Fotografía de Nicolas Häns. Disponible en Unsplash.

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(1)Fotografía de Nicolas Häns. Disponible en Unsplash.. |.

(2) DISEÑO DE PRENSA HIDRÁULICA PARA PUERTAS ENTAMBORADAS. DIEGO FERNANDO HOYOS BOJACÁ DIDIER ALEXANDER GIRALDO VALENCIA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA TECNOLOGÍA EN MECÁNICA INDUSTRIAL BOGOTÁ D.C 2021 2.

(3) DISEÑO DE PRENSA HIDRÁULICA PARA PUERTAS ENTAMBORADAS. DIEGO FERNANDO HOYOS BOJACÁ DIDIER ALEXANDER GIRALDO VALENCIA. MONOGRAFÍA. ING. JOHN ALEJANDRO FORERO CASALLAS M.Sc. PROFESOR DIRECTOR. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA TECNOLOGÍA EN MECÁNICA INDUSTRIAL BOGOTÁ D.C 2021 3.

(4) Nota de aceptación. _________________________________ _________________________________. _________________________________ _________________________________. ________________________________ Firma del jurado. ________________________________ Firma del jurado. ________________________________ Firma del jurado. Bogotá D.C, 2021 4.

(5) AGRADECIMIENTOS. En primer lugar, quiero agradecer a mi amigo y compañero de proyecto por el apoyo que brindó para sortear los obstáculos encontrados al momento de desarrollar el proyecto, además, quiero agradecer a Karen Jiménez, quien, con su conocimiento, nos apoyó en la estructuración del documento.. También quiero a agradecer a mi familia por brindarme ánimos en estos años de preparación académica. En especial, a mis padres por estar allí para subir mis ánimos y darme palabras de ánimo.. -. Diego Hoyos. Agradezco primeramente a mis viejos, por enseñarme que todo esfuerzo tiene su recompensa; a Karen Jiménez por ser ejemplo de superación y alentarme en cada iniciativa. También quiero agradecer a mi amigo Diego, por las risas y los momentos de frustración que hemos superado.. -. Didier Giraldo. 5.

(6) ÍNDICE DE CONTENIDO. 1.. GLOSARIO DE TÉRMINOS ..................................................................................... 13. 2.. RESUMEN................................................................................................................ 18. 3.. ABSTRACT .............................................................................................................. 19. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 20 4.. OBJETIVOS ............................................................................................................. 21 4.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 21 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................. 21. 5.. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................... 22 5.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .............................................................................. 22 5.2 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 23. 6.. MARCO REFERENCIAL .......................................................................................... 24 6.1 ESTADO DEL ARTE .............................................................................................. 24 6.2 MARCO TEÓRICO................................................................................................. 29. 7.. MATERIALES Y METODOLOGÍA ............................................................................ 38 7.1 MATERIALES ........................................................................................................ 38 7.2 METODOLOGÍA..................................................................................................... 39. 8.. DESARROLLO ......................................................................................................... 41 8.1 DISEÑO DE PRENSA ............................................................................................ 42 8.2 DIMENSIONAMIENTO DE CILINDROS HIDRÁULICOS........................................ 43 8.3 DIMENSIONAMIENTO Y CÁLCULO DE PERFILES .............................................. 50 8.3.1 Perfiles de apoyo de los cilindros hidráulicos ................................................... 50 8.3.2 Perfiles base y superiores ................................................................................ 58 8.4 COLUMNAS ........................................................................................................... 65 8.5 ANÁLISIS DE SOLDADURA .................................................................................. 70 8.6 DISEÑO DE CIRCUITO ELECTROHIDRÁULICO .................................................. 76 8.7 CÁLCULO DE UNIONES PERNADAS ................................................................... 80 8.8 ANÁLISIS DE JUNTA ............................................................................................. 90. 9.. COTIZACIÓN ........................................................................................................... 96. 10.. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................... 97. 11.. CONCLUSIONES ............................................................................................... 106 6.

(7) 12.. RECOMENDACIONES ....................................................................................... 107. 13.. REFERENCIAS................................................................................................... 109. 7.

(8) LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Resumen QFD ...................................................................................................................................... 41 Tabla 2. Factores de pandeo para cilindros....................................................................................................... 46 Tabla 3.Tipo de columna, Norton diseño de máquinas ..................................................................................... 65 Tabla 4 Tabla de perfiles UPN, catálogo STECKERL ........................................................................................... 68 Tabla 5. Tamaños mínimos de soldadura, tomada de Diseño de Máquinas, Norton. ...................................... 76 Tabla 6. Especificaciones métricas y resistencias para pernos de acero, Diseño de Máquinas, Norton. .......... 81 Tabla 7. Cotización de materiales ..................................................................................................................... 96.

(9) LISTA DE ECUACIONES. Ecuación 1. Fuerza ejercida por el cilindro. ....................................................................................................... 44 Ecuación 2. Diámetro del émbolo en función de la fuerza y presión. ................................................................ 44 Ecuación 3. Expresión de Euler para una columna. ........................................................................................... 45 Ecuación 4. Longitud efectiva. ........................................................................................................................... 46 Ecuación 5. Radio de giro de la columna. .......................................................................................................... 47 Ecuación 6. Relación de esbeltez de transición. ................................................................................................ 47 Ecuación 7. Relación de esbeltez. ...................................................................................................................... 47 Ecuación 8. Caudal necesario para realizar una carrera. .................................................................................. 49 Ecuación 9. Caudal real necesario para realizar una carrera. ........................................................................... 49 Ecuación 10. Ecuación de esfuerzo máximo. ..................................................................................................... 51 Ecuación 11. Ecuación de fuerzas en eje Y. ....................................................................................................... 53 Ecuación 12. Ecuación de momentos en el punto A. ......................................................................................... 53 Ecuación 13. Ecuación de fuerza cortante, método singularidad ..................................................................... 53 Ecuación 14.Ecuación de momento flector, método singularidad .................................................................... 54 Ecuación 15. Expresión preliminar de la pendiente. .......................................................................................... 54 Ecuación 16. Expresión preliminar de la deflexión. ........................................................................................... 54 Ecuación 17. Expresiones resultantes. ............................................................................................................... 54 Ecuación 18. Ecuación factor de seguridad. ...................................................................................................... 57 Ecuación 19. Ecuación de fuerzas en el eje Y ..................................................................................................... 60 Ecuación 20. Ecuación de momentos en el punto C. ......................................................................................... 60 Ecuación 21. Ecuación de fuerza cortante, viga superior. ................................................................................. 60 Ecuación 22. Ecuación de momento flector, viga superior. ............................................................................... 60 Ecuación 23. Expresión preliminar de la pendiente. .......................................................................................... 61 Ecuación 24. Expresión preliminar de la deflexión. ........................................................................................... 61 Ecuación 25. Expresiones resultantes. ............................................................................................................... 61 Ecuación 26. Sumatoria de fuerzas en el eje Y. ................................................................................................. 67 Ecuación 27. Sumatoria de momentos en el punto K. ....................................................................................... 67 Ecuación 28. Carga critica. ................................................................................................................................ 67 Ecuación 29. Radio de giro. ............................................................................................................................... 69 Ecuación 30. Esfuerzo máximo de una columna con carga excéntrica. ............................................................ 69 Ecuación 31 Deflexión máxima en la columna. ................................................................................................. 70 Ecuación 32. Área de esfuerzo........................................................................................................................... 72 Ecuación 33. Esfuerzo cortante directo. ............................................................................................................ 72 Ecuación 34. Momento de inercia cordón tipo C. .............................................................................................. 72 Ecuación 35. Momento generado debido a la carga. ........................................................................................ 72 Ecuación 36. Esfuerzo debido al momento (PROPONENTE) .............................................................................. 73 Ecuación 37. Esfuerzo total ............................................................................................................................... 73 Ecuación 38. Longitud de garganta. .................................................................................................................. 74 Ecuación 39. Ancho de garganta (PROPONENTE) ............................................................................................. 74 Ecuación 40. Límite de fluencia permisible (PROPONENTE) .............................................................................. 75 Ecuación 41. Carga por perno. .......................................................................................................................... 83 Ecuación 42. Fuerza debido al momento (PROPONENTE). ................................................................................ 84 Ecuación 43. Fuerza resultante perno A. ........................................................................................................... 85.

(10) Ecuación 44.Fuerza resultante perno B. ............................................................................................................ 85 Ecuación 45. Esfuerzo cortante en cara lisa (PROPONENTE) ............................................................................ 86 Ecuación 46. Área de cara lisa ........................................................................................................................... 86 Ecuación 47. Factor de seguridad de la cara lisa............................................................................................... 86 Ecuación 48. Área de cara roscada ................................................................................................................... 87 Ecuación 49.Factor de seguridad debido al corte en el material. ..................................................................... 89 Ecuación 50. Factor de seguridad debido al aplastamiento en el perno. .......................................................... 89 Ecuación 51. Factor de seguridad debido al aplastamiento en el material de la junta..................................... 89 Ecuación 52. Diámetro de paso para cuerdas ISO. ............................................................................................ 90 Ecuación 53. Diámetro de raíz para cuerdas ISO. ............................................................................................. 91 Ecuación 54. Área de tensión. ........................................................................................................................... 91 Ecuación 55. Precarga inicial. ............................................................................................................................ 91 Ecuación 56. Longitud de perno. ....................................................................................................................... 92 Ecuación 57. Longitud roscada para roscas métricas con L≤125 mm y D≤48 mm ........................................... 92 Ecuación 58. Rigidez del perno. ......................................................................................................................... 93 Ecuación 59. Rigidez del material de la junta.................................................................................................... 94 Ecuación 60. Longitud de cuerda en la zona de sujeción. ................................................................................. 94 Ecuación 61. Rigidez de la junta. ....................................................................................................................... 94 Ecuación 62. Carga requerida para separar la junta. ........................................................................................ 94 Ecuación 63. Torque de apriete. ........................................................................................................................ 95. 10.

(11) LISTA DE IMÁGENES. Imagen 1. Prensa hidráulica (Principio de Pascal). Tomado de: Kaboldy (2013). ............................................. 29 Imagen 2. Gráfico representativo comportamiento de la columna. Tomado de: Portuense (2014) ................. 30 Imagen 3. Esquema prensa hidráulica. Tomado de: Prensas hidráulicas (Mauricio Durán, 2020) ................... 30 Imagen 4. Gráfico QFD. Tomado de: Carlos T [Dominio público]. ..................................................................... 31 Imagen 5. Válvula de reducción de presión. Tomado de: Válvulas de presión (Automatización Industrial, 2010) ................................................................................................................................................................. 32 Imagen 6. Tipos de bombas y jerarquía. Fuente: Pumps- Bombas y jerarquía (S.F) ......................................... 33 Imagen 7. Representación gráfica análisis de viga. Fuente: Cálculo de vigas (Área tecnología, S.F) ............... 33 Imagen 8. Representación gráfica de columna sometida a pandeo, Tomado de: Material Resistencia de materiales II (Universidade Federal de Pelotas Centro de Engenharias) ........................................................... 34 Imagen 9. Representación gráfica de unión atornillada. Tomado de: Conexiones atornilladas y uniones soldadas, material académico Universidad de Colima Facultad de Ingeniería Electromecánica. ..................... 34 Imagen 10. Ejemplificación resultada de simulación virtual. Tomado de: SolidWorks Simulación de fluidos (CAD AVSHMEIP,2017) ...................................................................................................................................... 35 Imagen 11. Tipos principales de soldadura. Tomado de: AWS Símbolos normalizados para soldadura, soldadura fuerte y exámenes no destructivos (MS Ingeniería, 2018) ............................................................... 35 Imagen 12. Clasificación de las columnas en función de su relación de esbeltez. Fuente: Universidad de los Andes. ................................................................................................................................................................ 36 Imagen 13. Columna corta. Fuente: Repositorio (ESPE 025410) ....................................................................... 36 Imagen 14. Estructura cilindro hidráulico de doble efecto. Fuente: ROEMHELD. ............................................. 37 Imagen 15. Boceto estructural (2000x1600x1200) elaboración propia. ........................................................... 42 Imagen 16. Modelamiento de estructura, elaboración propia ......................................................................... 43 Imagen 17. Sección catalogo CICROSA para cilindros doble efecto. ................................................................. 48 Imagen 18. Diagrama de cuerpo libre viga A-B, elaboración propia. ............................................................... 50 Imagen 19.Tabla de perfiles UPN, catálogo STECKERL ..................................................................................... 52 Imagen 20.Diagrama de empotramiento con viga simétrica, toma del libro Fuerzas de fijación y momentos de empotramientos en vigas. ............................................................................................................................ 53 Imagen 21. Diagramas de fuerza cortante y momento flector, elaboración propia. ........................................ 56 Imagen 22.Esfuerzo máximo en la viga. ............................................................................................................ 57 Imagen 23. Deflexión máxima de la viga, elaboración propia. ......................................................................... 58 Imagen 24. Factor de seguridad de la viga, elaboración propia. ...................................................................... 58 Imagen 25. Diagrama de cuerpo libre viga D-J, elaboración propia. ................................................................ 59 Imagen 26.Tabla de perfiles UPE, catálogo STECKLER ...................................................................................... 59 Imagen 27. Diagramas de fuerza cortante y momento flector, elaboración propia. ........................................ 62 Imagen 28. Esfuerzo máximo en la viga. ........................................................................................................... 64 Imagen 29. Deflexión máxima en la viga. ......................................................................................................... 64 Imagen 30. Factor de seguridad del elemento. ................................................................................................. 65 Imagen 31. Diagrama de cuerpo libre viga K-L, elaboración propia. ................................................................ 66 Imagen 32. Trayectoria de cordón de soldadura. Tomada en línea de: http://www.aero.ing.unlp.edu.ar/catedras/archivos/Uniones%20soldadas%20sexta%20edicion%202013.pdf ........................................................................................................................................................................... 71 Imagen 33. Dimensiones de cordón de soldadura, tomada de Diseño de Máquinas, Norton. ......................... 74 Imagen 34. Sección catalogo West arco de electrodos para soldar. ................................................................. 75.

(12) Imagen 35. Diagrama de circuito hidráulico, elaboración propia. .................................................................... 77 Imagen 36. Programación eléctrica del circuito hidráulico, elaboración propia. .............................................. 79 Imagen 37. Configuración geométrica de pernos, elaboración propia. ............................................................ 80 Imagen 38. Cargas que soportan los pernos, elaboración propia. .................................................................... 82 Imagen 39. Diagrama de junta de pernos, elaboración propia. ........................................................................ 83 Imagen 40. Representación vectorial de fuerzas en los pernos, elaboración propia. ....................................... 85 Imagen 41.Simulación de pernos, elaboración propia. ..................................................................................... 88 Imagen 42. Fallas en la junta, Fuente: Diseño de Máquinas Shigley................................................................. 88 Imagen 43. Perfil de cuerda estándar Nacional Unificado e ISO, Diseño de Máquinas, Norton. ...................... 90 Imagen 44. Dimensiones del perno, elaboración propia. .................................................................................. 92. 12.

(13) 1. GLOSARIO DE TÉRMINOS •. Aplastamiento: Este tipo de esfuerzo ocurre cuando un cuerpo es soportado por otro, y es el esfuerzo de compresión desarrollado entre dos cuerpos en su superficie de contacto, que es característico en esta variante de esfuerzo normal (Guatemala, 2004).. •. Carga: el concepto de carga hace referencia entre múltiples definiciones, al peso que debe soportar un cuerpo o estructura sobre su propia materia (DeConceptos, 2021).. •. Carga eléctrica: es una cantidad escalar física que determina la capacidad de los cuerpos para ser una fuente de campos electromagnéticos y que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos (Internet Archive, 2007).. •. Caudal: el caudal es una cantidad de líquido proporcionada por una fuente cualquiera dentro de la unidad de tiempo. Se expresa en litros por minutos (L/min). El caudal influye de manera directa sobre la velocidad de la siguiente manera: sea dos cilindros de secciones idénticas, cada uno alimentado por una bomba; dado que el segundo cilindro tiene una mayor capacidad de bombeo, la velocidad del pistón es más rápida (Hydraulic Global Solutions, 2021).. •. Circuito: un circuito eléctrico es el conjunto de elementos eléctricos conectados entre sí, los cuales permiten generar, transportar y utilizar la energía eléctrica para finalmente transformarla en otro tipo de energía (térmica, lumínica, mecánica, entre otras) (Endesa, s.f.).. •. Compresión: se define como esfuerzo la relación entre una fuerza sobre un área aplicada, si para el efecto se considera una fuerza normal o perpendicular al área, este se convierte en esfuerzo normal. Por lo tanto, se debe tomar en cuenta también el sentido de la fuerza aplicada P, esto debido a que si la fuerza hace que el cilindro se comprima y sus medidas se ensanchen en el sentido de grosor, se habla de compresión (Guatemala, 2004).. •. Conductor: hace referencia al hilo mediante el cual circulan los electrones que han sido previamente impulsados por el generador (Endesa, s.f.)..

(14) •. Densidad: Se define como la masa de un material por unidad de volumen. Se le asigna a la densidad el símbolo de la letra griega rho. (Mott, 2006).. •. Diagrama de cuerpo libre: Es, en esencia, un medio para descomponer un problema complicado en segmentos manejables, este proporciona una información de forma clara y sin ambigüedades (Budynas & Nisbett, 2012).. •. Diámetro:Recta que une dos puntos de una circunferencia, una curva cerra da o una esfera, pasando por su centro (RAE, 2020).. •. Electricidad: es la fuerza que se manifiesta mediante la atracción o repulsión entre partículas cargadas de energía; esta es originada por la existencia de protones y electrones (RAE, 2020).. •. Émbolo: Pieza de una bomba o del cilindro de un motor que se mueve hacia arriba o hacia abajo impulsando un fluido o bien recibiendo el impulso de él (Oxford University Press, 2021).. •. Esfuerzo de fluencia: se refiere a la indicación del esfuerzo máximo que se puede desarrollar en un material sin causar una deformación plástica. Es el esfuerzo en el que un material exhibe una deformación permanente especificada y es una aproximación práctica de límite elástico (Illionis Tool Works Inc., s.f.).. •. Esfuerzo normal: Este se refiere a una fuerza normal o perpendicular al área de aplicación; de allí, la relación entre la fuerza y el área es tomado como un esfuerzo de catalogación normal (Guatemala, 2004).. •. Factor de seguridad: El factor de seguridad se aplica para cumplir con el criterio de seguridad al momento de diseñar la estructura, y tiene por objeto disminuir en cierta medida el esfuerzo último o esfuerzo total al que falla el elemento para trabajar con un esfuerzo menor, es decir, con el esfuerzo permisible o de trabajo. Este factor se determina por medio de ensayos experimentales del material y se selecciona con base en la experiencia del diseñador, tomando muy en cuenta probabilidades de cargas accidentales, imperfecciones del material, etc. (Guatemala, 2004).. •. Falla: la palabra Falla es un término general que se utiliza para designar que un componente, equipo o máquina ha fallado en servicio. Se considera que un elemento ha fallado cuando cumple alguna de las siguientes condiciones: 14.

(15) •. se vuelve completamente inoperable; el componente aún es operable pero no es capaz de cumplir la función para la que fue concebido, diseñado y manufacturado; cuando el deterioro del componente ha llegado a una condición seria que lo hace poco confiable o inseguro para continuar su utilización (Tovar, Análisis de falla de componentes de Ingeniería). Fuerza: es una magnitud vectorial que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos cuerpos; así, la fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, además de poner deformar lo cuerpos con su aplicación (Gobierno de México | Centro Nacional de Metrología, s.f.).. •. Fuerza cortante: la fuerza cortante en cualquier sección de una viga tiene igual magnitud, pero dirección opuesta a la resultante de las componentes en la dirección perpendicular al eje de la propia viga de las cargas externas, y reacciones en los apoyos que actúan sobre cualquiera de los dos lados de la sección que se está considerando (Beer & E, 1979).. •. Fuerza resultante: la fuerza resultante es una fuerza que por sí sola produciría el mismo efecto que todo el sistema de fuerzas que la componen (Salazar J. L., 2011).. •. Generador: alude a la parte del circuito donde se produce la electricidad (Endesa, s.f.).. •. Interruptor: se refiere al elemento mediante el cual es posible controlar el paso de la corriente eléctrica mediante apertura o cierre; de esta manera, si el interruptor está abierto no se permite la circulación de electrones, y cuando este está cerrado se permite el paso de la corriente (Endesa, s.f.).. •. Momento: se refiere al producto vectorial entre la fuerza aplicada y el vector distancia que va desde el punto para el cual calculamos el momento (eje por el cual el cuerpo giraría) hasta el punto en dónde se aplica la fuerza; a su vez, este representa la intensidad de la fuerza con la que se intenta hacer girar a un cuerpo rígido. El momento aumenta tanto si aumenta la fuerza aplicada como si aumenta la distancia desde el eje hasta el punto de aplicación de la fuerza (Práctica, s.f.).. •. Momento flector: el momento flector, dadas las condiciones de equilibrio, coincide con la resultante de fuerzas de todas las fuerzas situadas a uno de los dos lados de la sección en equilibrio en la que se pretende calcular el momento flector (Beer & E, 1979). 15.

(16) •. Operación vectorial: este término hace referencia a la forma en que pueden operarse e interpretar resultados a partir del uso de cantidades vectoriales; dentro de este, se tienen las operaciones vectoriales por método gráfico: multiplicación de un escalar por un vector, suma gráfica de vectores (métodos del triángulo, paralelogramo, polígono), resta gráfica de vectores. Por otra parte, se tienen las operaciones vectoriales de tipo analítico, dentro de ellas se encuentran: suma y resta analítica de vectores (teorema de Pitágoras, teorema de senos y cosenos, método de componentes rectangulares, coordenadas esféricas, etc.), multiplicación de vectores (producto escalar, producto vectorial o cruz, producto punto, etc.) (Blanco).. •. Perno: se refiere a una pieza de hierro u otro metal, larga, cilíndrica, con cabeza redonda por un extremo y asegurada con una chaveta, una tuerca o un remache por el otro; se usa para afirmar piezas de gran volumen (RAE, 2020).. •. Prensa hidráulica: es un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferentes áreas que, mediante una pequeña fuerza sobre el pistón de menor área, permite obtener una fuerza mayor en el pistón de mayor área. Los pistones son llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos (Hallyday, Resnick, & Krane, 1999).. •. Presión: magnitud que se define como la derivada de la fuerza con respecto al área. Cuando la fuerza que se aplica es normal y uniformemente distribuida sobre una superficie, la magnitud de presión se obtiene dividiendo la fuerza aplicada sobre el área correspondiente (Centro Nacional de Metrología (México), s.f.).. •. Resistencia eléctrica: esta resistencia hace alusión a los elementos del circuito que se oponen a la transmisión de la corriente eléctrica (Endesa, s.f.).. •. Tensión: se define como esfuerzo la relación entre una fuerza sobre un área aplicada, si para el efecto se considera una fuerza normal o perpendicular al área, este se convierte en esfuerzo normal. Por lo tanto, se debe tomar en cuenta también el sentido de la fuerza aplicada P, esto debido a que si la fuerza hace que el cilindro se estire o tense, como en el caso de la figura, se le llama esfuerzo de tensión (o tracción) (Guatemala, 2004). Torsión: es el efecto producido por la aplicación paralela de fuerzas de igual magnitud y sentido opuesto sobre el mismo sólido, produciendo un. •. 16.

(17) movimiento rotacional en el elemento sobre su eje longitudinal (Timoshenko, 1976). •. Vector: se define como vector aquella cantidad física que tiene magnitud, dirección y sentido. Son ejemplos de vectores la aceleración, velocidad, fuerza, peso, desplazamiento, campo eléctrico, entre otros (Blanco).. •. Viga: se denomina viga a un elemento estructural lineal que trabaja principalmente a flexión; estos elementos están proyectados para soportar y transmitir cargas transversales a las cuales se encuentra sometida, para transmitirlas posteriormente a los elementos de apoyo (Salazar L. , Concepto de vigas).. •. Volumen: magnitud física que expresa la extensión de un cuerpo en tres dimensiones (largo, ancho y alto), y cuya unidad en el Sistema Internacional es el metro cúbico (RAE, 2020).. 17.

(18) 2. RESUMEN El presente proyecto plantea el diseño de una máquina hidráulica que permita la optimización del proceso de puertas entamboradas en la industria carpintera; el cual consiste en la realización de un bastidor por medio de elementos de madera unidos con grapas industriales, posterior a esto, se aplica el pegante sobre el bastidor y se realiza la unión de dos placas delgadas mediante prensado para que queden correctamente unidas, este proceso artesanalmente requiere de espacio y la movilización de pesos para realizar el proceso, lo cual significa que se debe disponer de un espacio adicional en la planta para el almacenamiento de estos, todo lo anterior, limita el proceso de producción generando embotellamiento. Para tener un punto de partida, se realizó una búsqueda sobre aspectos específicos como la presión y el tiempo necesario, cabe resaltar que dicha información se obtuvo a partir de lo consignado en las instrucciones dispuestas en el pegante de uso para esta actividad y teniendo en cuenta la resistencia del aglomerado para evitar deformaciones en el producto final. A continuación, y con el fin de llevar a cabo el proceso de diseño mecánico de la prensa hidráulica, basados en los criterios de presión requerida y las medidas establecidas para las puertas registradas con mayor producción; se procedió a delimitar el margen de diseño y el planteamiento de una geometría práctica, conveniente y efectiva, que permitiese solucionar el problema de demanda. Cabe resaltar que, a lo largo del proyecto, se utilizó como criterio de selección el análisis de cargas actuantes tanto en elementos estructurales como de unión (pernos y soldadura); teniendo en cuenta que esto últimos son de vital importancia dentro de las consideraciones y puesta en marcha del diseño, debido a que se procuraría ubicarlos de manera estratégica para que la estructura fuese desarmable. Para el modo de accionamiento, se hizo uso de un sistema electrohidráulico compuesto principalmente por dos cilindros y los accesorios respectivos; junto con el planteamiento del sistema eléctrico encargado de controlar y activar el sistema general con base en la demanda de servicio. PALABRAS CLAVE: diseño mecánico, electrohidráulico, presión, carga.

(19) 3. ABSTRACT The present project proposes the design of a hydraulic machine that allows the optimization of the process of wooden doors in the carpentry industry; which consists of the realization of a frame by means of wooden elements joined with industrial staples, after this, the glue is applied on the frame and the union of two thin plates is made by pressing so that they are correctly joined, this process requires space and the mobilization of weights to carry out the process, which means that additional space must be available in the plant for the storage of these, all the above, limits the production process generating bottlenecks. In order to have a starting point, a search was carried out on specific aspects such as the pressure and time required; it should be noted that this information was obtained from the instructions provided in the glue used for this activity and taking into account the strength of the agglomerate to avoid deformations in the final product.. Then, in order to carry out the mechanical design process of the hydraulic press, based on the required pressure criteria and the measures established for the doors registered with the highest production, we proceeded to delimit the design margin and the approach of a practical, convenient and effective geometry, which would allow solving the demand problem. It should be noted that, throughout the project, the selection criterion used was the analysis of acting loads in both structural and joint elements (bolts and welding); taking into account that the latter are of vital importance within the considerations and implementation of the design, since they would be strategically located so that the structure could be disassembled.. For the drive mode, an-electro-hydraulic system was used, composed mainly of two cylinders and the respective accessories; together with the electrical system in charge of controlling and activating the general system based on the service demand.. KEY WORDS: mechanical design, electro-hydraulic, pressure, load..

(20) INTRODUCCIÓN El uso de la madera en Colombia para la creación de piezas de carpintería es una actividad que posee un amplio potencial de desarrollo y exploración, debido a que según cifras de Proexport, al año 2012 existían 17 millones de hectáreas con aptitud forestal para su uso, de las cuales solo el 2.06% estaba siendo aprovechado (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible; ONF Andina, 2015), y de esta última, cerca del 20% de la madera era destinada a la industria del mueble y creación de elementos interiores en la construcción.. La escasa evolución del sector, está relacionada con una parte fundamental de los procesos de producción y tratamiento de la madera, la cual posee múltiples actores y etapas que no generan gran valor en los procesos y que por el contrario, les es atribuido un importante porcentaje de las utilidades finales; tal es el caso de la fabricación de puertas entamboradas, que resulta una actividad recurrente en el país debido a la presencia del oficio de la carpintería en la mayoría de ciudades colombianas y la implementación de metodologías de elaboración con bajos niveles de optimización y automatización.. Así, el proceso de producción de puertas entamboradas resulta complicado para las pequeñas industrias carpinteras, debido a que los métodos de fabricación utilizados comúnmente (uso de elementos pesados que generan presión sobre las piezas y permiten unirlas de manera uniforme y mantener adherido el pegamento) limitan la cantidad de piezas elaboradas, extienden los tiempos de fabricación, aumentan los riesgos de accidentes en los operarios y desencadenan en la satisfacción poco efectiva de la demanda. Con base en el contexto anterior, el presente documento tiene como finalidad diseñar y calcular un sistema de prensa hidráulica que permita mantener la presión necesaria de unión en la fabricación de las puertas, además de agilizar el proceso de manufactura y brindar la posibilidad de fabricar un mayor número de piezas e incrementar los ingresos económicos; cabe resaltar que este diseño es realizado con base en la recopilación de características y requerimientos específicos del cliente, y la base teórica obtenida a partir de exploración investigativa de casos de éxito y problemáticas previas en el contexto del diseño mecánico de estas piezas.. 20.

(21) 4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar una prensa eficaz para la elaboración de puertas entamboradas.. 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Con el fin de llevar a cabo el objetivo planteado anteriormente, se sugieren las siguientes alternativas para su alcance.. ● Diseñar y analizar mediante elementos finitos el diseño de la estructura de la prensa ● Calcular y seleccionar los componentes que conformarán la máquina. ● Generar el dimensionamiento y planos de fabricación de la estructura.. 21.

(22) 5. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 5.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA En la industria maderera uno de los grandes inconvenientes al momento de optimizar el proceso de producción en la fabricación de puertas entamboradas es el no tener una herramienta que permita la producción de un número de puertas considerables, ya que en algunas de las pequeñas industrias dedicadas a esto, el método de producción es mediante diferentes cargas (tablones de madera, piezas de acero, prensas en C o F, entre otros) lo cual hace limitada la cantidad de puertas y alarga considerablemente el tiempo de producción, no pudiendo cumplir con la demanda requerida, ocasionando pérdidas de contratos.. Las puertas entamboradas en su producción requieren de cierta presión para que sus dos tapas queden unidas uniformemente y el pegamento pueda quedar adherido correctamente y así no tener un producto defectuoso que no se puede ofrecer al cliente por su baja calidad o en efecto un cambio repentino por garantía. Otro factor importante es el que, al tener esta máquina, se evitan posibles accidentes debido al error humano, ya que los operarios son los que colocan el peso sobre la puerta manualmente, estos accidentes pueden ir desde una mala posición para levantar la carga que será suministrada a la puerta, una lesión en los dedos por descargar suavemente el peso, lesión en el pie por caída de la carga o incluso afectar máquinas u otro personal que se encuentre cerca en ese momento. Ahora, otro punto importante es la disminución de espacio que la implementación de este sistema generaría, ya que para la realización de una puerta se requiere de un espacio considerable, generalmente. Entonces realizando la suposición de que se desee fabricar 70 puertas, la cantidad de espacio requerido para fabricarlas aumentaría y a su vez la cantidad de carga necesaria para estas. Así que al implementar esta máquina se recupera espacio y orden al eliminar los objetos que se utilizan como peso, se evita tropiezos y tiempo a la hora de sacar el producto terminado.. La empresa Cocinas G&G es un lugar dedicado a la fabricación de carpintería en general teniendo numerosos clientes, pero su principal inconveniente es que no han optimizado el proceso para la fabricación de puertas entamboradas y esto les ha hecho dejar a un lado un fuerte ingreso de dinero, ya que el esqueleto de las puertas se realiza con sobrantes de material y así dar lugar al aprovechamiento de material. El proceso que tienen actualmente para la elaboración de estas es colocar peso manualmente a las puertas para que puedan quedar unidas uniformemente, esto no les permite abarcar una gran producción, ya que a la hora de prensar se quedan cortos con el peso y el espacio y se pone en riesgo la salud del operario. Con lo anteriormente expuesto, se busca realizar el diseño y cálculo de la estructura que proporcione una presión uniforme sobre las puertas que se desean fabricar. Para así mejorar los tiempos de producción de la empresa, mejorar sus utilidades y ayudar a la prevención de accidentes laborales. 22.

(23) 5.2 JUSTIFICACIÓN El presente trabajo tiene como fin, realizar el diseño de una prensa para entamborar puertas para mejorar la producción de las pequeñas y medianas industrias madereras, ya que, es uno de los mobiliarios con mayor demanda en todas las viviendas, oficinas, entre otros inmuebles. La mejora de la producción en la industria es crucial para el crecimiento de una empresa, alcanzando una mejor calidad e ingresos económicos.. Las puertas entamboradas la mayoría de sus fabricantes hacen todo el proceso manual, siendo la última etapa de prensado la más limitante, tanto por tiempo y espacio, según las consultas hechas en carpinterías pequeñas y medianas, la producción diaria en promedio no puede sobrepasar de siete puertas, esto se debe a que no poseen demasiadas personas que son los que manualmente ponen el peso sobre estas o tienen pocas prensas manuales tipo C o F las cuales para una puerta se requiere de mínimo ocho de estas mismas, según relatan los carpinteros.. El enfoque de este proyecto se centra en desarrollar el trabajo de diseño para una empresa que no posee la solvencia económica para pagar un trabajo de ingeniería y fabricarla a su medida, es allí donde se plantea dar una solución a dicha empresa. Si bien, ya existe el diseño de esta máquina, con un sistema neumático y medidas generales; el proyecto se centra en el diseño de una prensa hidráulica para evitar fugas de aire que ocurren generalmente en los sistemas neumáticos y adaptar la máquina totalmente a las condiciones de la planta de dicha empresa que se ubica en Bogotá Además, al momento de buscar referencias sobre este tipo de máquinas, es difícil encontrar trabajos o catálogos donde se pueda indagar más sobre el diseño de estas, por ende, dejar referencias sobre el proceso de diseño sería valioso para aquellos que deseen realizar algo similar.. 23.

(24) 6. MARCO REFERENCIAL 6.1 ESTADO DEL ARTE A partir de lo consignado previamente, se plantea una investigación y revisión documental, basada en la recopilación de información para la implementación de prensas para optimizar los procesos; esto con el fin de filtrar las temáticas de interés para el presente proyecto y reconocer la importancia que tienen las investigaciones realizadas con antelación, los resultados y recomendaciones relacionados. De esta manera, es posible tener una visión más amplia del tema a desarrollar y los inconvenientes que han presentado los autores anteriores para poder plantear una solución efectiva al problema.. Primeramente, se utilizó el siguiente documento “Diseño, construcción e implementación de una prensa hidráulica de 25 toneladas, con accesorio para remoción de pines de cadena de tren de rodaje; para la empresa proyectos mecánicos KBM el rastro” (Carrera E. Cristián I., Cepera P. William E., 2014), en este documento los autores proponen el diseño de una prensa hidráulica de 25 toneladas para determinada aplicación, con el fin de mejorar los índices de calidad en los procesos relacionados con mantenimiento de maquinaria pesada. Los autores para llevar a cabo el diseño de la prensa hidráulica parten desde el análisis estático y las estructura, empezando por la viga horizontal que va sujeta mediante uniones pernadas, analizando la carga cortante máxima a la que esta es sometida y el momento flector máximo, luego continúan con el análisis de las columnas y demás elementos estructurales, siempre utilizando como material de fabricación u acero ASTM A-36, que es un tipo de acero estructural muy conocido. Después de haber calculado y dimensionado los perfiles referentes a la estructura que componen la prensa, los autores proceden a analizar el modelado hecho, mediante análisis de elementos finitos.. Al momento de realizar el análisis por elementos finitos de la estructura, los autores muestran de manera detallada los datos introducidos en el software sobre la. 24.

(25) propiedades del material, estos datos al no estar predeterminados en el software requieren de digitación manual, por ende, es útil saber que datos se requieren introducir para realizar la simulación. Los datos requeridos son; límite elástico (MPa), límite de tracción (MPa), módulo elástico (MPa), coeficiente de Poisson, densidad del material (Kg/m^3) y el módulo de cortante (MPa). Además, resaltan que el tipo de malla aplicado en el análisis tiene influencia en los resultados a obtener, por ende, es mejor realizar un mallado lo más preciso posible. Mediante el análisis de elementos finitos llevado a cabo por los autores, se obtienen los valores de esfuerzo máximos a los que estará sometida la prensa y los desplazamientos que se generarán en ella, los cuales les arrojó un valor de 85 MPa en el esfuerzo de Von misses lo cual está bastante por debajo del valor del límite elástico del material (250 MPa), posterior al análisis de esfuerzo y desplazamientos, los autores proceden a determinar la vida útil de la prensa, a través de un estudio de fatiga donde simulan nuevamente la estructura en un software de elementos finitos. Para dicho estudio, simulan la estructura bajo cargas cíclicas que van de 0 a 25 toneladas durante 1e+009 ciclos. Lo cual arroja partes en específico donde la estructura fallaría, cabe aclarar que, para obtener estos resultados, los autores tuvieron que multiplicar por 100 la carga y los ciclos para obtener una escala y apreciar con mayor detalle las zonas que se verían afectadas por las cargas.. Los resultados y conclusiones obtenidos por los autores son satisfactorias, puesto que los valores obtenidos no solamente corroboran el correcto funcionamiento de la máquina, sino que también, obtuvieron datos respecto al aspecto económico y productivo donde se apreció una mejora en tiempos y mejora en utilidades.. Posteriormente se realizó la revisión de la tesis “Diseño de una prensa neumática para elaborar puertas entamboradas” (Stalin P. Hernández A., 2015) este trabajo de ingeniería se enfoca al cálculo y selección de componentes de la máquina, para así brindar una solución real a la pequeña industria, la cual tiene el objetivo en específico de facilitar la construcción de puertas entamboradas, la cual parte de un esqueleto y recámaras de aire, se procede a unir dos tapas las cuales les da una apariencia uniforme con la gran ventaja de reducir su peso, aumento de aislamiento tanto térmico como acústico. el uso de la prensa es en a la recta final la cual es necesaria para que ambas tapas queden bien adheridas y el pegamento usado sea efectivo, con la ausencia de la prensa neumática, el proceso se vuelve lento usando prensas pequeñas y manuales tipo “C” para cada una de las puertas a fabricar obtener un producto final de excelente calidad.. Para esto se plantea la selección de componentes necesarios que comprende la prensa con el cual, de obtener unos parámetros óptimos para el diseño , en el cual ve conveniente la utilización de perfiles estandarizados los cuales se utilizaron para el diseño de la bancada de la prensa neumática. Realiza los cálculos pertinentes para el análisis para poder determinar los esfuerzos producidos por la estructura y proceder a la selección de perfiles, se hace el análisis correspondiente para la selección de soldadura. 25.

(26) Se tiene en cuenta los esfuerzos producidos por los actuadores y su posible pandeo, en el nivel de control se emplean pulsadores que envían la señal para gobernar la entrada y salida del vástago de los cilindros.. Seguidamente, se realizó la revisión del documento “Automatización de una prensa hidráulica HPM” (Vanegas J.E., 2017), el cual expone la importancia de automatizar una prensa hidráulica en la empresa Socoda S.A.S., mediante el argumento de optimización de tiempos de producción y sincronía con el resto de los procesos que involucran la prensa. Para llevar a cabo la realización de este proyecto, Vanegas partió de identificar cuáles eran las mejoras necesarias, la primera de ellas fue cambiar su lógica, es decir de lógica cableada a lógica programada, posteriormente reconocer cuáles partes afectan el funcionamiento la prensa, lo cuales eran; sensores de posición, válvulas de accionamiento y seguridad del sistema. Ya con las mejoras identificadas, se organizó el proceso a seguir para realizar el cambio de lógica, mediante el siguiente orden:. 1.. Identificar las opciones de mando, es decir, si es accionamiento manual o automático.. 2.. Verificar las variables de entrada y salida.. 3.. Determinar la secuencia necesaria para su funcionamiento.. 4.. Establecer los posibles casos de emergencia y establecerlos como prioridad.. 5.. Realizar un esquema de programación lógico funcional, que corrobore el cambio de lógica.. 6.. Corroborar mediante simulación la programación.. Con esta estructura establecida continuó con el cambio de elementos de instrumentación requeridos para el funcionamiento de la prensa, pulsadores, sensores, válvulas, entre otros.. El resultado obtenido luego de haber realizado el cambio de lógica y haber realizado la programación, es notorio según Vanegas, ya que, gracias a este, se pudo obtener un control sobre todo el sistema y los componentes que lo conforman, además, se puedo evidenciar en cuanto su sistema de seguridad una respuesta más rápida. Al finalizar el 26.

(27) proceso, Vanegas concluye que efectivamente el automatizar una máquina mejora su rendimiento.. Continuando con las alternativas de diseño de prensas realizadas a priori, se tiene el artículo “Development of PLC-Based controller for pneumatic pressing machine in engine-bearing manufacturing plant” (Ranjeeta Shing y H.K Verma, 2018) el cual es un documento perteneciente a la revista “ScienceDirect” que plantea la automatización de una prensa neumática para cojinetes de motor mediante PLC el autor indica que la tendencia moderna en la industria manufacturera es automatizar operaciones en las máquinas, debido a que estas van de la mano con un aumento significativo de la productividad, una calidad más alta, mayor solidez en el proceso y una mayor consistencia de resultados, lo anterior involucra igualmente a una máquina de prensado. este documento propone un controlador basado en PLC MicroLogix-1000 para automatizar la prensa neumática utilizada en la fabricación de cojinetes de motor. El artículo plantea una de las fallas más comunes en el funcionamiento de la prensa neumática es la condición de baja presión de aire, la cual es detectada por un interruptor, el sincronismo de empujador, alimentador y prensa es fundamental; cualquier mal funcionamiento en el empujador o alimentador conduce a una condición de falla.. Esta automatización basada en PLC reducirá tiempos de fabricación al reducir el retraso que se produce en cada etapa, lo cual es inevitable en modo manual, también habrá disminución en mantenimiento, ya que el PLC indica las fallas en los indicadores conectados a sus terminales de salida.. Por último, el autor plantea que todo lo planteado es solo un primer paso hacia la automatización general prevista del proceso de fabricación para cojinetes de motor y también se propone a desarrollar más controladores PLC para otros procesos. El PLC se evaluó emulando el programa en RSLogix Emulate.. 27.

(28) 28.

(29) 6.2 MARCO TEÓRICO •. Principio de Pascal: el principio establecido por el físico y matemático Blaise Pascal propone que “la presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido” (Trejo & Barragán, 2007). El principio fundamental de funcionamiento de las prensas hidráulicas está basado en la Ley de Pascal, así, la prensa hidráulica es una máquina que permite amplificar las fuerzas mediante dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí; los cilindros se encuentran llenos de líquido y en contacto directo con dos émbolos respectivamente asociados a los cilindros. Teniendo en mente el montaje previo y el principio descrito, al ejercer una fuerza sobre el émbolo de menor sección, se genera una presión por contacto con el líquido, y esta es transmitida de manera cuasi instantánea e íntegra en la totalidad del fluido, de modo que la presión de empuje sobre el segundo émbolo será exactamente igual a la presión generada en el émbolo inicial (P1) de acuerdo con lo dispuesto por Pascal. A continuación, se presenta una imagen que ilustra el montaje detallado con anterioridad:. Imagen 1. Prensa hidráulica (Principio de Pascal). Tomado de: Kaboldy (2013).. •. Ecuación de Euler: en la deducción de la ecuación de Euler, se utilizó como base una columna soportada mediante articulaciones en sus extremos, de manera que la deflexión fuese nula en los mismos. Dependiendo de los apoyos a los que se sujete una columna, dichas condiciones de extremo pueden variar, alterando a su vez el desarrollo de las ecuaciones. Con el objeto de compensar esto, se utiliza en la ecuación de Euler una longitud denominada Longitud efectiva (“L e ”), la cual representa la distancia entre dos puntos de la columna en los cuales el momento flector es nulo. La base teórica de la fórmula de Euler establece que la columna es recta, de sección transversal circular constante y homogénea; además, se supone la aplicación de la ley de Hooke (los esfuerzos son inferiores al límite elástico del 29.

(30) material), y la carga crítica de pandeo equivale a la carga máxima que puede soportar la columna sin pandearse.. Imagen 2. Gráfico representativo comportamiento de la columna. Tomado de: Portuense (2014). •. Prensa hidráulica: una prensa hidráulica es un dispositivo donde una fuerza más pequeña es usada para una fuerza mucho mayor, para realizar trabajos de compresión o elevación. Estos dispositivos funcionan bajo los principios de la hidrostática. Algunos de los usos comunes de las prensas hidráulicas en la industria se ven reflejado en trabajos de formado por compresión, forjado, troquelado, entre otros.. Imagen 3. Esquema prensa hidráulica. Tomado de: Prensas hidráulicas (Mauricio Durán, 2020). 30.

(31) •. Análisis QFD (Quality Function Deployment): El despliegue de la función de calidad también llamado la casa de la calidad, análisis de necesidades y expectativas es una herramienta usada por la ingeniería de la calidad para crear productos que se adapten a los gustos y necesidades del usuario (Bernal, 2012).. Imagen 4. Gráfico QFD. Tomado de: Carlos T [Dominio público].. •. Principio de funcionamiento de la prensa hidráulica: las prensas hidráulicas se mueven por la acción de agua o aceite que entra a la cámara del actuador empujando el émbolo que a su vez va conectado a un vástago, el cual compacta el material que se encuentra en una matriz. Para este propósito se utilizan cilindros hidráulicos los cuales se mueven lentamente y las presiones que éstos ejercen pueden variar en función de sus características. Generalmente el líquido entra a la cámara del actuador con poca presión hasta que hace contacto con la pieza, luego de esto se aumenta la presión significativamente (Muñoz & Terán).. •. Cilindros hidráulicos: los cilindros hidráulicos son dispositivos que convierten el flujo en movimiento linear y la presión en fuerza, mediante el uso de un pistón que se desliza dentro de un cilindro. Estos dispositivos suelen ser usados en diferentes campos de ingeniería debido a su gran capacidad de transmitir carga, van desde un gato hidráulico, hasta un cilindro para elevación en maquinaria pesada. 31.

(32) Válvulas para control de presión: en el mercado se pueden encontrar diferentes tipos de válvulas con el fin de regular la presión que se suministra al sistema, estas son; válvulas de alivio, válvulas de reducción de presión y válvulas de contrapeso.. ➢ Las válvulas de alivio son comúnmente usadas en los sistemas hidráulicos para prevenir el exceso de presiones, En algunos sistemas suelen ser usadas con una bomba para suministrar una presión constante. ➢ La válvula de reducción de presión es usada para suministrar presión a un subcircuito, la cual es menor a la presión del circuito principal.. Imagen 5. Válvula de reducción de presión. Tomado de: Válvulas de presión (Automatización Industrial, 2010). •. Bomba hidráulica: es un dispositivo que transforma energía mecánica (torque y velocidad del motor) en hidráulica (caudal). Cuando una bomba opera, cumple dos funciones: primero, su acción mecánica crea un vacío en la succión lo cual permite que la presión atmosférica fuerce líquido del tanque o reservorio hacia la entrada de esta. Segundo, la misma acción entrega este líquido a la salida de la bomba y lo empuja hacia el circuito hidráulico. Bomba de pistón: bomba axial; bomba radial.. 32.

(33) Imagen 6. Tipos de bombas y jerarquía. Fuente: Pumps- Bombas y jerarquía (S.F). •. Análisis de vigas: para el análisis de vigas en estructuras metálicas, se deben tener varios factores importantes en cuenta, la mayoría varía en el material del cual está constituido, ya que, este nos da parámetros como el límite a la fluencia y el módulo de elasticidad. Es importante definir un factor de seguridad el cual dará una resistencia mayor a las partes que se apliquen, para el análisis de viga es necesario calcular el diagrama de momento flector y momento cortante.. Imagen 7. Representación gráfica análisis de viga. Fuente: Cálculo de vigas (Área tecnología, S.F). •. Análisis de columnas: al realizar una estructura metálica, siempre hay dos partes indispensables que la componen; las vigas y columnas, en este caso las columnas sirven como soporte a la estructura y a su vez tiene la función de absorber carga y distribuirla. Para realizar el análisis de estas hay que tener claros ciertos conceptos como; columna larga, columna corta, radio de giro, momento de inercia y pandeo. Estos conceptos combinados con otros hacen posible el cálculo y selección de determinado perfil para cierta aplicación.. 33.

(34) Imagen 8. Representación gráfica de columna sometida a pandeo, Tomado de: Material Resistencia de materiales II (Universidade Federal de Pelotas Centro de Engenharias). •. Uniones atornilladas: es una extensión importante en la mecánica, ya que permite la unión de dos partes, su uso usual es cuando se desea que la pieza sea cambiada con facilidad y aun así, seguir siendo igual de resistente a una soldadura, el método básico para analizar y diseñar juntas con cargas excéntricas consiste en determinar las fuerza que actúan sobre cada tornillo debido a todas las cargas aplicadas, de acuerdo a esto, se determinan dimensiones y grados para cada tornillo, sea desde el más vasto y grande al más fino y pequeño.. Imagen 9. Representación gráfica de unión atornillada. Tomado de: Conexiones atornilladas y uniones soldadas, material académico Universidad de Colima Facultad de Ingeniería Electromecánica.. 34.

(35) •. Simulación en entornos virtuales: la simulación es un elemento valioso en al área del diseño para observar y corroborar el funcionamiento del elemento diseñado, este tipo de herramientas abarcan una gran variedad de tipos de entornos; movimientos mecánicos, comportamiento de fluidos en un sistema mecánico, análisis de esfuerzos en cuerpos, verificación de funcionamiento de circuitos eléctricos, neumáticos, hidráulicos, entre otros.. Imagen 10. Ejemplificación resultada de simulación virtual. Tomado de: SolidWorks Simulación de fluidos (CAD AVSHMEIP,2017). •. Soldadura: es un elemento de alta importancia en el entorno mecánico, y que se ve aplicado en gran variedad de máquinas son las soldaduras, el cálculo, selección de electrodo y altura de cordón, dependen de cómo se encuentra aplicada la carga sobre los elementos que se desean soldar, si esta es uniforme a lo largo de los elementos o si es excéntrica, también, de la configuración de posición en la que estos se encuentren. La soldadura es un proceso donde se añade material de aporte para unir dos piezas, esto se realiza mediante la acción de calor, fricción o presión, cada una para una determinada aplicación.. Imagen 11. Tipos principales de soldadura. Tomado de: AWS Símbolos normalizados para soldadura, soldadura fuerte y exámenes no destructivos (MS Ingeniería, 2018). 35.

(36) •. Columna larga: referida a aquellos elementos con grandes relaciones de esbeltez. La ecuación de Euler describe con precisión aceptable el comportamiento de estas columnas (Universidad de los Andes).. Imagen 12. Clasificación de las columnas en función de su relación de esbeltez. Fuente: Universidad de los Andes.. •. Columna corta: a este grupo pertenecen elementos cargados axialmente a compresión con relaciones de esbeltez muy pequeñas, en los que no se produce pandeo y la falla ocurre cuando ‘ máx. ≈  y’ (Universidad de los Andes).. Imagen 13. Columna corta. Fuente: Repositorio (ESPE 025410). 36.

(37) •. Cilindro hidráulico de doble efecto: en este tipo de cilindro se posee dos orificios (entrada y salida de fluido), de manera indistinta. El volumen de fluido es considerablemente mayor en el lado contrario al vástago, generando de esta manera que la velocidad de retorno del vástago aumente con respecto a su desplazamiento de salida. Este tipo de cilindros trasforman la energía hidráulica en mecánica para ejecutar movimientos simultáneos de manera axial y transmitir una fuerza con alta potencia en ambos sentidos (Duque, 2019).. Imagen 14. Estructura cilindro hidráulico de doble efecto. Fuente: ROEMHELD.. 37.

(38) 7. MATERIALES Y METODOLOGÍA A lo largo del presente capítulo, se procederá a realizar un listado de los materiales a utilizar y pasos a seguir en la metodología de desarrollo del proyecto. Para ello, durante los pasos metodológicos, se especifican las actividades principales relacionadas con el objetivo de investigación; cabe mencionar que estas son abordadas de manera general para ser desarrolladas a detalle en el siguiente capítulo. Además, los materiales relacionados a continuación hacen referencia a recursos tecnológicos (software) utilizados en el proyecto, debido al propósito académico de la monografía.. 7.1 MATERIALES •. Software SolidWorks: Es un software de diseño CAD para realizar el modelado y ensamblaje de piezas en 2D y 3D; ofrece la posibilidad de crear, simular, gestionar y desarrollar productos mediante el diseño asistido por computadora. Este programa permite producir ahorros en tiempo y costes, y aumentar la calidad de los productos diseñados (SolidBI, s.f.).. •. Software Fluidsim: Es una aplicación pensada para la creación, simulación y estudio electrohidráulico de circuitos digitales; permite la creación sencilla de circuitos debido al formato amigable de la interfaz (FluidSIM, s.f.).. •. SpringerLink: Es una plataforma en la cual se tiene acceso documentos de investigación, es una de las principales fuentes de recursos para todos los investigadores, profesores y estudiantes.. •. Microsoft office: es un paquete de programas informáticos para oficina desarrollado por Microsoft Corp. (una empresa estadounidense fundada en 1975). Se trata de un conjunto de aplicaciones que realizan tareas ofimáticas, es decir, que permiten automatizar y perfeccionar las actividades habituales de una oficina (Porto & Gardey, 2009). Engineer equation solver: Es un programa de resolución de ecuaciones que puede resolver numéricamente ecuaciones diferenciales y algebraicas no lineales acopladas, proporciona optimización en los procesos de cálculo.. •.

(39) 7.2 METODOLOGÍA A continuación, se relacionan las actividades que componen la metodología de desarrollo para el proyecto de diseño y modelación de la prensa hidráulica para puertas entamboradas. Para ello, se dispone de actividades principales numeradas y una serie de actividades secundarias expresadas en ítem necesarias para llevar a cabo la ejecución del proyecto.. 1. Implementar el análisis QFD del proyecto ●Diseñar la entrevista para el cliente ● Entrevistar al cliente ● Delimitar los factores importantes que comunica el cliente ● Posibles soluciones para la máquina ● Cruzar la información en el gráfico de análisis de necesidad. 2. Calcular y seleccionar los componentes de la máquina. ● Tomar medidas en la planta de la empresa para delimitar la estructura ● Tomar las dimensiones de las puertas entamboradas más usadas ● Indagar la presión necesaria para cada puerta en su proceso de prensado ● Realizar un boceto de la máquina para tener en cuenta su geometría ● Calcular las columnas para la estructura con ayuda de catálogos ● Calcular las vigas para la estructura con ayuda de catálogos ● Calcular las uniones más convenientes, sean soldadas o pernadas ● Seleccionar los cilindros hidráulicos que cumplan el requerimiento ● Diseñar el circuito hidráulico. 39.

(40) 3. Modelar y simular la prensa hidráulica en un entorno virtual para observar su funcionamiento. ● Generar el modelamiento de la máquina ● Hacer uso de bibliotecas de elementos mecánicos CAD para añadir elementos estandarizados como; pernos, tuercas, cilindros, etc. ● Ensamblar la prensa en el entorno virtual ● Simular el comportamiento de los materiales ● Simular el circuito hidráulico ● Observar el funcionamiento de la máquina. 4. Realizar memoria detallada sobre los costos de fabricación ● Generar una lista de elementos requeridos ● Realizar cotización con diferentes proveedores ● Elaborar una comparativa de costos ● Cotizar mano de obra para el ensamble. 40.

(41) 8. DESARROLLO Para llevar a cabo el diseño de la prensa, se procedió a realizar un análisis de necesidades y expectativas (QFD) con la empresa Cocinas G&G, lo cual permitió plantear diferentes soluciones que cumplieran con las expectativas de la empresa, teniendo en cuenta los requerimientos principales, y las condiciones de seguridad y efectividad esperadas para la optimización en el proceso de entamborado de las puertas.. Durante el tiempo destinado a la lluvia de ideas y la definición de estrategias con la empresa, se plantearon tres posibilidades de diseño, entre ellas, se encontraban la fabricación de una prensa accionada mediante un sistema neumático, la utilización de tornillos de potencia, y finalmente, la creación de una prensa que trabajara mediante un sistema hidráulico. Después de realizar un análisis de ventajas, efectividad, sencillez y adaptabilidad a las necesidades de la empresa, se determinó que la mejor opción consistía en el diseño de la prensa hidráulica. De acuerdo con lo relacionado previamente, a continuación, se anexa una tabla donde se especifica a detalle los requerimientos de la empresa:. REQUERIMIENTOS Seguridad. Mantenimiento. Accionamiento. Geometría. Costo. Capacidad. DESCRIPCIÓN Se requiere diseñar la máquina con un sistema de seguridad que permita cuidar del operario. La prensa debe ser de fácil mantenimiento y a su vez los componentes deben resistir un entorno de trabajo donde se encuentra expuesta a partículas de polución. El funcionamiento debe ser lo más sencillo posible para que casi cualquier persona pueda manejar la máquina. Las dimensiones de la prensa deben realizar el proceso en puertas con dimensiones 1,80x0,9 metros. La selección de cada material involucrado en la prensa se destacará por su bajo costo sin descuidar la calidad Debe cumplir con una capacidad máxima de 25 puertas. Tabla 1. Resumen QFD.