Diseño de una máquina empacadora de forraje de 2M de altura con fines ganaderos utilizando materiales dúctiles

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA. TESIS TITULADA: DISEÑO DE UNA MÁQUINA EMPACADORA DE FORRAJE DE 2M DE ALTURA CON FINES GANADEROS UTILIZANDO MATERIALES DÚCTILES. PRESENTADO POR EL BACHILLER: IGOR JORDY ORTIZ PARI PARA OPTAR DEL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO ASESOR: MG. PASCUAL ADRIAZOLA CORRALES. AREQUIPA-PERÚ 2019.

(2) 2. Dedicatoria A Dios por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor. A mi padre Ismael por ser el motor de mi vida personal, por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor. A mi madre Porfiria por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor. A mi tío Rober por la formación de un proyecto de mi vida personal, por su apoyo incondicional durante todo este. proceso y por estar conmigo en todo momento. A mi tío Walter por inculcarme la virtud de la. laboriosidad. A mi tía Victoria por mi gratitud por construir mi disciplina y por llenarme de alegría día tras día, por todos los consejos brindados..

(3) 3 RESUMEN La presente tesis trata del diseño una maquina empacadora de forraje de 2m de altura con fines ganaderos utilizando materiales dúctiles; el diseño de la máquina hará posible que todos los ganaderos tengan una maquina propia, ya que es de un costo menor en comparación a maquinas existentes; la maquina estará constituida por elementos que sean fáciles de adquirir, para comenzar con el desarrollo del diseño se hace el diseño metodológico que está constituido por el planteamiento del problema, objetivo general, objetivos específicos, hipótesis, justificación, variables de estudio entre otros. Después de finalizar el diseño metodológico se realiza el marco teórico en el que se colocara los fundamentos teóricos necesarios para el desarrollo del diseño de la máquina, en esta parte se incluirán las fórmulas utilizadas en el cálculo de elementos de máquina, después se establecerá los parámetros de diseño de la maquina en el que se colocaran los datos necesarios para el desarrollo del cálculo estructural y de elementos de maquina; luego de establecer los parámetros de diseño se hará el cálculo estructural de los perfiles de la máquina en el que se realizará la selección de secciones (perfiles), análisis de uniones soldadas, pruebas utilizando combinación de esfuerzos, el cálculo se hará usando la Especificación AISC y el software para comprobar los resultados esperados; después de terminar el cálculo estructural se realiza el cálculo de elementos de la máquina, es decir el tornillo sinfín, tornillo de potencia, acople, selección de rodamientos, cálculo de ejes, selección del motor de accionamiento; luego se elabora el presupuesto en el que se ve una diferencia considerable en comparación a maquinas actuales; el diseño finaliza con las conclusiones, anexos y elaboración de planos. Palabras clave: Maquina empacadora de forraje, accionamiento mecánico, materiales dúctiles, fines ganaderos..

(4) 4 ABSTRACT This thesis deals with the design of a forage packing machine of 2m of height for livestock purposes using ductile materials; the design of the machine will make it possible for all farmers to have their own machine, since it is of a lower cost compared to existing machines; The machine will be made up of elements that are easy to acquire, to begin with the development of the design, the methodological design is made, which is constituted by the approach of the problem, general objective, specific objectives, hypothesis, justification, study variables, among others. After completing the methodological design, the theoretical framework in which the theoretical foundations necessary for the development of the design of the machine is placed, in this part the formulas used in the calculation of machine elements will be included, after which the parameters will be established. design of the machine in which the necessary data for the development of structural calculation and machine elements will be placed; after establishing the design parameters, the structural calculation of the profiles of the machine in which the selection of sections (profiles), analysis of welded joints, tests using combination of efforts will be made, the calculation will be done using the AISC Specification. and the software to check the expected results; after completing the structural calculation, the calculation of the machine elements is performed, that is, the auger, power screw, coupling, selection of bearings, calculation of axes, selection of the drive motor; then the budget is drawn up in which a considerable difference is seen compared to current machines; the design ends with the conclusions, annexes and drawing plans. Key words: Forage packing machine, mechanical drive, ductile materials, livestock purposes..

(5) 5 INTRODUCCIÓN En el diseño de máquinas existe diversas formas de seleccionar componentes, calcular las medidas de elementos que se van a fabricar, es por ello que en la presente tesis se utilizara las normas del estándar ANSI para realizar los cálculos correspondientes. El estudio de máquinas abarca diversas ramas, es por ello que en la parte estructural (cálculo de uniones y selección de perfiles para la maquina) se utiliza la Especificación AISC publicada el 7 de julio del 2016, estos procedimientos serán detallados usando los criterios de tensión, compresión con sus respectivos efectos secundarios, el estudio de máquinas como son el tornillo sinfín, tornillos de potencia, placa, eje de transmisión, resortes serán realizados con las ecuaciones AGMA. El sistema de transporte de la maquina es por medio de una carreta de cuatro llantas, cuando la maquina esté en funcionamiento se utilizarán cuñas de madera para inmovilizar y así se efectúe bien la operación de empaque..

(6) 6 INDICE RESUMEN..................................................................................................................... 3 ABSTRACT ................................................................................................................... 4 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 5 CAPÍTULO I................................................................................................................ 17 PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO DEL DISEÑO DE LA MÁQUINA ......... 17 1.1 Descripción de la situación problemática .......................................................... 17 1.2 Definición del problema de investigación......................................................... 17 1.3 Objetivos .......................................................................................................... 17 1.3.1. Objetivo General. .................................................................................... 17. 1.3.2. Objetivos Específicos. ............................................................................ 18. 1.4 Justificación de la investigación........................................................................ 18 1.5 Planteamiento de la hipótesis ............................................................................ 18 1.5.1 Hipótesis general. ........................................................................................ 18 1.5.2 Sub hipótesis. .............................................................................................. 18 1.6. Variables de estudio ....................................................................................... 19. 1.6.1 Variables independientes. ........................................................................... 19 1.6.2 Variable dependiente. .................................................................................. 19 1.7 Estado del arte .................................................................................................... 19 CAPÍTULO II .............................................................................................................. 20 MARCO TEÓRICO ................................................................................................. 20 2.1 Diseño y materiales ............................................................................................ 20.

(7) 7 2.1.1 El diseño. ..................................................................................................... 20 2.1.2 Materiales para el diseño de máquinas........................................................ 20 2.2 Estructuras para la construcción de máquinas ................................................... 21 2.2 Esfuerzos aplicados en el diseño de máquinas ................................................... 23 2.2.1 Esfuerzo por tensión.................................................................................... 23 2.2.2 Esfuerzo por compresión............................................................................. 24 2.2.3 Esfuerzo por flexión. ................................................................................... 25 2.2.4 Esfuerzo por torsión. ................................................................................... 25 2.2.5 Esfuerzo por corte. ...................................................................................... 26 2.3 Análisis de empacadoras de forraje.................................................................... 27 2.3.1 Sistema de transmisión................................................................................ 27 2.3.2 Mecanismo de recogida............................................................................... 27 2.3.3 Alimentador................................................................................................. 27 2.3.4 Cámara de empaque. ................................................................................... 28 2.4.5 Mecanismo de amarre. ................................................................................ 28 2.3.6 Mecanismo de descarga. ............................................................................. 28 2.3.7 Sistema de rodaje. ....................................................................................... 28 2.4 Productos agrícolas para empacar ...................................................................... 28 2.4.1 El forraje...................................................................................................... 28 2.4.2 La avena. ..................................................................................................... 29 2.4.3 La cebada. ................................................................................................... 30.

(8) 8 2.4.4 La alfalfa. .................................................................................................... 30 2.5 Uniones por soldadura.................................................................................... 30 2.5.1 Soldadura de filete....................................................................................... 30 2.6 Elementos para el diseño de máquinas agrícolas ............................................... 32 2.6.1 Tornillo sinfín. ............................................................................................ 32 2.6.2 Tornillo de potencia. ................................................................................... 33 2.6.3 Eje de transmisión. ...................................................................................... 35 2.6.4 Rodamientos................................................................................................ 37 2.7 Acoples............................................................................................................... 39 CAPÍTULO III ............................................................................................................. 42 DESARROLLO DEL DISEÑO DE LA MÁQUINA .................................................. 42 3.1 Alcances del diseño ............................................................................................ 42 3.1.1 Dimensionamiento. ..................................................................................... 42 3.2 Fuerzas que afectaran el diseño.......................................................................... 48 3.2.1 Carga muerta. .............................................................................................. 48 3.2.2 Carga viva. .................................................................................................. 49 3.2.3 Carga de nieve. ............................................................................................ 53 3.2.4 Carga de viento. .......................................................................................... 55 3.3.1Material dúctil (acero). ................................................................................. 59 CAPÍTULO IV ............................................................................................................. 60 ANÁLISIS DE PERFILES Y UNIONES .................................................................... 60.

(9) 9 4.1 Análisis estructural del elemento 92 por factores de carga y resistencia ........... 60 4.2 Análisis estructural del elemento 49 por factores de carga y resistencia ........... 69 4.2.1 Método de la región de transición. .............................................................. 75 4.3 Análisis de las uniones soldadas ........................................................................ 76 4.3.1 Análisis de la unión del elemento 78 con los elementos 6 y 7. ................... 76 4.3.2 Análisis de soldadura del elemento 101. ..................................................... 86 4.3.3 Análisis de soldadura del elemento 102 con los elementos 40 y 41. .......... 95 4.4 Análisis de placa de compresión ...................................................................... 105 CAPÍTULO V ............................................................................................................ 110 ANÁLISIS DE ELEMENTOS DE MÁQUINA Y PRESUPUESTO ....................... 110 5.1 Análisis del tornillo de potencia ....................................................................... 110 5.2 Selección del rodamiento ................................................................................. 112 5.2.1 Rodamiento de rodillos. ............................................................................ 112 5.2.2 Rodamiento axial. ..................................................................................... 117 5.3 Análisis del tornillo sinfín y corona ................................................................. 118 5.4 Análisis del acople ........................................................................................... 120 5.5 Accionamiento ................................................................................................. 120 5.5.1 Selección del motor eléctrico. ................................................................... 120 5.5.2 Variador de velocidad. .............................................................................. 123 5.6 Estructura de costos.......................................................................................... 125 5.6.1 Estructura de acero. ....................................................................................... 125.

(10) 10 5.6.2 Costo de los perfiles de acero.................................................................... 126 5.6.2 Sistema de compresión.............................................................................. 127 5.6.3 Costo de material de aporte. ...................................................................... 127 5.6.4 Mano de obra de ensamble. ....................................................................... 128 5.6.5 Costos de instalación. ................................................................................ 129 5.6.6 Costo de accesorios adicionales. ............................................................... 129 5.7 Procedimiento de empacado ............................................................................ 130 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 132 Referencias ................................................................................................................. 133.

(11) 11 INDICE DE FIGURAS Figura 1. Elemento sometido a carga por tensión. .................................................................. 24 Figura 2. Elemento sometido a carga por compresión. ........................................................... 24 Figura 3. Elemento sometido a carga por flexión. .................................................................. 25 Figura 4. Elemento sometido a esfuerzo por torsión. .............................................................. 26 Figura 5. Elemento sometido a esfuerzo por corte. ................................................................. 26 Figura 6. Avena para forraje. .................................................................................................. 29 Figura 7. Representación de la soldadura de filete.................................................................. 31 Figura 8. Triangulo de soldadura. ........................................................................................... 32 Figura 9. Forma de funcionamiento de un tornillo sinfín. ...................................................... 33 Figura 10. Tornillo de potencia. .............................................................................................. 34 Figura 11. Aplicación de funcionamiento del eje con otros elementos. ................................. 37 Figura 12. Relación adimensional de la fuerza axial y radial. ................................................ 39 Figura 13. Desalineamiento en acoples. .................................................................................. 41 Figura 14. Motor eléctrico. ...................................................................................................... 42 Figura 15. Eje de transmisión.................................................................................................. 43 Figura 16. Tornillo de potencia. .............................................................................................. 44 Figura 17. Placa de compresión. ............................................................................................. 44 Figura 18. Ranuras para el amarre. ......................................................................................... 45 Figura 19. Enchape. ................................................................................................................. 45 Figura 20. Enchape cont. ......................................................................................................... 46 Figura 21. Sistema de transporte. ............................................................................................ 46 Figura 22. Forma de unión. ..................................................................................................... 47 Figura 23. Llanta para el transporte de la máquina. ................................................................ 47 Figura 24. Cuña para la estabilidad de la maquina cuando este en operación. ....................... 48.

(12) 12 Figura 25. Carga viva distribuida en nodos............................................................................. 50 Figura 26. Área tributaria para la consideración de carga viva. .............................................. 51 Figura 27. Vista isométrica de la carga viva. .......................................................................... 52 Figura 28. Carga viva distribuida. ........................................................................................... 53 Figura 29. Carga de nieve. ...................................................................................................... 54 Figura 30. Carga de nieve distribuida. .................................................................................... 55 Figura 31. Mapa eólico del Perú. ............................................................................................ 56 Figura 32. Carga de viento. ..................................................................................................... 58 Figura 33. Presión de compresión de la placa. ........................................................................ 59 Figura 34. Vista del elemento 40. ........................................................................................... 60 Figura 35. Datos del elemento 92 por factores de carga y resistencia. ................................... 61 Figura 36. Datos completos del elemento 92 por factores de carga y resistencia. .................. 65 Figura 37. Perfil comercial en Sider Perú. .............................................................................. 68 Figura 38. Vista del elemento 49. ........................................................................................... 69 Figura 39. Fuerza por compresión del elemento 49 por factores de carga y resistencia. ........ 70 Figura 40. Vista del nodo de unión. ........................................................................................ 76 Figura 41. Vista del perfil 78. ................................................................................................. 76 Figura 42. Datos del elemento 60 por factores de carga y resistencia. ................................... 77 Figura 43. Caso de cordón de soldadura utilizando la posición vertical paralela. .................. 77 Figura 44. Representación de los cordones de soldadura........................................................ 81 Figura 45. Vista del triángulo característico de soldadura. ..................................................... 82 Figura 46. Vista de la carga excéntrica. .................................................................................. 83 Figura 47. Vista de la unión del elemento 101. ....................................................................... 86 Figura 48. Datos del elemento 101 por factores de carga y resistencia. ................................. 86 Figura 49. Vista del perfil 101. ............................................................................................... 87.

(13) 13 Figura 50. Caso de cordón para soldadura en C. ..................................................................... 87 Figura 51. Medidas de cordones de soldadura. ....................................................................... 91 Figura 52. Vista del triángulo característico de soldadura. ..................................................... 92 Figura 53. Vista lateral de la unión soldada. ........................................................................... 92 Figura 54. Vista del elemento 102. ......................................................................................... 95 Figura 55. Datos complementarios del elemento 102. ............................................................ 96 Figura 56. Caso de soldadura de cordones paralelos horizontales. ......................................... 97 Figura 57. Medidas de cordones de soldadura. ..................................................................... 100 Figura 58. Vista del triángulo característico de soldadura. ................................................... 101 Figura 59. Vista lateral de la unión soldada. ......................................................................... 102 Figura 60. Vista del caso excéntrico en traslape. .................................................................. 103 Figura 61. Análisis por compresión de la placa. ................................................................... 105 Figura 62. Análisis por mallas de la placa de compresión utilizando el criterio de momentos. ........................................................................................................................................ 106 Figura 63. Análisis por mallas de la placa de compresión utilizando el criterio de momento máximo. ......................................................................................................................... 107 Figura 64. Análisis por mallas utilizando el criterio de deflexión. ....................................... 108 Figura 65. Deflexión real. ..................................................................................................... 109 Figura 66. Dimensiones del rodamiento de rodillo. .............................................................. 116 Figura 67. Datos necesarios para el cálculo. ......................................................................... 116 Figura 68. Datos adicionales del rodamiento de rodillos cilíndricos. ................................... 116 Figura 69. Dimensiones del rodamiento de rodillos cilíndricos............................................ 117 Figura 70. Dimensiones del rodamiento axial. ...................................................................... 117 Figura 71. Dimensiones delos resaltes. ................................................................................. 117 Figura 72. Datos del cálculo. ................................................................................................. 118.

(14) 14 Figura 73. Precio actual de una maquina empacadora. ......................................................... 130 Figura 74. Esquema del procedimiento de empacado. .......................................................... 131.

(15) 15 INDICE DE TABLAS Tabla 1. Lista de materiales de la estructura............................................................................ 49 Tabla 2. Factor de forma. ......................................................................................................... 57 Tabla 3. Características geométricas del perfil L2X2X1/4. .................................................... 62 Tabla 4. Características del perfil L2X2X1/4 cont. ................................................................. 62 Tabla 5. Propiedades del acero A36. ....................................................................................... 63 Tabla 6. Factor de reducción por retraso cortante. .................................................................. 64 Tabla 7. Esfuerzo critico de prueba. ........................................................................................ 71 Tabla 8. Datos geométricos del perfil HSS2X2X1/4............................................................... 72 Tabla 9. Coeficiente de esbeltez según las condiciones de extremo. ...................................... 73 Tabla 10. Esfuerzo critico real. ................................................................................................ 74 Tabla 11. Propiedades del acero A36. ..................................................................................... 80 Tabla 12. Electrodos disponibles. ............................................................................................ 81 Tabla 13. Resistencia nominal de soldadura de filete.............................................................. 82 Tabla 14. Electrodos disponibles. ............................................................................................ 90 Tabla 15. Resistencia nominal de soldadura de filete.............................................................. 92 Tabla 16. Propiedades del acero A36. ..................................................................................... 99 Tabla 17. Electrodos disponibles. .......................................................................................... 100 Tabla 18. Resistencia nominal de soldadura de filete............................................................ 101 Tabla 19. Propiedades del acero 4140. .................................................................................. 112 Tabla 20. Datos del rodamiento seleccionado. ..................................................................... 113 Tabla 21. Vida en kilo horas. ................................................................................................. 115 Tabla 22. Lista de acoples disponibles. ................................................................................. 120 Tabla 23. Tabla del motor eléctrico. ...................................................................................... 122 Tabla 24. Tabla del motor de accionamiento seleccionado. .................................................. 123.

(16) 16 Tabla 25. Variador de velocidad seleccionado. ..................................................................... 124 Tabla 26. Lista de materiales estructurales. ........................................................................... 125 Tabla 27. Costo de los elementos estructurales. .................................................................... 126 Tabla 28. Costo del sistema de compresión........................................................................... 127 Tabla 29. Costo del material de aporte. ................................................................................. 128 Tabla 30. Costo de mano de obra para el ensamble. ............................................................. 128 Tabla 31. Costo de instalación ............................................................................................... 129 Tabla 32. Costos adicionales. ................................................................................................ 129.

(17) 17 CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO DEL DISEÑO DE LA MÁQUINA 1.1 Descripción de la situación problemática En la producción agrícola y ganadera influyen varios factores como son el clima, la cantidad de cultivos, calidad de forraje entre otros, es por ello que se ha visto el logro de cosechas abundantes, pero en muchas ocasiones estos se deterioran, es ahí cuando se observa el desperdicio de lo que se ha cosechado, la causa de esto es porque todo el forraje se malogra debido a que por el reducido espacio de almacenes, también es porque los roedores deterioran el forraje y hacen producir un olor y sabor desagradable para los vacunos; es por ello que se requiere proteger el forraje para evitar su desperdicio y a la vez reducir el espacio de almacenaje. 1.2 Definición del problema de investigación El diseño de la maquina se realiza en función al costo y durabilidad de la máquina, es por ello que defino una investigación técnica, ya que se utilizara de normas existentes ose la aplicación de varias fórmulas, tablas y gráficas. 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo General. Diseñar una máquina empacadora de forraje de 2m de altura con fines ganaderos utilizando materiales dúctiles..

(18) 18 1.3.2 Objetivos Específicos. -. Establecer los parámetros que afecta el diseño de la máquina.. -. Realizar la selección de perfiles y análisis de uniones de la maquina empacadora de forraje.. -. Seleccionar los elementos mecánicos que conforman la maquina empacadora de forraje.. -. Seleccionar el tipo de accionamiento de la máquina empacadora.. -. Hacer el presupuesto de la máquina y compararlo con máquinas existentes.. 1.4 Justificación de la investigación Al ir viendo la necesidad de reducir espacios en el almacenamiento de forraje que es el alimento de los vacunos y otros, también el problema de desperdicio de este, se propone el diseño de una maquina empacadora usando materiales disponibles para su posterior construcción, que solucionara los problemas de producción ganadera. 1.5 Planteamiento de la hipótesis 1.5.1 Hipótesis general. El diseño de la maquina empacadora podrá solucionar los problemas de producción ganadera. 1.5.2 Sub hipótesis. -. Al empacar forraje se ahorra espacio para almacenar.. -. Si se empaca el forraje los vacunos no desperdiciaran forraje.. -. Al realizar el proceso de empacado se evita el deterioro del forraje..

(19) 19 1.6. Variables de estudio 1.6.1 Variables independientes. -. Uso del método de factores de carga y resistencia para la selección de elementos estructurales de la máquina.. -. Cálculo y dimensionamiento de los elementos y mecanismos de la máquina empacadora.. -. Control de velocidad del accionamiento electromecánico. 1.6.2 Variable dependiente. Diseño esperado de la máquina empacadora de forraje.. 1.7 Estado del arte En estudios anteriores se desarrolló la ingeniería aplicada a la agricultura y ganadería, los diseños hechos han dado solución a los problemas agrícolas, pero para adquirir una empacadora se requiere un aproximado de 20000 dólares, estas máquinas son accionadas por un tractor para su funcionamiento, entonces podemos ver dos limitaciones, una es la dependencia de un tractor y la otra es el costo para adquirir esta máquina, el diseño que se propone es tener una máquina que sea económico y a la vez que no dependa de un tractor para su funcionamiento y con esto dar el aporte correspondiente..

(20) 20 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Diseño y materiales La observación de la naturaleza es de gran ayuda para realizar el diseño de máquinas, es por ello que hasta la actualidad se ha visto que los elementos de máquinas tienen una forma geométrica parecida a diversos animales existentes. En el diseño se utiliza ayuda de conocimientos existentes y aportando ideas con el uso de la imaginación, esto se da por la curiosidad influenciada en resolver problemas de ingeniería. 2.1.1 El diseño. El diseño tiene varios campos de aplicación, es por ello que su significado cambia según varios autores. El diseño de máquinas está en función al criterio del diseñador en cierto porcentaje, pero existe limitaciones como los estándares establecidos que marcan un rango permisible y reglamentos fijos en el diseño. El factor de diseño es un parámetro adimensional que se usa en el diseño de máquinas, este valor es establecido por el diseñador, los valores del factor de seguridad deben de asemejarse al valor del factor de diseño para dar aceptación satisfactoria a los resultados obtenidos en la memoria de cálculo. 2.1.2 Materiales para el diseño de máquinas. Los materiales para el diseño de máquinas varias según el uso o también conocido como aplicación de acuerdo a varios autores, esta variación depende fundamentalmente según el tipo de carga que soporta, ya sea estática o repetida (cargas por ciclos), la energía influye bastante en la selección de materiales, en las maquinas sabemos que existe cargas primarias y secundarias, los esfuerzos que tienen los materiales son el de fluencia y fractura, en la división de zona elástica y plástica existe una región en el que al realizarse el cambio se produce.

(21) 21 generación de energía, es así que aparecen los esfuerzos residuales que varian las propiedades del acero seleccionado. 2.1.2.1 Material dúctil. El material dúctil es usado en casos de tener grandes deformaciones, en el caso de tener presente cargas repetidas (dinámicas), el comportamiento oscilatorio de las fuerzas modifica las partículas internas del material (acero), para no tener problemas de falla es necesario que el material tenga esta propiedad (ductilidad). 2.1.2.2 Material frágil. Para describir este tipo de material como ejemplo vemos el vidrio, en muchas ocasiones de la vida cotidiana se ha oído que cuando se transporta el vidrio dice que se trata de un material frágil, que con deformaciones muy pero muy pequeñas este material se fractura de forma inmediata. 2.2 Estructuras para la construcción de máquinas Las estructuras son el esqueleto que soporta todas las componentes de una máquina, es por ello que es muy indispensable utilizar una cuidadosa selección de componentes para que no haya falla estructural cuando la maquina esté en funcionamiento. Las fuerzas más conocidas en los perfiles estructurales son: Puntual, presión y distribuida, en otra forma de clasificación tenemos las estáticas y dinámicas, estos valores son de mucha utilidad para predecir una posible falla, las cargas que provienen de afuera son denominadas externas, estos se transforman para tener un efecto en el interior de los elementos estructurales y son denominados fuerzas internas, estos valores son los que comúnmente se analizan en el software. 2.2.1 Cargas combinadas. Las cargas combinadas muestran relación con la fuerza resultante, las fórmulas para calcular este valor varían a medida que se actualizan las normas, en la presente tesis se toma.

(22) 22 en consideración el manual AISC 14ava edición (2015) para datos de tablas, la Especificación AISC del año 2016 para las formulas y la NTP del año 2006 para los parámetros de cargas externas. Para el diseño estructural de máquinas se usa el método LRFD con el fin de tener una vida útil elevada de la armadura de la máquina, las ecuaciones utilizadas para calcular la fuerza resultante (carga máxima o combinación máxima) según la Especificación AISC son las siguientes: 1 U =1.4D 2. U =1.2D + 1.6L + 0.5 (Lr o S o R) 3. U = 1.2D + 1.6(Lr o S o R) + (L* o 0.5W) 4. U = 1.2D + 1.0W +0.5 L + 0.5(Lr o S o R) 5. U = 1.2D + 1.0E +0.5 L + 0.2S 6. U = 0.9D + 1.0W 7. U = 0.9D + 1.0E El símbolo D representa la carga muerta, el símbolo L representa la carga viva, el símbolo S representa la carga de nieve, el símbolo W representa la carga de viento, el símbolo E representa la carga de sismo. Estas siete ecuaciones anteriores son de acuerdo al manual AISC del año 2015, el parámetro de carga viva y de sismo variaran en el diseño de la máquina, al no ser anclada en forma permanente queda descartado el parámetro de sismo, la carga viva de techo y de piso solo será un parámetro, en este caso se llamará carga viva general..

(23) 23 Los coeficientes numéricos en estas ecuaciones toman el nombre de factores de carga, estos valores cambian a medida que van actualizando la Norma, el parámetro U simboliza el método utilizado, en la presente tesis se usa el método LRFD, es por ello que se usa el símbolo U, la carga de viento se estima en una sola dirección para tener mayor carga, ya que si usamos varias direcciones el valor de la fuerza del viento disminuirá. El criterio de tomar valores máximos (sobredimensionados) es para alargar la vida útil de los elementos de armadura de la máquina. El valor de carga de nieve y de lluvia se unifican en un solo valor, según la NTP el valor de la carga de nieve es mayor, es por este motivo que reemplaza a la carga de lluvia, las cargas ambientales (naturales) cambian según la localización, en regiones andinas no hay aparición de nieve, pero reemplaza la granizada, la fuerza ejercida por la granizada es mayor, pero como hay mucha diferencia se puede pasar por alto, en el diseño de estructuras se sobredimensiona los componentes estructurales con el uso del método LRFD para tomar en cuenta las fuerzas adicionales y tener así mayor durabilidad de la estructura. 2.2 Esfuerzos aplicados en el diseño de máquinas 2.2.1 Esfuerzo por tensión. (Amoviblesio, 2015) dice: Decimos que un elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a estirarlo. Los tensores son elementos resistentes que aguantan muy bien este tipo de esfuerzos. La tracción es lo contrario a la compresión: intentar “estirar”, alargar un elemento. (p.1).

(24) 24. Figura 1. Elemento sometido a carga por tensión. Fuente: (Amoviblesio, 2015,p.1). 2.2.2 Esfuerzo por compresión. (Amoviblesio, 2015) afirma: Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de compresión cuando se le aplican dos fuerzas con la misma dirección y sentidos contrarios provocando un abombamiento en su parte central y reduciendo su longitud inicial. Las fuerzas aplicadas tienden a aplastarlo o comprimirlo. Cuando se somete a compresión una pieza de gran longitud en relación a su sección, se arquea recibiendo este fenómeno el nombre de pandeo. El pandeo es un fenómeno de inestabilidad elástica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos, y que se manifiesta por la aparición de desplazamientos importantes transversales a la dirección principal de compresión Los pilares y columnas son ejemplo de elementos diseñados para resistir esfuerzos de compresión. (p.1). Figura 2. Elemento sometido a carga por compresión. Fuente: Elaboración propia..

(25) 25 2.2.3 Esfuerzo por flexión. Según (Amoviblesio, 2015) Un elemento estará sometido a flexión cuando actúen sobre él cargas que tiendan a doblarlo. En un esfuerzo de flexión se dan los esfuerzos de tracción y compresión a la vez, pues cuando el cuerpo se hunde, una parte sube hacia fuera (tracción), mientras que otra se hunde hacia dentro (compresión). (p.1). Figura 3. Elemento sometido a carga por flexión. Fuente: (Amoviblesio, 2015,p.1). 2.2.4 Esfuerzo por torsión. Para (Amoviblesio, 2015) Un cuerpo sufre esfuerzos de torsión cuando existen fuerzas que tienden a retorcerlo. Es un esfuerzo producido por retorcer o girar un material sobre sí mismo, ejerciéndose en sus dos pares de giro en sentido contrario. Cuando colocamos un tornillo, lo estamos sometiendo a un esfuerzo de torsión. Por una parte, experimenta la fuerza del destornillador que la gira en sentido horario. Por la otra, el material donde estamos introduciendo ejerce una fuerza de resistencia de sentido anti horario. El resultado es que el tornillo tiende a retorcerse. (p.1).

(26) 26. Figura 4. Elemento sometido a esfuerzo por torsión. Fuente: (Amoviblesio, 2015,p.1). 2.2.5 Esfuerzo por corte. (Amoviblesio, 2015)dice: Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de cizalladura (también llamado de cizallamiento, de corte o esfuerzo cortante) cuando se le aplican dos fuerzas de sentido opuesto que tienen tendencia a cortarlo actúan de forma que una parte de la estructura tiende a deslizarse sobre la otra. Las herramientas de corte manual que funcionen por la acción de dos hojas de metal afilado: tijeras, guillotinas para papel, cizallas para metal, etc. El material (tela papel, meta…) recibe un esfuerzo de cizalladura que no puede soportar, por lo que se produce el corte. (p.1). Figura 5. Elemento sometido a esfuerzo por corte. Fuente: (Amoviblesio, 2015,p.1).

(27) 27 2.3 Análisis de empacadoras de forraje La empacadoras se utilizan teniendo como principal elemento un tractor para accionar a la maquina mediante un eje, además tiene varias partes como es el sistema de transmisión, el mecanismo especial para realizar el recojo de forraje, luego se tiene el alimentador, después se tiene la cámara de empaque en el que las placas que soportan la presión deben de tener un espesor considerable en el que se produzca la menor cantidad de deflexión. (EcuRed, 2018) dice clasifica las partes de la empacadora de la siguiente manera: 2.3.1 Sistema de transmisión. “La máquina recibe su accionamiento de la toma de fuerza del tractor a través de un árbol cardán. Posee además caja reductora, transmisiones por cadenas y correas, mecanismos de biela-manivela, embragues de seguridad y engranajes de dientes rectos.” (EcuRed, 2018,p.1) 2.3.2 Mecanismo de recogida. “Está constituido por un tambor giratorio colocado en sentido horizontal. Tiene forma cilíndrica y está provisto de cuatro secciones de dedos flexibles también denominados “dientes”, distribuidos radialmente a todo lo largo del tambor, los que a girar atrapan el heno (hierbas deshidratadas) u otro material, y lo elevan al mecanismo de formación de la paca. La altura de trabajo del aparato recolector puede variarse por medio de una palanca soporte que posee.” (EcuRed, 2018,p.1) 2.3.3 Alimentador. Es un conjunto accionado por medio de un mecanismo biela-manivela cuya función es enviar la masa cosechada hacia la cámara de empaque. (EcuRed, 2018,p.1).

(28) 28 2.3.4 Cámara de empaque. “En esta sección de forma rectangular se realiza la conformación de la paca, así como su amarre con cordel. Posee dos pistones (horizontal y vertical) accionados por mecanismos biela-manivela, cuyo objetivo es prensar la hierba para la confección de las pacas de heno.” (EcuRed, 2018,p.1) 2.4.5 Mecanismo de amarre. “Su función es amarrar la paca mediante unas agujas y un dispositivo anudador y llevar el conteo de las pacas elaboradas mediante un contador. Tiene además un depósito del cordel en bolas.” (EcuRed, 2018,p.1) 2.3.6 Mecanismo de descarga. “Una vez concluida la formación y amarre de la paca, un dispositivo la deja caer al suelo para su posterior traslado.” (EcuRed, 2018,p.1) 2.3.7 Sistema de rodaje. “Como la máquina es de arrastre, posee dos ruedas de neumáticos que mantienen su posición sobre el terreno.” (EcuRed, 2018,p.1) 2.4 Productos agrícolas para empacar 2.4.1 El forraje. (Wikipedia, 2017) dice: Podemos definir forraje como todas aquellas plantas que se cultivan con el fin de alimentar a los animales. Puede ser consumida en pie o diferida, según sean las necesidades del proceso productivo. La producción de forrajes depende del ambiente donde se desarrolla, por lo que variará según las condiciones climáticas y del suelo de un lugar; como así también según la producción ganadera a la que se aplica (ganado ovino, bovino, porcino, etc.) El forraje usado en las zonas andinas donde se dar aplicación al diseño de la maquina es la avena. (p.1).

(29) 29 2.4.2 La avena. (Enciclopediasalud, 2016) dice que la avena es un: Cereal rico en proteínas de alta calidad, grasas vegetales, vitaminas y minerales. Es el cereal con mayor contenido de grasas. Tiene el 65% de grasas insaturadas y el 35% de ácido linoleico. De sus vitaminas destacan las del grupo B. También tiene un notable contenido en fibra que ayuda al buen tránsito intestinal. (p.1). Figura 6. Avena para forraje. Fuente: (GUASCH, 2017,p.1). La avena es muy usada en las regiones donde crían vacunos, porque contienen un valor nutritivo para el crecimiento saludable de estos. Es muy usual ver como los vacunos comen solo la parte superior, ósea la parte donde están los granos, luego los tallos quedan desperdiciados, al ver este comportamiento en los animales se encuentra un método para que estos no desperdicien su alimento de esa forma. La construcción de una máquina que comprima hace que estos al buscar los granos coman todo sin desperdiciar nada..

(30) 30 2.4.3 La cebada. “Es una gramínea de sabor dulces, sus espigas son largas y flexibles, se siembra en otoño y primavera en Asia Occidental y África Nororiental (lugares de origen).” (Mehor con Salud, 2017,p.1) 2.4.4 La alfalfa. “Es una de las plantas comestibles más nutritiva y en la cocina podemos consumirla en brotes de alfalfa o germinados de alfalfa, las semillas y también sus hojas.” (ECO agricultor , 2017,p.1) 2.5 Uniones por soldadura 2.5.1 Soldadura de filete. (Web del profesor , 2018) afirma: Los cordones de soldadura a filete A están cargados en corte longitudinal y el cordón B está cargado en corte transversal. Si se incrementa la fuerza Ru hasta que exceda la resistencia de las soldaduras, la ruptura ocurrirá en los planos de menor resistencia. Se asume que esto sucede en la garganta de la soldadura donde se presenta la menor área transversal. Pruebas de soldadura a filete utilizando electrodos compatibles han demostrado que la soldadura falla a través de su garganta efectiva antes que el material falle a lo largo del lado del cordón. (p.1).

(31) 31. Figura 7. Representación de la soldadura de filete. Fuente: (Web del profesor , 2018,p.1) Las soldaduras de filete son más resistentes a la tracción y a la compresión que al corte, de manera que los esfuerzos determinantes son los de corte. Este tipo de soldadura falla por corte en un ángulo de aproximadamente 45 grados a través de la garganta. La dimensión efectiva de la garganta de una soldadura de filete es, nominalmente, la distancia más corta desde la raíz a la cara de la soldadura. Si se asume que la soldadura de filete tiene lados iguales de tamaño nominal a, la garganta efectiva es igual a 0.707a. Si la soldadura a filete se diseña para ser asimétrica (una situación rara), con lados desiguales, el valor de te debe calcularse de la forma de la soldadura. LRFD modifica las dimensiones efectivas de la garganta para cordones de soldadura a filete hechos con el proceso de arco sumergido (SAW), para tomar en cuenta la calidad superior de dichas soldaduras. Para cordones de soldadura a filete con el tamaño nominal menor o igual a 3/8” (10 mm), la dimensión efectiva de la garganta se tomará igual al tamaño nominal w. Para cordones con tamaño nominal mayor que 3/8” la dimensión efectiva de la garganta se tomará como 0.707w + 2.8 mm (0.11 in)..

(32) 32. Figura 8. Triangulo de soldadura. Fuente: (Web del profesor , 2018,p.1) El área efectiva de un cordón de soldadura a filete Aw es el producto de la longitud efectiva del cordón de soldadura por la dimensión efectiva de la garganta. 2.6 Elementos para el diseño de máquinas agrícolas 2.6.1 Tornillo sinfín. El sentido de rotación del gusano, también llamado corona de tornillo sinfín, depende del sentido de rotación del tornillo sinfín y de que los dientes de gusano se hayan cortado a la derecha o a la izquierda. Los engranajes de tornillo sinfín también se hacen de manera que los dientes de uno o de ambos elementos se envuelvan de manera parcial alrededor del otro. Dichos engranajes se llaman engranajes de envolvente simple o doble. Los engranajes de sinfín se emplean sobre todo cuando las relaciones de velocidad de los dos ejes son muy altas, de 3 o más..

(33) 33. Figura 9. Forma de funcionamiento de un tornillo sinfín. Fuente: (Budynas, 2008) 𝐿 = 𝑝𝑥(𝑁𝑤) Donde L es la longitud de avance, Nw es el número de dientes del sinfín, px es el paso axial.. tan(𝜆) =. 𝐿 𝜋 ∗ 𝑑𝑤. Donde landa es el ángulo de avance, L es el avance y dw es el diámetro de paso del sinfín. 2.6.2 Tornillo de potencia. A continuación, se muestra la definición de este término: Para (Budynas, 2008) Un tornillo de potencia es un dispositivo que se utiliza en maquinaria para cambiar el movimiento angular a movimiento lineal y, por lo general, para transmitir potencia. Entre las aplicaciones familiares se incluyen los tornillos de tornos y los tornillos para prensas de banco, prensas de sujeción y gatos. (p.400).

(34) 34 En el apartado de accionamiento hidráulico nos basamos en la conversión del giro a movimiento lineal o de desplazamiento positivo para hacer que la prensa hidráulica tenga una función en la máquina.. Figura 10. Tornillo de potencia. Fuente: (Budynas, 2008,p.401). Los simbolos de P y T son las fuerzas para elevar y la torsion respectivamente los subindices R y L son para elevar la carga y bajar la carga respectivamente, las ecuaciones para la transmision de fuerza se basa en el angulo de avance que es simbolizado con la letra gama, la rosca rectangular es la recomendada porque tiene un area de contacto mayor en comparacion a otros, tambien el factor de friccion es muy importante para saber si el tornillo se autobloque o no..

(35) 35 “Generalmente, cuando un tornillo de potencia se usa para elevar o descender cargas, es habitual emplear una pieza intermedia, llamada collarín, para distribuir mejor la fuerza de empuje sobre la base de apoyo.” (Ingemecánica, 2016) 2.6.2.1 Materiales de los tornillos de potencia. Según (Mecánica, 2014) El tornillo debe construirse de un acero resistente al desgaste con buenas características de maquinado y tratado térmicamente. Las tuercas se fabrican de bronce al estaño, así como de fundición de antifricción. Para ahorrar bronce las tuercas también pueden fabricarse bimetálicas esto es fundición o acero revestido de bronce (por el procedimiento centrífugo). La altura de la tuerca esta generalmente entre 1,2 – 2,5 el diámetro medio del tornillo (H = 1,2-2,5 dm). (p.1) Los tornillos de potencia deben de cumplir con la ecuación de Von Mises: 𝜎′ =. 1 √2. 2. 2. √(𝜎𝑥 − 𝜎𝑦 ) + (𝜎𝑦 − 𝜎𝑧 ) + (𝜎𝑧 − 𝜎𝑥 )2 + 6(𝜏𝑥𝑦 2 + 𝜏𝑦𝑧 2 + 𝜏𝑧𝑥 2 ). El símbolo sigma representa el esfuerzo axial y el símbolo tao representa el esfuerzo cortante, y los subíndices representan las direcciones. 2.6.3 Eje de transmisión. Para (Budynas, 2008) La deflexión no se ve afectada por la resistencia sino por la rigidez, representada por el módulo de elasticidad, que es esencialmente constante en todos los aceros. Por esa razón, la rigidez no puede controlarse mediante decisiones sobre el material, sino sólo por decisiones geométricas. (p.349) Para tener una buena durabilidad en la vida de materiales es necesario tener un proceso de tratamiento térmico para modificar las propiedades del material, en el caso de los ejes es normalmente usado el estirado en frio..

(36) 36 Según (Budynas, 2008) La resistencia necesaria para soportar esfuerzos de carga afecta la elección de los materiales y sus tratamientos. Muchos ejes están hechos de acero de bajo carbono, acero estirado en frío o acero laminado en caliente, como lo son los aceros ANSI 1020-1050. (p.349) 2.6.3.1 Deflexión en ejes. El análisis de deflexión incluso en un solo punto de interés requiere información completa de la geometría de todo el eje. Por esta razón es deseable diseñar las dimensiones de las ubicaciones críticas para manejar los esfuerzos, y encontrar estimaciones razonables de todas las otras dimensiones, antes de realizar un análisis de dimensión. El proceso de análisis del esfuerzo de la fatiga depende en gran medida de las concentraciones del esfuerzo. En el caso de los hombros y los cuñeros, las concentraciones del esfuerzo dependen de las especificaciones de tamaño que no se conocen en el primer paso del proceso. Por fortuna, como casi siempre estos elementos tienen proporciones estándar, es posible estimar los factores de concentración del esfuerzo para el diseño inicial del eje. Estas concentraciones del esfuerzo se afinarán en iteraciones sucesivas, una vez que se conozcan los detalles. Los hombros para el apoyo de cojinetes y engranes deben obedecer la recomendación de catálogo para el cojinete o engrane específico. Una mirada a los catálogos de cojinetes muestra que un cojinete típico necesita que la relación D/d esté entre 1.2 y 1.5. Para una primera aproximación, puede suponerse el peor de los casos con 1.5. De manera similar, el radio del filete del hombro debe dimensionarse para evitar la interferencia con el radio del filete del componente correspondiente. Existe una variación significativa entre los cojinetes típicos en la relación del radio del filete con el diámetro de perforación, donde r/d tiene valores típicos que van de alrededor de 0.02 a 0.06. Una mirada rápida a los diagramas de concentración del esfuerzo (figuras A-15-8 y A-15-9) muestra que las concentraciones del esfuerzo de la flexión y la torsión se incrementan de manera significativa en este intervalo..

(37) 37. Figura 11. Aplicación de funcionamiento del eje con otros elementos. Fuente: (Budynas, 2008) 2.6.4 Rodamientos. El estudio de rodamientos es bastante, pero se usará la parte de selección de rodamientos. “Los cojinetes de bolas resisten un empuje; además una unidad de empuje causa un daño diferente por revolución al de una carga radial unitaria, por lo que es necesario encontrar la carga radial pura equivalente que cause el mismo daño que la carga radial y de empuje existentes.” (Budynas, 2008,p.550) Para calcular la carga dinamica equivalente se utilizan los parametros de weibull para cojinete de bolas, la carga axial y radial son necearias para calcular la fuerza que es la resultante y equivalente. La fuerza equivalente es:.

(38) 38 𝐹𝑒 = 𝑋𝑉𝐹𝑅 + 𝑌𝐹𝑎 Donde: Fe es la fuerza equivalente. X es un parámetro adimensional característico de la fuerza radial. V es el factor de velocidad. Fr es la fuerza radial Fa es la fuerza axial La carga dinámica del rodamiento es:. 𝑋𝐷. 𝐶10 = 𝑎𝑓 𝐹𝐷 [. 1 𝑎 1]. 𝑥0 + (𝜃 − 𝑥0 )(1 − 𝑅𝐷 )𝑏 C10 es la carga dinámica del rodamiento. af es el factor de aplicación. Fd es la fuerza equivalente. Xd es la relación de vida en horas y la vida deseada. xo, b y θ son los parámetros de Weibull. Rd es la confiabilidad..

(39) 39. Figura 12. Relación adimensional de la fuerza axial y radial. Fuente: (Budynas, 2008). 2.7 Acoples (DISAI, 2018) dice: La selección de un acoplamiento debe ser un compromiso entre factores como el coste, el espacio de montaje, la duración prevista y las prestaciones de transmisión, que deben satisfacer los requerimientos tales como son de la a) hasta la e) y se muestra a continuación: a) Absorción de las desalineaciones y carga sobre los ejes: Debido a los errores dimensionales inherentes a todo montaje mecánico, los ejes correspondientes a los árboles a unir mantendrán entre sí unas diferencias posicionales o "desalineaciones" que dificultan la transmisión del movimiento. Estas desalineaciones pueden ser axiales, radiales o angulares. En todos los casos el sistema de acoplamiento utilizado para la transmisión deberá ser capaz de absorberlas, evitando los efectos nocivos de cargas sobre los ejes, rodamientos, apoyos y bastidores. Las desalineaciones.

(40) 40 también provocan fatiga o desgaste en el acoplamiento, por tanto, al escogerlo deberá tenerse en cuenta la velocidad de rotación, minorando los des alineamientos. (p.1) b) Par a transmitir: No tiene importancia en acoplamientos para sistemas de medida. Para accionamientos de potencia se deberá comprobar que el par a transmitir sea menor que el par nominal adjuntado en las tablas de prestaciones, en un margen más grande cuanto mayor sea la desalineación previsible. (p.1) c) Precisión cinemática: En sistemas de medida y accionamientos de gran precisión es importante que el acoplamiento no provoque desfases posicionales entre los árboles. Todos los modelos de la gama ENCO-FLEX están libres de juego torsional y sólo el OLDHAM puede adquirir un cierto juego después de un tiempo de funcionamiento con un desalineamiento radial importante (que se puede corregir substituyendo el disco). Si el par resistente o la inercia en el eje conducido son importantes, se pueden producir desfases debidos a la elasticidad torsional del acoplamiento. En estos casos se evitará utilizar modelos poco rígidos como el SPRING-FLEX o POLY-FLEX. (p.1) d) Velocidad de rotación: Los OLDHAM-FLEX y SPRING-FLEX no son adecuados para ejes de gran velocidad, especialmente si existen desalineamientos importantes. Para el resto de acoplamientos debe tenerse en cuenta que la vida útil de los mismos está en función de la fatiga y, por tanto, de la velocidad a la que operan. (p.1) e) Fijación a los ejes: Los acoplamientos pueden suministrarse con fijación por prisioneros (2 a 90°) o con brida-abrazadera integral. La fijación por abrazadera tiene la ventaja que no produce marcas en los ejes, resistiendo mejor las inversiones bruscas y las vibraciones. La fijación por prisioneros resulta más económica y.

(41) 41 permite utilizar diámetros de eje mayores para un mismo acoplamiento. El inconveniente de los prisioneros es que estos pueden producir mellas sobre los ejes. Además, pueden aflojarse debido a vibraciones, lo cual puede evitarse fijándolos con un adhesivo semi-permanente. (p.1). Figura 13. Desalineamiento en acoples. Fuente: (DISAI,2018,p.2).

(42) 42 CAPÍTULO III DESARROLLO DEL DISEÑO DE LA MÁQUINA 3.1 Alcances del diseño 3.1.1 Dimensionamiento. 3.1.1.1 Medidas. La máquina tendrá las medidas de 2 metros de alto, 1.945 metros de ancho y 2.556 metros de largo. 3.1.1.2 Capacidad. La máquina tendrá una capacidad de empacado de 600kg/h ya que por paca se tomará el tiempo de 2 minutos. 3.1.1.3 Componentes. La máquina tendrá los siguientes componentes: a) Motor de accionamiento. Sera seleccionado de acuerdo a la potencia requerida, pero se sabe que el motor es asíncrono trifásico.. Figura 14. Motor eléctrico. Fuente: Elaboración propia..

(43) 43 b) Eje de transmisión: El material del eje de transmisión será tratado térmicamente de acuerdo a la cantidad de esfuerzo producido; será de acero 4140.. Figura 15. Eje de transmisión. Fuente: Elaboración propia.. c) Sistema de compresión mecánico: Se selecciona el sistema mecánico en vez del hidráulico para tener un menor costo en la construcción, además es más maniobrable cuando se requiera una reparación. d) Tornillo de potencia: El tornillo de potencia será fabricado, por lo que no se utilizará estándares por el motivo de las medidas requeridas, se utilizará la rosca AGME..

(44) 44. Figura 16. Tornillo de potencia. Fuente: Elaboración propia.. e) Placa de compresión. La placa será de acero ensamblado con perfiles estructurales por la cantidad de fuerza necesaria para la compresión del forraje.. Figura 17. Placa de compresión. Fuente: Elaboración propia.. f) Sistema de amarre: El sistema de amarre se realizará en forma manual para no tener complejidad en la fabricación de la máquina ni aumento en el mantenimiento en caso de tener un sistema automático, además se reduce los costos. En la siguiente figura se ve que se realizan 2 ranuras de 3mm en el que se colocaran los cordeles para que luego se realice el amarre..

(45) 45. Figura 18. Ranuras para el amarre. Fuente: Elaboración propia.. g) Enchape: Los elementos estructurales de la maquina se unirá por medio de soldadura.. Figura 19. Enchape. Fuente: Elaboración propia..

(46) 46. Figura 20. Enchape cont. Fuente: Elaboración propia.. h) Sistema de transporte.. Figura 21. Sistema de transporte. Fuente: Elaboración propia.. i) Sistema de unión. La conexión se realiza mediante soldadura por la existencia de cargas dinámicas.

(47) 47. Figura 22. Forma de unión. Fuente: Elaboración propia.. j) Sistema de anclaje. La máquina estará unida a las llantas, es por ello que no habrá un anclaje fijo. Figura 23. Llanta para el transporte de la máquina. Fuente: Elaboración propia..

(48) 48. Figura 24. Cuña para la estabilidad de la maquina cuando este en operación. Fuente: Elaboración propia.. 3.1.1.4 materiales. La máquina tendrá materiales dúctiles como el acero ASTM A 36 debido a que tiene esfuerzos de fatiga ya que hay cargas dinámicas. 3.1.1.5 tipo de material a comprimir. Los materiales a comprimir son: cebada, alfalfa, avena, maíz y similares. 3.2 Fuerzas que afectaran el diseño. Las fuerzas primarias que afectan el diseño son: 3.2.1 Carga muerta. Se considera el peso propio de la máquina. En la siguiente tabla se muestra los componentes estructurales de la máquina..

(49) 49 Tabla 1. Lista de materiales de la estructura.. Fuente: Elaboración propia. El peso es 759kgf 3.2.2 Carga viva. Se considera la fuerza generada por las personas que ensamblan o cuando realizan el mantenimiento. Para distribuir las cargas vivas se tomará en la estructura de la base 1200 kgf, en realidad se sobredimensiona para que la estructura tenga mayor vida útil..

(50) 50 En la carga viva se consideran 6 celdas, entonces se distribuirá las cargas en los medios, perimétricos y esquinas. Medios: 1200/2= 600kgf. Perimétricos: 600/2= 300kgf. Esquinas: 300/2=150kgf.. Figura 25. Carga viva distribuida en nodos. Fuente: Elaboración propia.. La NTP establece 30kgf/m2 El área tributaria es: A=1.06*1.26=1.34m2.

(51) 51. Figura 26. Área tributaria para la consideración de carga viva. Fuente: Elaboración propia. 𝑃=. 𝐹 𝐴. 𝐹 =𝑃∗𝐴 𝐹 = 30 ∗ 1.34 = 40.2𝑘𝑔𝑓 Para los medios corresponde: Medios: 40.2 kgf. Perimétricos: 20.1 kgf. Esquinas: 10.05 kgf..

(52) 52. Figura 27. Vista isométrica de la carga viva. Fuente: Elaboración propia.. La distancia entre vigas primarias es 1.26m. La fuerza distribuida es: 𝐹 =𝑃∗𝐿 𝐹 = 30 ∗ 1.26 = 37.8𝑘𝑔𝑓/𝑚 La distancia entre vigas secundarias es 1.06m. La fuerza distribuida es: 𝐹 =𝑃∗𝐿 𝐹 = 30 ∗ 1.06 = 31.8𝑘𝑔𝑓/𝑚.

(53) 53. Figura 28. Carga viva distribuida. Fuente: Elaboración propia.. 3.2.3 Carga de nieve. El área tributaria es: A=1.06*1.26= 1.34m2 La carga de nieve es 40kg/m2 según la NTP En los medios será: F=σ*A= 40*1.34=53.6kgf. En los perimétricos será: F= 26.8kgf. En las esquinas será: F= 13.4 kgf..

(54) 54. Figura 29. Carga de nieve. Fuente: Elaboración propia.. La distancia entre vigas primarias es 1.26m La fuerza distribuida es: 𝐹 =𝑃∗𝐿 𝐹 = 40 ∗ 1.26 = 50.4𝑘𝑔𝑓/𝑚 La distancia entre vigas secundarias es 1.06m. La fuerza distribuida es: 𝐹 =𝑃∗𝐿 𝐹 = 40 ∗ 1.06 = 42.4𝑘𝑔𝑓/𝑚.

(55) 55. Figura 30. Carga de nieve distribuida. Fuente: Elaboración propia.. 3.2.4 Carga de viento. La región analizada es Puno.

(56) 56. Figura 31. Mapa eólico del Perú. Fuente: (Zapata Baglieto, 2008,p.11). La velocidad según el mapa es de 130km/h.

(57) 57 La velocidad de diseño es ℎ 0.22 𝑉ℎ = 𝑉 ( ) 10 2 0.22 𝑉ℎ = 130 ( ) = 91.24𝑘𝑚/ℎ 10 Tabla 2. Factor de forma.. Fuente: (E020, 2006,p.12). La presión que ejerce el viento es: 𝑃 = 0.005𝐶𝑉ℎ 2 El factor de forma es de 0.8 porque la condición más crítica es cuando el viento presiona a una superficie vertical. 𝑃 = 0.005(0.8)91.242 = 33.298𝑘𝑔/𝑚2 La distancia entre vigas es L=1.26m y 1m, pero existen distancias menores, como estamos en caso de un diseño se sobredimensiona tomando en cuenta el peor de los casos, por eso se selecciona la distancia de 1.26m. La fuerza distribuida es: F=PL F= (33.298) (1.26) = 41.956kg/m.

(58) 58. Figura 32. Carga de viento. Fuente: Elaboración propia.. Todos estos esfuerzos se combinan generando una nueva resultante que es el valor que realmente soporta la máquina. 3.2.5 Carga por presiones: La fuerza por compresión está dada por una presión, se dividirá en cuatro membranas, entonces se hará la siguiente división:. 𝑃=. 𝑃=. 𝐹 𝐴. 500 = 416.67𝑘𝑔𝑓/𝑚2 1.2. Existen 3 formas: Shell, plate y membrane, entonces como es un análisis de fuerzas en frame se utiliza membrana..

(59) 59. Figura 33. Presión de compresión de la placa. Fuente: Elaboración propia. 3.3 Materiales utilizados En el titulo dice materiales dúctiles, en este caso me refiero al acero, el cual tiene un porcentaje permisible de deformación, la falla por deformación es muy usual, como la maquina tiene bastante movimiento se produce fluctuaciones; las cargas dinámicas hacen que las deformaciones sean mayores en el transcurso del tiempo; es por ello que se aplica la ductilidad para tener deformaciones en los rangos permisibles. 3.3.1Material dúctil (acero). (Ejemplos, 2018) afirma: El acero es una mezcla de hierro y carbono (hasta un 2,14%) cuya arroja un material duro y relativamente dúctil, sobre todo combinado con boro para formar alambres de dureza superficial y muy alta ductilidad, o en el acero corrugado que se emplea en el sector construcción. Esto lo hace ideal para resistir pesos sin fracturar el hormigón, sino permitiendo mínimas deformaciones de acuerdo a la dimensión del peso. (p.1).

(60) 60 CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE PERFILES Y UNIONES 4.1 Análisis estructural del elemento 92 por factores de carga y resistencia. Figura 34. Vista del elemento 40. Fuente: Elaboración propia..

(61) 61. Figura 35. Datos del elemento 92 por factores de carga y resistencia. Fuente: Elaboración propia.. La carga factorizada es la carga de diseño o requerida según el método LRFD. El área requerida es:. 𝐴𝑟𝑒𝑞 =. 𝐴𝑟𝑒𝑞 =. 𝑃𝑢 ∅ ∗ 𝐹𝑦. 0.411 = 0.0127𝑝𝑢𝑙𝑔2 0.9 ∗ 36. El perfil que cumple con las condiciones requeridas es L2X2X1/4.

(62) 62 Tabla 3. Características geométricas del perfil L2X2X1/4.. Fuente: (AISC, American Institute Costruction , 2015,p.1-48). Tabla 4. Características del perfil L2X2X1/4 cont.. Fuente: (AISC, American Institute Costruction , 2015,p.1-49). De la tabla anterior se aprecia el área de sección transversal. 𝐴𝑔 = 0.944𝑝𝑢𝑙𝑔2 𝐴𝑔 > 𝐴𝑟𝑒𝑞.

(63) 63. 𝜎=. 𝐹 𝐴. 𝐹 =𝜎∗𝐴 Aplicando equivalencias en la nomenclatura, la carga nominal es: 𝑃𝑛 = 𝐹𝑦 ∗ 𝐴 El material utilizado es acero estructural A36, la propiedad se muestra en la siguiente tabla: Tabla 5. Propiedades del acero A36.. Fuente: (Csernak & McCormac, 2013,p.23) Pn = 36 ∗ 0.944 = 33.984klb El método LRFD establece el factor de carga de ϕ=0.9..

(64) 64 ∅𝑃𝑛 = 0.9 ∗ 33.984 = 30.586𝑘𝑙𝑏 ∅𝑃𝑛 > 𝑃𝑢 30.586klb>0.411klb Considerando el efecto de esfuerzos residuales y generación de energía:. 𝑈 = 1−. 𝑥̅ 𝐿. Tabla 6. Factor de reducción por retraso cortante.. Fuente: (Csernak & McCormac, 2013,p.77). Tomando una longitud de soldadura de 1.5pulg.. 𝑈 = 1−. 0.586 = 0.414 1. 𝑈 = 0.609 El área neta es igual al área total de la sección ya que no tiene agujeros. 𝐴𝑛 = 𝐴𝑔 El área neta efectiva es Ae: 𝐴𝑒 = 𝑈 ∗ 𝐴𝑛.

(65) 65 𝐴𝑒 = 0.414 ∗ 0.944 = 0.391𝑝𝑢𝑙𝑔2 La carga nominal considerando los esfuerzos residuales es: 𝑃𝑛 = 𝐹𝑢 ∗ 𝐴𝑒 𝑃𝑛 = 58 ∗ 0. = 22.678𝑘𝑙𝑏 El método LRFD establece el valor del factor de carga igual a 0.75. ∅𝑃𝑛 = 0.75 ∗ 22.678 = 𝑘𝑙𝑏 ∅𝑃𝑛 > 𝑃𝑢 17.009klb>0.411klb. Figura 36. Datos completos del elemento 92 por factores de carga y resistencia. Fuente: Elaboración propia..

(66) 66 Realizando la prueba por flexión:. 𝜎=. 𝑀∗𝑐 𝐼. 𝐼 =𝑆 𝑐 𝜎=. 𝑀 𝑆. 𝑀 =𝜎∗𝑆 𝑀𝑝 = 𝐹𝑦 ∗ 𝑍 𝑀𝑝 = 36 ∗ 0.44 𝑀𝑝 = 15.84𝑘𝑙𝑏 ∙ 𝑝𝑢𝑙𝑔 El método LRFD establece el valor del factor de carga de 0.9: ∅ = 0.9 ∅𝑀𝑝 = 0.9 ∗ 15.84 = 14.256𝑘𝑙𝑏 ∙ 𝑝𝑢𝑙𝑔 ∅𝑀𝑝 > 𝑀𝑚𝑎𝑥 14.256𝑘𝑙𝑏 ∙ 𝑝𝑢𝑙𝑔 > 5.919𝑘𝑙𝑏 ∙ 𝑝𝑢𝑙𝑔 El factor de seguridad es:. 𝐹𝑠 =. ∅𝑀𝑝 14.256 = = 2.41 𝑀𝑚𝑎𝑥 5.919. Como el factor de seguridad es mayor que la unidad entonces el diseño es aceptable. Haciendo la prueba por fuerza cortante: La fuerza cortante de diseño de acuerdo con el programa SAP 2000 es:.