Diseñar un martillo de carga variable con capacidad de perforación de 12 metros lineales utilizando una broca de 3 pulgadas de diámetro para uso en minas de producción de material pétreo

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. DISEÑO DE UN MARTILLO DE CARGA VARIABLE CON CAPACIDAD DE PERFORACIÓN DE 12 METROS LINEALES UTILIZANDO UNA BROCA DE 3 PULGADAS DE DIÁMETRO PARA USO EN MINAS DE PRODUCCIÓN DE MATERIAL PÉTREO.. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. MIGUEL ÁNGEL EGAS LOOR [email protected] DANIEL ALEJANDRO PÉREZ QUISHPE [email protected]. Director: Ing. Jaime Vargas [email protected]. Quito, 2012.

(2) DECLARACIÓN. Nosotros, MIGUEL ÁNGEL EGAS LOOR Y DANIEL ALEJANDRO PÉREZ QUISHPE, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La. Escuela. Politécnica. Nacional. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ____________________________. ____________________________. Miguel Ángel Egas Loor. Daniel Alejandro Pérez Quishpe.

(3) CERTIFICACIÓN. Certificamos que el presente proyecto previo a la obtención del título de Ingeniero Mecánico fue desarrollado por MIGUEL ÁNGEL EGAS LOOR Y DANIEL ALEJANDRO PÉREZ QUISHPE, bajo nuestra supervisión.. ____________________________ Ing. Jaime Vargas DIRECTOR. ____________________________. ____________________________. Ing. Washington Altuna. Ing. Jorge Escobar. Colaborador. Colaborador.

(4) AGRADECIMIENTOS. Al ingeniero Jaime Vargas por su excelente dirección y apoyo en el desarrollo del presente proyecto de titulación. A los ingenieros Washington Altuna y Jorge Escobar por sus sugerencias y acertada colaboración en el desarrollo del proyecto. Al ingeniero David Garzón por su colaboración, amistad y paciencia para el desarrollo del tema así como por el productivo tiempo brindado. A la Facultad de Ingeniería Mecánica por ser parte de nuestro crecer profesional. A nuestros amigos por su desinteresada amistad brindada durante la carrera. A nuestros familiares por su incansable apoyo moral, por inculcarnos principios que permitieron desenvolvernos con gran ética en la vida estudiantil útiles en nuestro desarrollo profesional y por soportar todas las flaquezas que hemos podido tener durante este tiempo. A todas las personas que de una u otra manera fueron apoyos y participes de este logro. A la señorita Alejandra Tello por brindarnos su apoyo, paciencia y amor durante el tiempo que nos ha acompañado. A los señores Jonatan Hallo y José Jaramillo por su amistad brindada.. Miguel Ángel Egas Loor Daniel Alejandro Pérez Quishpe.

(5) DEDICATORIA. A Dios por no desampararme durante mi vida. A mi madre Santa María Loor Parrága por la que empecé este sueño de ser profesional y a la que le debo todo lo que soy. A mi padre Mariano Egas Calderón por brindarme su apoyo, principios y conocimientos de la vida para delinearme con ética y rectitud. A mis hermanos que han sido apoyo constante en mi vida, a Marianela Antonia por su amistad y cariño brindado. A Juan Carlos por su apoyo y amistad que me brindó desinteresadamente. A mis sobrinos Dennisse, Santiago Saúl y Karla que son como mis hijos a los cuales cuidaré y apoyaré sin dudar. Miguel Ángel Egas Loor. A la Santísima Trinidad por iluminarme en los diferentes pasajes de mi vida. A Sonia por entregar el conocimiento y exponer el potencial de su hijo. A Juan por soportar las insolencias dentro y fuera de la cancha. A Eliana por hacer el papel de mi conciencia. A Elvis y demás primos mostrándoles que todo se puede lograr con perseverancia. A mis “ñaños” Chalo y Mauro por impregnar en mí sus sentimientos, templanza, seguridad y llevarme a “cabajar”; que gracias a sus enseñanzas elegí este camino. A mis amigos y compañeros CHAMOS, BCHS por todas las locas aventuras realizadas durante la juventud, SI TE ASOMAS y VENTE COLOKIO por su apoyo incondicional cuando nadie creía en mí. A Estefani y Cris por entregar su sincero e ilimitado amor otorgándome la fuerza en la lucha viva de mi pelea oscura contra mí mismo. “PER ASPERA AD ASTRA” Daniel Alejandro Pérez Quishpe.

(6) ÍNDICE DE CONTENIDO. LISTA DE FIGURAS.............................................................................................................i LISTA DE TABLAS.............................................................................................................vi LISTA DE ANEXOS...........................................................................................................xii RESUMEN..........................................................................................................................xiii PRESENTACIÓN...............................................................................................................xiv CAPÍTULO 1 ....................................................................................................................... 1 FUNDAMENTO TEÓRICO .............................................................................................. 1 1.1 OBJETIVOS DEL PROYECTO ........................................................................... 1 1.1.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................................ 1. 1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................ 1. 1.2. INTRODUCCIÓN................................................................................................. 1. 1.3. GENERALIDADES.............................................................................................. 2. 1.3.1. CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA Y ZONIFICACIÓN................................ 2. 1.3.1.1. ZONA I.................................................................................................................. 3. 1.3.1.2. ZONA II ................................................................................................................ 3. 1.3.1.3. ZONA III ............................................................................................................... 3. 1.3.1.4. ZONA IV............................................................................................................... 3. 1.3.1.5. ZONA V ................................................................................................................ 3. 1.4. ANTECEDENTES ................................................................................................ 4. 1.4.1. MÉTODOS DE PERFORACION DE ROCAS ................................................ 4. 1.4.2. APLICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE PERFORACIÓN................................. 5. 1.4.2.1. MÉTODOS ROTOPERCUTIVOS ....................................................................... 5. 1.4.2.1.1 PERFORACIÓN NEUMÁTICA CON MARTILLO EN CABEZA .................... 6 1.4.2.1.2 PERFORACIÓN HIDRÁULICA CON MARTILLO EN CABEZA ................... 7 1.4.3. SISTEMAS DE AVANCE.................................................................................... 7. 1.4.4. SISTEMAS DE MONTAJE.................................................................................. 8. 1.4.5. VELOCIDAD DE PERFORACIÓN..................................................................... 9. 1.4.6. ACCESORIOS DE PERFORACIÓN ROTOPERCUTIVA................................. 9. 1.4.6.1. VARILLAS DE PERFORACIÓN ........................................................................ 9.

(7) 1.4.6.2. ADAPTADORES.................................................................................................I9. 1.4.6.3. UNIONES............................................................................................................ 10. 1.4.6.4. BROCAS ............................................................................................................. 10. CAPÍTULO 2 ..................................................................................................................... 11 PLANTEAMIENTO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS...................................... 11 2.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA....................................................................... 11 2.3. ESTUDIO DE CAMPO ...................................................................................... 11. 2.4. DATOS OBTENIDOS ........................................................................................ 15. 2.5. BASES Y ESPECIFICACIONES DE DISEÑO ................................................. 18. 2.6. FORMULACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS.................................................. 19. 2.6.1. SISTEMA NEUMÁTICO ................................................................................... 19. 2.6.1.1. VENTAJAS ......................................................................................................... 20. 2.6.1.2. DESVENTAJAS ................................................................................................. 20. 2.6.2. SISTEMA HIDRÁULICO .................................................................................. 21. 2.6.2.1. VENTAJAS ......................................................................................................... 22. 2.6.2.2. DESVENTAJAS ................................................................................................. 22. 2.6.3. SISTEMA ELÉCTRICO ..................................................................................... 23. 2.6.3.1. MÁQUINA ELÉCTRICA................................................................................... 23. 2.6.3.2. VARIADOR DE FRECUENCIA........................................................................ 24. 2.6.3.3. VENTAJAS ......................................................................................................... 24. 2.6.3.4. DESVENTAJAS ................................................................................................. 25. 2.7. SELECCIÓN DE LA MEJOR ALTERNATIVA ............................................... 26. 2.7.1. MÉTODO ORDINAL CORREGIDO DE CRITERIOS PONDERADOS PARA LOS SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN. .............................................. 26. .. CAPÍTULO 3 ..................................................................................................................... 31 DISEÑO DE LA MÁQUINA............................................................................................ 31 3.1 DEFINICIÓN DE VARIABLES Y ANÁLISIS DE DATOS............................. 31 3.1.1. DEFINICIÓN DE VARIABLES......................................................................... 31. 3.1.2. ANÁLISIS DE DATOS ...................................................................................... 31. 3.1.3. FUNDAMENTOS DE DISEÑO ......................................................................... 32. 3.1.3.1. VÁSTAGO PERFORADOR............................................................................... 32. 3.1.3.2. MOTOR ELÉCTRICO Y REDUCTOR DE VELOCIDAD............................... 33. 3.1.3.3. VARIADOR DE FRECUENCIA (VDF) ............................................................ 33. 3.1.3.4. MATERIAL DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS ........................................ 33. 3.1.3.5. ALTURA DE LA EXCÉNTRICA ...................................................................... 33. 3.1.3.6. EXPULSIÓN DEL MATERIAL ........................................................................ 34. 3.1.3.7. ACCESORIOS DE PERFORACIÓN ................................................................. 34. 3.1.3.8. REPUESTOS....................................................................................................... 34.

(8) 3.1.3.9. SOLDADURA .................................................................................................... 34. 3.2. DISEÑO DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS .............................................. 34. 3.2.1. ACOPLE DEL VÁSTAGO PERFORADOR ..................................................... 34. 3.2.1.1. DISEÑO ESTÁTICO .......................................................................................... 34. 3.2.1.1.1 CÁLCULO DEL DIÁMETRO EXTERIOR....................................................... 34 3.2.1.1.2 CÁLCULO DEL DIENTE ................................................................................... 37 3.2.1.2. DISEÑO DINÁMICO .......................................................................................... 40. 3.2.1.3 .. RESISTENCIA A LA FATIGA SUPERFICIAL EN EL ESTRIADO INTERIOR DEL ACOPLE.................................................................................. 46. 3.2.2. ENGRANAJE DE LA EXCÉNTRICA................................................................ 48. 3.2.2.1. DISEÑO ESTÁTICO ........................................................................................... 48. 3.2.2.2. DISEÑO DINÁMICO A FLEXIÓN .................................................................... 52. 3.2.2.3. DISEÑO A LA FATIGA SUPERFICIAL ........................................................... 54. 3.2.3. RESORTES .......................................................................................................... 56. 3.2.3.1. DISEÑO DEL RESORTE .................................................................................... 56. 3.2.3.2. LONGITUDES..................................................................................................... 59. 3.2.3.3. DETERMINACIÓN DEL PANDEO................................................................... 61. 3.2.3.4. DISEÑO A LA FATIGA...................................................................................... 62. 3.2.4. EJE EXCÉNTRICO ............................................................................................. 66. 3.2.4.1. DISEÑO ESTÁTICO ........................................................................................... 66. 3.2.4.1.1 CÁLCULO DE REACCIONES PLANO XY...................................................... 67 3.2.4.1.2 CÁLCULO DE REACCIONES PLANO XZ ...................................................... 69 3.2.4.1.3 CÁLCULO DE REACCIONES Y MOMENTOS TOTALES ............................ 70 3.2.4.2. DISEÑO DINÁMICO .......................................................................................... 73. 3.2.5. VÁSTAGO ........................................................................................................... 77. 3.2.6. PLACA FIJA Y MÓVIL ...................................................................................... 80. 3.3. SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS ........................................ 83. 3.3.1 .. COJINETES DE RODAMIENTOS EN ACOPLES SUPERIOR E INFERIOR DEL VASTAGO PERFORADOR ................................................... 83. 3.3.1.1. SELECCIÓN DE COJINETES DE RODAMIENTOS ....................................... 83. 3.3.1.2. CONDICIÓN DE CARGA .................................................................................. 83. 3.3.1.2.1 PRUEBA 1 ........................................................................................................... 83 3.3.1.2.2 PRUEBA 2 ........................................................................................................... 85 3.3.2. COJINETES DE RODAMIENTOS EN EL EJE EXCÉNTRICO....................... 85. 3.3.2.1. SELECCIÓN DE COJINETES DE RODAMIENTOS ....................................... 85. 3.3.2.2. CONDICIÓN DE CARGA .................................................................................. 85.

(9) 3.3.2.2.1 COJINETES DE RODAMIENTOS RÍGIDOS DE BOLAS EN LOS . PUNTOS A Y B................................................................................................... 85 3.3.2.2.2 COJINETES DE RODAMIENTOS RÍGIDOS DE BOLAS EN LOS . PUNTOS 1 Y 2 .................................................................................................... 87 3.3.3. CHAVETA (EJE EXCÉNTRICO – ENGRANAJE) ........................................... 88. 3.3.4. TUERCA Y TORNILLO DEL VÁSTAGO ........................................................ 90. 3.3.4.1. DISEÑO ESTÁTICO ........................................................................................... 91. 3.3.4.2. DISEÑO DINÁMICO .......................................................................................... 93. 3.3.4.3. AUTOBLOQUEO ................................................................................................ 93. 3.3.4.4. EFICIENCIA DE LOS TORNILLOS.................................................................. 96. 3.3.5. PASADOR ........................................................................................................... 96. 3.3.6. CADENA ........................................................................................................... 100. 3.3.7 .. PERNOS PARA SUJECIÓN ACOPLE DE COJINETES DE RODAMIENTOS CÓNICOS Y PLACA .......................................................... 104. 3.3.7.1. DETERMINACIÓN DEL LÍMITE DE RESISTENCIA................................... 106. 3.3.8 .. PERNOS PARA SUJECIÓN DE LOS ALOJAMIENTOS DE RODAMIENTOS EN LOS EXTREMOS DEL EJE EXCÉNTRICO............... 110. 3.3.9. PERNOS PARA CERRAR LA CARCASA...................................................... 113. 3.3.10. SOLDADURA GANCHO CARCASA ............................................................. 117. 3.3.10.1 DISEÑO ESTÁTICO EN METAL DE SOLDADURA ..................................... 118 3.3.10.2 DISEÑO ESTÁTICO EN METAL BASE.......................................................... 119 3.3.11. SOLDADURA DE LA CARCASA.................................................................... 120. CAPÍTULO 4 ................................................................................................................... 121 LISTA DE VERIFICACIÓN, AJUSTE DE PARTES Y PIEZAS. ........................... 121 4.1 CONSTRUCCIÓN, MONTAJE, MANUAL DE OPERACIÓN Y . MANTENIMIENTO.......................................................................................... 121 4.1.1. CONSTRUCCIÓN ............................................................................................. 121. 4.1.1.1. PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN ..................................................... 121. 4.1.1.2. REQUERIMIENTOS PARA LA CONSTRUCCIÓN ....................................... 121. 4.1.1.2.1 MÁQUINAS - HERRAMIENTAS .................................................................... 122 4.1.1.2.2 HERRAMIENTAS............................................................................................. 122 4.1.1.2.3 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y VERIFICACIÓN................................. 122 4.1.1.2.4 MATERIA PRIMA ............................................................................................ 123 4.1.1.2.5 ELEMENTOS NORMALIZADOS ................................................................... 124 4.1.1.2.6 ELEMENTOS SELECCIONADOS................................................................... 124 4.1.2. MONTAJE ......................................................................................................... 125. 4.1.2.1. MONTAJE DE LOS SUBCONJUNTOS PREVIOS AL ENSAMBLE DEL FINAL DEL MARTILLO.................................................................................. 125. ..

(10) 4.1.2.1.1 MONTAJE DE LA PLACA DE RODAMIENTOS CON BRIDA . CIRCULAR...................................................................................................... 125 4.1.2.1.2 MONTAJE DE LA PLACA RODAMIENTOS – ENGRANAJE CON BRIDA CIRCULAR......................................................................................... 125 . 4.1.2.1.3 MONTAJE DE LA PLACA LATERAL, PERFIL L CON EL APOYO DEL GANCHO PARA LA CADENA ............................................................. 125 . 4.1.2.1.4 MONTAJE BASE MOTOR DE GIRO............................................................. 125 4.1.2.1.5 MONTAJE SOPORTE MOTOR DE GIRO ..................................................... 126 4.1.2.1.6 MONTAJE BASE MOTOR DE MOVIMIENTO ............................................ 126 4.1.2.1.7 MONTAJE SOPORTE MOTOR DE MOVIMIENTO..................................... 126 4.1.2.1.8 MONTAJE GUÍA BASE .................................................................................. 126 4.1.2.1.9 MONTAJE DE LA GUÍA BASE CON PERFIL L .......................................... 126 4.1.2.1.10MONTAJE DEL EJE EXCÉNTRICO Y RODAMIENTOS ............................ 127 4.1.2.1.11MONTAJE DE LA COLUMNA DE APOYO DEL MARTILLO ................... 127 4.1.2.2. MONTAJE DEL MARTILLO .......................................................................... 127. 4.1.2.3. MONTAJE DE LA VIGA................................................................................. 129. 4.1.3. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO..................................... 130. 4.1.3.1. DESPIECE ........................................................................................................ 130. 4.1.3.2. MANTENIMIENTO ......................................................................................... 131. 4.1.3.2.1 INSTRUCCIONES DE SEGURIDAD ............................................................. 131 4.1.3.2.2 LIMPIEZA ........................................................................................................ 132 4.1.3.2.3 COJINETES DE BOLAS Y RODILLOS CÓNICOS....................................... 132 4.1.3.2.4 BOCINES .......................................................................................................... 132 4.1.3.2.5 RESORTES ....................................................................................................... 133 4.1.3.2.6 ACCESORIOS .................................................................................................. 133 4.1.3.2.7 MANTENIMIENTO GENERAL...................................................................... 133 4.1.3.3. OPERACIÓN ..................................................................................................... 134. 4.1.3.4. SEGURIDAD ..................................................................................................... 136. 4.1.3.5. PLAN DE MANTENIMIENTO ........................................................................ 136. 4.1.4. LISTA DE VERIFICACIÓN (CHECKLIST).................................................... 136. 4.2. HOJAS DE PROCESOS .................................................................................... 148. 4.3. ELABORACIÓN DE PLANOS......................................................................... 148. 4.4. ESTIMACIÓN DE TIEMPOS DE OPERACIÓN Y RENDIMIENTO ............ 148. 4.4.1. LIMPIEZA DEL HUECO ................................................................................... 148. 4.4.2. FUNCIONES DEL FLUIDO DE OPERACIÓN ................................................ 148. 4.4.3. REMOCIÓN DE LOS RECORTES DEL HUECO............................................ 149.

(11) 4.4.4 .. 4.4.5. CÁLCULO DEL FLUJO NECESARIO PARA LA REMOCIÓN DE LAS PARTICULAS DE ROCA............................................................................... 149. .. ECUACIÓN PARA OBTENER EL FLUJO DE AIRE DE CADA SECCIÓN......................................................................................................... 151. 4.4.5.1. SECCIÓN ANULAR 1 .................................................................................... 152. 4.4.5.2. SECCIÓN ANULAR 2 .................................................................................... 153. 4.4.5.3. SECCIÓN ANULAR 3 .................................................................................... 153. 4.4.6. MOTOR DE AVANCE.................................................................................... 153. 4.4.6.1. VELOCIDAD DE AVANCE........................................................................... 153. 4.4.6.2. REVOLUCIONES DEL MOTOR REDUCTOR DE AVANCE..................... 154. 4.4.6.3 .. REVOLUCIONES DEL MOTOR REDUCTOR DE AVANCE PARA SACAR LA HERRAMIENTA ATRAPADA ................................................. 155. 4.4.7. PRESIÓN DE OPERACIÓN VS PROFUNDIDAD ....................................... 155. 4.4.8. CAPACIDAD DE BARRIDO DE AIRE VS PRESIÓN DE OPERACIÓN... 156. 4.4.9. PRESIÓN DE OPERACIÓN VS DENSIDAD................................................ 156. 4.4.10 .. TIEMPOS DE RENDIMIENTO EN COMPARACIÓN CON OTROS MARTILLOS................................................................................................... 158. 4.4.10.1. ANÁLISIS DE RESULTADOS....................................................................... 159. 4.4.10.1.1 MARTILLO ..................................................................................................... 159 4.4.10.1.2 COMPRESOR .................................................................................................. 159 4.4.10.1.3 CAPACIDAD DE PERFORAR....................................................................... 160 4.4.10.1.4 COMBUSTIBLE .............................................................................................. 160 CAPÍTULO 5 ................................................................................................................... 162 ESTIMACIÓN DE COSTOS. ........................................................................................ 162 5.1 COSTOS DIRECTOS ...................................................................................... 163 5.1.1. COSTO DE MATERIALES ............................................................................ 163. 5.1.2. COSTO DE ELEMENTOS NORMALIZADOS ............................................. 164. 5.1.3. COSTO DE MAQUINADO............................................................................. 165. 5.1.4. COSTO DE MONTAJE ................................................................................... 168. 5.1.5. COSTO DIRECTO TOTAL............................................................................. 168. 5.2. COSTOS INDIRECTOS .................................................................................. 168. 5.2.1. COSTO DE MATERIAL ................................................................................. 168. 5.2.2. COSTO DE INGENIERÍA............................................................................... 169. 5.2.3. IMPREVISTOS ................................................................................................ 169. 5.2.4. COSTO INDIRECTO TOTAL ........................................................................ 170. 5.3. COSTO TOTAL DEL MARTILLO................................................................. 170. 5.4. COSTO TOTAL DE PERFORACIÓN PARA DAR SERVICIO ................... 171. 5.4.1. COSTOS DIRECTOS ...................................................................................... 173.

(12) 5.4.1.1. MATERIA PRIMA Y MATERIALES DIRECTOS ...................................... 173. 5.4.1.2. MANO DE OBRA DIRECTA ........................................................................ 174. 5.4.1.3. CARGAS SOCIALES..................................................................................... 174. 5.4.2. COSTOS DE FABRICACIÓN ....................................................................... 175. 5.4.2.1. COMBUSTIBLE Y LUBRICANTES ............................................................ 175. 5.4.2.2. ÚTILES DE OFICINA.................................................................................... 176. 5.4.2.3. ÚTILES DE ASEO.......................................................................................... 177. 5.4.2.4. MANO DE OBRA INDIRECTA .................................................................... 177. 5.4.2.5. CARGAS SOCIALES..................................................................................... 177. 5.4.2.6. SEGURO ......................................................................................................... 178. 5.4.3. COSTOS DE ADMINISTRACIÓN................................................................ 179. 5.4.3.1. SUELDOS Y SALARIOS (EJECUTIVOS, PERSONAL AUXILIAR) ........ 179. 5.4.3.2. CARGAS SOCIALES..................................................................................... 180. 5.4.3.3. ÚTILES DE OFICINA.................................................................................... 180. 5.4.3.4. ALQUILERES ................................................................................................ 181. 5.4.4. COSTOS DE VENTAS................................................................................... 182. 5.4.4.1. SUELDOS Y SALARIOS (EJECUTIVOS DE VENTAS) ............................ 182. 5.4.4.2. CARGAS SOCIALES..................................................................................... 182. 5.4.4.3. OTROS GASTOS DE VENTAS .................................................................... 183. 5.4.5. COSTOS FINANCIEROS .............................................................................. 184. 5.4.5.1. CUENTA ......................................................................................................... 184. 5.4.6. PRESUPUESTO DE INGRESOS................................................................... 187. 5.4.7. ESTADO PROFORMA DE PÉRDIDAS Y GANANCIAS ........................... 188. 5.4.8. INVERSIONES ............................................................................................... 189. 5.4.9. FINANCIAMIENTO ...................................................................................... 189. 5.4.10. USO DE FONDOS.......................................................................................... 189. 5.4.11. PUNTO DE EQUILIBRIO.............................................................................. 190. 5.4.12. EVALUACIÓN FINANCIERA...................................................................... 193. 5.4.12.1. CORRIENTE DE LIQUIDEZ (CL) ................................................................ 193. 5.4.12.2. RENTABILIDAD DEL PROYECTO (R) ...................................................... 194. 5.4.12.3. CRONOGRAMA DE INVERSIONES........................................................... 194. 5.4.12.4. DEPRECIACIÓN LINEAL ............................................................................ 194. 5.4.12.5. VALOR ACTUAL NETO (VAN) .................................................................. 195. 5.4.12.6. RELACIÓN BENEFICIO - COSTO............................................................... 195. 5.4.12.7. TASA INTERNA DE RETORNO (TIR)........................................................ 196.

(13) CAPÍTULO 6 ................................................................................................................... 197 SIMULACIÓN................................................................................................................. 197 6.1 SIMULACIÓN DE LA MÁQUINA .............................................................. 197 6.1.1. PARTE CENTRAL / ACOPLE DEL VÁSTAGO PERFORADOR ............. 197. 6.1.2. EJE EXCÉNTRICO ....................................................................................... 203. CAPÍTULO 7 ................................................................................................................... 206 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ........................................................... 206 7.1 CONCLUSIONES........................................................................................... 206 7.2. RECOMENDACIONES ................................................................................. 208. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 209 ANEXOS .......................................................................................................................... 211.

(14) i. LISTA DE FIGURAS. Figura 1. 1 Propuesta de zonificación actual de las áreas de explotación ........................... 4 Figura 1. 2 Perforadoras con martillo en cabeza ................................................................. 5 Figura 1. 3 Perforadora Neumática...................................................................................... 6 Figura 1. 4 Perforadora Hidráulica. ..................................................................................... 7 Figura 1. 5 Perforadora de cadena utilizada en la explotación de roca de la cantera . Berdu. ................................................................................................................ 8 Figura 1. 8 Perforadora subterránea y a cielo abierto.......................................................... 8 Figura 1. 7 Varillas de forma redonda y hexagonal. ........................................................... 9 Figura 1. 11 Extensiones con seis estrías. ........................................................................... 10 Figura 1. 9 Unión con nervio central y estriado. ............................................................... 10 Figura 1. 10 Tipos de brocas. .............................................................................................. 10 Figura 2. 1 Condiciones de trabajo de la máquina. ........................................................... 12 Figura 2. 2 Rocas con diferente resistencia. ...................................................................... 12 Figura 2. 3 Muestras obtenidas en campo. ........................................................................ 13 Figura 2. 4 Recolección de muestras y obtención de probetas.......................................... 13 Figura 2. 5 Probetas obtenidas........................................................................................... 14 Figura 2. 6 Muestras para ensayo de impacto. .................................................................. 15 Figura 2. 7 Dimensiones generales de las probetas. .......................................................... 15 Figura 2. 8 Trabajo general de los martillos neumáticos................................................... 19 Figura 2. 9 Esquema martillo neumático........................................................................... 21 Figura 2. 10 Esquema martillo hidráulico. .......................................................................... 22.

(15) ii. Figura 2. 11 Máquina eléctrica. ........................................................................................... 23 Figura 2. 12 Motoreductor................................................................................................... 24 Figura 2. 13 Esquema martillo eléctrico.............................................................................. 25 Figura 3. 1 Vástago perforador.......................................................................................... 32 Figura 3. 2 Momento polar y área. .................................................................................... 36 Figura 3. 3 Dimensiones del acople del vástago perforador.............................................. 37 Figura 3. 4 Cargas actuantes en el acople.......................................................................... 41 Figura 3. 5 Propiedades de la región sombreada. .............................................................. 41 Figura 3. 6 Áreas de 95% de esfuerzo para algunas secciones de uso común. ................. 44 Figura 3. 7 Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas y momentos que actúan sobre . dos engranajes de un tren de engranajes sencillos. ......................................... 49 Figura 3. 8 Tipos de extremos de resortes de compresión. ............................................... 58 Figura 3. 9 Notación de longitudes y fuerzas. ................................................................... 59 Figura 3. 10 Curvas que indican cuándo puede producirse pandeo en resortes . helicoidales de compresión. Ambas curvas son para resortes con extremos . cerrados y aplanados. Para la curva A, un extremo del resorte se comprime . contra una superficie plana y el otro contra una redondeada. Para la curva . B ambos extremos del resorte se comprimen contra superficies planas y . paralelas.......................................................................................................... 61 Figura 3. 11 Fuerzas actuantes en el resorte........................................................................ 63 Figura 3. 12 Esfuerzos cortantes actuantes en los resortes.................................................. 65 Figura 3. 13 Ciclos a los que ocurre la falla. ....................................................................... 66 Figura 3. 14 Eje excéntrico con distancias entre rodamientos y engranaje......................... 67 Figura 3. 15 Eje con diagrama de fuerza cortante y momento flector en el plano xy. ........ 68 Figura 3. 16 Eje con diagrama de fuerza cortante y momento flector en el plano xz. ........ 69 Figura 3. 17 Aplicación de la teoría de la distorsión. .......................................................... 72 Figura 3. 18 Eje redondo con filete en el hombro en flexión. ............................................ 75 Figura 3. 19 Sensibilidad a la muesca. ................................................................................ 76 Figura 3. 20 Fuerzas ejercidas por los resortes en el vástago.............................................. 77.

(16) iii. Figura 3. 21 Corte de la placa donde actúan las diferentes cargas con diagrama de . fuerza cortante y momento flector. ................................................................. 81 Figura 3. 22 Sección transversal doblemente simétrica. ..................................................... 82 Figura 3. 23 Fuerzas aplicadas en la chaveta....................................................................... 89 Figura 3. 24 Geometría de rosca cuadrada útil para calcular los esfuerzos flexionante y . cortante transversal en la raíz de la rosca........................................................ 91 Figura 3. 25 Parte de un tornillo de potencia....................................................................... 93 Figura 3. 26 Resistencia a la fatiga Sn en función de la resistencia a la tensión, para . acero forjado con varias condiciones de superficie........................................ 98 Figura 3. 27 Barra redonda ranurada a flexión.................................................................... 99 Figura 3. 28 Área de material arenoso entre el agujero y la unión.................................... 101 Figura 3. 29 Áreas de la cadena donde actúa la carga....................................................... 104 Figura 3. 30 Factores de modificación de acabado superficial para el acero. Estos son . los factores ka............................................................................................... 107 Figura 3. 31 Diagrama de cuerpo libre apoyo del gancho................................................. 117 Figura 3. 32 Soldadura de la carcasa con bisel en V. ........................................................ 120 Figura 4. 1 Despiece del martillo..................................................................................... 130 Figura 4. 2 Parte de la broca que abre el hueco............................................................... 149 Figura 4. 3 Sección de la broca donde se acopla el barreno............................................ 150 Figura 4. 4 Sección entre el barreno y el hueco............................................................... 150 Figura 5. 1 Inflación – últimos dos años ......................................................................... 171 Figura 5. 2 Curva de la inflación y curva de la progresión lineal.................................... 172 Figura 5. 3 Punto de equilibrio. ....................................................................................... 193 Figura 6. 1 Áreas donde actúa el golpe. .......................................................................... 198 Figura 6. 2 Ubicación de cargas, restricciones y material. .............................................. 199 Figura 6. 3 Mallado del acople central. ........................................................................... 200 Figura 6. 4 Simulación del acople central. ...................................................................... 200 Figura 6. 5 Tensión de Von Mises en el acople del vástago perforador. ........................ 202.

(17) iv. Figura 6. 6 Desplazamientos del acople del vástago perforador. .................................... 203 Figura 6. 7 Ubicación de las cargas, restricciones, mallado del eje excéntrico............... 204 Figura 6. 8 Resultados de tensión de Von Mises y desplazamientos. ............................. 204 Figura A 1 Análisis típico y propiedades mecánicas en condición de suministro del . acero bonificado AISI 4340. ......................................................................... 213 Figura A 2 Curvas para temple, revenido y medidas en stock del AISI 4340................. 214 Figura A 3 Análisis típico y propiedades mecánicas en condición de suministro del . acero bonificado AISI 4140. ......................................................................... 215 Figura A 4 Curvas para temple, revenido y medidas en stock del AISI 4140................. 216 Figura A 5 Composición, propiedades y estado de suministro del alambre para resortes . UNS N07750................................................................................................. 217 Figura A 6 Composición química y propiedades mecánicas del ASTM A-588M . Grado A......................................................................................................... 218 Figura A 7 Propiedades mecánicas, físicas y químicas del acero inoxidable 304........... 219 Figura B 1 Lubricante Red Gold. .................................................................................... 221 Figura B 2 Factor de temperatura vs velocidad............................................................... 222 Figura B 3 Factor de viscosidad vs viscosidad................................................................ 223 Figura B 4 Rodamientos de rodillos cónicos serie 32221-A. .......................................... 224 Figura B 5 Rodamiento rígido de bolas 4306-B-TVH. ................................................... 225 Figura B 6 Rodamiento rígido a bolas 4209-B-TVH. ..................................................... 226 Figura B 7 Chaveta medialuna DIN 6888 - ISO 3912. ................................................... 227 Figura B 8 Pasador DIN 6325 - ISO 8734....................................................................... 228 Figura B 9 Correas "G". .................................................................................................. 229 Figura B 10 Canales "U". .................................................................................................. 230 Figura B 11 Gancho para la cadena................................................................................... 231 Figura B 12 Tipos de poles para la cadena........................................................................ 232 Figura B 13 Cadena de material acero inoxidable AISI 304............................................. 233 Figura C 1 Informe de análisis de tensión del acople del vástago perforador................. 238.

(18) v. Figura C 2 Informe de análisis de tensión del acople superior, inferior y acople del . vástago perforador......................................................................................... 243 Figura C 3 Informe de análisis de tensión del eje excéntrico.......................................... 248 Figura C 4 Informe de análisis de tensión del eje piñón. ................................................ 252 Figura D 1 Reductores y motorreductores de sinfín........................................................ 254 Figura E 1 Inversor de frecuencia.................................................................................... 259.

(19) vi. LISTA DE TABLAS. Tabla 2. 1 Dimensiones, carga máxima y ángulo de rotura de cada probeta. ................... 16 Tabla 2. 2 Herramientas utilizadas. ................................................................................... 16 Tabla 2. 3 Frecuencia de impacto y altura de grano desprendido. .................................... 17 Tabla 2. 4 Promedios en cada combinación de herramienta. ............................................ 17 Tabla 2. 5 Parámetros para diseñar y simular.................................................................... 18 Tabla 2. 6 Consumo de martillos convencionales en operación........................................ 19 Tabla 2. 8 Evaluación del peso específico de cada criterio. .............................................. 27 Tabla 2. 9 Evaluación del peso específico del criterio Control. ........................................ 27 Tabla 2. 10 Evaluación del peso específico del criterio Precio. .......................................... 28 Tabla 2. 11 Evaluación del peso específico del criterio Mantenimiento............................. 28 Tabla 2. 12 Evaluación del peso específico del criterio Capacidad. ................................... 28 Tabla 2. 13 Evaluación del peso específico del criterio Contaminación............................. 29 Tabla 2. 14 Evaluación del peso específico del criterio Seguridad. .................................... 29 Tabla 2. 15 Evaluación del peso específico del criterio Tiempo Muerto. ........................... 29 Tabla 2. 16 Evaluación del peso específico del criterio Peso.............................................. 30 Tabla 2. 17 Tabla de conclusiones del sistema de alimentación. ........................................ 30 Tabla 3. 1 Datos para el acople del vástago perforador..................................................... 35 Tabla 3. 2 Propiedades mecánicas AISI 4340. .................................................................. 35 Tabla 3. 3 Datos para calcular las dimensiones c y b. ....................................................... 38 Tabla 3. 4 Resultados de los esfuerzos. ............................................................................. 42.

(20) vii. Tabla 3. 5 Parámetros en el factor de la condición superficial de Marín. ......................... 43 Tabla 3. 6 Factores de confiabilidad ke correspondientes a 8 desviaciones estándar porcentuales del límite de resistencia a la fatiga. ............................................ 45. .. Tabla 3. 7 Propiedades mecánicas del acero AISI 4340.................................................... 47 Tabla 3. 8 Valores del factor de Lewis Y. ........................................................................ 49 Tabla 3. 9 Propiedades Mecánicas del acero AISI 4140. .................................................. 51 Tabla 3. 10 Datos para el diseño a la fatiga superficial....................................................... 54 Tabla 3. 11 Material y características en el diseño de resortes............................................ 56 Tabla 3. 12 Constantes A y m para estimar la resistencia de tensión mínima de . alambres para fabricar resortes comunes. ....................................................... 57 Tabla 3. 13 Fórmulas para calcular las dimensiones de resortes de compresión. ............... 58 Tabla 3. 14 Propiedades mecánicas de algunos alambres para resorte. .............................. 59 Tabla 3. 15 Datos para el diseño a la fatiga......................................................................... 62 Tabla 3. 16 Fuerzas actuantes en el plano xy del eje........................................................... 67 Tabla 3. 17 Resultados a partir del programa MDSolids para el eje excéntrico en . plano xy........................................................................................................... 68 Tabla 3. 18 Fuerzas actuantes en el plano xz. ..................................................................... 69 Tabla 3. 19 Resultados a partir del programa MDSolids para el eje excéntrico en . plano xz. .......................................................................................................... 69 Tabla 3. 20 Resultado del cálculo de esfuerzos................................................................... 73 Tabla 3. 21 Factores y límites de resistencia. ...................................................................... 74 Tabla 3. 22 Datos para el diseño de las placas. ................................................................... 80 Tabla 3. 23 Resultados obtenidos con MDSolids para las placas fija y móvil.................... 81 Tabla 3. 24 Datos de reacciones en los puntos A y B del eje excéntrico. ........................... 86 Tabla 3. 25 Datos de fuerzas en los puntos 1 y 2 del eje excéntrico. .................................. 87 Tabla 3. 26 Datos para el diseño de la chaveta.................................................................... 88 Tabla 3. 27 Propiedades mecánicas del acero AISI 304...................................................... 90 Tabla 3. 28 Datos para el diseño de tuerca y tornillo. ......................................................... 90.

(21) viii. Tabla 3. 29 Esfuerzos de corte y comprensión en la tuerca y tornillo................................. 91 Tabla 3. 30 Factor de diseño para materiales dúctiles para la tuerca y tornillo................... 92 Tabla 3. 31 Coeficiente de fricción µ de pares roscados. ................................................... 94 Tabla 3. 32 Datos para determinar el pasador. .................................................................... 96 Tabla 3. 33 Materiales de cada elemento del martillo....................................................... 100 Tabla 3. 34 Masa de los accesorios. .................................................................................. 101 Tabla 3. 35 Densidad (g/cm3), peso unitario y total de los elementos del martillo........... 102 Tabla 3. 36 Módulos de elasticidad de la placa, acople y perno. ...................................... 105 Tabla 3. 37 Datos para determinar el número de pernos del acople.................................. 105 Tabla 3. 38 Diámetros y áreas de roscas unificadas de tornillo UNC y UNF. .................. 106 Tabla 3. 39 Especificaciones SAE para pernos de acero................................................... 106 Tabla 3. 40 Factores de concentración de esfuerzo de fatiga Kf de elementos roscados. . 107 Tabla 3. 41 Precarga en función del número de pernos para el acople. ............................ 109 Tabla 3. 42 Módulos de elasticidad de la carcasa, tapas y pernos..................................... 110 Tabla 3. 43 Datos para determinar el número de pernos en los extremos del eje . excéntrico. ..................................................................................................... 111 Tabla 3. 44 Precarga en función del número de pernos en los extremos del eje . excéntrico. ..................................................................................................... 111 Tabla 3. 45 Resultados para determinar la cantidad de pernos en los extremos del eje . excéntrico. ..................................................................................................... 112 Tabla 3. 46 Módulos de elasticidad de la carcasa, tapas y pernos..................................... 114 Tabla 3. 47 Datos para determinar el número de pernos para la carcasa. ......................... 114 Tabla 3. 48 Precarga en función del número de pernos para la carcasa. ........................... 115 Tabla 3. 49 Resultados para determinar el número de pernos para la carcasa. ................. 115 Tabla 3. 50 Propiedades a la flexión de soldaduras de filete............................................. 118 Tabla 3. 51 Propiedades mínimas del metal de soldadura................................................. 119 Tabla 4. 1 Rango de operación y dimensiones del martillo. ............................................. 134 Tabla 4. 2 Rango de operación del compresor. ................................................................. 135.

(22) ix. Tabla 4. 3 Rango recomendado para el diámetro y longitud del hueco. ........................... 135 Tabla 4. 4 Lista de verificación 1: Montaje del primer barreno. ....................................... 137 Tabla 4. 5 Lista de verificación 2: Montaje del segundo barreno. .................................... 139 Tabla 4. 6 Lista de verificación 3: Montaje del tercer barreno.......................................... 141 Tabla 4. 7 Lista de verificación 4: Desmontaje de 2 barrenos para la perforación del . nuevo hueco. .................................................................................................... 143 Tabla 4. 8 Lista de verificación 5: Desmontaje de barrenos. ............................................ 146 Tabla 4. 9 Presión de operación vs profundidad a densidad promedio. ............................ 156 Tabla 4. 10 Presión de operación vs caudal de aire a densidad promedio. ....................... 156 Tabla 4. 11 Presión de operación vs densidad en cada sección anular.............................. 157 Tabla 4. 13 Ventajas y desventajas entre el martillo eléctrico y los modelos . convencionales. .............................................................................................. 160 Tabla 4. 12 Tiempos de comparación de rendimientos entre diferentes modelos............. 161 Tabla 5. 1 Costos de materiales directos. ........................................................................ 163 Tabla 5. 2 Costos de elementos normalizados y equipos. ............................................... 164 Tabla 5. 3 Costo de maquinado. ...................................................................................... 166 Tabla 5. 4 Costo directo total. ......................................................................................... 168 Tabla 5. 5 Costo de materiales indirectos........................................................................ 169 Tabla 5. 6 Costo indirecto total. ...................................................................................... 170 Tabla 5. 7 Costo total del martillo. .................................................................................. 170 Tabla 5. 8 Inflación proyectada para los cinco años de producción estimada................. 173 Tabla 5. 9 Materias primas y materiales.......................................................................... 173 Tabla 5. 10 Mano de obra directa. ..................................................................................... 174 Tabla 5. 11 Cargas sociales de mano de obra directa........................................................ 175 Tabla 5. 12 Costos directos proyectados para 5 años........................................................ 175 Tabla 5. 13 Combustibles y lubricantes. ........................................................................... 176 Tabla 5. 14 Útiles de oficina.............................................................................................. 176.

(23) x. Tabla 5. 15 Útiles de aseo.................................................................................................. 177 Tabla 5. 16 Mano de obra indirecta................................................................................... 177 Tabla 5. 17 Cargas sociales mano de obra indirecta.......................................................... 178 Tabla 5. 18 Seguros. .......................................................................................................... 178 Tabla 5. 19 Costos de fabricación proyectados para 5 años.............................................. 179 Tabla 5. 20 Sueldos y salarios. .......................................................................................... 179 Tabla 5. 21 Cargas sociales para ejecutivos y personal auxiliar. ...................................... 180 Tabla 5. 22 Útiles de oficina.............................................................................................. 180 Tabla 5. 23 Alquileres. ...................................................................................................... 181 Tabla 5. 24 Costos de administración proyectados para 5 años. ....................................... 181 Tabla 5. 25 Sueldos y salarios para ejecutivos de ventas. ................................................. 182 Tabla 5. 26 Cargas sociales para ejecutivos de ventas. ..................................................... 182 Tabla 5. 27 Otros gastos de ventas. ................................................................................... 183 Tabla 5. 28 Gastos de ventas proyectados para 5 años...................................................... 183 Tabla 5. 29 Cuenta............................................................................................................. 184 Tabla 5. 30 Gastos financieros proyectados para 5 años................................................... 184 Tabla 5. 31 Costos del proyecto de inversión.................................................................... 185 Tabla 5. 32 Presupuesto de ingresos.................................................................................. 187 Tabla 5. 33 Estado proforma de pérdidas y ganancias. ..................................................... 188 Tabla 5. 34 Cuadro de inversones. .................................................................................... 189 Tabla 5. 35 Costos fijos y variables................................................................................... 191 Tabla 5. 36 Punto de equilibrio. ........................................................................................ 192 Tabla 5. 37 Datos iniciales para determinar gráficamente el punto de equilibrio. ............ 192 Tabla 5. 38 Corriente de liquidez. ..................................................................................... 193 Tabla 5. 39 Rentabilidad.................................................................................................... 194 Tabla 5. 40 Cronograma de inversiones. ........................................................................... 194 Tabla 5. 41 Depreciación lineal......................................................................................... 194.

(24) xi. Tabla 5. 42 Valor actual neto............................................................................................. 195 Tabla 5. 43 Relación beneficio - costo. ............................................................................. 195 Tabla 5. 44 Tasa interna de retorno. .................................................................................. 196 Tabla 6. 1 Dimensión y presión ejercida en cada área. ................................................... 198 Tabla 6. 2 Resultados obtenidos en la simulación del acople central.............................. 201 Tabla 6. 3 Tabla paramétrica de los resultados obtenidos en la simulación del acople . central............................................................................................................. 201 Tabla 6. 4 Resultados obtenidos en la simulación para el eje excéntrico........................ 205 Tabla 6. 5 Tabla paramétrica de los resultados obtenidos en la simulación del eje . excéntrico. ..................................................................................................... 205 Tabla G 1 Comisión sectorial No. 4 Minas, Canteras y Yacimientos............................. 267 Tabla G 2 Comisión sectorial No. 19 Actividades tipo servicios.................................... 269.

(25) xii. LISTA DE ANEXOS. ANEXO A – MATERIALES UTILIZADOS ................................................................... 212 ANEXO B – ELEMENTOS MECÁNICOS ..................................................................... 220 ANEXO C – SIMULACIÓN ............................................................................................ 234 ANEXO D – MOTOR REDUCTOR. ............................................................................... 253 ANEXO E – VARIADOR DE FRECUENCIA. ............................................................... 258 ANEXO F – PLAN DE MANTENIMIENTO. ................................................................. 265 ANEXO G – TABLAS SECTORIALES 2012. ................................................................ 266 ANEXO H – HOJAS DE PROCESOS. ............................................................................ 272 ANEXO I – PLANOS DE MONTAJE, CONJUNTO Y TALLER. ................................. 273.

(26) xiii. RESUMEN. El presente Proyecto de Titulación surge de la necesidad de minimizar los costos de operación y mantenimiento de los martillos convencionales para la producción de material pétreo en las canteras de la provincia de Pichincha. Por tales motivos se realiza el diseño y simulación de un martillo capaz de aumentar la producción con la misma cantidad de combustible y accesorios. El fundamento teórico evidencia la zonificación geológica de la provincia de Pichincha además de los métodos y sus aplicaciones, así como los diferentes accesorios útiles para la perforación. El estudio de las alternativas se realiza con el correspondiente estudio de campo, los requerimientos para satisfacer las necesidades en las canteras y los ensayos realizados en la facultad de Ingeniería Civil de la Escuela Politécnica Nacional para diferentes tipos de rocas. Con los datos obtenidos en el ensayo previo se procede a realizar el diseño de los elementos mecánicos a simularse y la selección de los diferentes elementos mecánicos normalizados. Se realizan los planos de taller con sus respectivos planos de montaje, manual de operación y mantenimiento, estimación de tiempos de operación además de comprobar el diseño con la simulación de los elementos mecánicos críticos. Se elabora un estimado del costo total de la máquina y un costo total de perforación para dar servicio. Finalmente se presentan las conclusiones relacionadas con los objetivos planteados para determinar si es o no viable su construcción y las recomendaciones necesarias para la operación del martillo..

(27) xiv. PRESENTACIÓN. Los métodos de arranque de los bloques de roca sin utilizar explosivos, derivan de principios elementales para los cuales se han fabricado maquinarias o sistemas que reproducen en gran escala operaciones manuales sencillas. La perforación de las rocas es la primera actividad que se realiza en el campo de la voladura y tiene como objetivo abrir unos agujeros con la distribución y geometría adecuada dentro del macizo rocoso. En la actualidad las canteras utilizan martillos con pérdida de tiempo en el cambio de herramienta, incapaces de recuperar esta si se atrapa además los movimientos de giro, golpe y avance son poco controlados lo que produce un gasto excesivo en los elementos consumibles. Se diseña una máquina capaz de utilizar los mismos consumibles pero con un mayor rendimiento al controlar cada movimiento utilizando variadores de frecuencia que incrementan o disminuyen las revoluciones dependiendo de la densidad de cada roca además de cambiar el sentido de giro para recuperar la herramienta atrapada. Se añade un soporta barreno para disminuir los tiempos muertos al cambiar la herramienta. La simulación como indicador del correcto diseño y el análisis financiero verificara que la máquina sea apta o no para trabajar en cualquier tipo de suelo..

(28) 1. CAPÍTULO 1 FUNDAMENTO TEÓRICO 1.1 OBJETIVOS DEL PROYECTO 1.1.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar y simular un martillo de carga variable con capacidad de perforación de 12 metros lineales utilizando una broca de 3 pulgadas de diámetro para uso en minas de producción de material pétreo. 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS •. Controlar los tiempos de producción y rendimientos.. •. Obtener tablas de Presión de operación vs. Dureza de la roca y Presión de operación vs. Profundidad.. •. Cumplir y superar las expectativas del cliente con la simulación de la máquina.. •. Definir la capacidad de barrido de aire y de presión del hidráulico.. •. Presentar el manual de mantenimiento y operación.. 1.2 INTRODUCCIÓN La técnica de explotación de roca sin hacer uso de explosivos, permite obtener fragmentos de geometría bien definida que son muy útiles como material ornamental. La organización de las actividades de trabajo se basa sobre un esquema de producción continuo con la preparación de los tiempos de limpieza del macizo rocoso, corte, separación de bloques y evacuación. Los métodos de arranque de los bloques de roca sin utilizar explosivos, derivan de principios elementales para los cuales se han fabricado maquinarias o sistemas que reproducen en gran escala operaciones manuales sencillas como.

(29) 2. por ejemplo excavación con el pico, labor con remoción de viruta, escarificación, perforación de agujeros con taladro, etc.. 1.3 GENERALIDADES1 La mayoría de las actividades que desarrolla el hombre afectan la naturaleza, a sus ecosistemas y recursos en mayor o menor grado, produciendo a su vez diferentes impactos y efectos en los aspectos sociales, ambientales y económicos. En el caso de la minería las contribuciones que esta actividad económica ha hecho a la humanidad se manifiestan en el desarrollo de vivienda e infraestructura, satisfacción de servicios básicos, e incremento de la calidad de vida. Sin embargo y de forma paralela, la. minería es una actividad que ha. afectado el entorno natural y cultural en el cual se desarrolla. En el caso específico de la Industria minera de materiales de construcción los efectos que ha generado sobre la humanidad han sido fundamentales y expuestos a través del crecimiento económico de los últimos años. Es usual sin embargo, que esta actividad económica no reciba por parte de gobiernos y comunidades la importancia ni las consideraciones que merece, por lo contrario, es una actividad que confronta una serie de obstáculos que imposibilitan el máximo aprovechamiento económico y social lo cual frena su incorporación al desarrollo sustentable de las naciones. La ciudad de Quito, ha sido y está afectada por amenazas naturales como derrumbes, deslizamientos de tierras, y la explotación anti técnica de canteras. La intervención humana y la explotación irracional ha provocado rápidos cambios y de diferente índole sobre el terreno que pueden llegar a ser, en ciertas circunstancias, factores de amenaza, daños en el ecosistema y el entorno paisajista. 1.3.1 CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA Y ZONIFICACIÓN Las consideraciones para proponer la zonificación, han tomado en cuenta las características geológicas, condiciones actuales de existencia de materiales, 1. http://w3.cetem.gov.br/cyted-xiii/det_publicaciones.htm.

(30) 3. reservas y nuevas áreas alternativas de explotación, el nivel de mercado, producción y los sistemas de comercialización (ver Figura 1. 1). 1.3.1.1 Zona I Corresponde a los sectores de Pomasqui, San Antonio y Pululahua zona muy árida e inestable, compuesta en su mayoría por depósitos piroclásticos, flujos de lava y depósito de nubes ardientes. Esta zona abastece a gran parte de la ciudad de Quito, con productos básicos para agregados de hormigón, presenta buena infraestructura de vías de acceso, lamentablemente están a punto de colapsar. 1.3.1.2 Zona II Ubicada en la parte oriental de Quito, compuesta de lavas andesitas y basálticas, abastece al valle de Cumbayá y Los Chillos, zona que esta menos afectada. Sector en el que se ubica dos canteras en explotación y que abastece agregado para hormigón premezclado. 1.3.1.3 Zona III Ubicada en la parte sur oriental de Quito, en el flujo de lava andesita piroxénica del Antisanilla, abastece al valle Los Chillos y sur de Quito. 1.3.1.4 Zona IV Ubicada en la parte sur de Quito, abastece bloques al sur de la capital, se ubican en Lloa y en El Cinto lugar del cual se extrae únicamente bloques ornamentales. 1.3.1.5 Zona V Los aluviales de los ríos Pita, San Pedro y Guayllabmaba, mantienen una fuente importante de recursos pétreos los que pueden abastecer a gran parte de las zonas de los valles de Los Chillos, Cumbayá y Tumbaco..

(31) 4. Figura 1. 1 Propuesta de zonificación actual de las áreas de explotación (Villas Bôas & Albuquerque, 2001). 1.4 ANTECEDENTES2 1.4.1 MÉTODOS DE PERFORACION DE ROCAS La perforación de las rocas es la primera actividad que se realiza en el campo de la voladura y tiene como objetivo abrir unos agujeros con la distribución y geometría adecuada dentro del macizo rocoso. De manera general los métodos se pueden clasificar en los siguientes:. 2. •. Mecánicos: Percusión, Rotación y roto percusión.. •. Térmicos: Soplete, Fluido caliente, congelación.. •. Hidráulicos: Chorro de agua, Erosión, Cavitación.. •. Sónicos: Vibración de alta frecuencia.. •. Químicos: Microvoladura, Disolución y Expansión.. •. Eléctricos: Arco eléctrico, Inducción magnética.. •. Sísmicos: Rayo Láser.. •. Nucleares: Fusión, Fisión.. http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/5942/3/FOLLETO.pdf.

(32) 5. De todos los sistemas mencionados, en Minería e Ingeniería Civil la perforación de la roca se realiza utilizando los siguientes sistemas mecánicos. •. Percusión. •. Rotación. •. Roto – Percusión. Los componentes principales de un sistema de perforación de este tipo son: •. La máquina perforadora: fuente de energía.. •. El varillaje: medio de transmisión de la energía.. •. La Broca: que constituye la herramienta que ejerce sobre la masa de la roca dicha energía.. •. Fluido de barrido: que efectúa la limpieza y evacuación de detritos producidos por la abrasión y avance de la broca.. 1.4.2 APLICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE PERFORACIÓN 1.4.2.1 Métodos Rotopercutivos El principio de perforación donde la herramienta se ubica en la cabeza, se basa en el impacto de una pieza de acero llamada pistón que golpea la cabeza de la tubería y que a su vez transmite la energía al fondo del barreno por medio de un elemento final llamado broca de perforación (ver Figura 1. 2).. Figura 1. 2 Perforadoras con martillo en cabeza (Proaño, 2009).

(33) 6. Los equipos rotopercutivos se clasifican en dos grandes grupos: Martillo en Cabeza.- En éstas perforadoras dos acciones básicas se producen fuera del barreno rotación y percusión. Martillo en Fondo.- La percusión se realiza directamente sobre la broca de perforación, mientras que la rotación se efectúa en el exterior del barreno. 1.4.2.1.1 Perforación neumática con martillo en cabeza Cuando se tiene que seleccionar un tipo de martillo neumático (ver Figura 1. 3), se pueden considerar las siguientes características de diseño y operación: Relación diámetro – Pistón / diámetro – Barreno. 1.5 – 1.7. Carrera del Pistón (mm). 50 – 95. Frecuencia de Golpeo (golpes / minuto). 1500 – 2800. Velocidad de rotación (rpm). 40 – 400. Consumo relativo de aire. 2.2 – 2.8. Figura 1. 3 Perforadora Neumática. (Proaño, 2009).

(34) 7. 1.4.2.1.2 Perforación hidráulica con martillo en cabeza Las perforadoras hidráulicas constan básicamente de los mismos elementos constructivos que las perforadoras neumáticas. La diferencia estriba en que un motor actúa sobre un grupo de bombas que suministran un caudal de aceite que acciona aquellos componentes (ver Figura 1. 4).. Figura 1. 4 Perforadora Hidráulica. (Proaño, 2009). Al seleccionar una perforadora hidráulica las características deben ser las siguientes: Presión de trabajo (Mega Pascales). 12 – 25. Potencia de Impacto (Kw). 6 – 20. Frecuencia de Golpeo (golpes / min). 2000 – 5000. Velocidad de rotación (rpm). 0 – 500. Par máximo (Nm). 100 – 1800. Consumo Relativo de aire. 0.6 – 0.9. 1.4.3 SISTEMAS DE AVANCE Para conseguir un rendimiento elevado en las perforadoras, tanto en las perforadoras manuales como en las mecanizadas, se debe dar el empuje adecuado sobre la broca. En las perforadoras mecanizadas los sistemas de avance son diversos, siendo los principales los siguientes:.

(35) 8. •. Empujadores. •. Deslizaderas de cadena. •. Deslizaderas de tornillo. •. Deslizaderas de cable. •. Deslizaderas hidráulicas. Las perforadoras de cadena son las más comunes en las tareas de perforación y voladura que se utiliza en la explotación de roca para las canteras de Pichincha (ver Figura 1. 5).. Figura 1. 5 Perforadora de cadena utilizada en la explotación de roca de la cantera Berdu. (Proaño, 2009). 1.4.4 SISTEMAS DE MONTAJE Los sistemas de montaje se diferencian en función al tipo de trabajo, ya sea en actividades a cielo abierto o en obras subterráneas. Los montajes en las perforadoras que operan en superficie pueden ser instalados sobre chasis ligero sobre orugas, llantas o camiones (ver Figura 1. 6).. Figura 1. 6 Perforadora subterránea y a cielo abierto. (Proaño, 2009).