RAE 1. Título del documento: Trabajo realizado sobre el diseño y construcción de una empacadora de cemento mortero para bolsas valvuladas; para la obtención del título de Ingeniero Mecatrónico. 2. Título: Título: Diseño y construcción de una ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada. 3. Autor: Carlos Autor: Carlos Fernando Tirado Duarte 4. Lugar: Bogotá, Colombia. 5. Fecha: Noviembre 2012. 6. Palabras claves: Ensacado, valvulada, diseño, construcción. 7. Descripción del Trabajo: El presente trabajo tiene como prioridad el diseño y la construcción física, de una ensacadora de cemento en bolsas valvuladas, para la empresa colombiana financiadora. 8. Línea de investigación: Tecnologías actuales y sociedad. 9. Fuentes consultadas: Diseño en ingeniería mecánica de SHIGLEY, Importancia del desgaste en el diseño de CHARLES LIPSON, Mecánica de materiales FERDINAND BEER, Máquinas Eléctricas, Manual de Transformadores JHONY BRICEÑO, Análisis del estado actual de silos y recipientes móviles PERALTA CEVALLOS, Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición WILLIAM D COOPER, Basis of desing and actions on structures EUROCODE 1, Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V REY GONZÁLEZ, Sistemas estructurales estructurales ITAE, Diseño de elementos de máquinas ROBERT METT, Diseño de máquinas ROBERT NORTON, Resistencia de materiales ANDREW PYTEL, Silos JUAN RAVENET, Diseño en ingeniería mecánica JOSEPH SHIGLEY, la revolución de los morteros MARIO WAGNER. 10. Contenidos: En este trabajo se realizan los análisis matemáticos de los elementos mecánicos; selecciones y consideraciones de calibración para la programación de los componentes eléctricos y de automatización, que se eligieron para llevar a cabo la construcción de la máquina ensacadora; así cumpliendo con los parámetros requeridos requeridos inicialmente. 11. Metodología: La metodología de la investigación fue mediante un enfoque empírico analítico. complementado con una previa búsqueda, selección y adecuación de los elementos necesarios para para la construcción del proyecto proyecto final. Orientados en los requerimientos empresariales se estudian las tecnologías existentes para tener un referente de comparación y así junto con los conocimientos teórico prácticos prácticos en el campo ingenieril, se diseñaron los elementos necesarios para el empacado. 12. Conclusiones: Se desarrolló el proyecto de diseño y construcción total de la ensacadora así logrando un ensacado dentro de los requerimientos establecidos de tiempo y peso, la empresa financiadora obtuvo una máquina que le permite empacar las bolsas valvuladas elaboradas para posteriormente realizar las pruebas de calidad en el empaque, verificando, tiempos de llenado, elongaciones de material, resistencias de impacto y estibamiento final.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA ENSACADORA DE CEMENTO CEMEN TO MORTERO PARA BOLSA VALVULADA
CARLOS FERNANDO TIRADO DUARTE
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ D.C 2012
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA ENSACADORA DE CEMENTO CEMEN TO MORTERO PARA BOLSA VALVULADA
CARLOS FERNANDO TIRADO DUARTE
[email protected]
Proyecto de Grado para optar al título de: Ingeniero Mecatrónico
Asesor Ingeniero Carlos H González
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ DC 2012
Nota de aceptación: _____________________________________ _______________________________ ______ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________
_____________________________________ Firma del Director
_____________________________________ Firma del Jurado
_____________________________________ Firma del Jurado
Bogotá, 12 de Diciembre del 2012
Quiero dedicar este proyecto a mis padres, Anita y Mauricio quienes con su aporte me han apoyado para culminar culminar esta etapa de mi vida. Sara Fernanda y Jenny Karina gracias por brindarle un hermoso hermoso hogar a este Ingeniero. Fernando Tirado
AGRADECIMIENTOS
Quiero dar un inmenso agradecimiento a mis señores padres por hacer todo lo posible al alcance de sus manos, para brindarme una excelente formación ética, moral y académica como pilares esenciales para emprender el camino del éxito; además de ser el punto de partida para la construcción de mi nuevo hogar.
Agradezco a mi señora esposa que ha estado en todos los cambios significativos que han ocurrido en mi corta vida de padre y esposo; gracias a Dios por brindarme la oportunidad de emprender un camino laboral y profesional con el fin de crecer cada día y poder brindarle los mejores cimientos a mi hija Sarita.
Quiero dar agradecimientos a la Universidad de San Buenaventura, al Padre Fray Fernando Garzón que fue una persona de un gran corazón, noble, y comprometido para quienes así lo necesitaban; a la planta de profesores de la facultad de Ingeniería Mecatrónica que durante el tiempo en la universidad me brindaron un conocimiento transversal y desinteresado, que sabré aprovechar en mi vida profesional.
CONTENIDO pag. CONTENIDO ...........................................................................................................7 INTRODUCCIÓN .....................................................................................................0 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................1 1.1 ANTECEDENTES .............................................................................................. 2 1.1.1 A nivel Nacional. ............................................................................................2 1.1.2 A nivel Extranjero ............................................................................................4 1.2 JUSTIFICACIÓN................................................................................................7 1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ..............................................................8 1.3.1 Objetivos General: ..........................................................................................8 1.3.2 Objetivos específicos ......................................................................................8 1.4 ALCANCES Y LIMITACIONES ..........................................................................9 1.4.1 Alcances .........................................................................................................9 1.4.2 Limitaciones ...................................................................................................9 2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................11 2.1 EMPAQUE ....................................................................................................... 11 2.1.1 Bolsa valvulada .............................................................................................11 2.2 EMPACADO POR FLUIDIFICACIÓN ..............................................................12 2.2.1 Funcionamiento de Empacado por Fluidificación..........................................13 2.3 EMPACADO POR HÉLICES ...........................................................................15
2.4 EMPACADO POR TORNILLO SINFÍN ............................................................16 2.4.1 Clasificación de tornillos sinfín. .....................................................................17 2.5 SILOS Y TOLVAS ............................................................................................20 2.5.1 Dimensiones y Geometría............................................................................20 2.5.2 Esfuerzos en Silos y Tolvas. .........................................................................21 2.6 CEMENTO MORTERO....................................................................................26 2.6.1 Densidad.......................................................................................................27 2.6.2 Ángulo de rozamiento ...................................................................................27 2.6.3 Ángulo de rozamiento interno .......................................................................27 2.6.4 Granulometría ...............................................................................................27 2.6.5 Coeficiente de rozamiento ............................................................................28 3. METODOLOGÍA ................................................................................................30 3.1 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO....................................................................30 3.1.1 Capacidad de trabajo ....................................................................................30 3.1.2 Velocidad de trabajo. ....................................................................................31 3.1.3 Peso..............................................................................................................31 3.1.4 Bolsa ............................................................................................................. 31 3.1.5 Alimentación eléctrica ...................................................................................32 3.1.6 Costos...........................................................................................................33 4. DISEÑO INGENIERIL ........................................................................................34 4.1 SELECCIÓN DE TRANSPORTADOR .............................................................34
4.1.1 Empacado por tornillo sinfín..........................................................................36 4.1.2 Pre diseño. ....................................................................................................36 4.1.2.1 Descripción del proceso .............................................................................37 4.2 DISEÑO DE COMPONENTES MECÁNICOS Y ESTRUCTURA ....................38 4.2.1 Diseño de la tolva. ........................................................................................38 4.2.1.1 Dimensiones de lá tolva .............................................................................38 4.2.1.2 Cálculo de presiones en la tolva. ...............................................................41 4.2.1.3 Material de la tolva. ....................................................................................45 4.2.1.4 Espesor de las paredes de la tolva. ...........................................................45 4.2.2 Salida prismática. .........................................................................................49 4.2.3 Peso del conjunto tolva y salida prismática..................................................50 4.2.3.1 Cálculo de peso conjunto tolva y salida prismática. ...................................51 4.2.4 Boquilla de dosificación.................................................................................53 4.2.4.1 Cálculos para el espesor de la boquilla o artesa ........................................53 4.2.5 Diseño del tornillo sinfín. ..............................................................................63 4.2.5.1 Selección de espiras y paso del transportador ..........................................63 4.2.5.3 Cálculo de Velocidad del sinfín. .................................................................65 4.2.5.4 Potencia total requerida. ............................................................................67 4.2.6 transmisión de potencia. ...............................................................................70 4.2.6.1 Cálculo y selección de poleas y bandas. ...................................................70 4.2.6.2 Diseño de ejes ...........................................................................................71 4.2.7 Selección de rodamientos y soportes. ..........................................................90 4.2.8 Soporte estructura. .......................................................................................97
4.2.8.1 Dimensiones de la estructura. ....................................................................97 4.2.8.2 Cálculo de perfiles para la estructura. ........................................................98 4.3 DISEÑO Y SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. ..................................................................................................102 4.3.1 Motor...........................................................................................................103 4.3.2 Variador de velocidad. ................................................................................104 4.3.3 Celda de carga. ...........................................................................................105 4.3.4 Indicador electrónico ...................................................................................106 4.3.5 PLC ............................................................................................................. 107 4.3.6 Gabinete de control. ....................................................................................110 4.3.7 Esquema de control para la ensacadora. ................................................... 111 4.3.8 Dispositivos del panel de control.................................................................112 4.4 PROGRAMACIÓN Y CALIBRACIÓN DE LA ENSACADORA. ......................115 4.4.1 Montaje de la celda de carga ......................................................................115 4.4.2 Calibración del visualizador electrónico ......................................................116 4.4.3 Calibración del variador de velocidad .........................................................117 4.4.4 Programación del PLC. ...............................................................................122 4.4.5 Diagrama eléctrico de conexiones ..............................................................124 4.4.6 Costo de la Ensacadora. ............................................................................. 125 4.4.7 Ensacadora Finalizada................................................................................ 125 5. CONCLUSIONES ............................................................................................127 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 129
APÉNDICES ........................................................................................................ 132 ANEXOS ..............................................................................................................177
LISTA DE ILUSTRACIONES pag. Ilustración 1. Ensacadora Hechiza .......................................................................... 3 Ilustración 2. Ensacadora de bolsa valvulada por fluidificación ..............................4 Ilustración 3. Ensacadora para bolsa valvulada por tornillo ....................................5 Ilustración 4. Ensacadora para bolsa valvulada por hélices múltiples ....................5 Ilustración 5. Bolsa valvulada ................................................................................12 Ilustración 6. Bolsa impresa con policromías .........................................................12 Ilustración 7. Funcionamiento de empacado por fluidificación ...............................14 Ilustración 8. Hélice tipo vertical.............................................................................15 Ilustración 9. Funcionamiento de empacado por Hélice ........................................16 Ilustración 10. Tornillo sinfín. .................................................................................17 Ilustración 11. Clasificación de tornillos sinfín según su paso ...............................19 Ilustración 12. Clasificación según la geometría de sus espiras ............................20 Ilustración 13. Geometrías de los silos y tolvas .....................................................21 Ilustración 14. Distribución de esfuerzos en silos y tolvas .....................................22 Ilustración 15. Distribución de las presiones en las paredes inclinadas.................25 Ilustración 16. Esquemático de bolsa empleada. ...................................................32 Ilustración 17. Pre diseño de la ensacadora. .........................................................37 Ilustración 18. Volumen pirámide truncada invertida .............................................40 Ilustración 19. Dimensiones de la tolva de almacenamiento .................................41 Ilustración 20. Dimensiones tomadas ....................................................................44
Ilustración 21. Idealización de paredes trapezoidales ............................................46 Ilustración 22. Esquemático 3d de la tolva de almacenamiento. ........................... 49 Ilustración 23. Salida prismática. ...........................................................................50 Ilustración 24. Pesos del conjunto tolva salida. .....................................................51 Ilustración 25. Esquemático de la boquilla de salida ..............................................54 Ilustración 26. Diagrama de fuerzas en la artesa ...................................................55 Ilustración 27. Diagrama de momentos en la artesa. .............................................56 Ilustración 28. Diagrama de momento flector y fuerza cortante en la artesa. ........59 Ilustración 29. Como leer código CEMA ................................................................64 Ilustración 30. Tornillo seleccionado. .....................................................................64 Ilustración 31. Esquemático del tornillo y la boquilla. .............................................65 Ilustración 32. Diagrama de fuerzas para el eje en plano XY. ...............................72 Ilustración 33. Diagramas de cortantes y momento XY. ........................................73 Ilustración 34. Diagrama de Fuerzas para el eje en plano XZ. ..............................74 Ilustración 35. Diagramas de cortantes y momento XZ. .......................................76 Ilustración 36. Esquemático general de los diámetros requeridos. ........................85 Ilustración 37. Esquemático final del eje transmisor. .............................................89 Ilustración 38. Verificación de rodamientos rígido de bolas. ..................................92 Ilustración 39. Selección de rodamientos SKF. .....................................................95 Ilustración 40. Conjunto soporte rodamiento seleccionado. ...................................96 Ilustración 41. Dimensiones de la estructura. ........................................................98 Ilustración 42. Diagrama de fuerzas y dimensiones perfil. .....................................99 Ilustración 43. Diagrama de cuerpo libre viga soporte. ........................................100
Ilustración 44. Diagrama PI&D de componentes electrónicos. ............................ 102 Ilustración 45. Motor. ...........................................................................................104 Ilustración 46. Variador de velocidad Optidrive. ................................................... 105 Ilustración 47. Celda de carga. ............................................................................106 Ilustración 48. Visualizador Electrónico. ..............................................................107 Ilustración 49. PLC (Controlador lógico programable). ........................................109 Ilustración 50. Transformador monofásico. ..........................................................110 Ilustración 51. Diagrama general del proceso de llenado ....................................112 Ilustración 52. Montaje del tablero electrónico. .................................................... 114 Ilustración 53. Montaje de la celda.......................................................................116 Ilustración 54. Gráficas de medición en el ensacado. ..........................................119 Ilustración 55. Diagrama de flujo del proceso de llenado de la bolsa valvulada. . 123 Ilustración 56. Esquemático de conexiones eléctricas. ........................................124 Ilustración 57. Ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada. ...............126
LISTA DE TABLAS
Pag. Tabla 1. Características del Mortero. .....................................................................26 Tabla 2. Propiedades de algunos materiales granulados. .....................................29 Tabla 3. Dimensiones de la bolsa valvulada. .........................................................32 Tabla 4. Selección de transportador. .....................................................................35 Tabla 5. Dimensiones de la tolva ...........................................................................41 Tabla 6. Presión normal media en las paredes de la tolva ....................................46 Tabla 7. Relación de los lados da las paredes de la tolva con bordes fijos. ..........47 Tabla 8. Datos calculados de las poleas y bandas requeridas. .............................71 Tabla 9. Dimensiones del gabinete de control. ....................................................111 Tabla 10. Elementos requeridos en el panel de control. ......................................113 Tabla 11. Parámetros iniciales del visualizador. ..................................................116 Tabla 12. Selección de velocidades en el llenado. .............................................. 120 Tabla 13. Parámetros del Variador de velocidad. ................................................121
LISTA DE APÉNDICES
APÉNDICE A. Descripción y selección del factor de seguridad. APÉNDICE B. Cálculo y obtención de los factores de potencia para tornillos sinfín transportadores según CEMA (conveyor equitment manofacture association). APÉNDICE C. Cálculo del torque necesario para transportar el material. APÉNDICE D. Cálculo y selección de poleas y bandas. APÉNDICE E. Factores modificadores en el límite de resistencia a la fatiga. APÉNDICE F. Selección de factores para rodamientos rígidos de bolas. APÉNDICE G. Dimensiones de trabajo óptimo para una persona de en pie. APÉNDICE H. Cálculos de momentos de inercia, y verificacion de perfiles.
LISTA DE ANEXOS ANEXOS 1. Propiedades del acero en lámina Hot Rolled ASTM A 36. ANEXOS 2. Diámetros comerciales de tuberías en acero inoxidable. ANEXOS 3. Propiedades de los materiales clasificación según el CEMA. ANEXOS 4. Dimensiones de poleas comerciales catálogo de Magic - Grip ANEXOS 5. Características de correas. ANEXOS 6. Resistencias a la tension y a la fluencia para algunos materiales Valores ASTM. ANEXOS 7. Características del motor. ANEXOS 8. Variador de velocidad monofásico con salida trifásica. ANEXOS 9. Celda de carga Lexus. ANEXOS 10. Características Visualizador indicador. ANEXOS 11. Características del PLC seleccionado. ANEXOS 12. Características del soporte, rodamiento. ANEXOS 13. Formato de entrega de la Ensacadora de bolsa Valvulada para cemento mortero. ANEXOS 14. Programación Ladder para el plc. ANEXOS 15. Lista de costos de la ensacadora. ANEXOS 16. Material fotográfico de la construcción de la ensacadora. ANEXOS 17. Manual de Operación y Mantenimiento.
ABREVIATURAS
Área Corriente Alterna
CAD
Diseño asistido por computador Gigapascal Caballo de Fuerza Kilogramo Perímetro. Pascal.
Radianes sobre segundo.
SAE
Society of Automotive Engineers (Sociedad de
Ingenieros Automotores).
Tonelada por hora
Toneladas Pulgadas.
AISI
Libras por pulgada. Libras. Metro Metro sobre segundo Metro cuadrado Milímetro Radianes. Revoluciones por minuto Densidad. American Iron and Steel Institute (Instituto americano
del hierro y el acero).
RESUMEN
El proyecto tiene como fin principal diseñar y construir una máquina para el empacado de material granulado (cemento mortero), en bolsas valvuladas. Esta máquina será empleada en las pruebas de control de calidad para el diseño final de las bolsas. El proyecto fue financiado y elaborado en las instalaciones de la empresa colombiana Idealpack S.A.S, empresa dedicada a la producción de empaques plásticos, entre los cuales se encuentra la bolsa valvulada. Se investigaron los diferentes tipos de maquinaria empleados en la industria nacional y extranjera al alcance de la empresa, con el fin de tener un punto de comparación y así poder brindar a los requerimientos empresariales una solución más acorde a sus necesidades. Basados en los cálculos pertinentes y la indagación teórica, se procede a realizar el diseño de la máquina ensacadora, con el fin de determinar los materiales de construcción, dimensiones, potencias de transmisión, planos de piezas mecánicas y electrónicas; adicionalmente se plantean y seleccionan los componentes para el control de peso, inicio y fin del proceso de ensacado. Establecido el diseño y la selección de los componentes se procede a la construcción y compra de mecanismos, piezas, estructuras, elementos de control y eléctricos para el montaje de la máquina, contribuyendo finalmente al ensamblaje del producto final; la máquina ensacadora de cemento mortero.
INTRODUCCIÓN
Con el fin de mejorar sus productos e implementar tecnología netamente colombiana, Idealpack S.A.S desarrolla un proyecto con el cual pretende tener mayor rentabilidad, eficacia y alcance dentro de otros mercados. Idealpack S.A.S hace parte de un consorcio de empresas dedicadas a la elaboración, empaque, importación y distribución de materiales cerámicos, dicha empresa se encarga especialmente del diseño, sellado e impresión de los empaques para la empresa cementera “PEGOMAX S.A”; compañía que hace
parte del círculo de empresas asociadas junto a Idealpack S.A.S y Maxcerámica S.A. Este círculo de empresas desarrolla sus actividades principalmente en la ciudad de Bogotá, con sede en diferentes ciudades del país; como lo son Barranquilla, Neiva, Bucaramanga y Cali, entre otras. Con el propósito de desarrollar un proyecto productivo y real en el campo Mecatrónico, se diseñará una máquina ” funcional, económica y competente hacia las demandas requeridas por la empresa; dicha máquina tendrá la función de ensacar o “empacar ” el material (pegante cerámico o cemento mortero), en bolsas valvuladas. La máquina estará enfocada hacia las demandas de la empresa Idealpack S.A.S que tomara dicha tecnología para seguir avanzando en el mejoramiento y la producción de bolsa valvulada. Además, analizando tiempos de empacado, estibamiento del material, sellado de las bolsas y posibles pérdidas del mismo a la hora del empacado. La empresa pretende abarcar nuevos clientes, ofreciendo el servicio de empaque con la presentación atractiva y demostración visual del llenado de la bolsa valvulada.
0
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La sociedad empresarial inició con la fabricación e importación de materiales cerámicos y productos para la instalación de dichos materiales, con el tiempo y la buena demanda en el mercado nacional, se hizo necesaria la implementación de una propia línea de empaque e impresión, con esta iniciativa nace Idealpack S.A.S, empresa dedicada a la elaboración e impresión del empaque; Empaque principalmente utilizado por la línea pego perfecto de Pegomax S.A. A pesar del poco tiempo que Idealpack S.A.S lleva en el mercado, pero con una gran iniciativa por el mejoramiento constante, se ha encaminado en la búsqueda de maquinaria que le permita estar a la vanguardia de la solicitud de las grandes empresas asociadas, especialmente en la mejora del empaque del producto, ya que las exigencias son rigurosas en la entrega final del empaque, y no dan cabida a errores en el sellado o a una disminución en la resistencia del material en que se hace la bolsa, inconvenientes que se han venido presentando a lo largo de su producción. En la producción de la bolsa valvulada se han venido trazando lineamientos esenciales para la buena elaboración del empaque, entre los que se aplican resistencias a la tracción, temperaturas de sellado, elongación del material, e impacto en las bolsas, entre otros. Todas estas pruebas son hechas con empaques elaborados en la planta con el fin de corregir inmediatamente algún fallo en la línea de producción, ahora la gran mayoría de estas pruebas se hace con el material empacado, ya que solo así se puede ver el desempeño real de la bolsa, este llenado en la actualidad se hace de dos maneras; una es, establecer un jornada de pruebas en la planta de la empresa solicitante del empaque, con el fin de empacar el material y así observar algún fallo posible, aunque esto genera un costo adicional debido a que si llegase a presentar fallos deberán asistir nuevamente y la producción del material empacado se verá disminuido.
1
La segunda forma, tiene como espacio las instalaciones de la empresa productora, en este caso Idealpack S.A.S y se hace de manera manual y dispendiosa ya que empacar material granulado en bolsas valvuladas requiere gran precisión y más personal para que sea eficiente. Además, evitar contaminación de las instalaciones, ya que la empresa también desempeña la labor de impresión y es estrictamente necesario mantener el lugar libre de partículas flotantes. Debido a estas razones la empresa se encuentra frente a una problemática para mejorar y disminuir los inconvenientes en el empaque de pegante cerámico en sus bolsas valvuladas. Teniendo en cuenta la problemática mencionada en el marco industrial, surge este proyecto ingenieril, en pro de una mejor calidad y productividad.
1.1 ANTECEDENTES En el empacado de materiales sólidos a granel, se emplean diversas formas, todas aquellas para satisfacer las necesidades empresariales. En el caso de las ensacadoras, la maquinaria encontrada tanto a nivel nacional como internacional varía según el principio que emplean para la dosificación de dicho material, se encuentran máquinas que utilizan transporte por bandas, tornillos sinfín, actuadores neumáticos, hélices y por fluidificación, entre otros.
1.1.1 A nivel Nacional. Como es conocido, la tecnología empleada y que aún se puede observar por estos días en las industrias cementeras nacionales, ha sido en su gran mayoría adquirida empíricamente, dicha tecnología ha sido elaborada de manera artesanal. Esta tecnología utilizada desde la manera más artesanal de empacado de solidos a granel hecha manualmente con un embudo y operarios, hasta herramientas que se fueron desarrollando al pasar de los años y que ahora podemos encontrar con muy buenas bases tecnológicas gracias a los tratados de comercialización entre países, ha sido de mucha utilidad para el gran crecimiento 2
de las empresas que se ven hoy en día; es el caso de lo observado en visitas empresariales en las cuales se utilizan herramientas mecánicas muy bien soportadas. Véase (ilustración 1). Aquí se puede observar una ensacadora hecha de manera artesanal para una empresa cementera en la localidad de Fontibón al noroccidente de Bogotá.
Ilustración 1. Ensacadora Hechiza
Fuente: Fotografía tomada en empresa cementera en la localidad de Fontibón, Bogotá, Colombia.
En esta empresa, se observó un desarrollo técnico basado en la experiencia artesanal y empírica de sus trabajadores. En diferentes empresas del sector cementero que abarcan las localidades de: Bosa, Fontibón y Usme, sectores que por su ubicación estratégica logran el acopio de materias primas con mayor facilidad evidenciando
3
un creciente
desarrollo técnico, por las buenas demandas en que se encuentra el mercado de la construcción hoy en día. Por otro lado muchas de las empresas que se pudieron observar en visitas empresariales, han tenido la opción
económica para
importar maquinaria
extranjera y rentabilizar sus procesos.
1.1.2 A nivel Extranjero. Es común estar a la vanguardia de los grandes avances tecnológicos que se llevan a cabo en distintos países debido a la mejoría de las comunicaciones, ferias empresariales, y exposiciones a las que se puede acceder con facilidad. Podemos encontrar ensacadoras de bolsa valvulada para diferentes materiales granulados,
estas son versátiles según las necesidades, precios,
dimensiones, capacidades y resistencias entre otros. En las (ilustraciones 2, 3, 4) se ven ensacadoras ofertadas por empresas dedicadas a la elaboración y diseño de este producto.
Ilustración 2. Ensacadora de bolsa valvulada por fluidificación
Fuente: EPSA México, Equipos de proceso y Soluciones en Automatización [en línea]. [Consultado 22 de febrero. 2012], http://www.epsa.mx/ensacadoras-de-bolsa-valvulada/ensacadora-a-presionde-aire-700-series.aspx
4
Ilustración 3. Ensacadora para bolsa valvulada por tornillo
Fuente: Autopack Machinery Limeted [en línea]. [Consultado 5 de diciembre. 2011], http://autopakmachinery.co.uk/espana/id3.html
Ilustración 4. Ensacadora para bolsa valvulada por hélices múltiples
Fuente: HAVER & BROECKER. Ensacado. [En línea]. [Consultado 10 septiembre.2011].www.haverbrasil.com.br/pdf/esp/ensacaderias/Ensacadoras_para_sa cos_de_valvula.pdf
5
Teniendo como base las máquinas encontradas en la indagación y con la información solicitada a los distribuidores de estas tecnologías, es notable la existencia de varios procesos para el llenado del material solido a granel en bolsas valvuladas, entre los cuales es muy común ver tornillos sinfines, hélices de tipo axial y los de más alta gama; por fluidificación. Todos estos diferentes tipos de empacado, son logrados tras años de investigación, según las condiciones y requerimientos especiales de trabajo para lograr una mejor rentabilidad; ya que algunos de estos procesos son más rápidos que otros, más silenciosos, más económicos, por nombrar algunas de sus características esenciales.
6
1.2 JUSTIFICACIÓN Con la apertura del TLC (Tratado de Libre Comercio), Colombia deberá estar en un nivel de competitividad alto, el necesario para competir con grandes industrias nacionales y extranjeras que aportaran lo mejor de sus productos hacia el mercado demandante, productos que serán calificados bajo estándares de calidad rigurosos. Idealpack S.A.S, pretende tener en sus instalaciones maquinaria que le permita fabricar una buena bolsa y conjuntamente hacer las pruebas necesarias para garantizar la fiabilidad de sus empaques. El diseño y construcción de una ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada, contribuirá finalmente, en el control de calidad del empaque distribuido por la empresa, además el alcance de nuevos mercados en la industria cementera. En la industria del empaque existen muchas variaciones día a día, ya que la tecnología varía según el producto en el que se está trabajando. Para las cementeras, industria creciente por la actual demanda dada al crecimiento excesivo del área urbana en las ciudades del país, se hace necesario mejorar los costos, tiempos de llenado, almacenamiento, y demás condiciones básicas de su producción, buscando dar una mejor rentabilidad en sus procesos y así ser competitivos. Idealpack S.A.S, empresa desarrolladora e innovadora en la industria del empaque lleva al mercado una propuesta versátil, eficiente, económica, y mejorada para el empaque de materiales sólidos a granel, de forma más atractiva. Propuesta que debe ser confiable y segura para los consumidores crecientes de este mercado. Esto se lograra siguiendo un proceso de calidad, como parte del proceso, se encuentra un método que les permite empacar, probar y promocionar el empaque valvulado, mostrando dentro de sus instalaciones el desempeño eficiente del empaque.
7
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.3.1 Objetivos General: Diseñar y construir una máquina, para el ensacado de cemento mortero en bolsa valvulada, que le permita a la empresa Idealpack S.A.S realizar pruebas de calidad en el empaque
1.3.2 Objetivos específicos
Diseñar la estructura y componentes mecánicos de la máquina capaz de llenar bolsas valvuladas.
Seleccionar y diseñar el transportador adecuado, para el ensacado en bolsas valvuladas.
Implementar un sistema de control que permita a la ensacadora una dosificación del cemento mortero de forma semi-automática, en peso y tiempo establecidos.
Implementar un sistema de visualización y programación que le permita al operario observar y cambiar los parámetros de la ensacadora para la realización de pruebas de calidad.
8
1.4 ALCANCES Y LIMITACIONES
1.4.1 Alcances
Industrialmente las ensacadoras
tienen como capacidad de trabajo un
promedio de [9 a 10 ton/h], para un material como el cemento mortero la rata de llenado aproximado es entre [10 – 30] segundos para bolsas de 25 kilogramos; la máquina será diseñada para alcanzar esta rata de llenado.
La maquinaria será diseñada pensando en una excelente durabilidad a las condiciones de trabajo establecidas.
Debido a las características físicas de las bolsas actualmente elaboras por la empresa Idealpack S.A.S, la capacidad aproximada de llenado es de 25 kilogramos de cemento mortero; La ensacadora deberá cumplir con el llenado de este tipo de bolsas de 25 kilogramos.
El error en el llenado del producto final puede generar una gran pérdida económica a la empresa productora, así las grandes empresas buscan reducir este error de peso en su producto final; La Ensacadora llenará bolsas valvuladas con un error de pesaje de más o menos el 1 % del peso final en bolsas de 25 kilogramos.
1.4.2 Limitaciones
El presupuesto del año en curso establecido por la empresa para el proyecto es de $ 10’000.000 pesos, por lo tanto el diseño y la construcción de la ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada no podrá superar este monto.
La ensacadora deberá ser construida en su totalidad en el tiempo establecido en el contrato de aprendizaje.
El ensacado en la bolsa deberá tener un operario para el inicio del ciclo y cambio de bolsa, debido a que la empresa no invertirá en una máquina
9
automática en su totalidad, ya que el propósito de la ensacadora no amerita esta automatización.
10
2. MARCO TEÓRICO A continuación se definen algunos términos importantes y describen varios tipos de empacado utilizados industrialmente para la bolsa valvulada, adicionalmente, se darán a conocer aspectos básicos y técnicos tenidos en cuenta para la elaboración de la ensacadora de bolsa valvulada.
2.1 EMPAQUE Se define empaque según la Asociación Americana de Marketing como: "Contenedor utilizado para proteger, promocionar, transportar y / o identificar un producto. El empaque puede variar de un envoltorio de plástico a una caja de acero o de madera o de tambor. Puede ser primario (que contiene el producto), secundario (que contiene uno o más paquetes primarios) o terciario (que contiene uno o más paquetes secundarios)" 1; para el caso la empresa Idealpack S.A.S; empresa desarrolladora de empaques que contiene, informa, y protegen como se plantea en su eslogan corporativo, su principal producto es el de elaborar y diseñar bolsas valvuladas.
2.1.1 Bolsa valvulada. La bolsa valvulada es un tipo de empaque industrial que debido a su diseño y elaboración permite un mejor desempeño en el empaque de materiales finos y granulados, este tipo de bolsa puede ser elaborado en Polietilenos de baja y alta densidad según sea el caso también en polipropileno; en cuanto al diseño de la bolsa está constituido de manera eficiente para que el llenado sea más rápido debido a su válvula de apertura y un mejor y eficiente estibado del producto empacado, debido a la elaboración de los fuelles laterales; adicionalmente la elaboración en este tipo de materiales da una mejor
1
(A.M.A.) De la página web http://www.marketingpower.com/_layouts/Dictionary.aspx?dLetter=P, correspondiente el sitio web de la American Marketing Association, MarketingPower.com, consultado 22 de abril 2012
11
presentación del producto empacado debido a las diferentes policromías que se pueden imprimir.
Ilustración 5. Bolsa valvulada
Fuente: Idealpack S.A.S. Bolsa Valvulada. [En línea]. [Consultado 10 Octubre.2012]. http://www.idealpack.com.co/
Ilustración 6. Bolsa impresa con policromías
Fuente: Idealpack S.A.S. Bolsa Valvulada. [En línea]. [Consultado 10 Octubre.2012]. http://www.idealpack.com.co/
2.2 EMPACADO POR FLUIDIFICACIÓN Fluidificación es el proceso en el cual a un material granulado se le implementa una cantidad de aire o fluido, haciéndolo más ligero con el propósito de mejorar su transporte; La fluidificación usualmente se utiliza para el transporte de materiales cuyas granulometrías son muy bajas, materiales encontrados en diferentes sectores tales como lo son la industria química, minera, construcción, alimentación entre otros; este tipo de tecnología es muy eficaz para el empacado de materiales 12
sensibles a los rozamientos mecánicos, ya que sufren menos rozamiento entre sus partes como puede manifestarse en transportadores de tornillos y hélices o turbinas. Este tipo de maquinaria es muy confiable ya que el desgaste en rodamientos, y equipos de transmisión son nulos debido a que carece de este tipo de componentes haciendo más eficaz su mantenimiento. Por lo contrario se pueden ver válvulas de entrada del material, válvulas de presurización y descompresión
y el sistema de corte de salida de producto, componentes
esenciales en este tipo de tecnología. De la empresa PAYPER España, podemos observar el funcionamiento natural de una máquina que empaca material granulado por medio de la fluidificación.
2.2.1 Funcionamiento de Empacado por Fluidificación. En la (ilustración 5), “se observa que la cámara (1) se llena de producto a través de la válvula de mariposa (2) en posición abierta. El producto contenido en la cámara es fluidificado por medio de aire a baja presión, el cual penetra por el fondo de la misma a través de un diseminador (3) construido a partir de un material poroso.
13
Ilustración 7. Funcionamiento de empacado por fluidificación
Fuente: PAYPER Es. Ensacado. [En línea]. [Consultado 15 septiembre.2011]. http://www.payper.es/UserFiles/File/PDF/PFG%20-%20SpAn.pdf
Al introducir un saco en la boquilla (4) se activa el inicio de ciclo. La secuencia de un ciclo completo de ensacado es la siguiente: El saco queda firmemente sujeto por la acción del mecanismo (5) sujeta-sacos. Cierre simultáneo de la válvula de mariposa (2) y válvula de manguito (6) de descompresión de la cámara. Al mismo tiempo, abren la válvula de presurización (7) y el sistema de corte de alimentación (8). El material contenido en la cámara, fluye uniformemente hacia el interior del saco. Poco antes de alcanzar el peso prefijado, el sistema de corte de alimentación (8) reduce el paso de producto para completar en alimentación fina el ciclo de pesada. Una vez alcanzado el peso requerido, el mecanismo (8) corta la alimentación, finalizando así la fase de pesada. Para limpiar restos de producto en la boquilla se inyecta aire a través de la válvula (9) durante un corto tiempo. A 14
continuación el saco es liberado quedando la máquina dispuesta para un nuevo ciclo”2.
2.3 EMPACADO POR HÉLICES En el empacado por hélice o también conocido como turbinas, es un elemento mecánico formado por un conjunto de sub-elementos llamados palas, que se encuentran incrustados de forma concéntrica alrededor de un eje y que giran alrededor de éste en un mismo plano. Su función es transmitir a través de las palas su propia energía cinética (que adquiere al girar) a un fluido, basándose en este principio, el ensacado por hélice tiene como esencialidad la velocidad y durabilidad de las palas en que se hace la hélice; con una representación gráfica en las (ilustraciones 8,9), se ve una maquina ofertada por la empresa HAVER & BROECKER donde se ve de forma transversal el funcionamiento de este tipo de tecnología empleada.
Ilustración 8. Hélice tipo vertical
Fuente: HAVER & BROECKER. Ensacado. [En línea]. [Consultado 10 septiembre.2011].www.haverbrasil.com.br/pdf/esp/ensacaderias/Ensacadoras_para_sa cos_de_valvula.pdf
2
Consultado de la empresa PAYPER España. Ensacado. [En línea]. [Consultado 16 septiembre.2011] http://www.payper.es/UserFiles/File/PDF/PFG%20-%20SpAn.pdf .
15
En la (ilustración 9), se ve un modelo completo donde el material está representado por un color magenta y describe todo el contacto que tiene con los elementos mecánicos, entre los cuales se encuentra en la parte inferior, la hélice de tipo vertical que se encargara de impulsar el material hacia la bolsa valvulada ubicada al final de la boquilla de salida.
Ilustración 9. Funcionamiento de empacado por Hélice
Fuente: HAVER & BROECKER. Ensacado. [En línea]. [Consultado 10 septiembre.2011].www.haverbrasil.com.br/pdf/esp/ensacaderias/Ensacadoras_para_sa cos_de_valvula.pdf
2.4 EMPACADO POR TORNILLO SINFÍN Mecanismo basado en el tornillo de Arquímedes. ”Si una línea recta permanece fija en un extremo, y se hace girar en el plano con una velocidad constante, hasta hacerla volver de nuevo a la posición de la que ha partido, y junto con la recta que gira, se mueve un punto sobre la recta, también a velocidad constante iniciando su movimiento desde el extremo fijo, el punto describe en el plano una espiral .” Este mecanismo es común en el ámbito nacional y extranjero, es empleada en
16
diferentes industrias, como en la industria alimenticia, cementera, de plásticos entre otros.
Ilustración 10. Tornillo sinfín.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Para el caso del tornillo sinfín, el material se introducirá por una apertura pasando así a la camisa o artesa, donde allí el tornillo sinfín transportador helicoidal, estará en constante giro haciendo que se ejerza una fuerza entre las hélices del tornillo y el material a dosificar, empujándolo constantemente a la salida de la artesa. Existe una gran variedad de tornillos sinfín para el transporte de materiales a granel y demás, los cuales varían en tamaño, espiras, material de construcción, inclinación, artesas de soporte y demás, los diseños de este tipo de tornillos están basados en el paso y la geometría de sus espiras; a continuación se enumeran algunos de los más utilizados a nivel empresarial.
2.4.1 Clasificación de tornillos sinfín. Esta clasificación se hace según su paso y geometría de las espiras, que denota de manera significativa las dimensiones de un tornillo a otro. Principalmente existen 5 clases de pasos para el diseño de un tornillo transportador, como lo son: de paso estándar ver ( Ilustración 11.a), que hace relación igualitaria entre el diámetro del tornillo y su paso, de paso corto ( Ilustración 11.b), que relaciona el diámetro del tornillo a 2/3 de su paso. De paso
17
medio ( Ilustración 11.c), que relaciona el diámetro del tornillo en ½ de su paso. De paso largo ( Ilustración 11.d), que lleva hasta
, el paso del tornillo con respecto a
su diámetro y de paso variable ( Ilustración 11.e), que consiste en un diseño especial en el cual las condiciones del material así lo dispongan, y consiste en hacer a lo largo del transporte diferentes pasos en el tornillo. Las geometrías variables de las espiras de un tornillo sinfín, denotan que el material que están transportando requiere un tratamiento adicional, al de solo ser llevado de un lado a otro. Comúnmente se observan 6 tipos de geometrías en las espiras de un tornillo, algunas son: Tornillos transportadores con espiras de tipo estándar (Ilustración 12, a), son utilizados comúnmente en todas las aplicaciones convencionales de transporte de material. Tornillos trasportadores con espiras recortadas (Ilustración 12, b), cuyo fin es el de transportar y destruir terrones que se puedan formar en el material por aglomeraciones no deseadas. Tornillos trasportadores con espiras recortadas y dobladas (Ilustración 12, c), se utilizan más para mezclar el material con el fin de corregir aglomeraciones, adicionalmente calentar o enfriar el material transportado si es necesario.
18
Ilustración 11. Clasificación de tornillos sinfín según su paso
Fuente: Pino, Eduardo Paúl. Software para Diseño de transportadores de tornillo. Trabajo de grado Ingeniero Mecánico. Guayaquil, Ecuador: Escuela Superior Politécnica del Litoral. 2005. 8 p
Tornillos trasportadores con espiras tipo cinta o ribbon (Ilustración 12, d), son tornillos para materiales viscosos y pegajosos, ya que no permiten que haya acumulación de material haciendo que estos tengan mayor movimiento en el interior de la artesa, estos tornillos también se utilizan con el fin de mezclar dos o más materiales.
19
Ilustración 12. Clasificación según la geometría de sus espiras
Fuente: Pino, Eduardo Paúl. Software para D iseño de transportadores de tornillo. Trabajo de grado Ingeniero Mecánico. Guayaquil, Ecuador: Escuela Superior Politécnica del Litoral. 2005. 11p
2.5 SILOS Y TOLVAS Un silo o tolva es un elemento mecánico rígido que tiene como principal función el almacenamiento de materiales. Para el almacenamiento de materiales granulados normalmente es una estructura que consiste en un cuerpo rectangular o cilíndrico, conectada en la parte inferior a una sección prismática o cónica que formará parte de la salida de la tolva.
2.5.1 Dimensiones y Geometría. La tolva de almacenamiento es el punto de partida donde se inicia el proceso, es el elemento mecánico que recibe la materia prima y la almacena, para a su vez ser empleada en otra de etapa del proceso.
20
Existen varias geometrías a emplear en el diseño de este tipo de elementos, de los cuales dependen varios factores tales como el material a ensilar, el tipo de flujo, el volumen requerido, el costo de construcción, el espacio requerido en su instalación, entre otros; en la siguiente ilustración se observa los tipos de estructuras comúnmente empleadas.
Ilustración 13. Geometrías de los silos y tolvas
Fuente: Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap. 19.2
2.5.2 Esfuerzos en Silos y Tolvas. El análisis de los esfuerzos en los silos y tolvas busca determinar posibles fallos en la construcción mecánica de los mismos, estos esfuerzos ejercidos por los materiales almacenados empezaron a ser tenidos en cuenta debido al resultado de varios estudios experimentales. El pionero de estos estudios realizados, fue el Doctor Janssen (1895), quien dejo un importante legado en el estudio de este fenómeno, seguido por Jenike y Johansson (1968), y posteriormente los hermanos Reimbert (1956), para cuando los señores Mahmoud (1975) y Joffriet (1977), mejoraron este legado habían un
21
creciente cambio en la informática lo cual mejora de manera significativa el análisis de estos fenómenos. a través de la simulación de elementos finitos se realiza una predicción de estas presiones soportadas por los silos de gran tamaño y almacenamiento.
Distribución de esfuerzos y presiones en silos y tolvas. Los elementos mecánicos conocidos como tolvas y silos están sometidos a una variación de esfuerzos en sus paredes, estos esfuerzos cantidades vectoriales, se pueden clasificar de la siguiente manera, Esfuerzo horizontal Esfuerzo normal
.
, Esfuerzo vertical
,
Ilustración 14. Distribución de esfuerzos en silos y tolvas
Fuente: MEGYESY, Eugene F, Pressure Vessel Handbook, United States of America, 2001, citado por Ing. Cevallos Jaime, Peralta luis, 2009
22
De la (Ilustración 14), Se puede observar los diferentes esfuerzos a los cuales se ve sometida las paredes del silo y posteriormente la tolva. El esfuerzo vertical, es la presión ejercida por el material de manera paralela a las paredes del silo, esta presión se ve atenuada por la fricción ejercida entre las placas del silo y el material. Es posible hallar estas presiones con la siguiente fórmula planteada en el Eurocódigo (1) sección 4:
[ ] Dónde:
= Es el área se la sección transversal de la pared vertical.
U= Es el perímetro interior de la paredes. Es el coeficiente de rozamiento sobre las paredes. Es la relación entre las presiones verticales y horizontales, (constante de
Janssen). Esfuerzo horizontal, es igual a la presión ejercida de manera perpendicular a las paredes del silo y es posible hallarla en cualquier altura del mismo en dependencia de las presiones verticales, según el EUROCÓDIGO (1) sección 4, se puede obtener a través de la siguiente expresión
Dónde:
23
De esta manera, si no se encuentra ningún ángulo de inclinación actuando sobre la salida del material solo existen estas presiones, pero dado que es necesario sectorizar el flujo de material inclinando a la salida del silo mediante una tolva ya sea prismática o cónica, existe un esfuerzo aplicable de manera normal a la pared inclinada de la tolva, formando un ángulo recto entre su magnitud y la superficie, esta magnitud es conocida como presión normal, Ángulo de inclinación menor a 20 º en silos esbeltos el esfuerzo normal en el fondo del silo es constante y se determina así:
Dónde:
Ángulo de inclinación mayor a 20 º las paredes de la tolva están sometidas a una presión normal y a una fuerza de fricción, ya que las paredes soportan todo el peso del material, el EUROCÓDIGO ha adoptado fórmulas halladas empíricamente mediante el estudio del flujo del material en tolvas piramidales, para el cálculo de estos esfuerzos normal y fricción, se plantea lo siguiente:
Dónde:
24
Para este caso la presión en la transición no se debe hallar, debido a que no hay transición en el paso de material por lo tanto se asume
√
Y el valor de la presión de fricción en la pared
esta dado por:
Ilustración 15. Distribución de las presiones en las paredes inclinadas
Fuente: Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap. 19.2, pág. 40
25
Es posible hallar todas estas presiones y esfuerzos generados en las paredes de la tolva de almacenamiento, pero en primer lugar es necesario hablar de las propiedades del material a ensilar.
2.6 CEMENTO MORTERO Probablemente, el uso de morteros minerales y de materiales cementantes para la construcción, es una práctica ancestral que se remonta a más de 8.000 años en la historia de la humanidad, Sumerios y babilonios desarrollaron estucos con base en conglomerantes de cal y yeso; mientras que las civilizaciones fenicia, griega y romana privilegiaron el uso de morteros puzolánicos de fragüe hidráulico. “Un
cemento mortero se considera a un mezclado de cemento, arena y un éter de celulosa, donde este último le da la propiedad de retener agua al mortero evitando el humectar previamente el utensilio cerámico por varias horas”3; esta pre mezcla es utilizada por el sector de la construcción para la instalación de cerámica y porcelanato entre otras piezas cerámicas.
Tabla 1. Características del Mortero. Densidad Aparente 1300 Kg / m3
Características comunes. Tamaño de partícula (0.435 mm – 0.075mm)
Temperatura de planta < 60 C°
Fuente: Departamento de Investigación y Desarrollo Planta P EGOMAX S.A Soacha Cundinamarca
En este caso
los datos aquí descritos son proporcionados por la empresa
Colombiana Pegomax S.A. y corresponden en su gran mayoría a la arena sílice utilizada, debido a que ésta constituye el mayor porcentaje del pegante cerámico; además por condiciones de seguridad empresarial no se suministran más datos 3
Pulido, Wilson, Evaluación a escala semi industrial de pego perfecto, porcelánico interiores - gris. Informe junta técnica Nº. /. (junio 2007)
26
específicos en este documento acerca de la composición de este pegante cerámico elaborado por tal empresa.
2.6.1 Densidad. Es la magnitud física que se refiere a la cantidad de unidad de masa contenida en la unidad de medida volumétrica. La densidad aparente como su nombre lo indica da un presunto valor de esta, debido a la adherencia de aire entre las partículas del material. Densidad de la arena de sílice 1500
2.6.2 Ángulo de rozamiento. Determinar el ángulo de rozamiento entre el producto y las paredes del almacenamiento es un proceso netamente experimental, y determina el tipo de flujo que se producirá durante el vaciado; este ángulo de rozamiento depende de dos factores importantes.
Las propiedades físicas del producto.
La rugosidad del material en el cual está construido la tolva o silo.
Para el caso de la arena de sílice componente que conforma el cemento mortero trabajado en la empresa, el ángulo de rozamiento junto a las láminas de acero está en un intervalo de (27°- 38°)4.
2.6.3 Ángulo de rozamiento interno . El ángulo de rozamiento interno de un material es el ángulo que se tiene en las partículas de ese mismo material para romper la cohesión entre sí. El ángulo de rozamiento interno del material utilizado en la empresa es en promedio de 30°5.
2.6.4 Granulometría. La granulometría es una medida en la distribución de los tamaños de las partículas en una cantidad de muestras del material a medir, esta distribución y medición está determinada por una serie de tamices reglamentados
Información suministrada por el Departamento de Investigación y Desarrollo, Planta PEGOMAX S.A Soacha, Cundinamarca 5 Ibid 4
27
por la norma
(ASTM) 6 . Esta medida está determinada por el tamaño de la
abertura de los lazos de alambre que constituyen el tamiz. La arena de sílice es seleccionada por su granulometría así: Arena de sílice seca, a un máximo de humedad del 0.5 %, y entre (-) mallas 40 A.S.T.M.E-11, (+) mallas 120 A.S.T.M.E-11.
2.6.5 Coeficiente de rozamiento. El coeficiente de rozamiento es una cantidad adimensional que se utiliza para determinar la oposición de movimiento de un material con respecto a una superficie del mismo o de otro material. Este valor del coeficiente de rozamiento es característico de cada pareja de materiales en contacto, no es una propiedad intrínseca de un solo material, depende además de muchos
factores
externos
como
lo
son: Temperatura,
acabado
entre
las superficies, velocidad relativa entre los materiales, etc. En la (tabla 2) se ven algunos materiales y su coeficiente de rozamiento.
(A.S.T.M) American
6
Society for Testing Materials 28
Tabla 2. Propiedades de algunos materiales granulados.
Fuente: Departamento de Investigación y Desarrollo, Planta PEGOMAX S.A Soacha, Cundinamarca, 2011
29
3. METODOLOGÍA
El proyecto se desarrolló mediante un enfoque empírico – analítico, complementado con una previa búsqueda, selección y adecuación de los elementos necesarios para la construcción del proyecto final. Orientados en los requerimientos empresariales se estudian las tecnologías existentes para tener un referente de comparación y así junto con los conocimientos teórico prácticos en el campo ingenieril se diseñaron los
elementos mecánicos necesarios para un
empacado por tornillo sinfín acorde al material y peticiones de Idealpack S.A.S, entre los cuales se obtuvieron el estudio de fuerzas cortantes, momentos flectores, análisis de vigas, resistencia a la fatiga en ejes,
así como también se
seleccionaron los elementos electrónicos adecuados, tales como: motores, sensores, PLC, montaje del Cofre, entre otros, dando paso a la construcción de la máquina.
3.1 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO Con el propósito de elaborar el proyecto a satisfacción de la empresa patrocinadora, se han establecido lineamientos por parte de la junta técnica realizada en el mes de noviembre del año 2011 en Idealpack S.A.S. con la asistencia del Ingeniero de Producción, Ingeniero de proyectos y desarrollo y el gerente general de la empresa. Estos lineamientos son la base para el diseño y construcción de la ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada, tales lineamientos se presentan de la siguiente manera:
3.1.1 Capacidad de trabajo. Teniendo en cuenta que esta máquina tiene como objetivo empacar en las bolsas que se elaboran en las instalaciones de Idealpack S.A.S, para verificar la fiabilidad de sus empaques, se estableció una capacidad de carga o de trabajo igual a 300 kilogramos de cemento mortero. Dando así, un espacio de trabajo aproximadamente de 12 bolsas empacadas; adicionalmente,
30
no será un elemento estorboso ni que contribuya a la contaminación del ambiente en las instalaciones.
3.1.2 Velocidad de trabajo.
Es necesario a petición de la empresa, que el
llenado se haga de manera similar a la velocidad de trabajo de los clientes actuales de la bolsa valvulada, por consiguiente el empacado de una bolsa de 25 kilogramos se hará a una rata de llenado entre; mínimo 10 segundos y máximo 30 segundos. Este es el tiempo promedio que se tarda la empresa PEGOMAX S.A en ensacar este tipo de material, “cemento mortero” en una bolsa val vulada de 25
kg7. empacado, para así 3.1.3 Peso. La máquina pesará de manera continua el empacado, determinar autónoma o manualmente el momento en que se detenga la dosificación del material, este sistema será electrónico debido a que es necesaria una visualización del peso durante todo el proceso. El peso requerido por la empresa es de 25 kilogramos de producto empacado, cuya exactitud no puede superar un valor de 500 gramos por bolsa de 25 kilogramos.
utilizada para el empaque será la elaborada por la empresa 3.1.4 Bolsa. La bolsa utilizada cuyas dimensiones se representan en la siguiente (Ilustración 16).
7
Información suministrada por el Departamento de Investigación y Desarrollo Planta PEGOMAX S.A
Soacha, Cundinamarca.
31
Ilustración 16. Esquemático de bolsa empleada.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Tabla 3. Dimensiones de la bolsa valvulada. ) Dim ens ion es (milímet ros m m Alto
555 mm
Ancho
320 mm
Fuelle
100 mm
Diámet ro de bo qu illa
75 mm
Profundid ad para boqu illa
155 mm
Fuente: Departamento de Investigación y Desarrollo, Planta Idealpack S.A.S, Bogotá, Cundinamarca, 2011.
3.1.5 Alimentación eléctrica. Una de la condiciones del proyecto es la posibilidad de traslado de la máquina de ser necesario, para ofertar el producto “bolsa valvulada” a los diferentes clientes, por esto surgió la condición de tener esta
maquinaria a la disposición de una conexión eléctrica común y de fácil acceso; de lo cual se establece que la Ensacadora será alimentada por una conexión monofásica de 110 Voltios AC corriente alterna.
32
3.1.6 Costos. El presupuesto para el proyecto no debe superar un monto de $ 10’000.000 pesos; entre los cuales está incluido la compra de materiales, la construcción de piezas, la mano de obra, e imprevistos; presupuesto planteado por la empresa contando con la disponibilidad anual empresarial para este tipo de proyectos.
33
4. DISEÑO INGENIERIL
En el siguiente capítulo se presenta el diseño y selección ingenieril de los componentes mecánicos e instrumentación electrónica, para dar cumplimiento a los objetivos propuestos en el proyecto; Proyecto encaminado al mejoramiento en los procesos de control de calidad del empaque desarrollado por la empresa Idealpack S.A.S.
4.1 SELECCIÓN DE TRANSPORTADOR En la tabla (4), se presenta una ponderación de selección para los diferentes tipos de transporte utilizados en este tipo de maquinaria; donde cabe rescatar los aspectos a tomar en cuenta para la selección ya que son de vital importancia en el empacado de material estos aspectos son:
Exactitud: Para la empresa Idealpack S.A.S, este concepto es de importancia alta, ya que en el proceso de calidad de la la bolsa valvulada valvulada se tiene como factor a cuantificar cuantificar el desperdicio de material material en el empaque, ahora, si la ensacadora genera un error de pesaje no admisible no contribuirá al mejoramiento en la calidad, por lo contrario generara un inconveniente adicional en la medición; por tal motivo se expresa que este valor es de importancia alta en la máquina.
Velocidad: Este factor a considerar es esencial en las ensacadoras cuales quiera que sea, es el valor por el cual se mide la productividad de la máquina, ya que para una empresa productora entre más producto sea empacado mayor es su eficiencia, no obstante, el proyecto realizado realizado tiene otro propósito que no es el de generar una producción industrial de bolsas empacadas, pero es un factor importante para dar fiabilidad al proceso de llenado simulando un empacado eficiente en bolsa valvulada.
34
Adicionalmente se consideraron aspectos importantes en su elaboración tales como:
Montaje: Basado básicamente en la complejidad de las partes del transportador este factor tiene una importancia media, considerando tecnologías que describen un montaje y condiciones de operación especificas; ya que la empresa requiere una máquina de fácil traslado y funcionamiento simple pero eficaz.
Costo: Un aspecto no menos importante que los mencionados, aclarando que la empresa correrá con los costos necesarios para el diseño, compra de elementos, y montaje de la máquina se han fijado unos recursos económicos limitados para el proyecto mencionados en la …sección 3.1...
Tabla 4. Selección de transportador. CONVENSIONES: 1.
Calificación de menor peso; 3. Calificación 3. Calificación de peso intermedio; 5. Calificación de mayor peso
Transporte
Exactitud
Velocidad
Montaje
Costo
Total
30%
20%
20%
30%
100%
Tornillo
4
3.5
4
4.5
4.05
Hélice
4
5
4
4
4.2
Fluidificación
5
5
3
2.5
3.85
Fuente: Elaboración propia, del autor.
35
Teniendo en cuenta los anteriores criterios ponderados se puede concluir que para el empacado del material a considerar es más eficiente y una mejor alternativa el empacado por hélice, mas sin embargo la experiencia de trabajo de la empresa presenta a continuación los factores que requieren tomar una alternativa diferente.
4.1.1 Empacado por tornillo sinfín. La experiencia de una de las empresas asociadas Pegomax S.A, que lleva aproximadamente 10 años en la industria del pegante cerámico y quien conoce muy bien el empacado de material a granel, ofrece el punto de partida para trabajar con un empaque por tornillo sinfín, justificando en primera instancia el costo de este en comparación de nuevas tecnologías como lo son el de fluidificación. Adicionalmente, describe que en el proceso de llenado por hélices o paletas para el empaque que la empresa está desarrollando no es el conveniente, debido a que este mecanismo almacena mucho aire y como la bolsa no requiere un sellado posterior conllevaría a la utilización de escapes adicionales de aire en el empaque plástico; actualmente el diseño de la bolsa está previsto para que junto con una solapa el selle se realice de manera satisfactoria produciendo el menor escape posible sin sellar la válvula de entrada; con un empacado de hélices el aire almacenado en el interior de la bolsa es mayor que el de un empaque por tornillo sinfín en el empaque de Idealpack S.A.S, por tal motivo se toma la decisión de diseñar y construir la ensacadora con un transportador de tornillo sinfín para el empacado en bolsa valvulada quien es el segundo mejor ponderado expresado en la anterior tabla, véase (Tabla 4).
4.1.2 Pre diseño. En base a los requerimientos de diseño se presenta un prototipo el cual durante todo el proceso de llenado abarca los lineamientos establecidos previamente. Se muestra en la (Ilustración 17), un diseño de la ensacadora que estará en la capacidad de cumplir con un almacenamiento de material mínimo, una velocidad
36
de trabajo, un pesaje del producto y la dosificación de material en bolsas valvuladas.
Ilustración 17. Pre diseño de la ensacadora.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.1.2.1 Descripción del proceso.
En la (Ilustración 17), donde se puede
observar el prototipo de la ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada, se describe el proceso a seguir por la máquina de la siguiente manera: El proceso de llenado en la ensacadora inicia con el almacenamiento manual del material en la tolva de almacenamiento cuya capacidad máxima es de 300 kg, una vez el material este almacenado en la tolva (1), este deslizara por acción de gravedad a una salida prismática donde se acoge un tornillo sinfín transportador helicoidal (2), a través de la transmisión de potencia (3) y por medio de una botonera de control se dará comienzo al llenado de la bolsa, llenado que estará condicionado a la velocidad de giro del motor (4), una vez el material este en
37
movimiento por la acción del transportador se llevara al interior de la bolsa a través de una boquilla de llenado (5), allí el operario de forma manual deberá ubicar la bolsa valvulada con anterioridad; el material caerá al interior de la bolsa ejerciendo una fuerza sobre la plataforma de pesaje que censará electrónicamente el cambio de peso a lo largo de la dosificación hasta que cumpla con el peso acordado.
4.2 DISEÑO DE COMPONENTES MECÁNICOS Y ESTRUCTURA A continuación se detallan los cálculos matemáticos a considerar para el diseño mecánico y estructural de la máquina, de los elementos tales como: Tolva de almacenamiento y salida prismática, boquilla de llenado, tornillo sinfín, trasmisión, y estructura.
4.2.1 Diseño de la tolva. Para el diseñador es vital dar comienzo al diseño ingenieril por el punto de partida inicial del proceso, ya que esto le puede asegurar el control y conocimiento de variables que van a ser esenciales en el diseño de elementos posteriores; en este caso, el estudio y diseño de la tolva de almacenamiento dará como resultado el cálculo de presiones, esfuerzos y momentos, causados por el peso del material y la geometría de la tolva, esto con el fin de determinar el material de construcción para la tolva, las dimensiones, y espesor para su elaboración. Adicionalmente estos cálculos servirán como punto de partida para el diseño del tornillo sinfín, también contribuirá en el diseño final del soporte que constituirá la estructura mecánica de la máquina.
4.2.1.1 Dimensiones de lá tolva. La tolva cumplirá con la necesidad de almacenar cemento mortero de una densidad aparente de 1300 kg/ m3. Además el volumen que tendrá este elemento mecánico por sugerencia de la empresa, será el necesario para almacenar en promedio 300 kilogramos de este producto; la tolva cumplirá con las condiciones de fácil traslado, económica, resistente, y de no ser engorrosa en su almacenamiento.
38
La densidad aparente del material a dosificar
, y se sabe que el
volumen se describe de la siguiente ecuación:
Entonces:
Este es el volumen necesario para almacenar 300 kg del material. Se escoge una geometría en forma piramidal truncada invertida, porque dados los requerimientos se ajusta más a las peticiones mencionadas, si es cierto que los silos y tolvas de forma cilíndrica son más eficientes que los de tipo prismático 8 en cuanto su flujo estos son más frágiles, su elaboración es más engorrosa, y su costo es más elevado, en comparación a uno prismático para estos volúmenes. Para una pirámide truncada invertida, la ecuación de volumen almacenado esta descrita por:
Se toman estas medidas en los lados de la tolva pensando en que sea de fácil traslado, 1 metro y 0.5 metros respectivamente. De lo cual
8
= al área de la parte superior =
Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto tecnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap 19.2,
pág 32
39
= al área de la parte inferior =
Ilustración 18. Volumen pirámide truncada invertida
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Con los anteriores resultados se puede determinar la altura necesaria para el volumen requerido.
40
Ilustración 19. Dimensiones de la tolva de almacenamiento
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Tabla 5. Dimensiones de la tolva DIMENSIONES (mm) BASE SUPERIOR
1000 mm * 500 mm
BASE INFERIOR
240 mm * 150mm
ALTURA
1000 mm
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.2.1.2 Cálculo de presiones en la tolva. Para el cálculo de estas presiones se utiliza como referencia los datos suministrados por la empresa, acerca de la arena sílice que se utiliza para la elaboración del cemento mortero ya que esta es el material de mayor porcentaje. Densidad aparente del material:
Dimensiones de la tolva: Superior (1000 mm) X (500 mm); Inferior (240) X (150); Altura (1000mm).
41
Ángulo de rozamiento (
): (27º – 38 º)
Ángulo de rozamiento interno l ( ): 30 º.
Gravedad;
Coeficiente de rozamiento
: 0.4
Se procede a determinar la constante de Janssen ( ), para poder determinar los esfuerzos en las paredes de la tolva.
Presiones verticales:
Conversión:
[ ] [ ]
42
Presión horizontal:
Presión normal:
En este caso como la tolva tiene una sección rectangular, tomaremos las paredes de mayor área para efectos de cálculos.
43
Ilustración 20. Dimensiones tomadas
Fuente: Elaboración propia, del autor.
√ √ 44
4.2.1.3 Material de la tolva. El material para la construcción de la tolva debe ser un material resistente, económico, asequible para dar fiabilidad en el proceso. El material seleccionado es una Lámina HR (Hot Rolled) - ASTM – A36, cuyas propiedades se pueden observar en el…Anexo (1)…Cualidades que describen los esfuerzos últimos, resistencias y composición en general. la 4.2.1.4 Espesor de las paredes de la tolva. Para el cálculo del espesor de la lámina se hallan los momentos generados por el peso del material sobre las paredes, y junto a las características del acero seleccionado se calcula un espesor mínimo necesario para soportar dichas fuerzas.
Momento flector máximo. Es necesario conocer el momento flector máximo al cual se ven sometidas las placas de la tolva, en este caso la placa de mayor dimensión en donde se presentara el mayor momento; el momento flector máximo está dado por la siguiente expresión:
9
Dónde:
Son las dimensiones más corta y más larga de la pared de la tolva
respectivamente. Es la presión Normal media
Es la relación de lados tabulados experimentalmente ver (tabla 7).
La expresión planteada anteriormente para la solución del momento flector máximo, está basada en la aproximación idealizada de la lámina de la tolva en forma trapezoidal que la conforma, de esta manera se plantea una idealización rectangular de esta lámina.
Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto tecnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap 19.2, pág 45 9
45
Tabla 6. Presión normal media en las paredes de la tolva
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Idealización presente en el EUROCODIGO (1) sección 4, Ver (Ilustración 21) y a continuación las ecuaciones descritas.
Ilustración 21. Idealización de paredes trapezoidales
Fuente: Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap. 19.2, pág. 45
46
Entonces:
Tabla 7. Relación de los lados da las paredes de la tolva con bordes fijos.
Fuente: Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap. 19.2, pág. 45
Se halla el momento:
Cálculo de espesor. El cálculo del espesor de las láminas de la tolva estará dado por la lámina de mayor dimensión como ya se había mencionado, dado que los esfuerzos están condicionados por el área en el que se aplica la fuerza, ahora de los datos anteriores conocemos el momento ejercido sobre las láminas del acero escogido para su construcción.
47
El espesor está dado por la siguiente formula:
Dónde:
Es el espesor a calcular Resistencia a la flexión del material
Esta última resulta de la multiplicación de la resistencia a la tracción (
) ver
(Anexo 1), multiplicada por el factor de seguridad según considere el diseño véase… Apéndice A… El factor de seguridad empleado para este análisis será de
3, debido a que el análisis está basado en el diseño descrito y trabajado por el ITAE, adicionalmente el análisis se elaboró con sistemas aproximados a las condiciones reales.
Entonces el espesor calculado es de:
48
Para este caso se escoge una lámina de espesor 1/8 “= 3.175 mm; ya que es una lámina económica y muy comercial, además con el resultado anterior se está asegurando que no va sufrir debido a los esfuerzos ejercidos por el material.
Ilustración 22. Esquemático 3d de la tolva de almacenamiento.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.2.2 Salida prismática. Esta salida además de conformar una extensión de la tolva de almacenamiento, es la transición entre el almacenamiento y el transporte del material hacia la boquilla de salida. Este mecanismo se construirá en el mismo material de la tolva de almacenamiento, ya que sus dimensiones (mm) son pequeñas en comparación del anterior, y no sufrirá sobrepresiones. La construcción de esta, se hace con el fin de acoplar una boquilla de dosificación para la bolsa valvulada.
49
Ilustración 23. Salida prismática.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.2.3 Peso del conjunto tolva y salida prismática. Para el cálculo se soportó en el programa de Diseño asistido por computador (CAD), Solid-Edge versión st3, con el fin de simular un peso del conjunto constituido por la tolva de almacenamiento y salida prismática. De lo cual se obtuvo el siguiente resultado.
50
Ilustración 24. Pesos del conjunto tolva salida .
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Peso del conjunto de la tolva y salida prismática: 53.664 Kg.
4.2.3.1 Cálculo de peso conjunto tolva y salida prismática. De lo cual geométricamente dividimos las paredes de la tolva para poder calcular el área total de la estructura y así determinar el peso que esta tendrá: En la (Ilustración 19), se puede observar las dimensiones de la tolva de recepción del material. Dónde:
51
Entonces:
( ) ()
Sabemos que:
10
Flanches:
En la (Ilustración 23), se puede observar las dimensiones de la salida prismática donde:
10
Diseño de Maquinaria, Robert L Norton, Cuarta edición, Tabla B-1, Propiedades Físicas de algunos materiales de ingeniería, Apéndice B.
52
Peso total del conjunto tolva salida prismática
De lo anterior se establece que el peso hallado matemáticamente, y el hallado mediante (CAD) son cercanos brindando fiabilidad en el resultado. El peso que se utilizará posteriormente en cálculos de diseño será el mayor = 53.66 kg.
4.2.4 Boquilla de dosificación. Este es el elemento por el cual el material sale de la máquina hacia el empaque (bolsa valvulada), el operario de manera manual pondrá la bolsa de tal manera logrando
que la boquilla se introduzca entre la bolsa
así, que el material se dosifique por cada giro del tornillo sinfín;
adicionalmente este elemento sirve de protección para el operario, ya que evitara que este tenga contacto directo con el sinfín y se produzca un accidente.
4.2.4.1 Cálculos para el espesor de la boquilla o artesa . De los requerimientos de diseño…sección 3.1.4… el diámetro máximo de la boquilla no debe superar los
0.075 m, y la longitud mínima de boquilla debe ser 0.15 m; entonces el diseño de este elemento básicamente está enfocado en las dimensiones requeridas para soportar el trabajo ejercido por el transporte del material, se tienen en cuenta los esfuerzos involucrados para determinar un mínimo de espesor.
53
Ilustración 25. Esquemático de la boquilla de salida
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Dónde:
Dónde:
Sabiendo la cantidad de masa que este podrá abarcar en su interior se puede determinar la carga distribuida ejercida en las paredes:
54
Esta es la carga ejercida a través de los 0,4 m de distancia de la artesa. Para efectos de cálculos en flexión, cortante y desgaste consideramos la artesa como una viga uniforme sobre la cual actúan las siguientes fuerzas:
Ilustración 26. Diagrama de fuerzas en la artesa
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Teniendo en cuenta que se trata de una viga estáticamente indeterminada, Se utiliza el teorema de momento del área 11 teniendo en cuenta: a).Una viga con la carga y apoyada. b).La viga igualmente apoyada con los momentos correspondientes. Considerando en cuerpo libre de la viga bajo carga distribuida w se determina las reacciones correspondientes en A, B:
11
Ferdinand B, E. Russell, John T, Mecánica De Materiales, Mc Graw Hill, Cuarta Edición, Cap. 9
55
( ) ∫
Con el diagrama de momento combinado
Ilustración 27. Diagrama de momentos en la artesa.
Fuente: Mecánica de Materiales, Ferdinand P Beer, 4ª Edición, página 587
Dónde:
( ) Se Resuelve:
56
Con los datos obtenidos se produce a dibujar los diagramas de fuerza cortante y momento flector.
Véase (Ilustración 28). Y haciendo un análisis por cortante
flexión y desgaste se determina el espesor mínimo a utilizar.
Por cortante se tiene que:
Dónde:
57
El esfuerzo cortante máximo permisible está dado por:
Dónde:
.
Para este caso se tendrá en cuenta el Acero estructural A36 Ver (Anexos1). Dónde:
Por lo tanto:
Remplazando:
58
Ilustración 28. Diagrama de momento flector y fuerza cortante en la artesa.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Por flexión
El esfuerzo máximo de flexión permisible está dado por:
Entonces:
59
Dónde:
Por desgaste. Se describe de la siguiente ecuación.
12
12
Lipson Charles Ph.D, Importancia del desgaste en el diseño, Facultad de ingeniería mecánica, Universidad de Michigan, EUA, Cap. 2.
60
Dónde:
13
Se sugiere una vida útil de aproximada de 10.000 horas entonces: Un ciclo de trabajo para esta operación es:
Dónde:
13
Ibíd 61
Entonces:
Remplazando:
El espesor de la artesa sugerido mínimo es de:
De lo anterior se tiene que el espesor mínimo para la boquilla de dosificación es 0.22 mm, por consiguiente se procede a seleccionar un elemento comercial y práctico con la confianza de que no fallará debido a los esfuerzos requeridos. Adicionalmente por motivos de seguridad industrial se selecciona este elemento que estará en contacto permanente con el operario; se escoge un tubo en acero inoxidable de 2 ½” de diámetro nominal, célula 40; del catálogo de la Española & CIA LTDA14, almacén local véase (anexos 2).
14
Ferretería La Española & CIA, LTDA. Bogotá Colombia.
62
4.2.5
Diseño del tornillo sinfín.
A partir de los estudios realizados y
documentados a través de años de experiencia, el CEMA (Conveyor Equitment Manofacture Association ), Asociación Americana de Equipos para el Manejo de
Materiales, ha delineado la información técnica necesaria para el diseño de estos elementos. Este diseño está basado en la información suministrada por esta asociación, editada y distribuida a través del catálogo de Martin Screw Conveyor Sección H. El buen diseño de este elemento establecerá un buen funcionamiento de la ensacadora ya que se podría decir que el tornillo es el corazón de la máquina, debido a que de este diseño no solo surgen los elementos necesarios para su elaboración sino adicionalmente se determina la potencia requerida en el motor, la transmisión y las dimensiones de eje, entre otros: estos datos se utilizarán para la selección y elaboración de elementos posteriores. Para el cálculo del tornillo sinfín en este caso, se tomaran como punto de partida los
requerimientos de diseño planteados anteriormente…sección 3.1…. Se
elaboró el diseño y selección de espiras de transportador, paso de tornillo, potencia requerida, velocidad de trabajo y capacidad máxima.
4.2.5.1 Selección de espiras y paso del transportador . Esta selección se hace de acuerdo a las propiedades intrínsecas del material como los son; densidad, granulometría, abrasividad, fluidez entre otros. Para hacer más fácil la selección del tipo de espiras del tornillo que se utilizara según sea el caso; el CEMA clasificó y codificó estas características (ver anexos 3) de algunos materiales, donde el código para el material a es B6-35Q. Ver (Ilustración 29), donde se describe el modo de leer esta codificación.
63
Ilustración 29. Como leer código CEMA
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Sección H, pág. H 7
De acuerdo a lo anterior el material se describe como un material de fluidez media, abrasivo y con un tamaño de partículas finas, que para el transporte de este tipo de materiales sin ninguna otra consideración adicional como;
fluidificarlo,
mezclarlo, particionarlo de terrones o elevación; es conveniente utilizar un tornillo sinfín de espiras tipo estándar y paso largo . Véase (Ilustración 30).
Ilustración 30. Tornillo seleccionado.
Fuente: Pino, Eduardo Paúl. Software para Diseño de transportadores de tornillo. Trabajo de grado Ingeniero Mecánico. Guayaquil, Ecuador: Escuela Superior Politécnica del Litoral. 2005. 11p
64
4.2.5.2 Diámetro del tornillo sinfín . Normalmente es uno de los parámetros calculados en el diseño de estos trasportadores, no obstante para este caso se tiene la limitante de la boquilla de dosificación; en la…sección 4.2.4…se seleccionó y calculó las medidas para este elemento, ya que el tornillo estará acogido por la boquilla este debe tener un diámetro menor a 67 mm, por lo cual se escoge un diámetro de tornillo de 62 mm dando así un margen de trabajo de más o menos 5 mm para efectos de flexión o choques entre con las paredes de la artesa.
Ilustración 31. Esquemático del tornillo y la boquilla.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.2.5.3 Cálculo de Velocidad del sinfín. El cálculo de velocidad se hace a través de los parámetros requeridos en este caso se hace un estimado del parámetro descrito en la…sección 3.1.2… donde se plantea una rata de llenado entre [10 s -
30 s]; siendo 10 s el caso más extremo; por lo tanto:
En una hora de trabajo sin interrupciones, se describe una capacidad máxima de:
65
Entonces de la siguiente expresión se tiene que:
15
Dónde:
Paso del transportador: Remplazando:
Para el caso de inclinación como no será material transportado con ángulo de inclinación este factor lo tomamos como 1. Se resuelve:
15
Manual del Ingeniero Químico, Robert H, Perry, Cecil H, Chilton, McGraw-Hill.
66
Se despeja la incógnita (n), velocidad requerida.
Es el valor de la velocidad mínima para transportar la capacidad máxima requerida; el aproximado en valores comerciales es de 1200 rpm.
4.2.5.4 Potencia total requerida. La potencia total para el transporte del material encontrado en la tolva de almacenamiento hasta la bolsa valvulada se hace a través de la suma de otras potencias previstas tales como: potencia al vacío, potencia
en
inclinación
y
potencia
requerida
en
superficies
planas.
Adicionalmente, para saber con certeza el trabajo por unidad de tiempo necesario para tal transporte, se necesitan tener en cuenta otros factores adicionales como se muestran a continuación:
.
Entonces:
Dónde:
67
Para el cálculo de estas potencias en necesario saber los factores requeridos y tabulados en la sección H del catálogo de Martin Screw conveyor , en el… Apéndices B… se observan los cálculos de los siguientes factores:
.
.
Convenciones al sistema de unidades Ingles:
Remplazamos los factores anteriormente hallados.
68
Ahora para determinar el factor de sobrecarga sugerido para motores debajo de 4,5 Hp este caso, se halla el factor de sobre carga véase…Apéndice B (tabla B 5)... Entonces:
La potencia requerida para transportar esa capacidad de material desde de la tolva de almacenamiento a la boquilla de salida y con ese rata de llenado, es de 1.0123 Hp.
Torque. Para determinar el torque empleado. Sabemos que:
16
Conversión:
16
Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H, pág H 25.
69
De lo anterior se concluye que este es el torque necesario para generar la rotación en el eje con las condiciones pre establecidas por el CEMA. Sin embargo se hace un análisis de fuerzas con diagramas de cuerpo libre para corroborar este valor, encontrando así una gran similitud entre los datos, dando por consiguiente que el valor utilizado será el mayor para efectos de cálculos posteriores (6.35 ver…Apéndices C…
4.2.6 transmisión de potencia.
)
Se realiza el cálculo necesario para la
transmisión de potencia, con el fin de generar en el tornillo la fuerza necesaria para poder trasportar el material a la boquilla de dosificación. Se emplea una transmisión por polea y banda. La polea es uno de los transmisores de potencias más conocidos por la gran facilidad de montaje, economía, y gran implementación en el campo industrial, adicionalmente su eficiencia para tales efectos es buena ya que no se requiere una transmisión de gran envergadura.
4.2.6.1 Cálculo y selección de poleas y bandas. El objetivo de calcular la trasmisión por bandas y poleas es la obtención de los parámetros geométricos básicos como: diámetros de las poleas, distancias entre centros de poleas, longitudes normalizadas de la banda, tipos de sección y cantidad de bandas a emplear. El los cálculos empleados ver…Apéndice D… se procede a determinar por el método de potencia útil las características de diseño de la banda y poleas a emplear:
70
Tabla 8. Datos calculados de las poleas y bandas requeridas. Nº
Elemento
Descripción
1
Relación de reducción
1.5
2
Diámetro de polea motriz Diámetro de polea transportada Distancia entre centros
0.08 m
3 4 5 6
Sección de bandas Longitud de banda Tamaño estandarizado de banda 7 Angulo de contacto con poleas
Observaciones Relación para obtener la velocidad requerida en el transportador Diámetros nominales
0.12 m 0.4 m Tipo A 1.105 m
Aproximado dependiente de la tensión. Trapezoidal
A 42 174.26º
8
Potencia de transmisión por banda con corrección.
1.683 Hp
9
Reacciones banda tensa banda floja
7.62N 36.17 N
Potencia requerida para el tornillo, de ser conveniente trasmitir la potencia total del motor se emplean dos bandas. Reacciones ejercidas por la correa, en el lado tenso y en lado flojo de la misma
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.2.6.2 Diseño de ejes. Se diseña este elemento con el fin de prever posibles daños en el transportador por sobrecarga de trabajo; este diseño se basa en el análisis de fallos por carga estática, por rigidez, y por fatiga, así dando un estimado del diámetro mínimo que debe considerarse para la construcción de este. Se procede a elaborar los diagramas de fuerzas y cálculo de las reacciones que actúan en el eje.
71
Ilustración 32. Diagrama de fuerzas para el eje en plano XY.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Dónde: Véase Apéndice C.
Ver (Anexos 4,5), peso de la polea.
∑ ∑ () 72
Remplazando:
∑ () Ilustración 33. Diagramas de cortantes y momento XY.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
73
Ilustración 34. Diagrama de Fuerzas para el eje en plano XZ.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Dónde: Fuerza ejercida por el peso del material contenido.
74
Fuerza ejercida por la presión vertical.
Véase…sección 4.2.1.2... Presión vertical.
∑ ∑
75
Ilustración 35. Diagramas de cortantes y momento XZ.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Una vez hallada las reacciones y consolidado el diagrama de fuerzas,
se
determinan los diámetros tentativos necesarios por cada uno de los aspectos a evaluar.
Por Carga estática: Plano XZ Dónde:
76
.
17
Remplazando:
Se selección aun acero AISI 1040…Véase (Anexo 6)... para poder determinar un diámetro inicial reconfirmado por los siguientes criterios.
Torque máximo entrego al sistema:
17
TECM (Teoría del esfuerzo cortante máximo).
77
Dónde:
.
.
Remplazando:
Para la sección que se encuentra al cantiléver:
Remplazando:
78
Por rigidez se tiene:
Plano XZ, Ecuaciones de singularidad:
〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉
Se halla la constante de integración; remplazando (x) para cuando el ángulo de deflexión sea cero, entonces se toma un valor de distancia en los rodamientos
〈〉 〈〉 〈 〉 〈〉 donde
Ahora se procede a verificar si los diámetros anteriormente hallados por carga estática no fallan. En la distancia.
Con;
79
〈 〈 〉〉 〈 〈 〉〉〈 〈 〉〉〈 〈 〉〉
Entonces se sabe que:
Dónde:
Remplazando:
Se procede a evaluar la deformación angular que en el caso los soportes por rodamientos se establece una deformación recomendable no superior a
no mayor a 0. 3º, para el caso de superar este valor se considera que el diámetro hallado anteriormente debe ser recalculado.
En la distancia.
80
Con; d=
Cómo:
.
〈〉
Entonces se recalcula el diámetro de esta sección.
〈〉 Para el extremo del eje donde se encuentra cantiléver se calcula la deflexión cuando:
En la distancia.
〈〉 〈〉 〉 〈 〈〉
Con;
81
〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 Esta es la deflexión sufrida en el extremo del eje al cantiléver; mas sin embargo se recalcula el diámetro con un eje de dimensiones más comercial y disminuyendo esta deflexión. En la distancia.
〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 Con;
De los cálculos obtenidos en el plano XZ se acepta el diámetro calculado de para el extremo cantiléver.
Plano XY, Ecuaciones de singularidad:
〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 〈 〉 82
Remplazando en la distancia:
〉 〈〉 〈 〉 〈 Se halla la constante de integración.
En la distancia punto:
En la distancia:
〈 〉 〈〉
En la distancia.
〈〉 〈〉 83
En el tramo cantiléver.
〈〉 〈〉 〈〉 〉 〈 〉 〈 〈 〉 Se replantea el diámetro con 25.4 mm para reducir la deflexión el extremo cantiléver:
〉 〈 〉 〈 〈 〉 Los diámetros tentativos para las secciones del eje son las siguientes calculados para evitar fallos por carga estática y rigidez:
84
Ilustración 36. Esquemático general de los diámetros requeridos.
Fuente: elaboración propia, del autor.
El diámetro tentativo de dimensiones
mm no falla por fuerzas cortantes,
ni por rigidez estática. A continuación se evalúa el diámetro mínimo por fatiga comparando con los datos anteriores.
Por Fatiga: Para el diseño de este, hay que considerar las propiedades físicas del material en el cual se desea la elaboración del eje; para ese cálculo se establece que el eje se va construir en un acero AISI 1040 … véase (anexos 6), debido a su tenacidad y resistencia. Acero 1040.
Torque requerido por el sistema: Véase…sección 4.2.5.4…
Entonces:
85
Dónde:
De la siguiente expresión se puede calcular el diámetro en las dimensiones requeridas expresión denotada del criterio de falla ASME elíptica:
* +
Dónde:
86
Ahora según en ejes giratorios con flexión y torsión constantes los factores de
se pueden igualar a cero18.
Reduciendo la expresión así:
* +
Para la resolución de la anterior expresión es necesario considerar diferentes factores que modifican el límite a la resistencia; véase Apéndice E.
Donde se presentan:
Remplazando:
* +
18
Diseño en ingeniería mecánica, shigley, 8va edición, cap. 7, pág. 357.
87
Véase Apéndice E. Donde se presentan:
Remplazando:
* +
Como resultado de los cálculos por resistencias a la carga estática, rigidez y fatiga en el eje trasportador se concluye que los diámetros mínimos para su elaboración serán: Una sección de 20 mm del punto (0 a 0.5 m) del eje y otra sección de 25,4 mm desde el punto 0.5 m a 0.85 m; para lo cual se decide por facilidad en la instalación hacer el eje en un diámetro continuo de 25.4 mm valor comercial, para la sección de la polea un diámetro de 24 mm Véase (anexo plano del eje).
88
Ilustración 37. Esquemático final del eje transmisor.
Fuente: elaboración propia, del autor.
Cuña: Se selecciona una cuña paralela de dimensiones rectangulares tipo estándar para ejes de diámetros entre 22-30 mm. Véase Apéndice E. el material de la cuña a emplear es un acero AISI 1010 de uso general, que tiene una resistencia a la fluencia de
Este elemento se diseña con el fin de acoplar la trasmisión hecha por parte de la polea al eje del tornillo sinfín, se diseña esta con un factor de seguridad menor que el del eje con el fin que si surgiese una sobrecarga sea la que admita la gran mayoría del daño y no el eje. Véase Apéndice E…Tabla E8… Dimensiones de la cuña: Ancho 8mm. Largo 20 mm Alto 7mm:
89
4.2.7 Selección de rodamientos y soportes.
Para la selección de los
rodamientos se tienen en cuenta los esfuerzos sufridos por causa de las fuerzas axiales y radiales en cada uno de los rodamientos. Del catálogo de SKF para selección de rodamientos, se toman los parámetros de verificación para rodamientos. Datos a tener en cuenta. Fuerza axial
Fuerza radial en rodamientos 1.2:
Vida útil de trabajo de trabajo; se diseña el cambio de total de rodamientos para la ensacadora en un tiempo de 5 años a 8 horas diarias de trabajo.
90
Dónde:
La obtención de este resultado se calculó mediante la ayuda de graficas descritas por los fabricantes, donde se establece la duración nominal de trabajo en horas y las rpm de operación. Véase Apéndice F…Tabla F1…. Dónde: Por medio de una interpolación lineal se halla el valor correspondiente a 14400 en
Ahora se halla:
Dónde:
Entonces para el rodamiento 1.
Ahora selecciona el factor de seguridad para este elemento de consideraciones por gravedad de diseño se escoge un
. Véase (Anexo 1).
91
Ilustración 38. Verificación de rodamientos rígido de bolas.
Fuente: Catálogo de selección SKF, [En línea]. [Consultado 10 Febrero.2012]. www.skf.com/portal/skf/home.
92
Entonces:
Como se evalúa que
sea menor que
entonces se procede ya que dio
paso a la continuidad a la selección.
Se halla el índice de rodamiento
por medio de tabla con la relación de
.Véase Apéndice F…Tabla F2…
De la…Tabla F2… escogemos los factores axiales y radiales del rodamiento, 1.34
Entonces
La carga dinámica equivalente del rodamiento está dada por:
93
Entonces para rodamiento 1:
Entonces para rodamiento 2:
94
Ilustración 39. Selección de rodamientos SKF.
Fuente: SKF Colombia, Selección de productos. [En línea], [Consultado 15 Febrero 2012],http://www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/productTableViewer.jsp?&lang=es&tabl eName=1_1_1&presentationType=3&startnum=14.
Del diseño anterior se concluye que los rodamientos tienen una carga radial y axial baja y por ello se pueden utilizar rodamientos rígidos de bolas a una hilera, en la (Ilustración 39), se muestran los rodamientos que cumplen con los requerimientos de diseño hallados; más sin embargo, un limitante para este tipo de selección es el ambiente donde se va efectuar el trabajo del rodamiento, para el caso del cemento mortero se considera un ambiente de trabajo abrasivo, el proveedor recomienda mejorar el diseño con una selección del soporte del rodamiento. Para la selección del soporte del rodamiento se tienen los parámetros a considerar:
95
Protección a la abrasividad.
Soporte Rígido horizontal.
Acogimiento completo del rodamiento,
Fácil instalación y mantenimiento.
Por recomendación del proveedor; SKF recomienda un soporte de pie de dos piezas, con manguito de fijación al eje, anillos de fijación y obturaciones laterales, para un rodamiento de bolas de la serie (SLN); brindando así una protección contra materiales granulares. Véase características del soporte (anexos 12).
Ilustración 40. Conjunto soporte rodamiento seleccionado.
Fuente: elaboración propia, del autor.
96
4.2.8 Soporte estructura. Es el elemento mecánico en el cual se van a soportar los componentes rígidos y móviles de la máquina, con el fin de consolidar en un solo elemento los componentes de la misma.
4.2.8.1 Dimensiones de la estructura. La estructura se dimensiono a partir del potencial de trabajo que tiene una persona según la posición y lugar de trabajo; en base en esta consideración las dimensiones correspondientes a la estructura tienen el fin de brindar un mejor desempeño en el operario que pondrá y retirará la bolsa llena de 25 kilogramos de producto. Véase Apéndice G. De los datos tabulados en el…Apéndice G…se obtiene que el rango de operación adecuado para una persona de estatura promedio, es de [700mm a 900mm]; donde se puede ejercer desde levantamiento de elementos pesados, hasta realizar movimientos de rapidez y gran amplitud. Adicionalmente se consideran dimensiones que abarquen en su totalidad los componentes de la máquina. La mesa soporte de la ensacadora tendrá las siguientes dimensiones.
97
Ilustración 41. Dimensiones de la estructura.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.2.8.2 Cálculo de perfiles para la estructura. Para la construcción de la estructura es necesario saber qué tipo de perfil y material se va a utilizar, estos deberán soportar las cargas estáticas ejercidas por los pesos de los componentes, en este caso la empresa ofrece materiales de construcción estructural para la elaboración de la máquina, por consiguiente se debe evaluar la flexión ejercida por las cargas estáticas y así determinar el grado de deflexión en los perfiles ofrecidos; corroborando la aceptación rechazo de dichos materiales. La aceptación de estos materiales se hace con respecto a la carga crítica que deberá soportar, esta es mencionada a continuación.
Soporte de la tolva y salida prismática. Esta estructura estará soportada en cuatro perfiles; la empresa ofrece el perfil de acero estructural ASTM- A36…Véase anexo 1, Tabla 2…con las dimensiones descritas en la (Ilustración 42), a continuación se hará la verificación para determinar si es avalado en el punto más crítico que corresponde al centro de longitud dada, en este punto se analizara la
98
deflexión generada por el peso del conjunto de la tolva, salida prismática, y capacidad máxima de trabajo (peso del material 300 kg). Entonces:
Ilustración 42. Diagrama de fuerzas y dimensiones perfil.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Para lo cual las reacciones de los puntos A y B son iguales,
Por lo tanto se puede suponer que:
Del diagrama de cuerpo libre:
99
Ilustración 43. Diagrama de cuerpo libre viga soporte.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Dónde:
Entonces se plantea la ecuación de curva elástica de la siguiente manera donde se integra dos veces con respecto a x:
Se halla las constantes de integración cuando
100
.
Remplazando:
.véase Apéndice H.
Adicionalmente se realizan los cálculos de manera tal que se puedan corroborar estos materiales en la construcción de las columnas de las bases de la mesa tal que se pueda conservar la homogeneidad en la construcción de la estructura. Véase apéndice H, verificación de la deflexión ejercida por la carga en el material otorgado por la empresa en la viga y columna respectivamente. La viga en el punto más crítico y con la mayor carga posible tiene una deflexión de 0.91 mm deflexión permisible para esta aplicación; los resultados para el material otorgado por la empresa en calidad de soporte vertical demuestra que el límite de carga para que llegase a ver un pandeo en este material por el método de pandeo de Euler, es igual a 218.9 kN carga mucho mayor a la soportada en la operación estructural de la mesa de la ensacadora. Por tal motivo se avala la construcción de la mesa soporte con dichos materiales, valores comerciales del perfil, Ángulo Estructural suministrado por la empresa.
101
de
Material
4.3 DISEÑO Y SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. En la siguiente sección se describe la selección y diseño de los componentes electrónicos y eléctricos necesarios para el funcionamiento de la máquina.
Ilustración 44. Diagrama PI&D de componentes electrónicos.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
En la (Ilustración 44), se muestran los componentes electrónicos a utilizar para el funcionamiento semiautomático del proceso de llenado de la bolsa y detención de la máquina; en el esquema PI&D de conexiones 19, se presenta el esquemático de la instrumentación a utilizar como: sensor de peso, visualizador, transductor de la señal del sensor, controlador, generador motriz, controlador de frecuencia, y acondicionador de la fuente eléctrica. Tales elementos se describen a continuación. 19
Norma ISA S.5.1, Diagramas de proceso de Instrumentación.
102
4.3.1 Motor.
El motor es el elemento encargado de la generación motriz,
cumpliendo la función de girar el tornillo sinfín a través del eje transmisor, así transportando el material para su dosificación en la bolsa valvulada; Como se observó en la…sección 4.2.5.4…La potencia mínima necesaria para transportar el
material es de 1.0123 HP 754.87 watts; a una velocidad mínima de
… véase sección 4.2.5.3…Entonces se hace la solicitud de requerimiento para la
compra del motor adecuado para esta función, con los siguientes parámetros y sus similares en datos comerciales:
Motor eléctrico.
Alimentación eléctrica de 220 v a 60 Hz.
0.1012 Hp de potencia
Velocidad 1174,17 rpm
1.5 Hp de potencia comercial. 1200 rpm comercial.
La empresa como respuesta de compra da la opción de adquirir un motor de mayor capacidad por un costo similar al del motor sugerido, comprando así un motor de las siguientes condiciones:
Motor Trifásico Alimentación eléctrica de 220 v a 60 Hz.
2 Hp de potencia.
A 1750 rpm.
Marca Nord. (anexos 7).
Dicho motor cumple con las especificaciones mínimas de diseño para el funcionamiento del tornillo sinfín.
103
Ilustración 45. Motor.
Fuente: Nord Drivesistems, Colombia, catálogo de existencias, [en línea], [consultado el 14 de septiembre 2011],http://www2.nord.com/cms/es/product_catalogue/motors.
4.3.2 Variador de velocidad. El variador de velocidad es seleccionado con el fin de facilitar la automatización en el proceso de llenado, adicionalmente este elemento permite una protección al motor en cuanto a los altibajos de voltaje y a los incrementos de temperatura provocados por las sobrecargas que pudiesen llegar a tener; características de selección para el variador de velocidad.
Variador monofásico con salida trifásica 220v.
1.5 k watts de potencia a 60 Hz.
La potencia y tensión requerida en el variador es igual a la carga soportada, en este caso es la carga requerida por el motor a controlar con las características anteriores, se compra el variador de velocidad marca Invertek Optidive que adicionalmente cumple con otras funciones, tales como : véase (anexo 8)
Facilitar el proceso de control.
Operaciones más suaves del motor en la producción.
Programación de arranques suaves, paradas y frenos en motores.
Amplios rangos de velocidad, par y potencia.
Bucles de velocidad.
Factores de potencia unitarios.
104
Protección integrada del motor sobrecargas y temperaturas.
Marchas paso a paso.
Ilustración 46. Variador de velocidad Optidrive .
Fuente: Invertek Drives, Optidrive, Catálogo de variadores de velocidad en existencias. Sección E2.
4.3.3 Celda de carga. La celda de carga es el dispositivo encargado de censar la variación en el peso durante la dosificación en la bolsa valvulada, variación que será interpretada por el transductor y utilizada por el controlador, brindando así el parámetro de entrada a utilizar en la automatización del proceso. La selección de este dispositivo se realiza con respecto al peso de operación y capacidad máxima de trabajo. Debido a que se trata de una capacidad de peso de operación menor a
,y
se requiere una fácil instalación en la máquina, se escoge una celda mono bloque, que junto a las condiciones excelentes de trabajo descritas por el proveedor como resistencia a la humedad y resistencia límite al impacto; Se selecciona una celda de carga mono-bloque en aluminio endurecido, de la serie SP 05, marca Lexus. Véase anexos (9).
105
Ilustración 47. Celda de carga .
Fuente: BCI Ingeniería, [en línea]. [Consultado 8 de febrero. 2012], http://www.bciltda.com/
4.3.4 Indicador electrónico. La selección de este dispositivo se realizó teniendo en cuenta los requerimientos de diseño planteados por la empresa…sección 3.1.3…Donde se plantea la condición de observar el peso a lo largo del llenado. Se selecciona un dispositivo electrónico con pantalla tipo led, en acero inoxidable de la marca Holbright ; que adicionalmente cumple con la función de transductor para la señal transmitida por la celda de carga, esta señal es interpretada por el visualizador y es acondicionada para una fácil manipulación de uso general en la instrumentación y control de procesos industriales, esta señal es de naturaleza analógica y se expresa así:
(4 miliamperios
(0 voltios
a 20 miliamperios) ó
a 10 voltios).
106
Ilustración 48. Visualizador Electrónico.
Fuente: BCI Ingeniería, [en línea]. [Consultado 8 de febrero. 2012], http://www.bciltda.com/
El indicador visualizador electrónico seleccionado es de marca Holbright ref.HB8215. Véase (anexo 10).
4.3.5 PLC. Controlador Lógico Programable, como su nombre lo indica es el que controla el proceso de automatización en la dosificación del material, este elemento es un dispositivo con una gran versatilidad en la función de los procesos en general, ya que la limitante de este se basa generalmente en el diseño de las rutinas de trabajo. Las características básicas a tener en cuenta para la selección de este en la automatización de la máquina ensacadora son las siguientes:
Accesibilidad precio.
Programación.
Número de entradas digitales.
Número de salidas digitales.
Entradas y salidas Análogas.
Robustez.
107
En la (Ilustración 51), se describe el proceso general de la máquina donde se denota la necesidad de 4 entradas de naturaleza digitales; distribuidas así: una entrada digital para el selector on /off, una entrada para el iniciador del proceso en este caso el pulsador start, una entrada para el selector de posiciones (opcional) y finalmente la entrada del botón de paro de emergencia. La necesidad de salidas digitales se denota de la siguiente manera; una salida de inicio del proceso en el variador; y dos salidas digitales adicionales para la activación de la función de multi-velocidades; Finalmente es necesario que este elemento cuente con una entrada de naturaleza analógica estándar, para poder adquirir la señal generada por el transductor del sensor de peso. Teniendo en cuenta lo anterior junto a los requerimientos de selección se escoge un PLC marca Koyo ref. Clic, ya que este dispositivo cumple con las siguientes condiciones de operación en comparación a otros fabricantes. Véase (anexo 11).
En comparación a otros PLC de condiciones similares de trabajo, este es más económico ya que posee módulos de trabajo incorporados sin la necesidad de pagar por ellos adicionalmente.
La programación de este PLC puede hacerse en el programa Ladder, programa muy conocido nacionalmente.
4 Entradas digitales Suficientes para el proceso a seguir.
4 salidas digitales Suficientes para el proceso a seguir.
4 entradas y 4 salidas analógicas; dos de voltaje y dos de corriente.
108
Ilustración 49. PLC (Controlador lógico programable).
Fuente: Click Project Loader user guide, Koyo, Catálogo de programación, pág. 1.
4.3.6 Transformador elevador. El Transformador elevador es el elemento que se encarga de transformar electromagnéticamente la tensión adquirida en una toma corriente común en la necesaria para dar funcionamiento a los componentes eléctricos que componen la máquina ensacadora; efectuando con el requerimiento planteado en la…sección 3.1.5… a petición de la empresa de manejar toda la
máquina con una tensión común monofásica de 110 v a 60 Hz. Las características requeridas demandadas por el diseño de la máquina son las siguientes:
Transformador elevador.
Tensión de entrada 110 V monofásica a 60 Hz.
Tensión de salida 220 V monofásica 60Hz tensión exigida por el motor.
Potencia de operación requerida 1.5 K watts, potencia demandada por la carga del variador.
109
Ilustración 50. Transformador monofásico.
Fuente: Tu veras, Descripción del transformador, [En línea], [consultado el 24 Septiembre del 2012], http://www.tuveras.com/transformador/eltransformador.htm.
Se compra un trasformador de la casa de transformadores el Wattio 20, cumpliendo con las características de funcionabilidad planteadas.
4.3.6 Gabinete de control. almacenaran
los
El gabinete de control es el módulo donde se
dispositivos
electrónicos
cuya
función
no
intervienen
directamente en el proceso del ensacado de la bolsa valvulada, pero que de su buena operación depende el funcionamiento correcto en la automatización del proceso de llenado; adicionalmente este funcionará como soporte del visualizador y controles de mando que manipulara el operario. Este elemento se escoge normalmente para el acogimiento total de los componentes electrónicos a utilizar; el gabinete seleccionado es un gabinete de uso general en acabado electroestático, con las siguientes dimensiones véase (tabla 9):
20
Empresa dedicada a la elaboración de elementos transformadores y reguladores de potencia energética, Centro Industrial el Dorado, Bogotá Colombia.
110
Tabla 9. Dimensiones del gabinete de control. Gabinete de Control Dimensiones en (mm)
Alto
500
Ancho
300
Largo
200
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.3.7 Esquema de control para la ensacadora. Durante la junta técnica realizada por la empresa en el mes de diciembre del año 2011 con participación del gerente general e ingenieros de proyectos, se estableció que el control de la ensacadora debía ser práctico, de fácil manejo para el operario y que le permitiera a este realizar futuros cambios de ser necesario. Además se determina que se debe usar un control de tipo secuencial alternativo, ya que en el proceso de llenado de la bolsa se describe un proceso lineal unidireccional que conlleva a un sólo propósito, controlando la variable peso, por medio de una señal análoga generada por el transductor del sensor. A pesar de que la estructura secuencial es la más sencilla y fundamental de todas es de fácil comprensión y su proceso es funcional según el caso. El orden en que se ejecutan las instrucciones es en secuencia por pasos, es decir si no se ordena lo contrario, después de la instrucción inicial seguirá la instrucción secundaria, esto significa que después de la instrucción 1 sigue la 2, luego la 3 y así sucesivamente hasta cumplir con lo establecido en el algoritmo de programación; en la siguiente Ilustración se describe de manera general la secuencia de control que guiara el proceso de llenado de la bolsa.
111
Ilustración 51. Diagrama general del proceso de llenado
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.3.8 Dispositivos del panel de control. Los elementos requeridos para la sujeción, conexión y manipulación de los elementos incluidos en el gabinete de control.
112
Tabla 10. Elementos requeridos en el panel de control. Elemento
Característica
Riel omega
Canaleta
Observaciones
1m
Sujeción de los dispositivos electrónicos Protección del cable en el gabinete de control Utilizada para suministrar voltaje al PLC
Plástica
2m
Voltaje: 220v a 24 voltios
1
Pulsador
Normalmente abierto
1
Utilizados para iniciar el proceso
Selector
Maneja tres posiciones
1
Utilizado para seleccionar peso.
1
Utilizado en el prendido y apagado de la máquina
1
Sera el indicador de marcha del motor
1
Se utilizara por medida de paro de emergencia
Fuente de voltaje
Selector
Cantidad
Maneja dos posiciones
Indicar lumínico
Led luz verde, a 220 v
Pulsador tipo hongo
Pulsador con enclavamiento mecánico
113
Figura
Elemento
Gabinete de control
Cable
Totalizador
Característica
Cantidad
Medidas: 1 30 cmX50cmX20cm
Vehicular nr16
5m
Totalizador 220 V a 10 A
2
Observaciones
Utilizado para el almacenamiento de los dispositivos electrónicos. Utilizado para la conexión del gabinete de control Será el que brinde o interrumpa la energía al gabinete de control.
Fuente: Elaboración Propia, del autor.
Ilustración 52. Montaje del tablero electrónico.
Fuente: Elaboración Propia, del autor.
114
Figura
4.4 PROGRAMACIÓN Y CALIBRACIÓN DE LA ENSACADORA.
En esta sección se describen los requerimientos, observaciones y consideraciones necesarias que se requirieron para el funcionamiento de la máquina, cumpliendo con los objetivos planteados, y logrando alcances previstos por el diseñador.
4.4.1 Montaje de la celda de carga.
En este proceso se asumieron las
instrucciones de montaje planteadas por el proveedor, ya que de la fiabilidad del montaje se garantiza la precisión descrita en el datashett del producto véase (anexo 9), la celda de carga seleccionada Sp 05, tiene un rango en la aplicación de la fuerza vertical de 40X50 centímetros 21; una vez pasado este rango la señal entregada por esta será errónea no garantizando un buen pesaje. De igual manera la estabilidad y sujeción de esta es tan importante que se debe hacer a un elemento rígido y sólido para que la medición sea interrumpida evitando sobresaltos de la señal.
21
LEXUS, Electronic Weighing, Celda de carga mono-bloque modelo Sp 05, Data Shett, Ver 2 (2001/10).
115
Ilustración 53. Montaje de la celda .
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.4.2 Calibración del visualizador electrónico . Instalada la celda de carga es necesario obtener la señal generada por esta, con el fin de establecer control sobre el proceso de llenado. Adicionalmente se requiere observar la variación del peso a lo largo del llenado, para tal cometido es preciso generar unos parámetros iniciales en el visualizador que indicará la variación de fuerza ejercida en la celda de carga (peso) visualizándolo en el display digital. Los pasos requeridos para la calibración interna del visualizador a través de las funciones descritas en el parámetro “calibración” son los detallados en la (tabla 11).
Tabla 11. Parámetros iniciales del visualizador .
Numeral
Función interna Número
Descripción
1
F 02
Unidad de peso
2
F 11
Velocidad de transmisión
116
Observaciones Se trabaja con la unidad de peso internacional Kg. 9600 Baudios, coherente con la velocidad de recepción del
3
F 31
Salida análoga
4
F 50
Rango del cero
5
F 51
Ajuste de decimales
PLC Se establece que la señal entregada será una señal de (4 -20 miliamperios). Valor asignado a la TARA del indicador entre más pequeña sea la tara mejor será el ajuste del peso; se escoge un Aproximado del 2 % de la capacidad máxima Se ajustara el valor decimal a dos decimales.
F 52
Mínimo de divisiones
Se establece un min de división de 2
7
F 53
Capacidad máxima
8
F 54
Ajuste del cero
9
[F 55,F 56,F 57]
Span de calibración
6
La capacidad máxima para dar el rango de señal análoga la tomaremos con 50 kg Para el ajuste del cero es necesario hacerlo con el soporte de la bolsa para que este peso se tome como peso muerto. En estos parámetros se debe acudir a una pesa matriz o peso patrón ya que el indicador tomara este como el valor verdadero del peso indicado.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.4.3 Calibración del variador de velocidad. El variador de velocidad al igual que el visualizador debe contar con unos parámetros iniciales que proporcionan fiabilidad al proceso, este dispositivo cuenta con una serie de parámetros que generalmente concuerdan con las características eléctricas y físicas del motor,
117
entre las cuales está presente la velocidad de operación, velocidad que fue necesaria establecer por medio de pruebas de toma de datos de tipo empírico, aprovechando la experiencia y conocimientos adquiridos por la empresa. A lo largo del proceso de calibración para el variador de velocidad, se destacaron algunos inconvenientes para lograr un funcionamiento acorde entre la velocidad de llenado y el porcentaje de error en el material ensacado, esto se debe a la inercia generada por el tornillo sinfín en el sistema. Para brindar una solución al proceso se tomaron datos de llenado mediante las siguientes condiciones:
Material de trabajo, Cemento mortero.
Capacidad de trabajo, a la totalidad de llenado en la tolva de almacenaje.
Temperatura ambiente 15º C.
Lugar de pruebas, Instalaciones de la empresa Pegomax S.A. Soacha, Cundinamarca.
Los datos obtenidos proporcionaron como resultado las gráficas enumeradas en la (Ilustración 54), donde se describen los tres parámetros a considerar en el ensacado de la bolsa, Tiempo, velocidad de llenado y porcentaje de error. Parámetro graficados a continuación:
118
Ilustración 54. Gráficas de medición en el ensacado.
(a)
(b)
(c)
(d) Velocidad
Tiempo
% de error
1200
18,00
25,95
3.8
1100
27,00
25,90
3.6
1000
36,00
25,83
3.32
900
60,60
25,76
3.04
800
68,40
25,70
2.80
700
88,20
25,50
2.00
600
99,00
25,32
1.28
500
111,00
25,27
1.08
400
120,00
25,24
0.96
300
135,85
25,12
0.49
200
148,76
25,03
0.11
Fuente: Elaboración propia, del autor.
Peso
119
De la gráfica anterior se puede concluir que, a través del aumento de velocidad se produce un error ascendente, adicionalmente hace que dicho proceso se realice en un tiempo menor acorde a los requerimientos de diseño; por tal motivo para dar una solución se establecen tres velocidades con el fin de mantener un tiempo y porcentaje de error admisibles a las peticiones empresariales, velocidades establecidas de la siguiente manera:
Tabla 12. Selección de velocidades en el llenado. Velocidades (rpm)
Rango de operación en el llenado
Observaciones
1
1200
[0 - 80 %]
2
700
[80% - 96%]
3
300
[96% - 100%]
Se escogieron estos valores con el fin de disminuir el tiempo y el error en el llenado, dando como resultado un llenado aproximado en 25 s, y un error de ± 1% del peso total en la bolsa.
Nº
Fuente: elaboración propia, del autor.
Una vez establecidas las velocidades más acordes al buen funcionamiento en el llenado de la bolsa se calibra el variador de velocidad con los parámetros descritos a continuación. Véase (tabla 13).
120
Tabla 13. Parámetros del Variador de velocidad. Nº
Parámetro interno Número
Descripción
Valor
1
P 10
Velocidades nominales del motor en Hz o Rpm.
1
2
P 01
Máxima velocidad del motor.
1750 rpm
3
P 02
0
4
P 03
Velocidad mínima del motor. Tiempo de aceleración
5
P 04
Tiempo de desaceleración
0.1 s
6
P 07
Voltaje del motor
220 V
7
P 09
Frecuencia del motor
60 Hz
8
P 15
Multi velocidades
2
2s
121
Observaciones Se establece de esta forma para que todas las velocidades descritas se presenten en rpm. Es el valor máximo de revoluciones ejercidas por el motor comprado.
Por defecto tiene una rampa de aceleración de 5 s para alcanzar la velocidad máxima en la aplicación no es conveniente dejar este tiempo ya que demora el llenado de la bolsa. Es el tiempo min que el variador permite, en la aplicación es mejor tener un tiempo corto para evitar el llenado por inercia
En este parámetro se activan la secuencialidad de diferentes velocidades, por medio de un orden lógico booleano, esta función se establece para disminuir el error de llenado por inercia y mejorar tiempos.
9
P 20
Velocidad 1
00
Máxima velocidad
10
P 21 P 22
Velocidad 2 Velocidad 3
10 01
Velocidad al 58 60% Velocidad al 25%
11
Fuente: Elaboración propia, del autor.
4.4.4 Programación del PLC. Establecido el funcionamiento acorde de la celda de carga, transductor y el funcionamiento del motor con sus respectivas velocidades de trabajo, se procede por medio del lenguaje de programación Ladder a realizar las rutinas de operación que básicamente se basan en: inicio, selección de peso, arranque del motor, graduación de velocidades y fin del proceso véase código ladder en… Anexo 14… En la (Ilustración 55). Se observa las diferentes condiciones en la rutina de trabajo de la máquina ensacadora. donde como inicio fundamental de la máquina está presente el hecho de encenderla y pulsar el botón (Start) para dar comienzo al llenado; posteriormente hay tres posiciones de peso pre establecidas que de manera manual se indican (25 Kg, 30 Kg y 10Kg), una vez dada alguna de estas condiciones la rutina obliga al inicio del motor quien dependiendo del porcentaje de llenado estará sujeto a girar a tres velocidades; velocidad de llenado grueso, velocidad de llenado intermedio y velocidad de llenado lento, dosificando así en un tiempo y % de error en el peso concordantes con los requerimientos.
122
Ilustración 55. Diagrama de flujo del proceso de llenado de la bolsa valvulada.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
123
4.4.5 Diagrama eléctrico de conexiones. El cableado de conexiones eléctricas se genera de acuerdo a las rutinas de trabajo, estas conexiones en los elementos se muestran en la siguiente ilustración.
Ilustración 56. Esquemático de conexiones eléctricas.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
124
4.4.6 Costo de la Ensacadora. Basados en los requerimientos establecidos y en el presupuesto aprobado para la construcción de la máquina se seleccionaron, compraron y construyeron los elementos mecánicos y eléctricos para la elaboración y finalización total de la ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada;
generando así un costo total de $ 6’287.000, con un margen de
imprevistos de $ 600.000, debido a contratiempos en pagos de transportes e incumplimiento de terceros…Véase tabla de costos en (anexos 15)…
4.4.7 Ensacadora Finalizada.
La máquina se terminó a satisfacción de la empresa, el día 29 de abril del año 2012 según los parámetros y funcionamiento establecido inicialmente. A continuación se presenta una fotografía de la ensacadora entregada. Ver carta de entrega; (anexo 13).
125
Ilustración 57. Ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada.
Fuente: Elaboración propia, del autor
126
5. CONCLUSIONES
1. La construcción de la máquina ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada, permitió a la empresa realizar los controles de calidad consistentes en verificar el comportamiento de las bolsas, el tiempo real en el llenado, sellado, resistencias de elongación, escapes de producto, y estibamiento de las bolsas. 2. Aunque en el diseño y la construcción de los elementos mecánicos
se
tuvieron en cuenta los cálculos necesarios y normas establecidas; en la elaboración de la tolva de almacenamiento, se percibió aun así, que se posiciona material en sus paredes, limitando así la velocidad de llenado debido a que el flujo no es constante, probablemente la utilización de elementos alternos como vibradores en las placas de acero o paletas circundantes al interior de la tolva mejorara este proceso. Las demás piezas y ensambles diseñados fueron acordes y óptimos para la construcción final de una máquina ensacadora con los requerimientos establecidos inicialmente, esta elaboración de piezas permitió reconocer el uso apropiado de los materiales en la construcción, no obstante es un punto de partida para mejoras posteriores de la máquina. 3. Evidenciado en la respuesta y desempeño final de la ensacadora se concluye que el tipo de transportador por tornillo sinfín, es el ideal para este tipo de ensacado en el empaque elaborado por la empresa Idealpack S.A.S, ya que permite un rápido llenado, y una constante dosificación de material en la bolsa sin almacenamiento excesivo de aire, logrando así requerimientos como tiempo de empaque y peso esperado.
127
4. El sistema de control implementado tipo secuencial junto con la adecuada calibración y programación de estos elementos electrónicos a través de las pruebas realizadas, condujeron a la adecuada selección de velocidades para dar cumplimiento a una rata de llenado en un tiempo de 25 segundos aproximadamente; para una bolsa con un peso de 25 kg. Y un porcentaje de error menor o igual al 1%. Con el fin de optimizar este proceso podríamos utilizar un control más avanzado como un control proporcional o proporcional integral con el fin de mejorar el tiempo de llenado sin aumentar el porcentaje de error. 5. Se implementó un sistema de visualización, tal que le permite al operario estar atento al peso generado en la bolsa durante el proceso de llenado en cada instante de tiempo, adicionalmente se elaboraron rutinas de trabajo de fácil entendimiento y accesibilidad para establecer cambios en el peso y velocidades de llenado, de ser necesario para futuras pruebas de la bolsa valvulada. 6. Finalmente se obtuvo una herramienta para demostrar ante los actuales y futuros compradores la practicidad y eficiencia de la bolsa valvulada, principal producto comercial de Idealpack., además el diseño y la construcción de la ensacadora de cemento mortero sirvió como base personal enriqueciendo los conocimientos teórico prácticos obtenidos en la
universidad, brindando
herramientas fundamentales para el desarrollo como futuro ingeniero a cargo del progreso y mejora de la industria del país.
128
BIBLIOGRAFÍA
BEER, Ferdinand,
JOHNSTON, Russell. Mecánica de materiales. cuarta
edición, Mc Graw Hill. México, 2007.
BRICEÑO, jhony Obed, ROMERO ORTIZ Antonio. Máquinas Eléctricas, Manual de Transformadores, (UTSMA) Universidad Tecnológica de San Miguel de Allende, 26 Septiembre del 2011.
BUDYNAS, Richard, NISBETT, j. keith Diseño en ingeniería mecánica de shigley. Octava edición. 2006.
CEVALLOS PERALTA, Luis. Análisis del estado actual de silos y recipientes móviles (Bulks) De La Empresa B.J. Services Mediante Ensayos No Destructivos Y Determinación De Zonas Críticas Mediante Software De Elementos Finitos. Bogotá: Escuela Politécnica Nacional, 2009.
CHARLES, Lipson PH. D. Importancia del desgaste en el diseño, Facultad de ingeniería mecánica, Universidad de Michigan, EEUU.
D COOPER, William, HELFRICK, Albert. Instrumentación Electrónica moderna y técnicas de medición, Pearson Educación. Prentice Hall.
EUROCODE 1:”Basis of design and actions on structures, Part 4, Actions in silos and tanks”, ENV 1991 -4, CEN.
GONZÁLEZ REY, Gonzalo. Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Edición elaborada para la asignatura Componentes Mecánicos
129
de la maestría de diseño mecánico, Facultad de ingeniería Mecánica, (ISPJAE) Instituto Superior técnico, José A Echeverría, La Habana Cuba, 1999.
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas colombianas para la presentación de tesis, trabajos de grado, y otros documentos de investigación, sexta actualización. Santa fe de Bogotá D.C.: ICONTEC, 2008. NTC 1486.
INSTITUTO TECNICO DE LA ESTRCTURA EN ACERO (ITAE). Sistemas estructurales, 19 otras estructuras. Tomo 19.
MANUAL OF STEEL CONSTRUCTION, LOAD AN RESISTANCE FACTOR DESING. Volumen 1. segunda edición. EEUU, 1994.
MOTT, Robert L. Diseño de Elementos de Máquinas. Cuarta edición, México, 2006.
NORTON, Robert. Diseño de máquinas. Séptima edición. 1999.
PULIDO, Wilson. Evaluación a escala semi-Industrial de pego perfecto, porcelánico interiores - gris. Informe junta técnica (junio 2007).
PYTEL, Andrew, SINGER, Ferdinand. Resistencia de materiales, traducción de la cuarta edición en inglés. México, 1994.
RAVENET,
Juan.
Silos;
Fotocomposición
edición
laser,
Rosellón.
Barcelona.1976.
SCREW, Martin conveyor, Stock y MTO Screw Conveyor Components, Catálogo 1, Secion H.
130
SHIGLEY, Joseph. Diseño en ingeniería mecánica. Cuarta edición. Mexico, 1985.
WAGNER, Mario. Polvos redispersables, La revolución de los mortero, Revista BIT, 2001; p 40-41.
131
APÉNDICES
132
APÉNDICE A. DESCRIPCIÓN Y SELECCIÓN DEL FACTOR DE SEGURIDAD.
El factor de seguridad es la cantidad adimensional que se considera para preveer fallas de tipo insierto en el diseño realizado; la necesidad de este tipo de factores se basa en el grado de incertidumbre que se puede tener con respecto al analisis matematico o al buen modelamiento realizado por el diseñador, si el conocimiento de los diferentes factores encontrados en el analisis son veridicos con pruebas realizadas no sera necesario un factor de seguridad alto; pero si por lo contrario el analisis, modelamiento es incierto se debe considerar un factor mas grande que la unidad incrementando según el grado de incertidumbre. En el libro Diseño de Máquinas de Robert L. Norton, se presenta la tabla que describe cual puede ser el factor de seguridad para materiales dúctiles a tener en cuenta según condiciones de diseño.
133
Tabla A1. Factores utilizados para la selección de un factor de seguridad en materiales dúctiles.
Fuente: Robert l Norton, Person, Prentice hall, Cap. 1, pág. 21
134
APÉNDICE B. CÁLCULO Y OBTENCIÓN DE LOS FACTORES DE POTENCIA PARA TORNILLOS SINFÍN TRANSPORTADORES SEGÚN CEMA (CONVEYOR EQUITMENT MANOFACTURE ASSOCIATION).
Tabla B1. Factor de diámetro.
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H, pág H 24
Gráfica B1. Idealización de los factores de diámetros.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
135
Ecuación característica:
Para la obtención de este factor fue necesario hacer una aproximación a través de una extrapolación cuadrática, para tener el tentativo correspondiente a el valor de diámetro del transportador, ya que el CEMA no contiene dentro de sus datos el diámetro de (2 ½ “); el resultado obtenido a través de la ecuación característica es
Fd = 12
Factor de rodamiento. El tipo de rodamiento descrito en la clasificación del material proporcionado por el
CEMA y codificado en la (tabla A4) de este
APÉNDICE, muestra que la selección del rodamiento es de tipo H donde el factor de rodamiento véase (tabla A2), para este material a trabajar es de 4.4. Factor de rodamiento.
Tabla B2. Factor del rodamiento .
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H, pág H 24
136
Factor de la hélice. Está basado en la escogencia de la hélice según sea el caso en este caso el tipo de hélice seleccionado es un tipo estándar cuyo factor es de 1 para
cualquier
tipo
de
porcentaje
de
carga.
Factor
de
hélice
Tabla B3. Factor de hélice
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H, pág H 24
Factor del material. Este factor es descrito por el CEMA como un dato netamente experimental de los estudios realizados a traves de la experiencia realizada vease (tabla A4), donde se describen algunos datos de los materiales con los que se ha enrriquesido esta investigación donde para el material cemento mortero se le asigan un factor de material de 3.0. factor de material.
137
Tabla B4. Factor de material.
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H, pág H 9
Factor de sobrecarga. Es un factor basado en los inconvenientes previstos en motores de bajo caballaje que por sus condiciones pueden presentar sobre esfuerzos e inevitablemente dañarse, por esto se ha determinado un factor de sobrecarga para las potencias cuyas sumatorias presenten un resultado mayor a 5.2 su factor será 1; y para sumatorias de potencias por debajo deberán acudir a la (tabla B5) donde se describe que factor utilizar. Sumatoria de potencias:
Factor de sobrecarga es de.
138
.
Tabla B5. Factor de sobre carga.
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H, pág H 25
Para este caso el factor de sobrecarga visualizado es de
2.75.
Factor de eficiencia en la transmisión. Descrita por varios tipos de transmisión donde se observa el elemento de transmisión por correa en V, se utilizará este tipo de transmisión por aspectos a considerar en la…sección poleas y bandas… El factor de transmisión enmarcado es de 0.88. Factor de eficiencia en la transmisión es de:
Tabla B6. Eficiencia en la transmisión.
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H, pág H 25
139
APÉNDICE C. CÁLCULO DEL TORQUE NECESARIO PARA TRANSPORTAR EL MATERIAL. Figura C1. Esquemático del tornillo sinfín.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
= Fuerza radial que ejerce el cemento sobre la hélice del tornillo sinfín: =Fuerza axial que ejerce el cemento sobre la hélice del tornillo sinfín:
140
Figura C2. Fuerzas ejercidas en la Hélice del tornillo.
Elaboración propia, del autor.
Figura C2. Fuerzas ejercidas en el material.
Elaboración propia, del autor.
∑
141
Remplazamos
∑ ∑ ∑ :
Del segundo diagrama:
∑
De lo cual obtenemos:
Ahora remplazamos en:
142
Bueno como se tiene un paso de 0.093 m obtenemos el ángulo de material es de 3.0:
entonces desarrollamos con un factor de tabla de
y el peso
143
:
APÉNDICE D. CÁLCULO Y SELECCIÓN DE POLEAS Y BANDAS.
Datos a tomar en cuenta: En la…sección 4.3.1… se presenta la necesidad de utilizar un motor de
condiciones mayores a las requeridas, los cálculos expresados para la selección de las bandas se hará con este valor así garantizando un desempeño mayor de ser necesario.
Motor eléctrico, trifásico de corriente alterna.
Potencia requerida, 2 HP a 1800 rpm.
Aplicación: Transportar material cemento mortero a través de una artesa o boquilla.
Relación de reducción
, 1.5 reducción;
Figura D1. Esquemático de una polea por transmisión abierta.
Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shi gley, Richard G. Budynas, J Keith Nisb ett, Mc Graw Hill, Octava Edicion, Cap 17.
144
Factor de Servicio. Para el diseño y escogencia de las bandas se prevé un factor de servicio de la (tabla D1). Donde se describe el tipo de carga que se va a mover Ligera, Normal, pesada, muy pesada con relación a la máquina en cantidad de horas de trabajo/ día.
TABLA D1. Factor de servicio.
Fuente: Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Ing. Gonzalo González Rey. Edición elaborada para la asignatura C omponentes Mecánico, ISPJAE, Facultad de ingeniería La Habana, Cuba.
El factor de servicio previsto para un motor síncrono trifásico, a una relación de trabajo máxima de 8 horas de trabajo / día, y una carga de operación ligera es de 1.0.
Sección de banda. Se procede a determinar mediante la (Tabla D2), el tipo de sección a escoger dependiendo las secciones de tipo estándar; donde se observa que la sección (A) tiene como rango de trabajo motores cuyos caballajes están entre (¼ HP y 10 HP), teniendo en cuenta el caballaje requerido es de 2Hp para la sección (A), se determina utilizar esta sección para las bandas.
145
TABLA D2. Tipos de secciones de bandas
Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Sh igley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw Hill, Octava Edicion, Cap 17, pág 879
Cálculo de diámetro de las poleas. Adicionalmente en la tabla anterior se observa como limitante un diámetro mínimo en la polea trasportadora no debe ser inferior a
, Comercialmente datos obtenidos por el catálogo de MAGIC-
GRIP ver (ANEXO 4), el valor siguiente en diámetros comerciales de poleas trapezoidales es de 80 mm; por tal razón se determina que el diámetro comercial para la polea motriz será este. La relación existente entre los diámetros de las poleas está dada por la siguiente expresión:
Dónde:
22
22
. Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Ing. Gonzalo González Rey. Edición elaborada para la asignatura Componentes Mecánico, ISPJAE, Facultad de ingeniería La Habana, Cuba
146
Remplazando:
, la velocidad máxima está dada por la
Calculando la velocidad de la banda siguiente expresión:
Dónde:
23
Remplazando:
Distancia entre centros (c). La distancia entre centros de las poleas debe ser planteada tal que no sea ni muy corta ni muy larga para que existan choques entre sí. Estas consideraciones están planteadas en la norma alemana DIN 7753, que recomienda: 23
Ibíd
147
Donde
Entonces se establece una distancia tentativa de 0.4 m que por dimensiones de trabajo en la maquina parece ser una buena distancia, y se procede a evaluar entre los rangos. Remplazamos:
Longitud de paso de la banda. Una vez elegida la distancia tentativa entre
centros (0.4 m), puede ser calculada la longitud de banda
correspondiente a
través de la siguiente expresión:
Remplazamos:
148
El perímetro interior de la banda es igual a la siguiente expresión:
El aumento de longitud de banda se plantea en la (tabla D3), a continuación:
Tabla D3. Aumento en la longitud de banda.
Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shigley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw Hill, Octava Edicion, Cap 17, pág 879
Remplazando:
En la (Tabla D4), se selecciona el el tamaño inmediatamente menor al que nos indico el cálculo; indicando que comercialmente es una banda trapezoidal de sección A 42.
149
Tabla D4. Tamaños estandarizados para la cada sección correspondiente.
. Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shi gley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw Hill, Octava Edicion, Cap 17, pág 881
Cálculo de potencia nominal en bandas V. Con el cálculo de la potencia se pretende establecer el valor de transmisión ejercido por una banda; donde la expresión siguiente establece los factores a relacionar:
150
Donde los factores
; los obtenemos de la tabulación recopilada en la
(tabla D5), listada a continuación
Tabla D5. Factores de cálculo de potencia.
Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shi gley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw Hill, TerceraEdición, Cap 17, pág 881
Y el factor
Remplazando:
151
Ángulo de contacto de la banda.
La capacidad de potencia se basa en un ángulo de contacto de banda polea de 180º por ese debe hacer una corrección de potencia para ángulos menores,
Como se tiene un ángulo de (tablas D6, D7).
º se procede a encontrar el
Remplazando:
152
de las
Para el requerimiento, es suficiente con una polea de estas condiciones, mas sin embargo si se desea transmitir la potencia del motor es necesario dos.
Tabla D6. Cálculo de factor de correlacion K2.
. Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shigley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw Hill, TerceraEdición, Cap 17.
153
Tabla D7. Cálculo de factor de correlacion K2.
Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shi gley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw Hill, TerceraEdición, Cap 17,
Cálculo de reacción en los lados de las poleas.
.
En poleas de tipo abierto la banda tensa hace que se afloje en la misma cantidad su opuesta. Esto se puede expresar en las siguientes formulas tomadas de los apuntes para el cálculo de transmisión por correa, del Ing. Gonzalo González Rey:
154
24
Dónde:
Para los valores de
y
, se pueden utilizar las tablas sugeridas por los
proveedores.
Tabla D8. Coeficiente de ángulo para ángulos de contacto comunes.
Tabla D9. Factor de tensado según provedores.
Fuente: Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Ing. Gonzalo González Rey. Edición elaborada para la asignatura C omponentes Mecánico, ISPJAE, Facultad de ingeniería La Habana, Cuba.
24
Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Ing. Gonzalo González Rey. Edición elaborada para la asignatura Componentes Mecánico, ISPJAE, Facultad de ingeniería La Habana, Cuba
155
Remplazando:
156
APÉNDICE E. FACTORES MODIFICADORES EN EL LÍMITE DE RESISTENCIA A LA FATIGA.
A tener en cuenta: Véase (anexos 6). Acero 1040
Para lá distancia de:
* +
Dónde:
157
Se procede a encontrar cada uno de los factores modificadores a la resistencia de la fatiga.
Factor de superficie:
Tabla E1: Factor de superficie.
Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 280.
Para este caso se determina que se hará en maquinado en frio el eje. Entonces:
Remplazando:
158
Factor de tamaño: Tabla E2.Factor de tamaño.
Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 280.
Donde se determina el tamaño de selección en mm así encontrando el factor de diámetro.
Factor de carga: Tabla E3. Factor de carga.
Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 282.
El factor de carga seleccionado es de 1 ya que en el caso el peor de los casos es el mayor, y en el eje se ven involucrados torsión y flexión.
159
Factor de Temperatura:
Tabla E4. Factor de temperatura de operación.
Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 283.
Para este caso el eje operara en condiciones normales de temperatura ambiente;
160
Factor de confiabilidad: Tabla E5.Factor de confiabilidad.
Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 285.
Se presenta un porcentaje de fiabilidad del 90 % donde
Concentradores de esfuerzos y sensibilidad a la muesca.
161
Tabla E6. Sensibilidad a la muesca.
Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 290.
En la (tabla E6) buscamos la curva correspondiente para el punto intersecta con la sensibilidad a la muesca
.
y se
Ahora se debe tener en cuenta los concentradores de esfuerzos previstos en el esquemático del eje (Ilustración 36), donde se observa que hay un cambio de diámetro de 20 mm a 25.4 mm ejerciendo así:
Para el caso de esfuerzos combinados se tiene que:
162
Límite a la resistencia a la fatiga:
Tabla E7. Límite a la resistencia a la fatiga .
Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 336.
Donde se presentan:
163
Tabla E8. Sensibilidad a la muesca.
Fuente: Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 291.
Agujero de soporte es de Entonces
,
164
Tabla E9. Factor kts.
Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Anexo A 16.
Tabla E10. Factor kt.
Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Anexo A 15
165
Cuña:
Para diseñar las cuñas en cuenta el diámetro
distancia de sujeción de la polea, tenemos en
de la sección del eje correspondiente, estos datos
determinaran el acho (b), y la altura (h) de las cuñas, ya que son valores normalizados. Para el presente caso se toman los valores para que dicha cuña sean cuadradas, y solo se calculara su longitud, por medio del esfuerzo cortante y el esfuerzo de aplastamiento que se generan en la cuña. El valor del factor de seguridad se disminuye, para que la cuña se dañe al colocarle sobrecarga, en vez de que se dañe el eje. El diseño del eje se realizó con
.
para el caso d la cuña se diseña con un
166
Se selecciona una cuña rectangular de (8X7) mm, paralela para hacer la sujeción de la polea:
Tabla E8. Chaveteros.
Fuente: Tamaños de las chavetas comerciales (mm), [En línea], [Consultado 15 Enero 2012]. http://www.cadersa.es/Pag72.htm
8
Dónde:
167
De lo anterior se concluye que el aplastamiento que se ejercerá en la cuña es mínimo ya que la longitud requerida para el sistema es de tan solo un milímetro, por lo consiguiente se escoge un valor de 2 cm para ejes de una pulgada.
168
APÉNDICE F. SELECCIÓN DE FACTORES PARA RODAMIENTOS RÍGIDOS DE BOLAS.
Tabla F1. Valores de Ca/Pd para diferentes duraciones en horas de funcionamiento.
Fuente: Mantenimiento y recambio de rodamientos. Departamento y desarrollo de recursos humanos de Aceralia Corporación siderúrgica, segunda Edición, pág. 58.
169
Tabla F2. Índice del rodamiento.
Fuente: Mantenimiento y recambio de rodamientos. Departamento y desarrollo de recursos humanos de Aceralia Corporación siderúrgica, segunda Edición, pág. 64.
170
APÉNDICE G. DIMENSIONES DE TRABAJO ÓPTIMO PARA UNA PERSONA DE EN PIE.
Figura G1. Esquemático de distancias de trabajo para personas de pie.
Fuente: Lic. Jorge Luis Melo, Ergonomía desde el punto de vista de la higiene y seguridad industrial, [En línea], [Consultado 24 Noviembre 2011], http://www.fisoweb.org/files/Antropometria_Lic.%20Melo.pdf
171
Tabla G1. Consideracies para trabajos ejercidos por una persona de pie.
Fuente: Lic. Jorge Luis Melo, Ergonomía desde el punto de vista de la higiene y seguridad industrial, [En línea], [Consultado 24 Noviembre 2011], http://www.fisoweb.org/files/Antropometria_Lic.%20Melo.pdf.
172
APÉNDICE H. CÁLCULOS DE MOMENTOS DE INERCIA, Y VERIFICACIÓN DE PERFILES. Figura 1. Perfil seleccionado.
Fuente: Elaboración propia. Figura2. Momento de Inercia en el perfil.
Fuente: Elaboración propia
173
Figura 3. Deflexion en el perfil otorgado por la empresa.
Fuente: Elaboración propia
174
Figura 4. Perfil seleccionado en soporte vertical.
Fuente: Elaboración propia
Figura 5. Perfil seleccionado en soporte vertical.
Fuente: Elaboración propia
175
Figura 6. Cálculo de pandeo en el perfil.
Fuente: Elaboración propia
176
ANEXOS
177
ANEXOS 1. Propiedades del acero en lámina Hot Rolled ASTM A 36
178
Tabla 1. Propiedades físicas de láminas de acero A36.
Fuente: Proveedor local.
179
Tabla 2. Propiedades de algunos materiales usados en ingeniería.
Fuente: Conceptos Básicos sobre el diseño de máquinas, Apéndices B.
180
ANEXOS 2. Diámetros comerciales de tuberías en acero inoxidable.
181
Tabla 1. Diámetros de tuberia en acero inoxidable
Fuente: La Española & CIA LTDA, Catálogo de productos, Bogotá Colombia.
182
ANEXOS 3. Propiedades de los materiales clasificación según el CEMA.
183
Tabla 1. Características de los materiales.
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H,
184
Tabla 2. Lectura de los codigos CEMA.
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H.
185
Tabla 3. Codificación de los materiales.
Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H.
186
ANEXOS 4. Dimensiones de poleas comerciales catálogo de Magic - Grip
187
Figura 1. Esquema de dimensiones.
Fuente: Magic Grip, poleas para correas trapezoidales,Sociedad industrial de trasnmisiones S.A, catálogo de existencias, pág 5.
188
Tabla 1. Dimensiones de poleas comerciales.
Fuente: Magic Grip, poleas para correas trapezoidales,Sociedad industrial de trasnmisiones S.A, catálogo de existencias, pág 6.
189
ANEXOS 5. Características de correas.
190
Tabla1. Características de correas trapezoidales.
Fuente: Power V Belt , Catálogo de productos, Correas trapezoidales ISO 5290.
191
ANEXOS 6. Resistencias a la tension y a la fluencia para algunos materiales Valores ASTM .
192
Tabla 1. Características de algunos Aceros Resistencias y fluencias.
Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shi gley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett , Mc Graw Hill, Octava Edicion.
193
ANEXOS 7. Características del motor
194
Tabla 1. Motor eléctrico.
Fuente: Nord, Catálogo de existencias.
195
Tabla 2.Dimensiones estandar de motores.
Fuente: Nord, Catálogo de existencias.
196
ANEXOS 8. Variador de velocidad monofásico con salida trifásica.
197
Tabla 1. Características del variador de velocidad.
198
Fuente: Invertek Drives, Optidrive, Catálogo de variadores de velocidad en existencias. Sección E2
199
ANEXOS 9. Celda de carga Lexus.
200
Tabla1. Características de la celda de carga seleccionada.
Fuente: BCI Ingeniería, [en línea]. [Consultado 8 de febrero. 2012], http://www.bciltda.com/
201
Diagrama 1. Conexión interna de la celda de carga.
Fuente: BCI Ingeniería, [en línea]. [Consultado 8 de febrero. 2012], http://www.bciltda.com/
202
ANEXOS 10. Características Visualizador indicador .
.
203
Tabla 1. Características del indicador.
Fuente: BCI Ingeniería, Catálogo de indicador [en línea]. [Consultado 8 de febrero. 2012], http://www.bciltda.com/
204
Tabla 2. Características del indicador.
Fuente: BCI Ingeniería, Catálogo de indicador [en línea]. [Consultado 8 de febrero. 2012], http://www.bciltda.com/
205
ANEXOS 11. Características del PLC seleccionado
206
Figura 1. Diagrama de conecciones del plc
Fuente: Click Project Loader user guide, Koyo, Catálogo de programación.
207
Tabla 1. Características del PLC.
Fuente: Click Project Loader user guide, Koyo, C atálogo de programación.
208
Tabla 2. Caracteísticas analogicas del PLC
Fuente: Click Project Loader user guide, K oyo, Catálogo de programación.
209
ANEXOS 12. Características del soporte, rodamiento .
210
Tabla 1. Soporte SNL.
Fuente: SKF, Rodamientos, [En línea], [Consultado 21 febrero 2012], http://www.skf.com/skf/productcatalogue/Forwarder?a ction=PPP&lang=es&imperial=false&windowName=null&perfid=520198&prodid=5201981506
211
ANEXOS 13. Formato de entrega de la Ensacadora de bolsa Valvulada para cemento mortero.
212
Tabla1. Formulario de entrega para la máquina.
Fuente: Elaboración propia, Del autor
213
ANEXOS 14. Programación Ladder para el PLC
214
Figura 1. Diagrama ladder de programación
Fuente: Elaboración propia, del autor
215
Fuente: Elaboración propia, del autor
216
ANEXOS 15. Lista de costos de la ensacadora.
217
Tabla1. Presupuesto área eléctrica ensacadora.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
218
Tabla 2. Presupuesto área mecánica de la ensacadora.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
219
Tabla 3. Presupuesto total de la ensacadora.
Fuente: Elaboración propia, del autor.
220
ANEXOS 16. Material fotográfico de la construcción de la ensacadora.
221
Tabla 1. Construcción de elementos mecánicos. a. Salida prismática
b. tornillo sinfín
c. Tolva de almacenamiento
d. Soporte estructura
Fuente: Elaboración propia, del autor
222
Tabla 2. Montaje de elementos.
a. Montaje Boquilla de dosificación
b. Montaje tolva estructura
c. Conjunto Tornillo, eje, rodamiento y soportes
Fuente: Elaboración propia, del autor
223
Tabla 3. Ensacadora final. a. Vista lateral de la ensacadora
b. Ensacadora en pruebas sin acabado.
c. Ensacadora final vista frontal
d. Ensacadora lateral terminada.
Fuente: Elaboración propia, del autor
224
Tabla 4. Pruebas de llenado en bolsa valvulada. a. Pruebas de llenado
b. Prueba de llenado vista lateral.
c. Descarga del material reposado
d. Estibamiento de las bolsas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
225
ANEXOS 17. Manual de Operación y Mantenimiento.
226
ENSACADORA DE CEMENTO MORTERO PARA BOLSA VALVULADA. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
227
MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LA MÁQUINA ENSACADORA
INTRODUCCIÓN
Este manual de usuario se realiza con el propósito de otorgar a la empresa financiadora y usuario en general de la máquina, los datos y conocimientos necesarios para una adecuada operación. A continuación se describen los procedimientos en detalle de la debida puesta en marcha de la ensacadora.
ENSACADORA DE CEMENTO MORTERO PARA BOLSAS VALVULADAS.
Esta máquina hace parte del gran conjunto de empacadoras del sector industrial cementero de nuestro país, básicamente la función esencial de este modelo es el de empacar cemento mortero en bolsas valvuladas elaboradas y suministradas por la empresa Idealpack S.A.S.
Para el empacado de dicho material esta maquinaria emplea componentes mecánicos tanto rígidos como móviles, permitiéndole la dosificación gradual del cemento; desde una tolva de acopio como elemento almacenador, llevado por un tornillo sinfín como elemento trasportador hasta el elemento de salida en la bolsa valvulada como la boquilla de dosificación.
228
El proceso en general se encuentra controlado por una rutina de trabajo ejecutada desde un PLC (Controlador Lógico Programable); Dicha rutina requiere de la adquisición de los datos obtenidos por el sensor de peso encargado de verificar en cualquier instante de tiempo la cantidad de material empacado en las bolsas, la señal entregada por el sensor de peso será linealizada y amplificada de manera tal que en la rutina de trabajo se pueda manipular para los diferentes tipos de peso previstos por el diseñador; pesos que serán establecidos al iniciar el ciclo de llenado, de manera manual a través del selector de peso en el tablero de mando, el llenado y paro del proceso se hace de manera autónoma determinando la velocidad de giro del motor conforme se va llenado el material en la bolsa, brindando así una fiabilidad de ± 1 % en el peso, a una velocidad de ± 25 segundos para bolsas de 25 kilogramos.
229
MANUAL DE USUARIO INFORMACIÓN TÉCNICA. Datos técnicos generales:
Revoluciones de giro máximo, motor
1750 rpm
Revoluciones de operación, transportador
1200 rpm, 700rpm, 300 rpm
Conexión eléctrica
110 V a 60 Hz
Consumo de corriente en arranque
3.1 A
Consumo de corriente en marcha
1.7 A
Potencia total desempeñada
2 Hp
Potencia total requerida
1.2 Hp
Tipo de llenado
Semi automático tres posiciones de peso (10,25, 30) kilogramos.
Tiempo de llenado
[10-30] segundos por bolsa de 25 kilogramos
Carga máxima (cemento mortero)
± 300 kilogramos
Capacidad de operación (cemento mortero)
± 250 kilogramos
Peso vacío
Aproximado de 180 kilogramos
Peso con carga
Aproximado de 430 kilogramos Dimensiones
Alto
± 2000 mm
Ancho
± 800 mm
Largo
± 800 mm
230
COMPONENTES DE LA ENSACADORA DE CEMENTO MORTERO EN BOLSA VALVULADA. 1. Elementos mecánicos 2. Elementos electrónicos 3. Programación y calibración.
PARTES DE LA MÁQUINA.
Figura 1. Partes de la máquina
231
RELACIÓN DE ELEMENTOS
N° de
Descripción
Elemento
1
Tolva de almacenaje
2
Salida prismática
3
Eje de transmisión
4
Soportes de rodamientos
5
Soporte estructura
6
Polea transportada
7
Motor
8
Polea motriz
9
Tornillos tipo esparrago de ajuste
10
Soporte motor
11
Sensor de peso
12
Ejes guía para ajuste de peso
13
Canoa de peso
14
Soporte peso
15
Boquilla de dosificación
232
SUBCONJUNTOS
Conjunto almacenamiento salida.
Figura 2. Tolva salida
RELACIÓN DE ELEMENTOS
N° de
Cantidad
Descripción
elemento
1
1
Flanche de terminación.
2
1
Tolva de acopio Acero ASTM A- 36
233
3
2
Flanches de sujeción Acero ASTM A -36
4
1
Salida prismática Acero ASTM A-36
5
12
Agujero pasante, Tornillo hexagonal rosca ordinaria de 3/8” X 11/2”, arandela y guasa de
sujeción. 6
1
Retenedor axial para ejes en nitrilo marca skf de 1“de diámetro interno.
Conjunto tornillo sinfín.
Figura 3. Tornillo sinfín
234
RELACIÓN DE ELEMENTOS
N° de
Cantidad
Descripción
1
1
Eje transmisor de una pulgada en acero 1040.
2
1
Hélice den acero de ¼ “ de espesor y 350 mm
elemento
de longitud 3
2
Agujero roscado, pasador de ¼” de espesor por ¾ “ de longitud
4
2
Perfil de soporte rodamiento
5
2
Soporte de pies de la serie SNL de la casa SKF con manguito de sujeción y rodamiento rígido a bolsa.
6
1
Polea trapezoidal de trasmisión, correas sección A.
235
Conjunto pesaje.
Figura 4. Canoa de peso
RELACIÓN DE ELEMENTOS
N° de
Cantidad
Descripción
1
Brazo de sujeción en aluminio con perno liso y
elemento
1
anillo seeger de sujeción 2
1
Brazo de sujeción 2 en aluminio con perno liso y anillo seeger de sujeción
236
3
4
Agujero pasante, tornillo hexagonal rosca ordinaria de 3/8 “X 1”, con arandela y guasa
de sujeción. 4
1
Brazo de sujeción 3 en aluminio
5
2
Perfil soporte canoa de peso.
6
4
Agujero roscado interno ordinario 3/8” X 2”.
7
5
Agujero pasante 5/16”
8
4
Agujero pasante, tornillo hexagonal rosca ordinaria de 3/8 “X 1”, con arandela y guasa
de sujeción.
9
1
Canoa de pesaje Acero ASTM A-36
10
2
Guías en acero Plata
11
1
Boquilla de dosificación en acero Inox
237
TABLERO DE MANDO
Figura 5. Control de mando.
RELACIÓN DE ELEMENTOS
N° de
Cantidad
Descripción
elemento
1
1
Visualizador electrónico, transductor del sensor
2
1
Fuente de voltaje 220 V Ac – 24 V Dc
3
2
Indicador lumínico de encendido del motor
4
1
Selector de prendido y apagado de la máquina
5
2
Pulsador de inicio del proceso
238
6
1
Selector de pesos
7
3
Canaletas de sujeción y protección de las conexiones
8
1
PLC
9
1
Variador de velocidad
10
1
Totalizadores eléctricos
11
1
Paro de emergencia
PROGRAMACIÓN
La programación de hace de manera directa para cada uno de los componentes que así lo dispongan para la programación del variador y PLC se tendrán en cuenta los requerimientos de diseño establecidos y con los cuales se denotaran como punto de partida para estos elementos.
239
VARIADOR DE VELOCIDAD
Nº
Parámetro interno
Descripción
Valor
Observaciones
Número
1
P 10
Velocidades nominales del motor en Hz o Rpm.
1
2
P 01
Máxima velocidad del motor.
1750 rpm
3
P 02
Velocidad mínima del motor.
0
4
P 03
Tiempo de aceleración
2s
Por defecto tiene una rampa de aceleración de 5 s para alcanzar la velocidad máxima en la aplicación no es conveniente dejar este tiempo ya que demora el llenado de la bolsa.
5
P 04
Tiempo de desaceleración
0.1 s
Es el tiempo min que el variador permite, en la aplicación es mejor tener un tiempo corto para evitar el llenado por inercia
6
P 07
Voltaje del motor
220 V
7
P 09
Frecuencia del motor
60 Hz
8
P 15
Multi velocidades
2
En este parámetro se activan la secuencialidad de diferentes velocidades, por medio de un orden lógico booleano, esta función se establece para disminuir el error de llenado por inercia y mejorar tiempos.
9
P 20
Velocidad 1
00
Máxima velocidad
10
P 21
Velocidad 2
10
Velocidad al 58 60%
11
P 22
Velocidad 3
01
Velocidad al 25%
240
Se establece de esta forma para que todas las velocidades descritas se presenten en rpm. Es el valor máximo de revoluciones ejercidas por el motor comprado.
PLC
Para la programación de este elemento es necesaria una conexión previa con el computador ya que el cambio y montaje de las rutinas de trabajo solo se puede efectuar a través de este; para lo cual es indispensable tener
un cable de
conexión USB a serial, y serial RJ 12, ya que este es el plug de entrada al PLC, ver la siguiente figura.
Figura 6. Conexión PLC, PC
Una vez hecha la conexión con el computador se debe abrir la interfaz de conexión especificando el puerto a utilizar y la velocidad de comunicación de la transmisión de datos. 9600 baudios
241
Figura 7. Parametros de la conexion
Hecha y establecida la conexión con el computador es necesario abrir el software de programación del PLC para este caso este software es uno otorgado por el proveedor llamado Click de koyo. La ventana de aceptación del PLC deberá verse de la siguiente manera:
Figura 8.Conexion establecida.
242
En la cual se describe que la conexión se encuentra hecha y que el usuario puede ejercer dos tareas la de abrir un documento para realizar una rutina de trabajo, o la de leer directamente del PLC las rutinas almacenadas si es el caso. El programa que se encuentra archivado en el PLC es el programa de las rutinas de llenado y cambio de velocidad para las diferentes bolsas, dándole leer desde el PLC la ventana de navegación deberá mostrar las rutinas programadas con las que la máquina ha trabajo; se vera de la siguiente manera en el lenguaje de programación ladder.
243
Figura 9. Programación ladder
244
245
Para realizar algún cambio en este programa basta con realizarlo directamente ene le código, y sobrescribir los cambios de nuevo en el PLC, para esto hay que asegurarse que este se encuentre en modo de stop, de lo contrario la rutina no podrá sobre escribirse, una vez sobre escrita deberá cambiar el modo de (stop) a (Run) para poder ver el comportamiento del programa.
Figura 10. Puesta del PLC en Stop y Run.
NORMAS GENERALES DE SEGURIDAD
Es importante aclarar que la integridad física, eléctrica y del personal; está sujeta únicamente al buen uso que el operario o personal que opera esta máquina le dé durante la instalación, funcionamiento, limpieza y mantenimiento que se elaboren.
246
SEGURIDAD PERSONAL
1. El personal a operar debe estar atento en cualquier momento del proceso a cualquier irregularidad presente durante el llenado de la tolva, dosificación de la bolsa, y retiro de la misma. 2. El personal debe utilizar los implementos de seguridad industrial descritos por la empresa para este proceso, Guantes, gafas de protección visual, tapabocas, casco, botas de punta acerada. 3. El personal no deberá operar la máquina en estado de alicoramiento o bajo cualquier sustancia que le impida su buen funcionamiento psicomotriz.
SEGURIDAD DEL ÁREA DE TRABAJO
1. El área de trabajo donde seste dispuesta la máquina debe encontrarse en
preferencia seca y libre de elementos contaminantes. 2. La superficie del área de trabajo de la máquina debe encontrarse a nivel, de
no ser así no es aconsejable soportar con cuñas u otros elementos de andamiaje. 3. La máquina se debe operar en un lugar de ventilación libre y no en lugares cerrados debido a la liberación de material particulado al momento del llenado.
247
SEGURIDAD ELÉCTRICA
1. Verificar el tipo de conexión eléctrica a disposición de la ensacadora. 2. No se recomienda la conexión de la máquina en lugares donde la variación eléctrica sea fluctuante y poco estable. 3. No golpear el tablero de mando, ni exponerlo a humedad excesiva. 4. No utilizar elementos electrónicos ajenos a los especificados en su uso, no cambiar ni introducir cableado externo en el interior del tablero.
NORMAS ESPECÍFICAS DE SEGURIDAD
1. El operario por ninguna razón durante el proceso deberá introducir los
dedos o cualquier otra parte física o externa dentro de la boquilla de dosificación; esta labor solo se debe efectuar durante el proceso de mantenimiento siguiendo las recomendaciones previstas. 2. En caso de algún atascamiento en el proceso el operario deberá
asegurarse de cortar la alimentación eléctrica, antes de continuar con el proceso de des atascamiento en la máquina. 3. El operario no introducirá un elemento ajeno al material a empacar a través
de la tolva de almacenamiento. 4. El operario ni ninguna persona externa deberá colocar elementos ajenos en la tolva de almacenamiento de manera directa o superpuesta, para evitar volcamientos de la estructura. 5. El operario no se colgara en la tolva de almacenamiento para alcanzar lugares visibles, en cambio utilizara el escalón de acceso.
248
OPERACIÓN DE LA MÁQUINA
1. Instalación 2. Alimentación eléctrica 3. Encendido apagado 4. Operación
INSTALACIÓN
La localización de la máquina podrá ser cualquiera que cumpla con las condiciones de seguridad previstas para el área de trabajo y condiciones eléctricas. Teniendo en cuenta que la programación y condiciones de llenado están pre establecidas y almacenadas en los componentes del tablero de mando; y podrán ser cambiadas en cualquier momento a disposición de la empresa.
ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
La máquina está diseñada con el fin de ser alimenta por una conexión de tipo general y común, como lo es una red de corriente alterna de tipo monofásica de 110 v a 60 Hz, siguiendo las recomendaciones de seguridad eléctricas.
249
ENCENDIDO Y APAGADO
La máquina cuenta con un selector (1), de encendido y apagado de los componentes electrónicos que forman parte del control en el proceso de llenado, adicionalmente esta cuenta con un totalizador (2), el cual interrumpirá la corriente en todos los elementos electrónicos así apagando por completo la ensacadora. Para encender la máquina es necesario ver si los totalizadores se encuentran apagados de ser el caso se deberán encender y posteriormente dar encendido en el selector de encendido y apagado en el tablero; Ver la siguiente figura.
Figura 11. Encendido y apagado
1
2
Fuente: Elaboración propia, del autor.
250
OPERACIÓN
La ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada tiene como inicio en su operación de llenado el acopio de material en la tolva de almacenamiento labor que debe hacer el operario siguiendo los requerimiento de seguridad pertinentes, entre las cuales se denota el no introducir ningún elemento ajeno al del producto almacenar, adicionalmente si en el interior de la tolva se encuentra algún elemento extraño se debe retirar; una vez que el operario halla almacenado el material a trabajar procede a dar inicio con el encendido de la máquina, recordando que se tiene dos elementos a verificar el totalizador, y el selector de encendido y apagado de la máquina, con la máquina encendida se selecciona manualmente el peso previsto para el empaque por medio del selector de peso, ahora ya seleccionado el peso, el operario deberá posicionar la bolsa valvulada en la boquilla de dosificación sobre la canoa de peso y de manera tal que la boquilla se introduzca en la válvula de la bolsa, asegurando que la bolsa se encuentra en posición para el llenado se procede a dar inicio al proceso por medio del pulsador de inicio, este proceso de llenado y paro de la máquina se hace de manera autónoma dando finalizando en el momento en que el peso del material empacado en la bolsa llegue al peso establecido con anterioridad en el mando; una vez que la máquina llegue al peso pre establecido se detendrá y el operario deberá retirar la bolsa llena del producto, para una nueva rutina se deberá colocar una bolsa nueva para un posterior llenado.
251
Figura 12. Secuencias de pasos para operar la ensacadora.
•
1. LLenar la tolva
•
2. Encender de la máquina
•
3. Seleccionar el peso
•
4. Posicionar la bolsa
•
5. Iniciar el proceso.
•
6. Nuevo llenado
Se hará de forma manual , siguiendo las consideraciones de seguridad, se retirara todo objeto extraño al material a empacar.
Verificando los totalizadores del tablero y el selector de encendido y apagado
Se selecciona el peso de manera manual a traves del selector en el tablero de mando.
El operario posiscionará la bolsa en la boquilla de dosificación, asegurandose que esta este introducida en la válvula de la bolsa y sobre la canoa de peso.
Se iniciara el proceso mediante el pulsador de inico en el tablero de mando.
El operario debera repetir el paso de posicionar la bolsa (4) y continuar (5,6).
Fuente: Elaboración propia, del autor.
252
MANTENIMIENTO
La Ensacadora de cemento mortero en bolsa valvulada, está fabricada de manera robusta, simple y de fácil operación, es eficiente, precisa en el pesaje y durable. Toda máquina requiere de mantenimiento constante atención y cuidado tanto del responsable del mantenimiento como del operario, con limpieza y lubricación.
La máquina presenta un sistema de lubricación en los rodamientos y bujes dónde se recomienda el uso de grasa por lo menos dos veces por semana.
TIPO DE GRA SA : SKF LGMT 2/0.4 Grase de base mineral con espesante de
jabón de litio (o similar).
La empacadora requiere de poco mantenimiento programado, pero se recomienda brindar especial atención a los siguientes aspectos:
Cuando no esté en uso, la empacadora debe permanecer vacía para evitar compactación del material.
Lubricar semanalmente los acoples de los bracitos del sistema de pesaje para evitar la infiltración de polvo, manteniendo así la sensibilidad del sistema en el sensor de peso.
Mantenga bien engrasados los rodamientos del eje transmisor, para así evitar sobre cargas en sistema.
253
