Cálculo y selección del equipo hidráulico para máquina de compactación de material reciclable como papel, cartón, plástico y aluminio

C ^{ÁLCULO Y} S ELECCIÓN DEL

E ^QUIPO H IDRÁULICO PARA

M ^{ÁQUINA DE} C OMPACTACIÓN DE M ^ATERIAL R ^ECICLABLE

COMO P ^APEL , C ^ARTÓN , P ^{LÁSTICO Y} A ^LUMINIO

I NSTITUTO P OLITÉCNICO N ACIONAL

MÉXICO,D.F.MAYO DE 2010 DIRIGIDA POR:

ING. EDUARDO RICO GONZÀLEZ P R E S E N T A :

GUSTAVO ADRIÁN REYES JIMÉNEZ

INGENIERO MECÁNICO

TESIS

Q

O

T

E

S

I

M

E

U

P

A

i

Índice General

Índice general. i

Índice de figuras. v

Índice de tablas. vii

Resumen. viii

Abstract. ix

Objetivo General. x

Objetivo Particular. x

Justificación. xi

1. Introducción. 2

1.1. Proceso de Reciclaje. 2

1.2. Reciclaje de Papel y Cartón. 3

1.2.1. Categorías. 3

1.2.2. Proceso para la elaboración de Papel Reciclado. 4

1.3. Reciclaje de Vidrio. 4

1.3.1. Categorías. 4

1.3.2. Proceso para la elaboración de Vidrio Reciclado. 5

1.4. Reciclaje de Plástico. 5

1.4.1. Proceso para la elaboración de Plástico Reciclado. 5

1.5. Reciclaje de Aluminio. 6

1.5.1. Proceso para la elaboración de Aluminio Reciclado. 6

1.6. Objetivos del proyecto. 7

1.7. Sumario. 7

2. Ingeniería Básica. 9

2.1. Hidráulica. 9

2.1.1. Oleohidráulica. 10

2.1.2. Aplicaciones Industriales. 10

2.2. El principio de Pascal y sus aplicaciones. 10

2.2.1. La prensa hidráulica. Aplicación fundamental. 10

2.3. La prensa. 11

2.3.1. Aplicaciones industriales de la prensa. 11

2.3.2. Clasificación y funcionamiento de las prensas. 13

2.3.3. Principales factores en el empleo de una prensa. 14

2.4. Prensa hidráulica. 15

2.4.1. Ventajas de la prensa hidráulica. 16

2.4.2. Limitaciones de la prensa hidráulica. 17

2.4.3. Cálculos generales para una prensa hidráulica. 17

2.4.4. Parámetros de selección para una prensa hidráulica. 18

2.5. Sistema hidráulico. 19

2.5.1. Principales componentes hidráulicos. 19

2.6. Cilindros hidráulicos. 20

2.6.1. Cilindros de doble efecto. 20

2.6.2. Cálculo de la Fuerza de Empuje. 21

2.6.3. Dimensionando un Cilindro. 22

2.6.4. Dimensionamiento necesario 23

2.6.5. Cilindros de Simple Efecto. 23

2.7. Válvulas Hidráulicas. 25

ii

2.7.1. Válvulas distribuidoras. 26

2.7.1.1. Representación esquemática de las válvulas. 26

2.7.1.2. Accionamiento de válvulas. 27

2.7.1.3. Características de construcción de válvulas distribuidoras 27

2.7.2. Válvulas de bloqueo 27

2.7.2.1. Válvula antirretorno 27

2.7.2.2. Válvula antirretorno y de estrangulación 28

2.7.3. Válvulas reguladoras de presión 30

2.7.3.1. Válvula de regulación de presión (Válvulas manorreductoras) 31

2.7.3.2. Válvula limitadora de presión (también válvula de alivio, sobrepresión o de seguridad) 33

2.7.4. Válvulas de caudal 34

2.7.5. Válvulas de cierre. 35

2.8. Bombas Hidráulicas 35

2.8.1. Desplazamiento Volumétrico 35

2.8.2. Desplazamiento Positivo 35

2.8.3. Eficiencia Volumétrica 35

2.8.4. Especificación de una bomba hidráulica 36

2.8.5. Desplazamiento Fijo o Variable 36

2.8.6. Tipos de Bomba 36

2.8.7. Bomba de engranes. 36

2.8.8. Bomba de paletas. 38

2.8.9. Bomba de émbolos axiales. 39

2.8.9.1. Principio de Operación 40

2.8.9.2. Control del Desplazamiento 41

2.8.9.3. Desplazamiento volumétrico fijo 41

2.8.9.4. Presión de diseño 41

2.8.10. Ejemplo de cálculo 42

2.11. Mangueras. 44

2.11.1. Alta presión. 44

2.11.2. Baja Presión 44

2.11.3. Extrema Presión 44

2.11.4. Mangueras Especiales 45

2.11.5. Media Presión Automotriz 46

2.11.6. Media Presión Industrial 46

2.11.7. Muy alta Presión 46

2.12. Tanque Hidráulico. 47

2.12.1. Dimensionamiento del Tanque 48

2.13. Filtros 48

2.13.1. Filtros de succión. 49

2.13.2. Filtros de presión. 50

2.13.3. Filtros de retorno. 51

2.14. Fluidos hidráulicos 52

2.15. Motor eléctrico 52

2.15.1. Motores de corriente continua 52

2.15.2. Motores de corriente alterna 55

2.15.2.1. Motor síncrono 55

2.15.2.2. Motores asíncronos o de inducción 56

2.15.2.3. Motores asíncronos, Jaula de ardilla 56

iii

2.15.3. Selección de un motor 57

2.15.4. Potencia de accionamiento 57

2.16. Sumario. 58

3. Diseño Conceptual. 60

3.1. Requerimientos Generales. 60

3.1.1. Requerimientos Obligatorios. 60

3.1.2. Requerimientos Deseables. 60

3.2. Traducción de requerimientos. 61

3.2.1. Requerimientos Obligatorios. 61

3.2.2. Requerimientos Deseables. 61

3.3. Solución 1 61

3.4. Solución 2 61

3.5. Solución 3 61

3.6. Toma de decisión. 62

3.7. Sumario. 64

4. Desarrollo de Proyecto. 66

4.1. Pruebas Experimentales. 66

4.1.1. Papel o cartón. 67

4.1.2. Aluminio u otros metales. 71

4.1.3. Plástico. 75

4.2. Circuito Hidráulico. 79

4.2.1. Funcionamiento hidráulico. 81

4.3. Memoria de Cálculo. 82

4.3.1. Cilindro de compactación. 82

4.3.2. Cilindro de expulsión. 84

4.3.3. Presión de trabajo. 86

4.3.4. Bomba. 88

4.3.5. Motor. 88

4.3.6. Tanque. 88

4.3.7. Tubería. 89

4.3.8. Válvulas 89

4.3.9. Filtros 89

4.3.10. Fluido hidráulico 90

4.3.11. Protección de motor 90

4.4. Resultados de la Selección del Equipo. 92

4.5. Sumario. 92

5. Costos de Proyecto. 95

5.1. Costos de ingeniería. 95

5.1.1. Costo 95

5.1.2. Proyecto 95

5.1.3. Inversión 95

5.1.4. Proyecto de inversión 95

5.2. Análisis económico del equipo hidráulico y componentes requeridos. 96

5.2.1. Ingeniería 96

5.2.2. Dibujos de ingeniería 97

5.2.3. Costos directos e indirectos 97

5.2.4. Mantenimiento del equipo 97

5.2.5. Vida útil del equipo 97

iv

5.3. Sumario. 99

Conclusiones 100

Referencias 101

Apéndice A. Cilindros Hidràulicos 102

Apéndice B. Vàlvulas Direccionales 112

Apéndice C. Tubing Flexible 116

Apéndice D. Filtros 120

Apéndice E. Válvula Reguladora de Presiòn y Válvula de Contrabalance 126

Apéndice F. Válvula Check 132

Apéndice G. Motor Elèctrico 136

Apéndice H. Fluido Hidráulico 140

Apéndice I. Bomba Hidràulica 143

Apéndice J. Arrancador Elèctrico 147

Apéndice K. Tanque Hidráulico 152

Apéndice L. Válvula Reguladora de Caudal 155

v

Índice de Figuras

Figura 1.1. Símbolo internacional de reciclado. 3

Figura 1.2. Cajas de Cartón Desarmadas. 4

Figura 1.3. Acopio de Botellas de Vidrio. 5

Figura 1.4. Acopio de Envases de Plástico. 6

Figura 1.5. Latas de Aluminio Compactadas. 6

Figura 2.1. Prensas neumáticas a baja presión de concepción moderna y compacta, con compresor silencioso incorporado y mando electrónico totalmente autónomo. 12

Figura 2.2. Prensas hidráulicas verticales 13

Figura 2.3. Comparativa del empleo entre prensas hidráulicas y mecánicas 15

Figura 2.4. Cilindro doble efecto 21

Figura 2.5. Vistas en corte de pistón y vástago 21

Figura 2.6. Área neta en un pistón 22

Figura 2.7. Cilindro de doble efecto sometido a una carga 22

Figura 2.8. Ingreso del caudal a un cilindro doble efecto 23

Figura 2.9. Cilindros actuadores a pistón de accionamiento simple 24

Figura 2.10. Cilindro de simple efecto de empuje 25

Figura 2.11. Válvula antirretorno 28

Figura 2.12. Válvula antirretorno con cierre por contrapresión 28

Figura 2.13. Regulador unidireccional 28

Figura 2.14. Limitación del caudal de alimentación 29

Figura 2.15. Limitación del caudal de escape 29

Figura 2.16. Limitación del caudal de alimentación en cilindros de doble y simple efecto 29

Figura 2.17. Limitación del caudal de escape en cilindros de doble y simple efecto 30

Figura 2.18. Regulador unidireccional con estrangulador regulable mecánicamente (con rodillo) 30

Figura 2.19. Válvula manorreductora 31

Figura 2.20. Válvula manorreductora controlada por piloto. 32

Figura 2.21. Regulador de presión sin orificio de escape 33

Figura 2.22. Regulador de presión con orificio de escape 33

Figura 2.23. Válvula limitadora de presión 34

Figura 2.24. Válvula de estrangulación 34

Figura 2.25. Grifo de cierre 35

Figura 2.26. Bomba de engranes 36

Figura 2.27. Bomba de lóbulos 37

Figura 2.28. Gerotor 38

Figura 2.29. Bomba de paletas no balanceada 38

Figura 2.30. Bomba de paletas balanceada 39

Figura 2.31. Bomba de émbolos axiales 40

Figura 2.32. Bomba de paletas balanceada en funcionamiento 40

Figura 2.33. Manguera para baja presión 44

Figura 2.34. Manguera para extrema presión 45

Figura 2.35. Mangueras especiales 45

Figura 2.36. Mangueras para media presión automotriz 46

Figura 2.37. Mangueras para media presión industrial 46

Figura 2.38. Mangueras para muy alta presión 46

Figura 2.39. Tanque de almacenamiento de aceite estándar, construido de acuerdo a la norma J.I.C. 47

vi

Figura 2.40. Filtro de succión 49

Figura 2.41. Un filtro de presión puede estar localizado en cualquier línea de presión posterior a la bomba. 51

Figura 2.42. Filtro de retorno 51

Figura 2.43. Funcionamiento de un motor eléctrico 52

Figura 2.44. Motor jaula de ardilla 57

Figura 3.1. Esquematización solución 1. 63

Figura 4.1. Prensa universal. 66

Figura 4.2. Indicador digital de valor pico de fuerza de compresión 66

Figura 4.3. Compactación vertical probeta 1 67

Figura 4.4. Compactación horizontal probeta 2 68

Figura 4.5. Compactación vertical probeta 3 69

Figura 4.6. Compactación horizontal probeta 4 70

Figura 4.7. Compactación vertical probeta 5 71

Figura 4.8. Compactación horizontal probeta 6 72

Figura 4.9. Compactación vertical probeta 7 73

Figura 4.10. Compactación horizontal probeta 8 74

Figura 4.11. Compactación vertical probeta 9 75

Figura 4.12. Compactación horizontal partes duras boquilla probeta 10 76

Figura 4.13. Compactación horizontal partes duras base probeta 11 77

Figura 4.14. Calibrador pie de rey con indicador digital. 78

Figura 4.15. Circuito Hidráulico 79

Figura 4.16. Circuito Eléctrico 80

Figura 4.17. Circuito de control del motor. 91

vii

Índice de Tablas

Tabla 3.1. Comparativa entre soluciones de acuerdo al cumplimiento de los requerimientos 62

Tabla 4.1. Elementos esquematizados en el circuito hidráulico. 80

Tabla 4.2. Presión de trabajo por material 88

Tabla 4.3. Selección del Equipamiento. 92

Tabla 5.1. Cotización del Equipo. 98

viii

Resumen.

Este trabajo de ingeniería se enfocará en el cálculo y selección del equipo hidráulico para una máquina de compactación de material reciclable como papel, cartón, plástico y aluminio.

Esta máquina tendrá como propósito fundamental la compactación de material reciclable, razón de esto es que en nuestros días es de vital importancia el uso de estos materiales. En la actualidad los procesos de reciclaje están en constante crecimiento y evolución es por eso que será necesaria la creación de nuevos procesos para la manipulación de dichos materiales.

En el proceso de generación de este trabajo de ingeniería será necesario recurrir a la aplicación principalmente de la Hidráulica de Potencia dándole un enfoque que recaerá en la Automatización.

De esta manera durante el contenido de este trabajo se podrán identificar conocimientos de las ramas antes mencionadas para obtener un desarrollo satisfactorio.

En tanto que las aplicaciones tangibles referentes a la Hidráulica de Potencia con un enfoque en Automatización se visualizarán a través de los elementos físicos del equipo hidráulico calculados y seleccionados más convenientemente para el proceso requerido.

Por otra parte en el desarrollo será necesario el retomar algunas aplicaciones referentes a otras ramas de ingeniería tales como la computación, la electricidad, electrónica ya que es de suma importancia para un funcionamiento óptimo del equipo hidráulico.

La selección del equipo hidráulico y demás elementos físicos requeridos serán fundamentados tras un desarrollo de ingeniería debidamente expresado principalmente en el contenido de la memoria de cálculo la cual será sustentada con las referencias consultadas.

En complemento al cálculo y selección del equipo hidráulico se desarrollarán esquematizaciones gráficas del equipo hidráulico integralmente con la máquina y su funcionamiento mediante la aplicación de diversos programas computacionales.

Por último como resultado del desarrollo de este trabajo se contará con las especificaciones necesarias para manipular en diferentes operaciones tales como el funcionamiento mismo del equipo hidráulico y las derivadas del proceso como nuevos cálculos y selecciones, los mantenimientos preventivo y correctivo, entre otros.

ix

Abstract

This work of engineering will focus in the calculation and selection of the hydraulic equipment for a machine of compaction of recyclable material like paper, cardboard, plastic and

aluminum.

This machine will have like fundamental intention the compaction of recyclable material, reason of this is that in our days the use of these materials is vitally important. At present the recycling processes are in constant growth and evolution is why the creation of new processes for the manipulation of these materials will be necessary.

In the process of generation of this work of engineering it will be necessary to mainly resort to the application of the Hydraulics of Power giving him an approach that will fall to the Automatization.

This way during the content of this work knowledge of the branches before mentioned will be able to be identified to obtain a satisfactory development.

Whereas the referring tangible applications to the Hydraulics of Power with an approach in Automatization they will visualize more properly through the calculated and selected physical elements of the hydraulic equipment for the required process.

On the other hand in the development it will be necessary retaking some referring applications to other branches of engineering such as the computation, the electricity, since it is of extreme importance for an optimal operation of the hydraulic equipment.

The required selection of the hydraulic equipment and other physical elements will be based after a development of engineering properly expressed mainly in the content of the calculation memory which will be sustained with the consulted references.

In complement to the calculation and selection of the hydraulic equipment graphical outlinings will be developed of the hydraulic equipment integrally with the machine and its operation by means of the application of diverse computer programs.

Finally as a result of the development of this work it will be counted on the specifications necessary to manipulate in different operations such as the same operation of the hydraulic equipment and derived from the process like the new calculations and selections, the preventive maintenances and corrective, among others.

x

Objetivo General.

Calcular y Seleccionar el Equipo Hidráulico para Máquina de Compactación de Material Reciclable como Papel, Cartón, Plástico y Aluminio.

Objetivo Particular.

Crear una solución mediante el empleo de tecnología hidráulica ante la problemática de la generación de desechos sólidos, interviniendo en la cadena de reciclaje a través de la reducción de los volúmenes de tales materiales como papel, cartón, plástico y aluminio, determinando las metas de diseño, fundamentándose en parámetros de ingeniería.

xi

Justificación.

En la actualidad ha surgido la necesidad a nivel global de generar nuevos procesos los cuales tengan como finalidad la reducción de la contaminación en sus diferentes facetas y uno de los procesos mayormente utilizados es el reciclaje. El reciclaje es un proceso que consiste en someter de nuevo una materia o un producto ya utilizado a un ciclo de tratamiento total o parcial para obtener una materia prima o un nuevo producto.

También se podría definir como la obtención de materias primas a partir de desechos, introduciéndolos de nuevo en el ciclo de vida y se produce ante la perspectiva del agotamiento de recursos naturales y para eliminar de forma eficaz los desechos, por otro lado aunado a este proceso la creación de empleos y por ende ganancias económicas.

Actualmente el futuro de los bosques y del papel es poco prometedor, ya que si el ritmo y modo de consumo continúan como hasta ahora, las especies de árboles útiles para la fabricación de madera disminuirán en un 40%. Llevando las cifras anteriores al extremo, si se reciclara la mitad del papel usado se salvarían 8 millones de hectáreas de bosque al año, se evitaría el 73% de la contaminación y se obtendría un ahorro energético del 60%.

Los plásticos constituyen el 6.11% del total de los residuos sólidos, aunque los plásticos no representan gran porcentaje en cuanto a peso, si lo son en volumen debido a su característica de ligereza y, aunado a su larga duración, se han vuelto blanco directo de ataque de muchas corrientes ecológicas, su reciclado aumenta cada día debido a que su costo equivale a 2/3 del elaborado con materias primas.

La mayor parte de los metales que existen pueden fundirse y volver a procesarse creando nuevos materiales. El Aluminio constituye cerca del 10% del desperdicio que producimos diariamente, reciclar el aluminio reduce en un 95% la contaminación atmosférica generada durante su fabricación y su fabricación a partir de aluminio reciclado requiere el 90% menos de energía que hacerlo a partir del mineral.

Derivado de esta problemática, una de las maneras de atender a tal necesidad es generar un proceso que intervenga en la cadena del reciclado tal como lo es la compactación de dichos materiales mediante las aplicaciones de la Hidráulica de Potencia en una máquina que satisfaga este proceso.

I NTRODUCCIÓN

• Capítulo 1 (Introducción) Este primer capítulo se enfoca en el proceso de reciclaje, sus diferentes métodos, así como en los materiales aptos para tal proceso.

Introducción

2

1. Introducción.

En la actualidad el proceso de reciclado es de primera importancia para la reducción de la contaminación en todo el mundo debido a esto la industria destinada a desarrollar este proceso ha logrado grandes avances tales como la sustitución de diversos materiales por los reciclados.

1.1. Proceso de Reciclaje.

El utilizar los productos de nuevo, es un proceso en donde los materiales son introducidos nuevamente al ciclo de producción al transformarlos en nuevos materiales que son utilizados de nuevo, es a lo que llamamos reciclaje.

El término reciclar también se aplica cuando la vida útil de un producto para determinada función se ha acabado y usamos ese producto para otra cosa diferente para la cual fue fabricado. Por ejemplo, cuando un bote de mayonesa se termina, reutilizamos, reciclamos ese bote como alcancía por ejemplo.

Cuando creamos basura, es cuando mezclamos de manera irresponsable unos desechos con otros, se dice, que si no generamos basura, cerca del 92% de los desechos se pueden reciclar de una manera o otra, en cambio, cuando ya generamos la basura, sólo se puede rescatar un 30% de los desechos para reciclarlos.

Es por eso, que para que exista un buen reciclaje general, cada individuo debe de cooperar en el proceso de separación de residuos para no generar esa basura que no se puede reutilizar tan eficientemente como si la separáramos.

Que beneficios existen cuando reciclamos

• Si se recicla el vidrio, se ahorra un 90% de la energía a la hora de generar vidrio nuevo.

• Se disminuye el volumen de residuos que hay que eliminar, por lo que no hay tanta basura en el mundo.

• Por cada dos toneladas de plástico que se recicla, se ahorra una tonelada de petróleo.

• Se ahorra mucha energía a la hora de crear nuevos productos, por lo que se reducen las emisiones de CO2.

• Por cada tonelada de papel que se recicla se salvan 17 árboles

• Vivimos en inmundo más limpio Datos interesantes sobre reciclaje

• Por cada tonelada de papel o cartón que se fabrica, se cortan 150 árboles

• En los últimos 47 años se ha producido más basura que en toda la historia del hombre

• Un mismo papel, se puede reciclar hasta 15 veces

• El papel reciclado es perfecto visto desde un punto de vista ecológico

• Cada persona genera en promedio 3.4 kilogramos de basura al día

• Existe el día mundial del reciclaje

Introducción

3 Entre los Principales Materiales Reciclables, podemos encontrar al Papel, al Vidrio, al Aluminio y al Plástico, y a su vez estos poseen diferentes métodos para llevar acabo su proceso de Reciclaje.

Figura 1.1. Símbolo Internacional del Reciclaje. [ 1 ]

1.2. Reciclaje de Papel y Cartón.

El papel y sus derivados se obtienen de las fibras de celulosa de los árboles. Los árboles son un recurso natural renovable muy valioso. Estos proveen recreación pasiva, producen oxígeno, y reducen el aumento y los efectos nocivos del bióxido de carbono al purificar el aire que respiramos. Los árboles, por medio de sus sistemas de raíces, estabilizan el nivel del suelo y la erosión del terreno. Además, proveen sombra, reducen los niveles de ruido y son importantes en el bienestar psicológico y físico de los seres humanos.

El papel que se recupera para reciclar puede utilizarse para prefabricar una gran variedad de papel. La recuperación de una tonelada de papel evita el corte de aproximadamente diecisiete (17) árboles medianos. El papel se clasifica en dos categorías, alta calidad y baja calidad.

1.2.1. Categorías.

• Alta calidad: Papel de maquinilla, de fotocopias, de impresoras láser y computadoras, papel timbrado, de borradores y tarjetas tabuladoras, entre otros.

• Baja calidad: Periódicos, papel en colores, revistas (sin brillo), cartón y cartapacios, entre otros.

En los Estados Unidos el periódico reciclado se usa para producir papel para nuevos periódicos. Productos como cartón corrugado o papel se usan para embalaje y empaque.

Estos se colocan en columnas paralelas y se amarran para dar rigidez.

Introducción

4

1.2.2. Proceso para la elaboración de Papel Reciclado.

1. El papel es recuperado, empacado y luego exportado a los molinos o fábricas de papel en otros países para completar el proceso.

2. En el molino o fábrica de papel, llega el material dónde se mezcla con agua, como si fuera una licuadora, el producto de esta mezcla se conoce como pulpa de papel.

3. Se elimina el exceso de agua de la pulpa y se coloca en un molde.

4. El papel se pasa por unos grandes cilindros calientes para ser secado con una textura lisa y uniforme.

Figura 1.2. Cajas de Cartón Desarmadas. [ 1 ]

1.3. Reciclaje de Vidrio.

El vidrio es un material 100% reciclable, que se puede usar una y otra vez para hacer nuevos envases. Los envases de vidrio pueden ser recuperados aún cuando estén rotos o en pedazos. En la recuperación del vidrio para reciclar es necesario eliminar los contaminantes, tales como tapas y anillas de metal. Los manufactureros de envases de vidrio recuperan las botellas para lavarlas, triturarlas, y luego mezclarlas con arena sílice, piedra caliza, carbonato de soda, sulfato de sodio y alúmina. Estos materiales se pesan y mezclan mediante un sistema computadorizado, se colocan en un horno donde se derriten a una temperatura de 2,800°F. La mezcla de vidrio derretido se vierte en moldes, y por medio de aire comprimido o presión, adquiere la forma de los mismos.

En otros países se utiliza el vidrio como un sustituto de agregado en la manufactura de asfalto y productos relacionados. Este material es fácil de recobrar en la fuente de origen.

1.3.1. Categorías.

En la clasificación del vidrio se establecen tres categorías, las cuales son establecidas por su color:

• verde

• ámbar

• transparente

Introducción

5

1.3.2. Proceso para la elaboración de Vidrio Reciclado.

1. En el proceso de la recuperación del vidrio es necesario quitar las argollas y tapas, por ser estos contaminantes en el proceso.

2. El vidrio es triturado y mezclado con otros compuestos.

3. Esta mezcla se derrite a altas temperaturas y con diferentes tipos de moldes se elaboran botellas y envases con diversas formas.

4. Una vez salen del molde van a un período de enfriamiento para ser inspeccionados y luego empacados.

Figura 1.3. Acopio de Botellas de Vidrio. [ 1 ]

1.4. Plástico.

El plástico se origina de un componente básico llamado resina, el cual es un derivado del aceite o gas natural (petróleo). La industria del plástico tiene un sistema de códigos para identificar las siete categorías de este material. Los envases de plástico son fácilmente recuperables en su fuente de origen. PETE (1) o tereftalato de polietileno y el HDPE (2) o polietileno de alta densidad son los más usados.

Una gran cantidad de productos son hechos de plástico reciclado. El plástico tipo PETE (1) es usado para crear envases para la leche, jugos y otros productos. Entre el PETE (1) reciclado tenemos toallas de fregar, postes plásticos y fibras para relleno. Mientras que del plástico tipo HDPE (2) tenemos sustitutos de madera, juguetes y enseres del hogar. Los envases de plástico son fácilmente recuperables en su fuente de origen.

1.4.1. Proceso para la elaboración de plástico reciclado.

1. Este material se recupera y segrega por los números o códigos que están establecidos de 1 al 7.

2. Una vez está separado es triturado y empacado.

3. Se exporta a otros países para completar el proceso.

4. Esta materia prima es derretida para la elaboración de envases nuevos para diferentes productos.

Introducción

6

Figura 1.4. Acopio de Envases de Plástico. [ 1 ]

1.5. Aluminio.

El aluminio es un metal que se extrae de un mineral llamado bauxita mediante un proceso eléctrico. La producción del aluminio tiene dos etapas principales. Se extrae la alúmina de la bauxita y se funde para obtener aluminio.

Al reciclar aluminio, se ahorra 95 % de la energía necesaria para producir aluminio utilizando como materia prima el mineral bauxita. Gran parte del éxito de la recuperación de este metal se ha logrado con la participación de personas que se dedican a su recuperación en comunidades, comercios y otros lugares.

1.5.1. Proceso para la elaboración de Aluminio Reciclado.

1. Se recuperan las latas de aluminio, se compactan y empacan.

2. Luego de este procedimiento son enviadas a industrias de otros países para completar el proceso.

3. En estas industrias el aluminio se derrite y se forman nuevas láminas de aluminio para hacer latas u otros productos de este material.

Figura 1.5. Latas de Aluminio Compactadas. [ 1 ]

Introducción

7

1.6. Objetivos del proyecto.

• Será necesario determinar las metas del cálculo y la selección (forma, precio, calidad, vida útil).

• Generar un prototipo 3D (creación del modelo y presentación animada).

• Elaboración de planos de Ingeniería (hidráulicos).

1.7. Sumario.

En el Capítulo I, Introducción, se abordaron los materiales más comunes en el proceso de reciclaje, así como las principales operaciones con las que se puede realizar dicho proceso, es decir, al reciclado de los materiales antes mencionados, mediante un proceso de compactación, nos da la visión de los diferentes elementos y conocimientos que serán requeridos derivados de la Ingeniería, tales como los campos de la Hidráulica de Potencia, la Electricidad, la Electrónica. Por lo que en el Capítulo II, Ingeniería Básica, se abordarán los factores anteriores que nos llevarán a tener una perspectiva más específica y analítica de los elementos necesarios para el desarrollo de este trabajo.

I ^NGENIERÍA B ^ÁSICA

• Capitulo 2 (Ingeniería Básica).

En este capitulo se

visualizarán los

componentes requeridos del equipo hidráulico necesarios para la máquina de compactación que en capítulos siguientes serán calculados y seleccionados.

Ingeniería Básica

9

2. Ingeniería Básica.

Aunque el desarrollo moderno de la hidráulica sea comparativamente reciente, las antiguas civilizaciones estaban familiarizadas con muchos principios hidráulicos y sus usos.

Los egipcios y la población antigua de Persia, India, y China transportaron el agua a lo largo de canales para la irrigación y propósitos domésticos, usando las presas y esclusas para controlar el caudal. Los antiguos cretenses tenían un sistema de fontanería avanzado. Arquímedes estudió las leyes de la flotación y cuerpos sumergidos. Los romanos construyeron los acueductos para llevar el agua a sus ciudades.

2.1. Hidráulica.

La hidráulica es una de las ramas de la Ingeniería, que como muchas otras han venido desarrollando grandemente en las ultimas décadas y se ha venido convirtiendo en una herramienta cada vez más importante para los diseñadores de maquinas o profesionales trabajadores del ramo.

Desde hace muchos siglos se uso la hidráulica para trasmitir potencia, aprovechando la energía del agua en una corriente para mover una rueda, que a su vez tomaba esa agua y la levantaba para poder transportarla y usarla para riego y otras cosas. El uso del fluido bajo presión para transmitir potencia y controlar movimientos complejos, es más reciente.

En el siglo pasado, durante la revolución industrial en Inglaterra, se empezó a utilizar agua confinada a alta presión para transmitir potencia y desde entonces su uso se ha venido generalizando cada vez más.

Un fluido confinado es uno de los medios más versátiles para modificar y controlar movimientos y transmitir potencia. Es tan resistente como el acero y, además, infinitamente flexible.

Cambia de forma para adaptarse al cuerpo que resiste su empuje, se puede dividir en partes, cada parte haciendo el trabajo a su medida y puede ser reunido para que trabaje en conjunto.

Las leyes que lo manejen son iguales o más sencillas que otras leyes de la mecánica o la electricidad y, sin embargo, hay una falta grande de orientación en este campo, lo cual hace que muchas personas no puedan gozar de los beneficios que ofrecen los sistemas hidráulicos.

Se explicará la forma como trabajan algunos de los elementos más comunes que conforman cualquier sistema hidráulico, sin distingo de marcas o tipos, ya que la estandarización es alta hoy en día.

También se darán algunas pautas para el diseño de un circuito hidráulico, sobre todo con el fin de hacer comprender mejor la forma como trabajan los sistemas existentes.

Ingeniería Básica

10 2.1.1. Oleohidráulica.

La Oleohidráulica se puede definir como la rama de la ingeniería mecánica que estudia el uso de fluidos incomprensibles (en este caso aceita y por esto el prefijo “óleo”), confinados y bajo presión, para transmitir potencia. En este capitulo se introducirán los elementos básicos que componen un sistema hidráulico y se estudiarán las leyes que determinan su comportamiento.

2.1.2. Aplicaciones Industriales.

Las siguientes son algunas de las representaciones que se utilizarán para los diferentes componentes de los sistemas hidráulicos.

La prensa hidráulica, una de las maquinas mas usadas en la industria, para embutir, cortar, doblar, perforar, toda clase de metales. Capaces de desarrollar fuerzas tan bajas como 5 toneladas para operaciones pequeñas, y tan grandes como 2.000 ton. Como para cortar laminas de acero de gran calibre en acerías.

El gato hidráulico, elemento que aunque su principio de funcionamiento es extremadamente simple, es muy versátil y confiable, además de ser indispensable para cualquier labor de mantenimiento mecánico.

La Inyectora de plástico, usada para inyectar plástico derretido en un molde y obtener así miles de elementos tales como vasos, tanques, platos, partes para autos, etc.

La excavadora hidráulica, maquina utilizada en la remoción de tierra para construir carreteras, edificaciones, etc. Maquina muy poderosa y versátil. Esta maquina pertenece a un segmento del mercado llamado “móvil” por su capacidad de moverse o desplazarse por si misma. Se caracteriza por tener un sistema hidráulico complejo. La retroexcavadora o backhoe, maquina de tipo móvil, que cumple la misma función de la excavadora pero tiene pala adelante para arrastrar.

2.2. El principio de Pascal y sus aplicaciones.

La presión aplicada en un punto de un líquido contenido en un recipiente se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo. Este enunciado, obtenido a partir de observaciones y experimentos por el físico y matemático francés Blas Pascal (1623-1662), se conoce como principio de Pascal.

El principio de Pascal puede ser interpretado como una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática y del carácter incompresible de los líquidos. En esta clase de fluidos la densidad es constante, de modo que de acuerdo con la ecuación p = po + · g

· h si se aumenta la presión en la superficie libre, por ejemplo, la presión en el fondo ha de aumentar en la misma medida, ya que · g · h no varía al no hacerlo h.

2.2.1. La prensa hidráulica. Aplicación fundamental.

La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos

Ingeniería Básica

11 cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el émbolo de menor sección S1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma instantánea a todo el resto del líquido; por tanto, será igual a la presión p2 que ejerce el líquido sobre el émbolo de mayor sección S2, es decir:

p1 = p2

Si la sección S2 es veinte veces mayor que la S1, la fuerza F1 aplicada sobre el émbolo pequeño se ve multiplicada por veinte en el émbolo grande. La prensa hidráulica es una máquina simple semejante a la palanca de Arquímedes, que permite amplificar la intensidad de las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos de maquinaria industrial.

2.3. La prensa.

La prensa es una máquina herramienta que tiene como finalidad lograr la deformación permanente o incluso cortar un determinado material, mediante la aplicación de una carga.

2.3.1. Aplicaciones industriales de la prensa.

Una de las causas que han hecho posible la producción y popularidad de muchos objetos de uso diario y de lujo que actualmente consideramos como de utilización normal en nuestra vida, es la aplicación creciente de las prensas a la producción en masa. Uno de los ejemplos más notables que podemos poner en este sentido es el desarrollo de la industria de fabricación de automóviles. Los primeros automóviles se fabricaron con relativamente poco equipo y maquinando cada una de las partes metálicas que actualmente se obtienen en el proceso que nos ocupa.

Es notable observar el trabajo de una prensa de gran tamaño que de un solo golpe nos produce el techo de un automóvil cuya forma puede ser sencilla y que sale de la prensa sin un arañazo o falla, a pesar de la importancia del trabajo efectuado y de la velocidad de la operación, la prensa es capaz de producir piezas semejantes cada 12 segundos.

Para la producción en masa, las prensas son empleadas cada día en mayor número, sustituyendo a otras máquinas. Existe además la razón adicional de que con una buena operación y calidad de las prensas, se pueden obtener productos de mucha homogeneidad, con diferencias de acabado entre unas y otras piezas de 0.002" y aun menos, lo cual es una buena tolerancia hasta para piezas maquinadas.

El secreto de la economía de operación en las prensas estriba fundamentalmente en el número de piezas que se produzcan. No es económico fabricar un costoso dado para producir una pocas piezas, pero cuando se produzcan 100 000 ó un millón de piezas, bien puede justificarse la fabricación o compra de un dado costoso, ya que este se amortiza a través de un elevado número de unidades. Hay prensas que pueden producir 600 piezas por minuto o más.

Ingeniería Básica

12 En esta forma se puede ver que las prensas a pesar de su alto costo pueden sustituir ventajosamente los sistemas anteriores de fundir las piezas y acabarlas maquinándolas.

Claro que en cada caso hay que hacer un estudio económico siguiendo los lineamientos generales apuntados anteriormente, antes de tomar una decisión.

Figura 2.1. Prensas neumáticas a baja presión de concepción moderna y compacta, con compresor silencioso incorporado y mando electrónico totalmente autónomo. [ 2 ]

Para el operario que controla la pieza y ve transformarse el pedazo de lámina en una pieza terminada en pocos segundos y en una sola operación, el trabajo es simple y fácil y si es un buen mecánico las herramientas o dados utilizados le parecerán muy sencillos.

Sin embargo, poner en marcha satisfactoriamente la producción de esas piezas habrá costado seguramente mucho dinero y los mejores esfuerzos de los ingenieros, especialista y técnicos.

El progreso de la técnica de fabricación con prensas está íntimamente ligado al progreso de las técnicas de laminación de metales, que ha permitido obtener láminas y soleras de diferentes metales cada día más uniformes con técnicas de fabricación más sencillas y tolerancias cada vez menores. En el diseño de prensas y dados hay mucho trabajo experimental, mucho más de lo necesario normalmente en otras industrias.

Los metales pueden ser formados plásticamente en compresión o en tensión dentro de ciertos límites, recuperando su forma inicial una vez que el esfuerzo de deformación desaparece, si este se ha mantenido dentro del límite elástico. El límite elástico de un material disminuye bajo condiciones repetidas de esfuerzo. Cuando los metales se someten a esfuerzos más allá de su límite elástico quedan deformados permanentemente.

Si la carga aplicada continúa, la deformación del metal sigue aumentando plásticamente hasta que tiene lugar la ruptura.

Las prensas de corte llevan al material a un esfuerzo más allá de su resistencia última al corte. Las prensas de doblado y embutido emplean una fuerza que produce un esfuerzo intermedio entre el límite elástico que debe ser excedido, y la resistencia última que no debe de sobrepasarse, por lo que la dureza y el endurecimiento de los metales son de especial importancia para el trabajo de las prensas.

El aumento de la dureza o resistencia a la deformación de los metales resultan de un cambio en la estructura interna de los mismos. Este cambio puede tener lugar por la fuerza bruta del trabajo en frío (Embutido, laminado, etc.) y puede también lograrse con un tratamiento térmico.

Ingeniería Básica

13 Una prensa troqueladora es una máquina en la cual materiales laminados pueden ser troquelados, doblados, planchados, cortados, embutidos, perforados, etc.

La acción de las prensas se lleva a cabo por medio de una herramienta que es impulsada a presión contra el material laminado. La herramienta puede ser maciza o hueca, afilada o sin filo y de formas variadas según el caso.

2.3.2. Clasificación y funcionamiento de las prensas.

Si clasificamos a las prensas de acuerdo al mecanismo de conducción, se pueden clasificar en mecánicas o hidráulicas, pudiendo ser las primeras operadas manualmente, en el caso más elemental, y con motor en la mayoría de los casos.

El funcionamiento de las prensas operadas con motor está basado en el siguiente principio: El motor hace girar un volante de la prensa que está unido al cigüeñal de la misma directamente o por medio de engranes o bandas, operándose con auxilio de un embrague de fricción; Este embrague es accionado por medio de un pedal o una estación de botones. El embrague se desconecta automáticamente después de cada revolución, a no ser que el operador mantenga oprimido el pedal, en cuyo caso la prensa repite el trabajo. Después de que el embrague desconecta al volante, un freno detiene el movimiento del propio cigüeñal. Una biela transmite el movimiento del cigüeñal a una parte móvil de la prensa o ariete, deslizándose éste en unas guías.

Las prensas manejadas con el pie generalmente son llamadas prensas de pedal, son usadas solo para trabajos livianos. Las prensas de manivela, son el tipo más común por su simplicidad. Son usadas para la mayoría las operaciones de perforado, recorte y de estirado simple. Las prensas de doble manivela están provistas de un método para mover los soportes de discos o las matrices de acción múltiple. Las de conducción excéntrica se usan sólo donde se necesita un solo martinete de golpe corto. Las de acción de leva están provistas de un reposo, en la parte inferior del golpe, por esta razón a veces se usan para accionar los anillos de sostén del disco en las prensas de estampado. Las de conducción por charnela son usadas donde se requieren grandes adelantos mecánicos junto a una acción rápida, como puede ser en el acuñado, cortado o en el modelado Guerin. Los mecanismos de palanca acodillada son usados principalmente en las prensas de estirado para accionar el soporte de discos.

Figura 2.2. Prensas hidráulicas verticales [ 2 ]

Ingeniería Básica

14 Las prensas hidráulicas son producidas en varios tipos y tamaños. Debido a que pueden proveerse de casi ilimitada capacidad, la mayoría de las prensas más grandes son de este tipo. El uso de varios cilindros hidráulicos permite la aplicación de fuerzas en el martinete en varios puntos, y proveen de la fuerza y ritmo necesario al soporte de discos. Las prensas hidráulicas de alta velocidad proporcionan más de 600 golpes por minuto, y se utilizan para operaciones de corte de alta velocidad.

Las prensas también son clasificadas de acuerdo al tipo de bastidor empleado. Tal clasificación es importante debido a que indica algunas de las limitaciones del tamaño y tipo de trabajo que puede realizarse. La siguiente clasificación es de acuerdo al tipo de bastidor:

• Arco Espaciado Lados rectos

• Biela o excéntrico Pie (muchas variaciones pero todos tienen)

• Banco (marcos de lados rectos)

• Vertical

• Inclinable

• Fondo abierto

• Cuerno

• Torre

En lo que se refiere a la manera de actuar, las prensas se dividen en 3 grupos principales:

1) De simple acción: Tienen únicamente un ariete

2) De doble acción: Tiene 2 arietes deslizando uno exteriormente y otro en el interior. El ariete exterior es el que constituye generalmente el pisador y es actuado por medio de brazos articulados o de levas excéntricas, de manera que al final de su carrera permanece estacionario y aplicando presión para sujetar la pieza, mientras el ariete interior o punzón sigue su movimiento hacia arriba simultáneamente. Las prensas de doble acción se emplean principalmente para trabajos de embutido profundo.

3) De triple acción: Son muy semejantes en principio a las anteriores, pero tienen un ariete adicional que trabaja de abajo hacia arriba, cuyo movimiento se sincroniza con el de los 2 arietes anteriores.

La parte superior de un troquel o punzón se sujeta en la mayoría de las prensas a la cara inferior del ariete por medio de tornillos. La parte inferior del troquel o matriz se sujeta también por tornillos ala mesa de la prensa y se alinea perfectamente con el punzón.

Generalmente el dado o troquel es una sola unidad con sus propias guías.

2.3.3. Principales factores en el empleo de una prensa.

Al estudiar el empleo de una prensa para una determinada producción, los factores principales que deben tenerse en cuenta son:

Clase de operación por efectuarse, lo cuál fija principalmente el tipo de prensa y su carrera, que debe ser lo más corta posible para evitar desgaste, pero suficientemente amplia para poder manejar libremente el material.

Ingeniería Básica

15 Forma y tamaño del artículo que fijan las dimensiones de la mesa, claro, carrera, y si la prensa debe ser de acción sencilla, doble o triple.

Material empleado en la fabricación del artículo. Determina la presión necesaria de la prensa, tamaño de la mesa, forma de alimentación y número de pasos.

Producción horaria. Determina la potencia de la prensa, su velocidad de trabajo y sistemas de alimentación.

Precios límites del producto terminado. Limitan la inversión a realizar y obligan a un estudio técnico económico.

Troqueles o dados, su tamaño y construcción. Con este dato se fija la luz de la prensa y su carrera, así como el sistema de alimentación más conveniente.

2.4. Prensa hidráulica.

Durante los últimos 30 años, ha habido un crecimiento en el uso de prensas hidráulicas.

Por muchos años se favorecía el uso de prensas mecánicas; la cual usa el sistema de un cigüeñal que rueda, rota.

Desde el año 1991 los envíos de las prensas hidráulicas han superado a las prensas mecánicas que hoy en día son las preferidas en la manufactura mundial.

Hoy se ven aún más rápidas y más confiables que nunca debido al mejoramiento de la tecnología, inclusive: los nuevos sellos, mejores bombas, las mangueras reforzadas y los acoplamientos mejorados.

Figura 2.3. Comparativa del empleo entre prensas hidráulicas y mecánicas [ 2 ]

También el uso de controles PLC (Control Lógico Programable) y otros controles electrónicos ha mejorado la velocidad y la flexibilidad de estas prensas en el proceso de manufactura, con la integración de las prensas con Interfaces con la computación y monitoreo. Las prensas mecánicas son a menudo rápidas en alimentaciones automáticas, carreras cortas, y alimentaciones cortas para operaciones de troquelado.

Entonces, la alimentación manual, y las prensas hidráulicas ofrecen obvias ventajas competitivas en alimentaciones manuales.

Ingeniería Básica

16 2.4.1. Ventajas de la prensa hidráulica.

Fuerza total en toda la carrera. Es posible mantener el total de la fuerza por lo largo de la carrera, no solamente al fondo o el final de la carrera como en las prensas mecánicas. La ventaja de esta es quitar la necesidad de hacer cálculos de la presión del tonelaje al principio de la carrera, así es que no se requiere la compra de una prensa de 200 toneladas para alcanzar a la presión de solamente 100 toneladas.

Mayor capacidad a menor costo. Se sabe que es más fácil y menos caro comprar ciertas clases de capacidad en las prensas hidráulicas. Lo de la carrera es mera ganga. Las carreras de 12, 18 y de 24 pulgadas son comunes. Aparte, es fácil aumentar esta medida. También se puede aumentar el claro máximo a bajos costos. Inclusive, es muy posible la instalación de las mesas (platinas) más grandes en las prensas pequeñas o la aumentación de cualquiera platina.

Menor costo de adquisición. Por su potencia de fuerza no hay ninguna máquina que de la misma fuerza por el mismo precio.

Mantenimiento a menor costo. Las prensas hidráulicas son bastantes sencillas en su diseño, con pocas partes en movimiento y están siempre lubricadas con un fluido de aceite bajo presión. En las pocas ocasiones de avería casi siempre son defectos menores, sea el empaque, la bobina solenoide y a veces una válvula, que son fáciles a refaccionar. En cambio, en las prensas mecánicas, un cigüeñal roto es significativo tanto en el costo de la parte como la pérdida de producción. No solo es el menor costo estas partes, sino también se puede reparar sin tener que hacer maniobras de desmontar piezas de gran tamaño; reduciendo tiempos de mantenimiento, y menos afectación en la producción.

Seguridad de sobrecarga. Con una prensa de 100 toneladas si se calibra una fuerza de 100 toneladas, no se corre el riesgo de romper troqueles o la misma prensa por un excedente de fuerza; por que al tener el máximo de fuerza permitida, se abre una válvula de seguridad.

Flexibilidad en control. Como siempre se puede mantener un control en una prensa hidráulica, como lo es fuerza, carrera, tiempo de trabajo, movimientos con secuencia, etc.

Se puede disponer de una velocidad rápida de aproximación, y otra de trabajo, con ventajas de productividad, y de cuidado de herramientas. En una prensa hidráulica se puede controlar distancias de profundidad, aproximación, tiempos de trabajo, o toda una secuencia de operación, por medio de temporizadores, alimentadores, calentadores, etc.

Por este motivo una presas hidráulica no solo sube y baja, como lo aria una presa mecánica.

Una prensa hidráulica puede hacer trabajos en ancho rango según su fuerza. Entre ellos son: el embutido profundo, reducción, formado de polímetros, el formado, el estampado, troquelado, el punzonado, el prensado, el ensamble ajustado, el enderezo. También es muy útil en los procesos de: el formado de sinterizado de ruedas abrasivas, la adhesión, el brochado, la calibración de diámetros, la compresión a plástico y a hule (goma, caucho), y los troqueles de transferencia.

Ingeniería Básica

17 Dimensiones menores. Aunque una prensa muy común de 20 toneladas mide 1.7 mts por 0.7 mts por 1.5 mts, una prensa de 200 toneladas solo mide 2.1 mts por 1.2 mts por 2 mts, efectivamente con 10 veces la capacidad pero solo un poco más grande; la prensa más grande desplaza solo 50% más. Como va incrementando la fuerza, se va economizando comparando a las prensas mecánicas.

Menor gasto en Herramental. Junto a la protección empotrada, lo mismo tocante a las herramientas. Se puede fabricar las herramientas según las tolerancias de un trabajo especificado, luego ajustar la fuerza de la prensa hidráulica según ésta misma. El hecho de lo mínimo de choque y de vibración les beneficia en más vida en las herramientas.

Ruido menor. Con menos partes movibles, y sin rueda volante, el nivel de ruido iniciado por la prensa hidráulica es mucho menos que la mecánica. Armadas según las normas, aunque están a toda presión, las bombas imiten ruidos bajos las indicadas de las Normas Federales. También es posible minimizar el nivel de ruido por controlar la velocidad del vástago en pasarlo por el trabajo más lento y quieto.

Seguridad. Ni quisiera decir que las prensas hidráulicas sean más seguras que las mecánicas. La s dos clases son si se instalan se usan en la manera apropiada, pero con los controles a dos manos y los protectores enlazados, es más fácil fabricarlas con más seguridad por el hecho del control completo con el sistema hidráulico.

2.4.2. Limitaciones de la prensa hidráulica.

Velocidad. No existe ninguna prensa hidráulica que sea tan rápida como una mecánica. Si es que solo importa que la prensa sea rápida y la alimentación sea corta, es mejor una prensa mecánica.

Longitud de carrera. Con el uso de un control de límite de carrera con limites electromecánicos, solo se espera una tolerancia de .020", con el control electrónico de carrera (escala lineal) se podrá esperar un tolerancia de 0.010”. Muchas prensas pueden ser ajustadas para retroceder en cuanto se alcance un tonelaje preseleccionado, así resultan las piezas bastante parejas. Si se requiere aún más precisión se puede emplear los topes mecánicos en el herramental hoy en día el sistema "Servo" -hidráulico es un sistema muy preciso y así se minimiza el control sobre la tolerancia, con la garantía de resultados más constantes e iguales. Por lo común esto elimina la necesidad de los topes mecánicos.

Alimentación. Las prensas hidráulicas requieren otra fuerza externa para alimentar la materia prima. El alimentador requiere su propia fuerza, luego tiene que estar integrado con el sistema de control de la prensa. Sin embargo hoy en día existen nuevos sistemas de alimentación: de rollos, de enganche o de aire.

2.4.3. Cálculos generales para una prensa hidráulica.

Tonelaje

En General cuando se sabe la fuerza por pulgada cuadrada:

PSI x la área de trabajo/2000 =tonelaje de fuerza requerida.

Ingeniería Básica

18 Carreras por minuto

El número de carrera por minuto por una prensa hidráulica se determina en calcular un tiempo particular en cada fase de la carrera del vástago. Se calcula el tiempo de aproximación rápida, el tiempo de la fuerza, (la carrera de trabajo); luego, si no hay duración de profundidad, el regreso (reverso) rápido.

La fórmula básica para determinar la duración en segundos de cada fase de la carrera es:

T = Tiempo en segundos

D = Distancia de una distinta fase del vástago en pulgadas

IPM = la velocidad del vástago de una prensa con definición en pulgadas por minuto

La actuación eléctrica y el tiempo de cambio de la válvula varían con el tipo del circuito hidráulico. Se calcula normal medio segundo.

2.4.4. Parámetros de selección para una prensa hidráulica.

Tonelaje. Se requiere la misma fuerza de una prensa hidráulica o de una prensa mecánica para hacer un trabajo. Se dice que sí. Sin embargo, con la prensa hidráulica es fácil ajustar la fuerza adecuada y precisa para cada trabajo en particular.

Acción. Las prensas de Martillo y algunas prensas mecánicas son mejores para la producción de joyas y trabajos de impacto. Al contrario, en los trabajos de embutido profundo, los hace mejor una prensa hidráulica.

Estructura. Las prensas de tipo "C" ofrecen la ventaja de acceso desde tres lados. Las prensas de Cuatro Columnas aseguran una fuerza muy paralela. Las prensas de "Lados rectos nos da la rigidez suficiente para hacer los trabajos de transferencia.

Accesorios. Hoy en día la mayoría de los fabricantes ofrecen un rango amplio de accesorios que incluyen los siguientes:

• Control de movimientos por medio de límites electromecánicos.

• Retorno por tonelaje (presión). Control de ciclo continúo automático.

• Temporizador ajustable en carrera

• Platinas movibles y con el cabezal rotatorio.

• Cojín hidráulico o neumático.

• Cilindros expulsores.

• Cortinas electrónicas de luz u otros aparatos

• Control con pantalla táctil.

Sistemas hidráulicos proporcionales, para el control preciso, constante, y con repetición.

Ingeniería Básica

19

2.5. Sistema hidráulico.

Para transmitir y controlar potencia a través de los líquidos a presión, se requiere un conjunto de componentes interconectados. Se refiere comúnmente al conjunto como sistema. El número y el conjunto de componentes varían de sistema a sistema, dependiendo del uso particular. En muchas aplicaciones, un sistema principal de potencia alimenta a varios subsistemas, que se refieren a veces como circuitos.

El sistema completo puede ser una pequeña unidad compacta; más a menudo, sin embargo, los componentes se ubican en puntos extensamente separados para un conveniente control y operación del sistema. Los componentes básicos de un sistema de potencia fluida son esencialmente iguales, sin importar si el sistema utiliza un medio hidráulico o neumático.

2.5.1. Principales componentes hidráulicos.

Hay cinco componentes básicos usados en un sistema hidráulico. Estos componentes básicos son:

• Tanque

• Bomba

• Líneas (cañerías, tubería, o manguera flexible)

• Válvula de control direccional

• Actuadores

Varios usos de la potencia hidráulica requieren solamente un sistema simple; es decir, un sistema que utiliza solamente algunos componentes además de los cinco componentes básicos. Algunos de estos usos se presentan en los párrafos siguientes. Explicaremos la operación de estos sistemas brevemente ahora así usted sabrá el propósito de cada componente y puede entender mejor cómo la hidráulica se utiliza en la operación de estos sistemas. A continuación se muestra una breve clasificación general de los actuadores, a partir de la energía empleada para su funcionamiento.

Actuadores

Hidráulicos Neumáticos Eléctricos Cilindros Cilindros

Simple efecto Simple efecto Doble efecto Doble efecto Motores Motores

Rotatorios Rotatorios Oscilantes Oscilantes

Motores corriente continua

Inducción Excitación Motores corriente alterna

Síncronos Asíncronos

Ingeniería Básica

20

2.6. Cilindros hidráulicos.

En los sistemas hidráulicos y neumáticos la energía es transmitida a través de tuberías.

Esta energía es función del caudal y presión del aire o aceite que circula en el sistema.

Una de las características destacables de los sistemas de potencia fluidos es que la fuerza, generada por la fuente fluida, controlada y dirigida por válvulas convenientes, y transportada por las líneas, puede ser convertida fácilmente a casi cualquier clase de movimiento mecánico deseado en el mismo lugar que sea necesario.

Sea tanto movimiento lineal (línea recta) como rotatorio, éste puede ser obtenido usando un dispositivo de impulsión conveniente. Un actuador es un dispositivo que convierte la potencia fluida en fuerza y movimiento mecánicos. Los cilindros, los motores, y las turbinas son los tipos más comunes de dispositivos actuadores usados en sistemas de potencia fluida.

2.6.1. Cilindros de doble efecto.

Un cilindro actuador es un dispositivo que convierte la potencia fluida a lineal, o en línea recta, fuerza y movimiento. Puesto que el movimiento lineal es un movimiento hacia adelante y hacia atrás a lo largo de una línea recta, este tipo de actuadores se conoce a veces como motor recíproco, o lineal. La presión del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de ese fluido es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo. La combinación de fuerza y recorrido produce trabajo, y cuando este trabajo es realizado en un determinado tiempo produce potencia. Ocasionalmente a los cilindros se los llama "motores lineales".

El cilindro consiste en un émbolo o pistón operando dentro de un tubo cilíndrico. Los cilindros actuadores pueden ser instalados de manera que el cilindro esté anclado a una estructura inmóvil y el émbolo o pistón se fija al mecanismo que se accionará, o el pistón o émbolo se puede anclar a la estructura inmóvil y el cilindro fijado al mecanismo que se accionará. Los cilindros actuadores para los sistemas neumáticos e hidráulicos son similares en diseño y operación. Algunas de las variaciones de los cilindros tipo émbolo y tipo pistón de impulsión se describen en los párrafos siguientes.

El cilindro es el dispositivo mas comúnmente utilizado para conversión de la energía antes mencionada en energía mecánica. Un cilindro actuador en el cual la superficie transversal del pistón es menos de una mitad de la superficie transversal del elemento móvil se conoce como cilindro tipo pistón. Este tipo de cilindro se utiliza normalmente para aplicaciones que requieran funciones tanto de empuje como de tracción.

El cilindro tipo pistón es el tipo más comúnmente usado en los sistemas de potencia fluida.

Las partes esenciales de un cilindro tipo pistón son un barril cilíndrico o camisa, un pistón y un vástago, cabezales extremos, y guarniciones convenientes para mantener el sellado.

Los cabezales se encuentran fijados en los extremos de la camisa. Estos cabezales extremos contienen generalmente los puertos fluidos. Un cabezal extremo del vástago contiene una perforación para que el vástago de pistón pase a través del mismo. Sellos convenientes llamados guarniciones se utilizan entre la perforación y el vástago del pistón para evitar que el líquido se escape hacia fuera y para evitar que la suciedad y otros

Ingeniería Básica

21 contaminantes entren en la camisa. El cabezal del extremo contrario de la mayoría de los cilindros está provisto de un vínculo mecánico para asegurar el cilindro actuador a algún tipo de estructura. Este cabezal extremo se conoce como el cabezal de anclaje.

En la figura, vemos un corte esquemático de un cilindro típico. Este es denominado de doble efecto por que realiza ambas carreras por la acción del fluido.

Las partes de trabajo esenciales son: 1) La camisa cilíndrica encerrada entre dos cabezales, 2) El pistón con sus guarniciones, y 3) El vástago con su buje y guarnición.

Figura 2.4. Cilindro doble efecto [ 3 ]

El vástago del pistón se puede extender a través de cualquiera o de ambos extremos del cilindro. El extremo extendido del vástago es normalmente roscado para poder fijar algún tipo de vínculo mecánico, tal como un perno de argolla, una horquilla, o una tuerca de fijación. Esta conexión roscada del vástago y del vínculo mecánico proporciona un ajuste entre el vástago y la unidad sobre la que accionará. Después de que se haga el ajuste correcto, la tuerca de fijación se ajusta contra el vínculo mecánico para evitar que el mismo gire. El otro extremo del vínculo mecánico se fija, directamente o a través de un acoplamiento mecánico adicional, a la unidad que se accionará. De manera de satisfacer los variados requisitos en los sistemas de potencia fluidos, los cilindros tipo pistón están disponibles en variados diseños.

2.6.2. Cálculo de la Fuerza de Empuje.

Las figuras son vistas en corte de un pistón y vástago trabajando dentro de la camisa de un cilindro. El fluido actuando sobre la cara anterior o posterior del pistón provoca el desplazamiento de este a largo de la camisa y transmite su movimiento hacia afuera a través del vástago.

El desplazamiento hacia adelante y atrás del cilindro se llama "carrera". La carrera de empuje se observa en la figura y la de tracción o retracción en la figura. La presión ejercida por el aire comprimido o el fluido hidráulico sobre el pistón se manifiesta sobre cada unidad de superficie del mismo como se ilustra en la figura.

Figura 2.5. Vistas en corte de pistón y vástago [ 3 ]

Ingeniería Básica

22 Si nuestro manómetro indica en Kg. /cm2, la regla para hallar la fuerza total de empuje de un determinado cilindro es: "El empuje es igual a la presión manométrica multiplicada por la superficie total del pistón", o: F (Kg.) = P (Kg. /cm²) x A (cm²)

Figura 2.6. Área neta en un pistón [ 3 ]

Importante: La fuerza de retracción del pistón de la figura está dada por la presión multiplicada por el área "neta" del pistón. El área neta es el área total del pistón menos el área del vástago.

2.6.3. Dimensionando un Cilindro.

Un cilindro neumático debe ser dimensionado para tener un empuje MAYOR que el requerido para contrarrestar la carga.

El monto de sobredimensionamiento, esta gobernado por la velocidad deseada para ese movimiento; cuando mayor es la sobredimensi6n mas rápida va a realizarse la carrera bajo carga.

En la figura el cilindro neumático soporta una carga con un peso de 450 Kg., su diámetro es de 4", y la presión de línea es de 5,7 Kg. /cm2. El cilindro en es tas condiciones ejerce un empuje exactamente igual a 450 Kg., en estas circunstancias el cilindro permanecerá estacionario soportando la carga, pero sin moverla.

Figura 2.7. Cilindro de doble efecto sometido a una carga [ 3 ]