INSTITUTO SUPERIOR PEDRO P. DÍAZ MECÁNICA DE PRODUCCIÓN INVESTIGACIÓN TECNOLÓGICA
“APLICACIÓN DE UNA PRENSA HIDRÁULICA PARA FACILITAR EL TRABAJO DE AJUSTE Y DESAJUSTE, TAMBIÉN TRABAJOS QUE NECESITEN GRANDES PRESIONES EN UNOS PUNTOS PRECISOS” Proyecto de investigación presentado: Alexander Ruben Revilla Fuentes José Vitaliano Ticona Turpo Para optar la carrera profesional de mecánica de producción
AREQUIPA-PERÚ 2010
Los dedico a mis padres que me apoyaron siempre en las decisiones que tome a lo largo de mi carrera de mecánica de producción.
Agradezco a los profesores, compañeros que me ayudaron a lo largo de mi carrera profesional de mecánica de producción.
1. PREÁMBULO Durante mucho tiempo al ver que la gente trataba de hacer trabajos de ajuste y desajuste entre ejes y agujeros, pero también trabajos de grandes presiones en puntos precisos, sin dejar abolladuras pero no se podía ya que esas grandes presiones que ejercían las hacían por medio de golpes de combas o martillos.
Tanto la situación descrita de los trabajos de grandes presiones en puntos precisos no es fácil llevarlas a cabo sin tener daños en la pieza trabajada ya que los golpes siempre ocasionan daño y en el peor de los casos puede provocar que las piezas se rajen o se rompan.
En algunos talleres las personas que hacen estos trabajos de ajuste y desajustes piensan que la compra o fabricación de una maquina o herramienta que ayude este trabajo piensas, que es un gasto insulso de plata, pero sin embargo analizando todos los puntos de vista las ventajas son muy grandes como la reducción de tiempo, el esfuerzo humano, también da mejor acabado y la precisión que se ejerce en un punto especifico es mucho mas preciso.
II. Planteamiento Teórico 1. Problema de investigación
1.1. Enunciado del problema “APLICACIÓN
DE
UNA
PRENSA
HIDRÁULICA
PARA
FACILITAR EL TRABAJO DE AJUSTE Y DESAJUSTE, TAMBIÉN TRABAJOS QUE NECESITEN GRANDES PRESIONES EN UNOS PUNTOS PRECISOS” 1.2. Descripción del problema
El campo al que pertenece es las ingenierías, el área de conocimiento al que pertenece este problema es la ingeniería mecánica, y la construcción de una máquina herramienta que facilite los trabajos de ajustes y desajustes.
1.3.
Definición del problema Las
situaciones
relacionadas
y
los
inconvenientes presentados cuando se requería realizar desmontajes de ciertos elementos de máquinas surgían problemas, pues no se contaba con una herramienta apropiada para brindar mantenimiento a estos equipos, utilizándose gran cantidad de tiempo y esfuerzo al momento de efectuar el desmontaje y montaje de estas piezas.
OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES VARIABLE(S)
DEFINICIÓN
INDICADORES
La relación mecánica existente
Variable Independiente (V.E): Aplicación de la Prensa Hidráulica
DEFINICIÓN
Mecanismo conformado por vasos comunicantes
entre dos piezas que pertenecen
impulsados por pistones de diferente área que,
a
mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras
industrial, cuando una de ellas
mayores.
encaja o se acopla en la otra.
una
máquina
o
equipo
Ajuste
La separación de dos piezas que se Desajuste
encuentran
bajo
un
determinado ajuste entre ellas
VARIABLE(S)
DEFINICIÓN
INDICADORES
Variable dependiente (V.R): Facilitar el trabajo de ajuste y desajuste
Es el trabajo que se realiza cuando en una determinada pieza cuando estas dos se encuentran Acabado bajo una presión determinada.
Tiempo
Costo
DEFINICIÓN Es un proceso de fabricación empleado en la manufactura cuya finalidad es obtener una superficie con características adecuadas para la aplicación particular del producto que se está manufacturando
El Tiempo es la magnitud física con la que medimos la duración o separación de acontecimientos sujetos a cambio
Es el gasto económico que representa la fabricación de un producto o la prestación de un servicio.
Interrogantes de la Investigación 1) ¿En que consiste la fabricación de una máquina herramienta que facilite el trabajo de ajuste y desajuste, también de grandes presiones en puntos muy precisos? 2) ¿Cómo se presenta las dificultades del trabajo de ajuste y desajuste en los talleres de mantenimiento? 3) ¿Cuán eficaz es la construcción de la prensa hidráulica para los trabajos de ajuste y desajuste?
Tipo de investigación: Investigación de campo Nivel d investigación: Experimental Modalidad: Cuasi-experimental
1.4.
Justificación del problema Inspirada por razones de disminuir el esfuerzo humano y la
reducción del tiempo en los trabajos, que podría llegar a reducir en 66% el tiempo de trabajo y también dar un mucho mejor acabado a los trabajos de ajuste y desajuste de grandes presiones.
Al existir partes mecánicas, los cuales, por la clase de trabajo a que estaban sometidas, necesitaban tener ajuste entre ejes y agujeros de tipo indeterminado, resultaba escabroso el proceso de desacoplamiento de dichos elementos de máquinas, pues se lo hacía mediante golpes, previo calentamiento de las piezas esta operación puede ocasionar daños a dichas piezas e incluso puede quebrarla.
Para resolver este problema, se estudió la factibilidad de la construcción de una prensa hidráulica de tal manera que se convierta en una herramienta útil para la operación de montaje y desmontaje de dichos elementos.
2.
Marco conceptual 2.1.
DEFINICIONES CONCEPTUALES
a) Prensa Hidráulica: Es un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. Los pistones son llamados pistones de agua. Porque son hidráulicos. Estos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores En el siglo XVII, en Francia, el matemático y filósofo Blaise Pascal comenzó una investigación referente al principio mediante el cual la presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente se transmite con la misma intensidad
en
todas
direcciones.
Gracias a este principio se pueden obtener fuerzas muy grandes utilizando otras relativamente pequeñas.
b) Filtro Hidráulico: Un filtro hidráulico es el componente principal del sistema de filtración de una máquina hidráulica, de lubricación o de engrase. Estos sistemas se emplean para el control de la contaminación por partículas sólidas de origen externo y las generadas internamente por procesos de desgaste o de erosión de las superficies de la maquinaria, permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo como del fluido hidráulico.
3.
Análisis de antecedentes investigativos
Prácticamente este proyecto es mucho más complejo que otros ya que por la función adicional que cumple los puntos de presión son mucho más precisos.
CASO I:
La prensa mecánica o prensadora es una máquina que acumula energía mediante un volante de inercia y la transmite bien mecánicamente (prensa de revolución total) o neumáticamente (prensa de revolución parcial) a un troquel o matriz mediante un sistema de biela-manivela. Actualmente las prensas de revolución completa (también llamadas de embrague mecánico o de chaveta) están prohibidas por la legislación vigente en toda Europa. La norma que rige estas prensas es la EN-692:2005 transpuesta en España como UNE-EN692:2006 +A1:2009.
CONCLUSIÓN: Esta máquina consiste por medio de un sistema de manivelas y la transmisión de correas y por tal motivo no puede emitir grandes presiones como la prensa hidráulica. A demás por ser de gran tamaño abarca mucho espacio. 4. Objetivos a) Describir las funciones de la prensa hidráulica y las ventajas de que puede llegar a cabo.
b) Realizar mejores acabados y sin riesgo de que se la pieza a trabajar sufra algún daño o posible rotura. c) Establecer la eficacia en el tiempo de trabajo y la reducción del esfuerzo humana para que el taller o el área de trabajo sea mucho más eficiente que las demás. 5. Hipótesis Dado que los trabajos de ajuste y desajuste entre ejes y agujeros son muy difíciles de llevarlos a cabo ya que se necesita de una gran precisión y a la vez una gran presión para que el ensamble quede perfecto. También se trata de reducir el majen de error que existe en las piezas de ajuste. III. Planteamiento operacional 1. Técnicas e instrumentos de verificación 1.1. Técnica: Observación experimental. Especificación de la solución. A partir de estos parámetros asumidos, comienza el proceso de verificación, sometiendo nuestro diseño a un proceso de certificación mediante cálculos de ingeniería, para corroborar las medidas y evitar el colapso futuro del sistema. Para facilitar el proceso, se procede a detallar las partes constitutivas, numerándolas y asignándoles un nombre. TABLA PARTES CONSTITUTIVAS DE LA PRENSA HIDRÁULICA. Elemento Denominación
Cantidad
1
Viga transversal de soporte de cilindro hidráulico
1
2-3-4-5
Columnas de prensa hidráulica
4
6-7
Viga transversal de soporte de pieza de trabajo
2
8 - 9 - 10 - 11
Pines de apoyo
4
12
Placas laterales de cuerpo móvil
2
13
Perno de apoyo de rodamiento
2
14
Rodamiento
2
15
Placa de sujeción de cilindro
1
La justificación del diseño se describe a continuación: ANÁLISIS DE ELEMENTOS DE PRENSA HIDRÁULICA. Elemento #1 Viga transversal de soporte de cilindro hidráulico (viga I). Longitud = 1900 mm. Longitud de las alas = 300 mm. Altura = 450 mm. Espesor de las alas = 32 mm. Espesor del alma = 24 mm. Carga máxima = 1960000 N (200 toneladas). Elemento #2 - #3 - #4 - #5 Columnas de prensa hidráulica (viga I). Longitud = 2700 mm. Longitud de las alas = 300 mm. Altura = 300 mm. Espesor de viga = 20 mm. Carga máxima = 490000 N (la carga inicial se reparte entre las 4 columnas). Elemento #6 - #7 Viga transversal de soporte de pieza de trabajo (viga I).Longitud = 1500 mm. Longitud de las alas = 240 mm. Altura = 240 mm. Espesor de las alas = 38 mm. Espesor del alma = 32 mm. Carga máxima = 980000 N. Elemento #8 - #9 - #10 - #11 (ver anexo # 5). Pines de apoyo. Longitud = 300 mm. Diámetro = 80 mm. Carga máxima = 245000 N.
A continuación se presenta una tabla donde se detalla los esfuerzos y los factores de seguridad de cada uno de los elementos que conforman la prensa hidráulica TABLA ESFUERZOS Y FACTORES DE SEGURIDAD PARA ELEMENTOS DE PRENSA HIDRÁULICA Elemento
Esfuerzo
Factor
Viga transversal soporte de cilindro hidráulico
75 Mpa. (Flexión)
2.3
Viga transversal soporte de cilindro hidráulico
34 Mpa.(Cortante)
Columnas de prensa hidráulica
28 Mpa. (Tensión)
8.7
Viga transversal soporte de pieza de trabajo
199 Mpa. (Flexión)
1.24
Viga transversal soporte de pieza de trabajo
14 Mpa. (Cortante)
Pines de apoyo
24 Mpa. (Cortante)
5.1
Métodos alternativos de diseño. Cabe resaltar que con el desarrollo de la tecnología, en la actualidad, se hace uso tanto para análisis como para justificación, modelos matemáticos más desarrollados, mediante la aplicación de programas de computación.
El objetivo de este proceso es, certificar que los modelos matemáticos utilizados para el dimensionamiento de los elementos de la prensa hidráulica, son los adecuados.
El programa constituye una ayuda adicional para el diseño de elementos, pues permite simular variaciones en las condiciones de operación, hasta el caso último donde se presenta la falla del elemento. Además, otro factor clave para la adopción de esta herramienta es la rapidez de realización del cálculo. Además su utilización, permite realizar el contraste de los resultados que se obtuvieron al usar el método tradicional para diseño mecánico de elementos de máquinas, donde se utilizan las teorías de esfuerzos con el objeto de dimensionar elementos y proveer factores de seguridad adecuados para el confiable desempeño del equipo.
Simulación de desempeño de prensa hidráulica. Para el caso de la prensa manual de 200 toneladas, los resultados de la simulación del comportamiento de cada elemento, más importantes y conflictivos son los siguientes: TABLA. ESFUERZOS Y FACTORES DE SEGURIDAD PARA ELEMENTOS DE PRENSA HIDRÁULICA Elemento
Esfuerzo
Factor
Viga transversal soporte de cilindro hidráulico
130 Mpa (Flexión)
1.9
Viga transversal soporte de pieza de trabajo.
163 Mpa (Flexión)
1.5
En comparación con los valores calculados mediante los métodos tradicionales de diseño de elementos mecánicos, se encuentra, que los esfuerzos determinados por esta metodología de cálculo, difieren.. Sin embargo, en la realidad, el equipo está sobredimensionado, pues la carga utilizada para los cálculos (200 toneladas), es la máxima carga que soportará el equipo en cualquier ambiente de trabajo. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN. Implantación de la solución. En el proceso de construcción se realizan las labores de organización, planificación, dirección y control de la obra. Dentro de estas labores se efectúan o verifican tópicos tales como: disposición de recursos, materiales a utilizar en la construcción, tiempo de ejecución, requerimientos de mano de obra, evaluación de avances, retroalimentación de proceso y manejo de imprevistos.
ANÁLISIS FODA DE LA PRENSA HIDRULICA
1. FORTALEZAS Esta máquina herramienta puede ejercer una gran cantidad de presión a las piezas que tiene ajustes entre ellas para poder repararlas si es que lo requieren y a la vez al usar esta máquina herramienta de la prensa hidráulica tendría un mejor acabado los trabajos de ajuste y desajuste.
2. OPORTUNIDADES La gran cantidad de trabajos de ajuste y desajuste se realizaran mucho más rápido y menor dificultad ya que se ejerce grandes presiones con mucha precisión.
3. DEBILIDADES La debilidad seria que a la prensa le faltaría un poco mayor de presión para ciertos trabajos.
4. AMENAZAS Serian una la construcción de una prensa de mucho mayor presión que la diseñada en este proyecto.
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
1.-PRINCIPIOS DE LA HIDRÁULICA. Todas las máquinas de movimiento de tierras actuales, en mayor o menor medida, utilizan los sistemas hidráulicos para su funcionamiento; de ahí la importancia que estos tienen en la configuración de los equipos y en su funcionamiento. Un
sistema
hidráulico
constituye
un
método relativamente simple de aplicar grandes fuerzas que se pueden regular y dirigir de la forma más conveniente. Otras
de
las
características
de
los
sistemas hidráulicos son su confiabilidad y su simplicidad. Todo sistema
hidráulico
consta
de
unos
cuantos
componentes
relativamente simples y su funcionamiento es fácil de entender. Vamos
a
tratar
de
describir
algunos
principios
de
funcionamiento así como algunos componentes simples y la forma en que se combinan para formar un circuito hidráulico. Hay dos conceptos que tenemos que tener claros el de fuerza y el de presión. Fuerza es toda acción capaz de cambiar de posición un objeto, por ejemplo el peso de un cuerpo es la fuerza que ejerce, sobre el suelo, ese objeto. La presión es el resultado de dividir esa fuerza por la superficie que dicho objeto tiene en contacto con el suelo. De esto sale la formula de Presión = Fuerza/Superficie. P=F/S
De aquí podemos deducir que la Fuerza= Presión X Superficie; y
Superficie=Fuerza/Presión.
La presión se mide generalmente en Kilogramos/Cm2. La hidráulica consiste en utilizar un liquido para transmitir una fuerza de un punto a otro. Los líquidos tienen algunas características que los hacen ideales para esta función, como son las siguientes:
Incompresibilidad. (Los líquidos no se pueden comprimir)
Movimiento libre de sus moléculas. (Los líquidos se adaptan a la superficie que los contiene).
Viscosidad. (Resistencia que oponen las moléculas de los líquidos a deslizarse unas sobre otras).
Densidad. (Relación entre el peso y el volumen de un líquido). D=P/V La densidad patrón es la del agua que es 1, es decir un decímetro cúbico pesa un kilo. El principio más importante de la hidráulica es el de Pascal que
dice que la fuerza ejercida sobre un liquido se transmite en forma de presión sobre todo el volumen del líquido y en todas direcciones. Como ejemplo podemos llenar un tubo de agua y colocar dos tapones en los extremos, si golpeamos uno de ellos, el otro saldrá disparado con la misma fuerza que le hemos aplicado al primero. De la misma forma si en cada extremo del tubo colocamos dos cilindros hidráulicos iguales y empujamos uno de ellos con una determinada
fuerza, el otro se moverá en sentido contrario con la misma fuerza ejercida.
Ahora bien si el segundo de los cilindros es el doble de grande que el primero, la fuerza ejercida en el primero se multiplicará en el segundo, de forma que por ejemplo si el primero tiene una superficie de 5 Cm2 y ejercemos una fuerza de 10 Kg resulta una presión de 0,5 Kg/Cm2 que transmitida al segundo en el supuesto de que tenga 100 Cm2 de superficie X 0,5 Kg/Cm2 resultará una fuerza de 50 Kg. Por lo tanto además de poder transmitir la fuerza a cualquier punto, también podemos variar la misma cambiando la superficie sobre la que es ejercida. Generalmente la fuerza Hidráulica se consigue empujando el aceite por medio de una bomba conectada a un motor, se transmite a través de tuberías metálicas, conductos, latiguillos, etc. y se proyecta en cilindros hidráulicos, motores, etc. Un circuito hidráulico básico podría constar de un depósito de aceite, una bomba que lo impulsa, una tubería que lo transmite y un cilindro que actúa.
Componentes básicos de los circuitos hidráulicos. Los sistemas hidráulicos se componen básicamente de:
Bombas.
Tuberías.
Válvulas.
Depósitos.
Cilindros o botellas.
Motores.
Filtros. Las bombas hidráulicas en maquinaria suelen ser de tres tipos
fundamentalmente: Bombas de engranajes, bombas de paletas y bombas de pistones. Las tuberías de conducción de los circuitos hidráulicos pueden ser metálicas con tubos rígidos conformados a la medida o bien latiguillos de goma con una o varias capas de alambres de acero trenzado en su interior, dependiendo de la presión para la cual estén diseñados. Las válvulas son fundamentales en los circuitos hidráulicos, y son las que controlan los flujos de aceite para dirigirlos hacia el lugar conveniente encada momento. Cada fabricante puede denominarlas de una manera distinta, pero básicamente las funciones son similares en casi todos los circuitos hidráulicos. Podemos hablar de válvulas de carrete,
de
retención,
reductoras
de
presión,
de
seguridad,
compensadoras, pilotadas, antirretorno, moduladoras, combinadas, etc. Actualmente la tendencia general de todos los fabricantes es la
de sustituir los circuitos pilotados hidráulicamente por pilotaje electrónico que resulta mas cómodo, barato y sencillo, los circuitos son mandados por señales eléctricas y en unos pocos años la parte hidráulica de las máquinas se limitará a los circuitos principales que son
menos
propensos
a
las
averías.
Los depósitos hidráulicos pueden ser de dos tipos: Presurizados que
mantienen
durante
el
funcionamiento de la máquina una presión en su interior que favorece la descarga de aceite hacia las bombas. Depósitos con respiradero que no mantienen presión en su interior. Los cilindros o botellas pueden tener diversas formas o tener los soportes colocados de distinta manera, pero generalmente se pueden clasificar por el sistema de cierre de la tapa que varia en función de la presión que tengan que soportar. Las tapas que usan tornillos aguantan generalmente más presión que las tapas que van atornilladas directamente en la camisa. Estas últimas pueden ser atornilladas exteriormente o bien en la parte interior de la camisa. Motores hidráulicos son generalmente de pistones y caudal fijo, se utilizan generalmente para la traslación de las máquinas. Filtros hidráulicos, van generalmente en derivación con el circuito principal y suele pasar por ellos una parte de la presión de retorno, circunstancia por la cual, su eficacia en el circuito es limitada. No suelen colocarse en las líneas de presión porque necesitarían ser muy reforzados para aguantar tan altas presiones y
serian antieconómicos. En las líneas de aspiración de las bombas podrían dar lugar a restricciones que producirían cavitación acortando así drásticamente la vida útil de las mismas.
Como consecuencia de los cambios que están experimentando los circuitos hidráulicos tanto en cuanto a su configuración, (nuevos elementos electrónicos, sensores más eficaces, pasos de aceite más restringidos), como en cuanto a su tecnología, (ajustes de válvulas más pequeños, cilindros y vástagos con mecanizados más finos, menores tolerancias en general en los circuitos), cada vez es mas critica la limpieza del aceite que circula por los mismos, los mantenimientos de los circuitos hidráulicos, al contrario que en otros sistemas, se están acortando. Un circuito hidráulico en el que se produzca una avería que dé lugar
a
la
rotura
de
algún
componente,
por
sus
especiales
características, trasladará la contaminación inmediatamente a todo el resto del circuito, siendo muy probable que se tenga que desmontar y limpiar el circuito completo para solucionar el problema.
