores de seguridad a la fluencia y a la fatiga, los cuales nos indican que las bielas no fallarán durante la operación. Los datos obtenidos son presentados a continuaciónC • •

#actor de seguridad a la fluenciaC #F.fluencia G 5(.6 #actor de seguridad a la fatiga. #F.fatiga G 5(.5)


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#igura %.65. Fección crtica a analizar en las verificaciones.

>.1. C!+o & e'(2(!a!(3" de as ,a"(eas: Las manivelas son los elementos encargados de transmitir las fuerzas a las bielas figura %.6&1 a partir del torque recibido del árbol principal, estas manivelas estarán sometidas a fuerzas cortantes, fuerzas normales y momentos flectores, los cuales deben ser analizados para evitar la falla en el componente. En la figura &.6% se muestra el diagrama de cuerpo libre de la manivela, donde act:an las fuerzas de reacción ejercidas por las bielas y el momento torsor generado por el árbol principal, además se puede apreciar que la manivela cuenta con un cubo en la sección * y un agujero para el pasador en la sección B, de los cuales el más crtico es la sección * al poseer un diámetro mayor, es decir que tiene un área menos resistente. Los parámetros iniciales para el cálculo y verificación de las manivelas son los siguientesC • • • • • • •

2aterial de las manivelasC F*E ('&' #uerza de reacción ejercidas por las bielasC #B G (''' K 2omento torsor generado por el árbol principalC 2t& H & G $6 K.m 8adio de las manivelasC r G $% mm Espesor de las manivelasC tm G 6& mm *ncho de las manivelasC bm G %' mm 0iámetro del agujero en el cubo sección *1 dag G &$ mm


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#igura &.6%. Esquema de las manivelas. 0e igual forma que en el cálculo de las bielas, las dimensiones de la sección de las manivelas han sido obtenidas luego de realizar varias iteraciones para cerciorarnos que ning:n elemento de la máquina compactadora falle. En el cálculo se realizan las verificaciones de resistencia a la fluencia y resistencia a la fatiga. En la figura %.6$ se muestra el área crtica correspondiente a la sección del cubo, la cual por ser la menor será sometida a las verificaciones mencionadas. Luego de las verificaciones se obtienen los factores de seguridad a la fluencia y a la fatiga, los cuales nos dan una clara idea de que las manivelas no fallarán en la operación. Los datos obtenidos son presentados a continuaciónC • •

#actor de seguridad a la fluenciaC #F.fluencia G %(.$ #actor de seguridad a la fatiga. #F.fatiga G %).%%

#igura %.6$. Fección critica a analizar en las verificaciones.


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>.1.1- See!!(3" de ta,aBo & "G,e'o *(as ;a'a a !,a'a de !o,;a!tado. Fe emplearán billas para disminuir la fricción y favorecer el movimiento relativo lineal que el compactador realizará sobre las guas angulares para poder completar el compactado como se aprecia en la figura %.6) y %.6I. 3ara poder calcular las billas se emplea la presión de >ertz como base del cálculo, el cual indica que el área de contacto es pequeña en comparación con las superficies y los esfuerzos efectivos están dirigidos normalmente a esta área. *l comprimir una esfera sobre planos se obtiene un área con el aspecto de una circunferencia, concentrándose la presión má+ima en el centro del área.

#igura %.6). Billas en el sistema de compactado.

#igura %.6I. /ista superior derecha1 en sección de las billas.


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0e la tabla %.( se obtienen los valores de fuerza normal para cada ángulo de rotación de la manivela, además se observa que esta fuerza vara con el tiempo y su valor má+imo es de 6)).% K, lo que equivale apro+imadamente a 5' Qgf. 3or lo tanto estas billas estarán sometidas a cargas cclicas, y su tiempo de duración se determina por la resistencia a la fatiga del material a carga de contacto. En la figura %.6 se muestran los valores de resistencia a la fatiga para cada tipo de material de las billas. 3or lo tanto se emplean billas de acero cementado curva &1 con dureza de $' >89, y se obtiene un esfuerzo má+imo admisible de (I QgfHmm para una duración de KG('`) ciclos de trabajo. * continuación se procede a hallar la tensión de compresión má+ima admisible para el diseño, seg:n la figura %.5' se obtiene que dicha tensión de compresión será de '.( QgfHmm`&. 3or consiguiente se procede a calcular el n:mero de billas en contacto necesarias, seg:n la siguiente e+presión obtenida a partir de la ecuación ('' de la bibliografa ;Elementos de máquinas< del autor 0ecQerC

#igura %.6. 8esistencia a la fatiga por contacto.


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3ara el diseño se tienen los siguientes parámetros inicialesC • •

#uerza normal a soportar por las billasC #K G 5' Qgf 0iámetro de las billas a emplearC d G $ mm

3or lo tanto de la e+presión anterior, se obtieneC •

K:mero mnimo de billas a emplearC b G (5

#igura &.5'. ?ensiones má+imas admisibles en función de la tensión de compresión.


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>.1.11 See!!(3" de 'oda,(e"tos de '*o ;'("!(;a. 9omo ya se mencionó en el cálculo del árbol principal, este deberá poseer dos rodamientos de 6' mm de diámetro interior. 3ara el diseño se emplearán dos soportes de rodamientos figura %.1 en lugar de los rodamientos por s solos, debido a que estos requeriran de la fabricación de sus respectivos alojamientos. Fin embargo, para el cálculo de estos soportes de rodamiento chumaceras1 se calcularán como si fuesen rodamientos, debido a que trabajan de igual forma. 3or lo tanto en la máquina compactadora de latas se verificarán los rodamientos más simples, los cuales son los $''$"&MX para un diámetro interno de 6' mm, con la finalidad de reducir los costos de fabricación. La máquina será utilizada intermitentemente o durante cortos periodos de tiempo y los parámetros iniciales para la selección son los siguientesC • • • • • • • •

/elocidad de giro del árbol principalC n G  rpm *poyo que está sometido a las mayores cargasC *poyo 8( #uerza actuantes sobre el apoyo 8(C 8(+ G "(6(I.$ K 8(y G &%.( K #uerza resultante radial sobre el apoyo 8(C #r G (6%(.& K #uerza a+ial sobre el apoyo 8(C #a G ' K *ceite a emplearC F*E 5' eq. a un -FJ (%'1 9ontaminación del ejeC Ligera  ?emperatura de trabajoC %% 9 #iabilidadC ' @

Luego de realizar los cálculos correspondientes para su verificación seg:n el manual de F\# para carga dinámica y estática, se obtiene que la vida del rodamiento a las condiciones de trabajo será de ()$ 666 horas, los cuales superan notablemente las horas de funcionamiento que deberan tener como mnimo estas máquinas que trabajan de forma intermitente. 3or lo tanto, a partir de la verificación anterior se seleccionan los soportes de rodamiento *8 &'$" &#, los cuales siendo los más simples de la amplia gama de chumaceras, satisfacen el diseño.

>.1.1% C!+o de to'"(os.


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En este subcaptulo se analizarán las uniones atornilladas más importantes para el diseño de la máquinaD la primera a analizar es la unión entre las guas angulares con la tapa de la cámara de compactado, debido a que esta tapa debe permanecer correctamente unida a las guas ante la aplicación de la fuerza má+ima de (II' K, y la otra a analizar es la unión entre la base del resorte de compresión con el compactador principal, debido a que tambi!n esta unión soporta una carga relativamente alta cuando el compactador se encuentra en el punto final del compactado, es decir cuando el resorte ejerza su má+ima fuerza de operación. Los tornillos serán calculados seg:n el manual ;Elemento de máquinas S =niones atornilladas< del -ng. \urt 3aulsen, el cual está basado en la norma /0- &&6'.

>.1.1%.1 C!+o de a +"(3" ato'"(ada UTTH #+$as a"#+a'es 8 ta;a. Fe define unión =??, cuando dicha unión se realiza mediante tornillos con tuercas. 9omo se mencionó anteriormente, esta unión es una de las más propensas a fallar en la operación, como se aprecia en la figura &.5(, debido a que la tapa soporta la má+ima fuerza ejercida por el compactador para el aplastado de las latas. Los parámetros iniciales para el cálculo de la unión atornillada sonC • • • • • • • • •

?amaño del tornillo a verificarC ?ornillo he+agonal 2(' 2aterial del tornilloC I.I Kumero de tornillos a emplearC Kt G 5 9oeficiente de rozamiento acero"aceroC uac.ac G '.& 9oeficiente de rozamiento en los hilosC ufilete G '.( #uerza tangencialC #t G (II' K #uerza e+ternaC #e+t G ' K Longitud de placasC Lp G 5 U 6 G ) mm 0iámetro e+teriorC 0e+t G &( mm


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#igura %.5(. =nión atornillada guas angulares " tapa. 3ara realizar el cálculo de los tornillos, se procede a calcular las constantes de rigidez de las placas como la del tornillo, para posteriormente verificarlos por resistencia en los siguientes aspectosC • • •

Esfuerzos en el tornillo durante el montaje. Esfuerzos en el tornillo durante el trabajo con carga e+terior estática. Esfuerzo de aplastamiento en las superficies en contacto.

Estos cálculos son desarrollados, y nos da como resultados que el tornillo he+agonal 2(' no fallará, siendo la situación más crtica en el montaje y ajuste del tornillo.

>.1.1%.% C!+o de a +"(3" ato'"(ada UARH *ase de 'eso'te 8 !o,;a!tado'. Esta unión se le denomina =*8, debido a que presenta un agujero roscado para la unión en lugar de una tuerca. 9uando finaliza la carrera de compactado, el resorte está en su etapa de deformación má+ima, por lo que ejerce una fuerza de &'' K, la cual intentará despegar la base del resorte con el compactador figura %.5&1, es por esto que esta unión se considera importante para los cálculos. Fe consideran los siguientes parámetros iniciales para el cálculo de la uniónC • • • • • • • •

?amaño del tornillo a verificarC ?ornillo he+agonal 2% 2aterial del tornilloC I.I Kumero de tornillos a emplearC Kt G 5 9oeficiente de rozamiento acero"aceroC uac.ac G '.& 9oeficiente de rozamiento en los hilosC ufilete G '.( #uerza tangencialC #t G &'' K #uerza e+ternaC #e+t G ' K Longitud de placasC Lp G < G $.6% mm


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•

0iámetro e+teriorC

0e+t G &5 mm

#igura %.5&. =nión atornillada base del resorte " compactador. 0e igual forma que en el cálculo de tornillos anterior, se verificarán por resistencia en los siguientes aspectosC • • •

Esfuerzos en el tornillo durante el montaje. Esfuerzos en el tornillo durante el trabajo con carga e+terior estática. Esfuerzo de aplastamiento en las superficies en contacto.

Estos cálculos son desarrollados y nos da como resultados que el tornillo he+agonal 2% no fallará, siendo la situación más crtica en el montaje y ajuste del tornillo.

CAPÍTULO 6 COSTOS E INSTRUCCIÓN DE

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El presente captulo tiene por objetivo obtener el costo apro+imado para la construcción del primer prototipo de la máquina compactadora de latas. 3ara poder calcular el costo total del prototipo, este se desglosa en una serie de sub costos, los cuales nos llevan al cálculo de un costo total apro+imado. Fiendo la categorización de la siguiente maneraC • • • •

9ostos de adquisición de elementos normalizados. 9ostos de adquisición de elementos estructurales y chapas metálicas. 9ostos de adquisición de materiales para los elementos de máquina. 9ostos de maquinado y ensamble.

*s tambi!n, para conseguir los costos se detallan las siguientes consideraciones generalesC •

?odos los materiales base para la fabricación de los elementos estructurales y los elementos de máquina son fácilmente adquiribles en el mercado local, tomando como catálogos generales los brindados por *ceros *requipa y el manual de *ceros

•

Bohler para el caso de aceros especiales. Los materiales base para los elementos de maquina deberán tener una sobredimensión de al menos ( mm para su posterior mecanizado, esto se debe a

•

que cuando uno adquiere material debe eliminar la cascarilla que lo recubre. 3ara el caso de la transmisión, piñón y rueda dentada, estos han sido considerados dentro de los elementos normalizados, debido a que son comercializados de forma estándar en el mercado local. Estos al momento de ser adquiridos ya cuentan con el tratamiento t!rmico requerido en los dientes y con una boca masa, la cual será

•

maquinada para obtener las dimensiones finales de los elementos. Los costos presentados estarán calculados en base a la moneda local, nuevos soles

•

FH.1, considerándose además el tipo de cambio actual de &.). Los sub costos y costos totales incluyen el impuesto genera l a las ventas -N/1.

6.1 Costos de ad+(s(!(3" de ee,e"tos "o',a()ados. Fe consideran elementos normalizados, los componentes que son fácilmente adquiribles en el mercado local y que generalmente no necesitan de un maquinado posterior a su compra para ser ensamblados en la máquina como por ejemploC tornillos, tuercas, arandelas,


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prisioneros, chumaceras, etc. Los precios parciales de dichos elementos son listados en la tabla $.(. ?abla $.(. 3recios parciales de los elementos normalizados

6.% Costos de ad+(s(!(3" de ee,e"tos est'+!t+'aes & ;a"!Fas ,et(!as. Fe consideran elementos estructurales y planchas metálicas, los elementos que generalmente no necesitan un maquinado muy complejo. 3or lo tanto, para poder obtener los componentes finales para el ensamblado se emplearán procesos básicamente de corte,


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taladrado y soldado. ?odos los elementos estructurales empleados en el diseño de la máquina compactadora de latas son encontrados en el mercado local, siendo los manuales de selección, los catálogos de *ceros *requipa de ángulos estructurales, platinas, tubos y chapas metálicasD obteni!ndose además, en dichos catálogos, el peso lineal de los elementos estructurales para su fácil cálculo del costo parcial. Los precios parciales de dichos elementos son listados en la tabla $.&. ?abla $.&. 3recios parciales de elementos estructurales y planchas metálicas.

6. Costos de ad+(s(!(3" de ,ate'(aes ;a'a os ee,e"tos de ,+("a. Los materiales base que son adquiridos para la fabricación de los elementos de máquina, son aquellos que necesitan un posterior maquinado para poder cumplir sus funciones de manera óptima. ?eniendo como procesos el torneado, rectificado, taladrado, fresado, etc.


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Estos materiales base han sido seleccionados del catálogo de *ceros *requipa y del manual de aceros especial de Bohler. Los precios parciales de dichos elementos son listados en la tabla $.6. ?abla $.6. 3recios parciales de los elementos de máquina.

6.4 Costos de ,a+("ado & e"sa,*e. Estos costos involucran todos los procesos de maquinado de los componentes, ya sean estructurales o elementos de máquina, para su posterior ensamble en el taller mecánico. El cálculo de estos costos se obtienen de forma apro+imada considerando que dos operarios se encargarán de realizar el maquinado y el ensamblado en un lapso de apro+imadamente (( horas efectivas, considerando FH. (%.'' Kuevos Foles por hora como el costo de mano de obra y alquiler de maquinaria.

?abla $.5. 3recios parciales para el maquinado y ensamblaje.


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6.> O*te"!(3" de !ostos totaes. =na vez obtenidos los sub costos requeridos para la fabricación de la máquina, se obtiene el costo total del prototipo, el cual será de apro+imadamente FH. (&''.'' Kuevos Foles o 4 5&I. 0ólares *mericanos. ?abla $.%. Jbtención de los costos de fabricación.

CONCLUSIONES


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(. El presente diseño cumple con el objetivo principal de poder compactar las latas de aluminio a la quinta parte de su volumen inicial. 0icha condición se garantiza con las dimensiones de la cámara de compactado y del mecanismo biela"manivela. &. La máquina compactadora debido a su simplicidad y tamaño reducido podrá ser usada en pequeños negocios, centros comerciales y en centros de acopio de metales. 0icha práctica concientizará a las personas y promoverá el consumo de bebidas en latas de aluminio y el reciclaje de las mismas. 6. La máquina reducirá el volumen de las latas a la quinta parte, facilitando el transporte de las latas compactadas hacia los centros de acopio de metales para su posterior reciclaje. 5. Las consideraciones de diseño, factores geom!tricos y ergonómicos permitirán que una persona pueda operar la máquina de forma segura sin la posibilidad que la operación produzca lesión o fatiga en el operador. %. La máquina ha sido diseñada para compactar latas vacas de aluminio a una razón de  latasHminuto como mnimo debido a las consideraciones ergonómicas como velocidad y fuerza en su operación. 3or lo tanto se estara cumpliendo con lo solicitado en la lista de e+igencias de (' latasHminuto 0eseo1. $. La máquina compactadora ha sido diseñada de tal forma que sea lo más eficiente y silenciosa posible para aprovechar al má+imo la fuerza ejercida en la manija por el operador, para lo cual en todo el diseño se evitó en lo posible las p!rdidas en fricción, implementando sistemas de deslizamiento por billas y embocinados de bronce de los componentes articulados. ). La máquina compactadora posee guardas de seguridad para proteger los elementos móviles e+puestos que pudieran causar daño alguno al operador. 3or lo tanto la máquina ha sido diseñada con un nivel de seguridad suficiente, a fin de preservar la integridad de las personas que la operen. I. La máquina ha sido diseñada para que pueda fabricarse y ensamblarse en su totalidad en talleres locales, debido a que todos los componentes pueden ser fabricados yHo adquiridos fácilmente en el mercado local.

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Proyecto IngenierÃ-a del diseÃ±o 2

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