UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE
CLASIFICACIÓN Y APILAMIENTO DE TUBERÍA DE SECCIÓN
CIRCULAR Y RECTANGULAR DE LA FORMADORA ZERO DE
LA EMPRESA KUBIEC – CONDUIT DE QUITO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
ANDRÉS SEBASTIÁN YANDÚN CALLES
DIRECTOR: ING. ALEXY VINUEZA LOZADA. MSc.
camino para culminar exitosamente mi carrera universitaria, por poner sabiduría en mí alcanzar este objetivo tan importante.
Segundo a mis padres por brindarme su apoyo incondicional en todo momento a lo largo de mi vida, por su cariño y paciencia que me han tenido, que me han permitido seguir adelante ante cualquier adversidad.
A mis hermanos Francisco y Juan Carlos que han sido un ejemplo y un apoyo en lo laboral y en la elaboración de esta tesis, por los buenos y malos momentos compartidos y por los consejos brindados.
Al Ing. Alex Vinueza que con paciencia, responsabilidad y profesionalismo subo tutorar mi tesis, por su tiempo y compartir su conocimiento.
A mi amor Carla, por creer en mí y estar conmigo durante el desarrollo de la tesis en los momentos más críticos, por esas madrugadas juntos haciendo la tesis, por lo momentos de alegría, brindarme su amor, ser mi amiga y compañera.
A mis compañeros Diego y Christian por ser de ayuda en los momentos de duda, por los ratos de alegría y trabajos elaborados, y en especial a Gaby que estuvo desde el primer y hasta último momento, por los concejos y ayuda brindada.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... ix
ABSTRACT ... x
1. INTRODUCCIÓN 2. MARCO TEÓRICO 2.1 APILAMIENTO ... 3
2.1.1 TIPO DE APILAMIENTO ... 3
2.2 SITUACIÓN ACTUAL EN EL PROCESO DE FABRICACIÓN ... 4
2.3 TUBERÍA ... 7
2.4 AUTOMATIZACIÓN INDUTRIAL ... 7
2.5 INDUSTRIA METALMECÁNICA Y FABRICACIÓN DE TUBERÍA ... 8
2.6 COMPONENTES DEL SISTEMA ... 9
2.6.1 CILINDROS ... 9
2.6.2 MOTORES ... 11
2.6.3 BANDAS TRANSPORTADORAS ... 13
2.6.4 SENSORES ... 13
2.6.5 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC’s) ... 14
2.7 INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN ... 15
2.7.1 SIMULACIÓN PARA EL PROCESO DE PRODUCCIÓN ... 16
2.7.2 SISTEMA MECÁNICO ... 17
2.7.3 SIMULACIÓN SISTEMA DE CONTROL ... 17
3. METODOLOGÍA 3.1 METODOLOGÍA ... 18
3.2 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ... 19
3.2 RESTRICCIONES ... 20
ii
APROPIADAS PARA EL SISTEMA ... 22
3.3.1 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE TRANSPORTE ... 22
3.3.2 SELECCIÓN DEL ACTUADOR ELÉCTRICO PARA EL MOVIMIENTO DE LA BANDA TRANSPORTADORA ... 23
3.3.3 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE EMPUJE DE CADA TUBO ... 23
3.3.4 SELECCIÓN DEL SISTEMA PARA EL SOPORTE DE LA TUBERÍA ... 24
3.3.5 SELECCIÓN DEL MATERIAL PARA LA ESTRUCTURA ... 25
3.3.5 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE ABRE – CIERRA ... 25
3.3.5 SELECCIÓN DE SENSOR ... 26
3.3.6 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL ... 27
3.3 DISEÑO MECÁNICO ... 28
3.4 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL ... 28
3.5 PROTOCOLO DE PRUEBAS ... 29
3.6 VALIDACÍON DEL DISEÑO EN EL SOFTWARE ... 30
4. DISEÑO 4.1 DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS ... 31
4.1.1 ESTRUCTURA DE EMPUJE ... 31
4.1.2 BANDAS TRANSPORTADORAS ... 39
4.1.2.1 Banda Transportadora Primaria ... 40
4.1.2.2 Selección de rodamientos para la banda transportadora primaria ... 43
4.1.2.3 Banda Transportadora secundaria ... 50
4.1.2.4 Selección de rodamientos para la banda transportadora secundaria ... 53
4.1.3 ESTRUCTURA DEL SISTEMA ABRE – CIERRA ... 59
4.1.3.1 Selección de rodamientos para la estructura abre – cierra ... 64
4.1.3.2 Diseño del eje del sistema abre – cierra ... 66
iii
4.1.4.1 Cilindros de Empuje ... 69
4.1.4.2 Cilindros de recepción y nivelación de la tubería ... 72
4.1.4.3 Cilindros del sistema abre - cierra ... 75
4.2 COMPONENTES ELECTRÓNICOS Y DE CONTROL ... 78
4.2.1 SENSOR FOTOELÉCTRICO ... 78
4.2.2 PLC SIEMENS ... 79
4.3 SIMULACIÓN ... 79
4.3.1 PROGRAMACIÓN DEL PLC ... 88
4.3.2 CIRCUITO NEUMÁTICO ... 92
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS 5.1 MEJORAS DENTRO DEL SISTEMA ... 94
5.2 SECUENCIAS DE FUNCIONAMIENTO ... 97
5.3 COMPARACIÓN MANUAL vs. SISTEMA AUTOMÁTICO ... 98
6. IMPACTO AMBIENTAL 6.1 REVISIÓN AMBIENTAL INICIAL ... 102
6.2 INFORMACIÓN Y ESTUDIO AMBIENTAL DEL PROYECTO... 103
7. ANÁLISIS DE COSTOS 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES ... 110
RECOMENDACIONES ... 111
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Apilamiento ... 4
Figura 2. Proceso de Fabricación ... 5
Figura 3. Proceso de soldadura de alta frecuencia ... 5
Figura 4. Cuello de botella ... 6
Figura 5. Fabricación de tubos ... 8
Figura 6. Cilindro de simple efecto ... 9
Figura 7. Cilindro de doble efecto ... 10
Figura 8. Motor eléctrico ... 11
Figura 9. Esquema de las conexiones delta - estrella ... 12
Figura 10. Sensor pasivo y activo ... 14
Figura 11. Estructura del PLC ... 14
Figura 12. Metodología en V ... 18
Figura 13. Componentes del sistema automático ... 21
Figura 14. Estructura del sistema abre –cierra ... 26
Figura 15. Proceso de Pruebas ... 29
Figura 16. Colocación del centro de masa ... 31
Figura 17. Diagrama de fuerzas de la estructura de empuje ... 32
Figura 18. Diagramas de Esfuerzo y Momentos de la estructura de empuje ... 33
Figura 19. Identificar las bandas transportadoras dentro de la simulación ... 40
Figura 20. Banda Transportadora primaria ... 40
Figura 21. Rodillo tambor 1 ... 41
Figura 22. Diagrama de fuerzas en el rodillo primario ... 44
Figura 23. Fuerzas de torque en el rodillo primario ... 45
Figura 24. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, y) rodillo primario ... 46
Figura 25. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, z) rodillo secundario ... 47
v
Figura 27. Rodillo tambor 2 ... 51
Figura 28. Diagrama de fuerzas en el rodillo secundario ... 54
Figura 29. Fuerzas de torque en el rodillo secundario ... 55
Figura 30. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, y) rodillo secundario ... 56
Figura 31. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, z) rodillo secundario ... 57
Figura 32. Diagrama de fuerzas del sistema abre - cierra ... 59
Figura 33. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, y) tramo E-G ... 60
Figura 34. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, y) tramo G-I ... 61
Figura 35. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, z) tramo E-G ... 62
Figura 36. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, z) tramo G-I ... 63
Figura 37. Identificar los cilindros dentro de la simulación ... 69
Figura 38. Cilindro de empuje ... 70
Figura 39. Cilindros de recepción y nivelación. ... 73
Figura 40. Cilindros del sistema abre – cierra ... 75
Figura 41. Sensor Fotoeléctrico ... 78
Figura 42. PLC S7 - 1200 ... 79
Figura 43. Representación del sistema en CAD. ... 79
Figura 44. Diseño de la estructura en CAD ... 80
Figura 45. Navegador de restricciones. ... 81
Figura 46. Navegador de Ensamble ... 81
Figura 47. Navegador de Física ... 82
Figura 48. Editor de secuencia ... 83
Figura 49. Superficie de transporte para la simulación ... 83
Figura 50. Dirección del desplazamiento para cada cilindro ... 84
Figura 51. Coeficientes de fricción ... 84
vi
Figura 53. Sensor de colisiones ... 85
Figura 54. Transporte tubería... 86
Figura 55. Acumulación de tubería ... 86
Figura 56. Apilar e Igualar tubería. ... 87
Figura 57. Acceso sistema abre – cierra ... 87
Figura 58. Transporte paquete de tubería ... 88
Figura 59. Programa para la simulación eléctrica, neumática y mecánica ... 89
Figura 60. Programa para la simulación eléctrica, neumática y mecánica ... 90
Figura 61. Circuito neumático (a) ... 92
Figura 62. Circuito neumático (b) ... 93
Figura 63. Articulación del sistema abre - cierra ... 94
Figura 64. Estructura de recepción ... 95
Figura 65. Brazo del sistema abre - cierra ... 95
Figura 66. Estructura de soporte bandas transportadoras secundarias ... 95
Figura 67. Placa de empuje ... 96
Figura 68. Placa de igualar ... 96
Figura 69. Estructura soporte del cilindro de igualar ... 96
Figura 70. Chumacera del sistema abre - cierra ... 97
Figura 71. Estructura para igualamiento de tubería ... 97
Figura 72. Tubería acumulada ... 99
Figura 73. Disminución en el tiempo de producción ... 100
Figura 74. Etapas del Impacto ambiental ... 102
vii
ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1. Productos fabricados en la formadora zero ... 7
Tabla 2. Selección de mecanismo de transporte ... 22
Tabla 3. Selección del actuador eléctrico para la banda transportadora. ... 23
Tabla 4. Selección del mecanismo de empuje ... 24
Tabla 5. Selección del sistema de soporte de tubería ... 24
Tabla 6. Selección del material para la estructura ... 25
Tabla 7. Selección sistema abre - cierra ... 26
Tabla 8. Selección de sensor ... 27
Tabla 9. Selección sistema de control ... 27
Tabla 10. Tiempos con el sistema manual ... 99
Tabla 11. Tiempos en la simulación con el sistema automático ... 100
Tabla 12. Uso de operarios ... 101
Tabla 13. Resultados de la simulación ... 101
Tabla 14. Matriz de interacción causa - efecto ... 104
Tabla 15. Matriz de la calificación de las variables ... 105
Tabla 16. Matriz del cálculo de la magnitud de los impactos ... 106
Tabla 17. Matriz del cálculo de la importancia de los impactos ... 107
Tabla 18. Matriz de cálculo de la severidad de los impactos. ... 108
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
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ANEXO 1. TIPO DE PRODUCCIÓN DE TUBERÍA ... 115
ANEXO 2. FUERZAS TEÓRICAS EN CILINDROS DE DOBLE EFECTO ... 119
ANEXO 3. ESTRUCTURA EXISTENTE ... 120
ANEXO 4. ESTRUCTURA CILINDROS EMPUJE ... 120
ANEXO 5. CATÁLOGO DE MOTORES SIEMENS ... 121
ANEXO 6. RECOMENDACIONES VIDA DE RODAMIENTOS ... 121
ANEXO 7. FACTORES DE APLICACIÓN DE CARGA ... 122
ANEXO 8. EXPERIENCIA DE DOS FABRICANTES ... 122
ANEXO 9. DIMENSIONES Y CLASIFICACIONES DE CARGA PARA RODAMIENTOS DE BOLA ... 122
ANEXO 10. HOJA TÉCNICA DEL SENSOR FOTOELÉCTRICO ... 123
ANEXO 11. DATOS TÉCNICOS DEL PLC ... 124
ANEXO 12. SISTEMA ABRE – CIERRA DE LA EMPRESA ... 125
ANEXO 13. TOMA DE TIEMPOS DEL SISTEMA MANUAL ... 125
ANEXO 14. TOMA DE TIEMPOS EN LA SIMULACIÓN DEL SISTEMA AUTOMÁTICO ... 125
ANEXO 15. RESISTENCIA A LA FATIGA EN FUNCIÓN DE LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN ... 126
ANEXO 16. FACTOR DE TAMAÑO ... 126
ANEXO 17. FACTOR DE CONFIABILIDAD ... 126
ANEXO 18. POLÍTICA MEDIO AMBIENTAL ... 127
ix
RESUMEN
x
ABSTRACT
1 Kubiec – Conduit es una empresa privada con experiencia en la fabricación y comercialización de productos de acero, cuenta con una alta participación en el mercado nacional e internacional por su calidad y disponibilidad de productos (GFSistemas, 2016).
Hoy en día la empresa Kubiec – Conduit tiene una tasa de producción de 600 toneladas de tubos mensuales en la formadora zero, obteniendo perdidas en el tiempo de producción debidas principalmente al cambio de matricería y al tiempo que toma transportar y apilar cada tubo debido a que es manualmente, es decir, se implementa 2 operadores, esto es causante de estancamientos en la máquina o un producto defectuoso. Por esta razón es necesario realizar el proceso de mejora que ayudará a reducir tiempos de producción y aumentar la calidad del producto, orientándose en el diseño y respaldando el estudio con una simulación del procedimiento que está involucrado en la obtención de la tubería el cual es importante por la alta demanda que tienen estos productos.
Los tubos son elementos de sección circular, rectangular o cuadrada huecas, abiertas en ambos extremos, fabricada de distintos tipos de aceros, tienen distintas aplicaciones como: transporte de líquidos, columnas (estructuras y cerramientos), conducción de cables eléctricos, uso decorativo, tubos de escape, tubos de pasamanos.
2 Los objetivos del proyecto tanto general como específicos se presentan a continuación:
o Diseñar y simular un sistema automático de clasificación y apilamiento de tubería en la empresa KUBIEC – CONDUIT.
o Establecer las funciones principales y secundarias que intervienen en el proceso de producción.
o Diseñar las modificaciones que se efectuarán en la máquina formadora zero, seleccionar los materiales, equipos y procesos que permitan cumplir con los requisitos determinados.
o Simular el funcionamiento del modelo virtual y su sistema de control, para la validación de resultados.
o Analizar la factibilidad del proyecto de acuerdo a las especificaciones y necesidades de la empresa.
3 Es importante presentar una introducción a los principales elementos que se implementaran en el desarrollo de la tesis y en que consiste el proceso de producción para facilitar el entendimiento.
El proyecto se orienta en mejorar el funcionamiento de la máquina formadora zero para hacer la producción más efectiva y eficiente.
Para que el proceso sea mejorado en primer lugar se debe tener claro ciertos términos que se van implementar a lo largo de la tesis, así también componentes que son importantes conocer sus características y funcionamiento:
2.1 APILAMIENTO
o Se refiere a acumular un tubo sobre el otro hasta formar una pila o montón, esto se debe realizar cuidadosamente, para evitar posibles deslizamientos y daños en el material como en el personal.
o Los tubos no se deben apilar a mucha altura.
o El apilado de la tubería es en una estructura metálica para evitar que se resbalen.
2.1.1 TIPO DE APILAMIENTO
Dentro de este proceso de producción el apilamiento consiste en dejar caer dentro de dos caballetes una cierta cantidad de tubos (atado o paquete), dependiendo de la sección de la tubería que se esté fabricando también depende el número de tubos y la forma del atado, después se procede a enzuncharlos.
El enzunchamiento es poner un zuncho metálico alrededor del atado o paquete de tubos y por medio de una pistola metálica (zunchadora) graparlos facilitando así su almacenamiento en la bodega y transporte (GFSistemas, 2016).
4 pocas ocasiones se apilan de acuerdo a necesidades del cliente bajo consentimiento del mismo y del jefe de producción, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Apilamiento
2.2 SITUACIÓN ACTUAL EN EL PROCESO DE
FABRICACIÓN
5 En las órdenes de producción se específica la materia prima, el espesor, el ancho, tipo de tubo y toneladas a cortarse. Con esta información las bobinas de acero son desenrolladas y pasadas a un proceso de corte mediante cuchillas y transformadas en flejes que son etiquetados de acuerdo a sus dimensiones como se muestra en la Figura 2. Este proceso permite la uniformidad de la materia prima y produce desperdicio, el cual, es almacenado para posteriormente ser vendido como chatarra (GFSistemas, 2016).
Figura 2. Proceso de Fabricación
En el proceso de formado el fleje pasa por una matriz de rodillos que conforman el tubo y por medio del proceso de soldadura de alta frecuencia son unidos. La soldadura de alta frecuencia es un sistema de energía de alta frecuencia que utiliza la energía de un campo electromagnético de tal forma que produce calor en el interior de los materiales y al aplicar presión sobre las superficies a soldar se unen entre sí como se muestra en la Figura 3 (Nallen, 2008). En la formadora zero se implementan los flejes de acero tipo HRC (Hot
Rolled Coils) bobinas laminadas en caliente, CRC (Cold Rolled Coils) bobinas
laminadas en frío y GIC (Galvanized In Cold) Galvanizado en frío. Dependiendo del requerimiento del pedido se realiza el corte de la tubería longitudinalmente para proceder almacenarlo en la bodega de tubería.
Figura 3. Proceso de soldadura de alta frecuencia
6 KUBIEC – CONDUIT es una empresa que ha logrado posicionarse en la industria del acero como fabricante y exportador de materiales en acero inoxidable utilizados para la industria de la construcción. Siempre se encuentra en constante innovación tecnológica para mantener altos estándares de calidad en los productos y satisfacer las necesidades de los clientes (GFSistemas, 2016).
Entre los tantos productos que se fabrican en esta empresa se encuentran las tuberías en acero inoxidable que son ampliamente utilizados en la construcción, industria de vehículos, transporte, maquinaria, metalurgia, etc. El proceso de fabricación de la tubería no presenta ningún inconveniente, el problema se genera el momento de descargar el tubo de la mesa hacia el área de apilamiento, retrasando el proceso. La velocidad ideal de la máquina es de 60 [m/min] y la nominal es de 31 [m/min], por lo cual es factible mejorar la salida de la tubería de manera automática y de esta manera permitir que el proceso se efectúe al 100% de su capacidad.
En la Figura 4 se indica un promedio en la capacidad de cada estación de trabajo para el proceso en metros/minuto, estos datos son tomados en base a especificaciones técnicas de la máquina, permiten identificar el cuello de botella dentro de la formadora zero. La estación de SAF (Soldadura de Alta Frecuencia) constituye formado y soldadura (Huilca & Almeida, 2012).
Figura 4. Cuello de botella
7 100x100x6 [mm]. Es por esto que todas sus estaciones operan a 30 [m/min], o en algunos casos operan a 50 [m/min], pero después de cierto período de tiempo detienen la máquina mientras descargan y apilan la tubería, retrasando la producción (Niebel, 2009).
2.3 TUBERÍA
Son varias las utilidades que tienen los tubos fabricados en la formadora zero, como se observa en la Tabla 1 y se presentan en el Anexo 1 con su respectiva descripción y/o especificación de acuerdo a la norma de producción de tubería.
Tabla 1. Productos fabricados en la formadora zero
PRODUCTOS UTILIDADES
ERMC-S Conducción de cables eléctricos, a prueba de explosión.
EMT Y EIMC-S Conducción de cables eléctricos.
FUJI ISO 65 Conducción de cables eléctricos.
FUJI ASTM A53 Conducción de fluidos.
FujinoxHidro Conducción de agua.
Fujinox Premium Tubos de escape, y decorativo.
Marino Fujinox Tubos para muebles y en pasamanos.
Inoxidable En la industria petrolera y alimenticia.
Tubos mueble Estructuras.
Tubos poste Estructuras y cerramientos.
2.4 AUTOMATIZACIÓN INDUTRIAL
8 con los procesos y la calidad de los productos. (Tapia Molina & Rodríguez Rivera, 2006).
2.5 INDUSTRIA METALMECÁNICA Y FABRICACIÓN DE
TUBERÍA
La industria metalmecánica brinda varios artículos metálicos que son manipulados mecánicamente mediante máquinas eléctricas. Estos artículos tienen distintas aplicaciones en campos eléctricos, de la construcción, etc. Entre sus tantas actividades de producción se encuentra la fabricación de tubería (Zapata, 2014).
La fabricación de tubería se la hace mediante maquinaria importada de alta tecnología que está compuesta de embobinadoras y desembobinadoras horizontales y verticales, máquinas de suelda, máquina de formado compuesta por rodillos, máquinas de corte formada por cuchillas y cizallas, puestas en marcha secuencialmente por operarios como se observa en la Figura 5.
9
2.6 COMPONENTES DEL SISTEMA
Los elementos presentados con sus características y propiedades son los que se implementan más comúnmente en la automatización industrial de acuerdo a las necesidades del sistema automático.
2.6.1 CILINDROS
Son actuadores neumáticos de acción lineal, que transforma la energía del aire comprimido en un trabajo mecánico que crea un movimiento de avance y retroceso de un mecanismo (Serrano, 2009).
Son actuadores capaces de generar una fuerza o una energía mecánica a partir de líquidos o gases. Estos cilindros son muy utilizados en aparatos mecatrónicos, se activan y/o controlan mediante una electroválvula (dispositivo mecánico que conduce o restringe el paso de aire comprimido hacia los actuadores). Los más comunes son los cilindros de simple y doble efecto, donde el rendimiento de los cilindros R varían de acuerdo al diámetro del cilindro. Para D = 40[mm]; R = 0,85 y D > 40[mm]; R = 0,95. Las ecuaciones para el accionar de los cilindros se expresa en términos de fuerzas (ecuaciones 1, 2 y 3) (Serrano, 2009).
Cilindros de simple efecto: Para el avance se aplica aire comprimido por una sola cámara, para el retorno el aire es expulsado y el vástago regresa a su posición inicial por medio de un muelle de retroceso, como se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Cilindro de simple efecto
10 Para cilindros de simple efecto con retorno por muelle, la fuerza efectiva de trabajo o de avance será:
𝐹𝑎 =𝜋
4 𝐷
2∗ 𝑝 ∗ 𝑅 − 𝐹𝑚 [1]
Donde:
Fa: Fuerza del cilindro en [N] o en [kgf]
D: Diámetro del cilindro en [cm]
p: Presión del aire en [Bar] o [kgf/cm2] R: Rendimiento del cilindro
Fm: Fuerza de resorte en [N] o [kgf]
Cilindros de doble efecto: Tanto para el avance como para el retorno a su posición inicial se aplica aire comprimido. El aire comprimido actúa individualmente en ambas cámaras, para que una de las cámaras este alimentada y por la otra escape facilitando así el desplazamiento en cualquiera de las dos direcciones del vástago, como se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Cilindro de doble efecto
(Guerrero, 2013)
Para cilindros de doble efecto, la fuerza efectiva de trabajo o de avance y fuerza de retroceso será:
𝐹𝑎 = 𝜋
4𝐷
2∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [2]
𝐹𝑟 = 𝜋
4(𝐷
2− 𝑑2) ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [3]
Donde:
Fr: Fuerza de retroceso
11 Para obtener la fuerza real es preciso revisar el Anexo 2 donde se muestran las fuerzas teóricas en [daN] de avance y retroceso para presiones entre 2 y 8 [bar] en cilindros de doble efecto y multiplicarla por el rendimiento como se indica en las ecuaciones 4 y 5 (Serrano, 2009):
𝐹𝑟𝑎 = 𝐹𝑎 ∗ 𝑅 [4]
𝐹𝑟𝑟 = 𝐹𝑟 ∗ 𝑅 [5]
Los cilindros se seleccionan en base a la carrera necesaria de recorrido, la fuerza que va a desplazar o empujar y la presión de aire dentro de la línea de la empresa.
2.6.2 MOTORES
Son actuadores eléctricos que se encargan de dar movimiento a los ejes. Por medio de un control estos motores pueden girar en ambos sentidos y aumentar o disminuir su velocidad. “Son máquinas eléctricas que transforman en energía mecánica. La energía eléctrica que absorben por sus bornes”. Los movimientos de estos actuadores deben soportar grandes inercias y las fuerzas que se producen por el movimiento como se muestra en la Figura 8 (Alciatore & Histand, 2007).
Figura 8. Motor eléctrico
12 Los motores eléctricos basan su funcionamiento en las fuerzas que se generan de atracción y repulsión dentro de un campo magnético formado por una bobina y un imán, por donde circula una corriente eléctrica Un motor eléctrico está compuesto fundamentalmente de dos componentes: El estator ubicado en la parte fija (imán) y el rotor que es la parte giratoria como se observa en la Figura 8 (García, 2010).
El motor se selecciona de acuerdo a los requerimientos de torque, la potencia y la velocidad angular que permita el transporte de la tubería.
Los motores trifásicos son los más frecuentes en aplicaciones industriales debido a su gran eficiencia. Su funcionamiento se basa en los mismos principios antes mencionados, es decir, el campo magnético giratorio crea una corriente alterna trifásica. Llamado trifásico debido a que en el estator se encuentran tres bobinados en triángulo o en estrella como se presenta en la Figura 9. El principio de arranque de estos motores consiste en arrancar en estrella (Y), después de alcanzada su máxima velocidad pasa a delta (∆) mediante contactores, el tiempo de transición Y-∆ es importante controlar mediante temporizadores para obtener la velocidad de régimen deseada y evitar un cortocircuito o desaceleraciones en los motores (Duche, 2015).
Figura 9. Esquema de las conexiones delta - estrella
(Aguete, 2011)
13
2.6.3 BANDAS TRANSPORTADORAS
Son elementos complementarios de los proceso de producción y de las instalaciones. Su finalidad es recibir un producto de forma continua y transportarlo o trasladarlo a otro lugar. Es un sistema que funciona solo, es decir, no necesita de ninguna persona para que manipule su funcionamiento, no requiere de mucho mantenimiento ni ocasiona problemas mecánicos. La selección del tipo de banda depende mucho del diseño en base a las fuerzas longitudinales a las que va estar sometido, del peso, del tipo de material que se va transportar y de los impactos del material sobre la banda (García, 2010).
2.6.4 SENSORES
La implementación de sensores dentro de la automatización industrial y de procesos es indispensable, ya que permite tener un control en tiempo real de las máquinas y su funcionamiento, para procesarlo lo que permite activar procesos, actuadores y generar órdenes.
Para seleccionar los sensores que intervienen dentro del sistema automático se debe tener en cuenta la distancia de trabajo, la precisión y velocidad de respuesta, el entorno que son capaces de trabajar, el sistema de control y depende también de la aplicación que se le va a dar.
Constan varios tipos de sensores, dependiendo de la función en la industria y de la exactitud, sensibilidad, error, preciso y estabilidad. Los sensores son dispositivos electrónicos que permiten interactuar con el entorno tecnológico, que reaccionan a información que reciben (Areny, 2003).
14
Figura 10. Sensor pasivo y activo
(Serna Ruiz, Ros García, & Rico Noguera, 2010).
2.6.5 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC’s)
Los controladores lógicos programables son dispositivos electrónicos digitales que se implementan para el control y monitoreo de procesos industriales y maquinaria. Posee una memoria programable que permite guardar las instrucciones y/o el programa diseñado para llevar a cabo las operaciones lógicas. (Bravo, 2012).
Los PLC’s fueron diseñados para emplearlos en condiciones industriales con espacio reducido, cuando el proceso de producción cambia periódicamente, soportan cambios de temperatura, humedad, vibraciones, ruido, incluso hasta golpes y se usan en trabajos de automatización. El lenguaje de programación es fácil de aprender, entender y ejecutar. La conexión de los dispositivos de entradas y salidas son fácilmente identificables para las conexiones de los mismos. Un controlador lógico programable está compuesto como se ilustra en la Figura 11: (Quizhpi & Zea, 2013).
Figura 11. Estructura del PLC
15
CPU: Es la unidad central de procesos, se encarga de procesar la información entre los dispositivos de entradas y salidas, controla las operaciones dentro del PLC. Ejecuta el programa diseñado y permite almacenar los datos del proceso.
Fuente de Alimentación: Convierte los 110V o 220V corriente alterna a 24V corriente continua, está es suministrada a la unidad central y a los módulos conectados.
Módulos de entradas y salidas: Controlan el sistema de automatización. Las entradas reciben la información y son enviadas al CPU para ser procesadas dependiendo de la programación. En las salidas la información procesada por el CPU activan o desactivan los actuadores como son; motores, bobinas de contactores, motores y varios dispositivos del proceso.
Interface de comunicación: Permite transferir y modificar los programas del CPU a una unidad de programación, como por ejemplo una PC, con el fin de adquirir información del funcionamiento del proceso y verificar la programación.
Memoria: Usa una memoria ROM y RAM, una para almacenar la información del sistema operativo de forma permanente y la otra para guardar el programa diseñado por el usuario.
El PLC se selecciona tomando en cuenta el número de entradas y salidas tanto analógicas como digitales, la capacidad de programa y memoria, el software para la programación del plc, el costo y el uso en la industria.
Los PLC’s usan cinco lenguajes de programación: LD (Ladder Diagram), IL
(Instruction List), ST (Structure Text), SFC (Sequencial Function Chart), y FBD
(Function Block Diagram).
2.7 INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN
16 accidentes de la máquina. La simulación ahorra tiempo y reduce costos, y se puede seguir trabajando paso a paso en la simulación hasta obtener el comportamiento requerido, permitiendo identificar defectos para cambiarlos con el fin de mejorar el equipo. El mayor desafío de implementar la simulación en este proceso es asegurarse que la producción sea constante en cada etapa (Herbert, 2014).
En la simulación es posible usar varios programas, que permiten analizar la factibilidad de realizar un proyecto dentro de una compañía, mediante los métodos de simulación es más fácil concebir y entender profundamente el funcionamiento de un sistema sin provocar interrupciones en las operaciones de la empresa.
Mediante un ordenador que resista el software se efectúa la comunicación entre el operario y el sistema, permite generar, transferir, verificar y modificar programas, realizar ensayos de simulación y obtener información del funcionamiento del proceso, tiene como fin identificar posibles cambios y/o mejoras en el proceso (Salas, 2014).
Para usar la simulación a los procesos, es necesario seleccionar una o varias herramientas informáticas o programas que ayuden a evaluar el proceso de producción, sistema mecánico y el sistema de control:
2.7.1 SIMULACIÓN PARA EL PROCESO DE PRODUCCIÓN
Para evaluar este proceso es preciso aplicar una herramienta CAPP (Planificación de Procesos Asistida por Computador) que se utiliza para simular, planear, experimentar y rediseñar sistemas sin perturbar su funcionamiento actual, analizar el problema y tomar la mejor decisión es necesario para obtener los resultados estimados.
17
2.7.2 SISTEMA MECÁNICO
El software CAD (Diseño Asistido por Computador) usado para el modelado de la parte mecánica, estos programas permiten modelar piezas, que son transcendentales el momento de ser combinadas en ensamblajes y mediante variaciones en sus parámetros extraer la información necesaria para comprobar su funcionalidad.
Facilita realizar prototipos digitales y simular máquinas con animaciones de los ensamblajes mecánicos incluso antes de crear el prototipo. Con la animación de ensamblajes se podrá comprobar el movimiento del mecanismo y examinar los componentes en movimiento para mejorar el diseño. Consta de simuladores de esfuerzos para diseño de elementos mecánicos (Ramírez & Vallejo, 2010).
2.7.3 SIMULACIÓN SISTEMA DE CONTROL
El software de programación para control se ejecuta en lenguaje LD (Ladder
Diagram), puede utilizarse para esquematizar un sistema de control. Facilita
18 Los métodos a implementarse para el diseño y la simulación de la máquina formadora zero son analizados en base a los requerimientos necesarios. Para que los resultados que se obtengan cumpla con los lineamientos establecidos y alcanzar los objetivos de este proyecto.
3.1 METODOLOGÍA
Se usó la metodología en V para describir el procedimiento del diseño y la simulación que permite definir los materiales. Como se muestra en la Figura 12.
Figura 12. Metodología en V
(Gausemeier & Moehringer, 2004)
La metodología para sistemas mecatrónicos en cada caso puede ser distinto pero manejando el mismo esquema, en este caso por ser un proyecto de diseño y simulación pero sin construcción se implementó la metodología que se presenta en la Figura 12, la cual cumple de mejor manera con los pasos a seguir y las comprobaciones respectivas del sistema automático.
19 bibliográfica en libros y artículos científicos que cubren una cierta expectativa. En la parte izquierda de la V se presentan las especificaciones del proyecto que son necesarias cumplir para ser aceptado, en la parte derecha se realizan las pruebas necesarias para demostrar cada una de las especificaciones citadas en el lado izquierdo.
3.2 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
Se examinará todos los distintos requerimientos que intervienen en el sistema automático y se tiene una idea clara de lo que desea el cliente o usuario y la manera en que se va a exhibir la solución que está inquiriendo.
El punto de inicio está en especificar los requisitos y posteriormente evaluarlos para entender el comportamiento del sistema.
Requerimientos Funcionales: Se enfoca en los requerimientos que debe tener el sistema, ajustándose a las necesidades de manufactura y del cliente Como son:
o Producir a una velocidad de 1000 [mm/seg].
o Produzca 600 Toneladas o más, mensuales.
o Un sistema que junto con los actuadores y sensores relacionados entre sí cumplan con la función principal que es apilar tubería.
Requerimientos de materiales: Se ajusta a las condiciones ambientales y de trabajo a las que van estar expuestos. Y se enlistan a continuación:
o Sean anticorrosivos e inoxidables.
o Durable.
o Soporte los esfuerzos a los que va ser sometido. Y al ser una fábrica de producción de tubería, se pueda usar productos que ahí se realizan e implementar producto de segunda.
20
o No sobrepase las dimensiones de acuerdo al espacio disponible.
o Permita adaptarse al resto del proceso de funcionamiento de la máquina.
o Fácil de adaptar la estructura con los distintos actuadores involucrados en el sistema automático.
Requerimientos de control: Debe satisfacer las necesidades para controlar el proceso de descarga y apilamiento de tubería que son:
o Sea un sistema automático en gran porcentaje.
o Se pueda controlar cada funcionamiento de los actuadores.
3.2 RESTRICCIONES
Aquí se exhiben las condiciones limitadoras específicas del proyecto. Se presenta la especificación de restricciones en el diseño preliminar.
Se enumeran las condiciones limitadoras del proyecto asociadas con los aspectos que se presentan a continuación, y de acuerdo presentar opciones para tomar la que mejor se acople a las restricciones y requerimientos. El éxito del proyecto depende de la complementación dentro de las restricciones establecidas, que son:
o La calidad
o El presupuesto
o Espacios disponibles, dimensiones exteriores
o Tecnología y disponibilidad de materiales
o Conocimiento
o Disponibilidad de recursos
o Los términos y requerimientos del sistema
o Cronograma (tiempo)
o Limitaciones de costo
o Los riesgos
21 Debe apilar tubería que, en el caso más crítico pesa 644.175 [Kg]. Dicho transporte y apilado debe ser realizado a una velocidad 60 [m/min].
Existen restricciones físicas que se presentan debido al espacio disponible para ensamblar (si fuera el caso) y operar el sistema automático, por lo cual, las dimensiones deben ser adaptadas de acuerdo a dicho espacio con el fin de facilitar su operación.
3.5 MATERIALES
En la Figura 13 se muestran los materiales y componentes que se necesitan para formar el sistema automático en el apilamiento de tubería en la formadora zero.
En su mayoría los componentes son simulados como un sistema para determinar si las opciones presentadas son la mejor elección.
Los componentes mecánicos son importantes debido que realizan la acción dinámica programada previamente y satisfaga con las funciones que demande el sistema sin presentar fallas.
Los componentes eléctricos y de control cumplen la función de transmitir la información a los componentes mecánicos para que realicen su función dentro del sistema.
Figura 13. Componentes del sistema automático • Tubería estructural • Cilindros neumáticos • Bandas Transportadoras
Componenetes
Mecánicos
• Sensores (magnéticos, fotoeléctricos y ópticos) • Pulsadores
• Motores AC • PLC
Componentes
eléctricos y de
22
3.3 ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE LAS ALTERNATIVAS
APROPIADAS PARA EL SISTEMA
Las diferentes alternativas deben ser analizadas y evaluadas en función de los factores y criterios presentados en los requerimientos y restricciones, se basan en los mecanismos que utilizan las distintas máquinas industriales. Para cada parte del sistema se presentan dos o tres opciones requeridas para cumplir con los requerimientos del mismo y se selecciona la mejor opción en base a las propiedades y la calificación que se le da a cada una de esas propiedades.
Se implementó dos tipos de ponderaciones, la primera es del 1-10, siendo 1 para la propiedad menos importante y 10 para la más importante, y la segunda ponderación es del 1-5, siendo 5 para la alternativa más apropiada y 1 para la menos apropiada.
3.3.1 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE TRANSPORTE
Para la selección del sistema de transporte de la tubería se presentó tres posibles alternativas; las que más frecuentemente se usan para el transporte de distintos materiales. Los criterios analizados se presentan en la Tabla 2.
Tabla 2. Selección de mecanismo de transporte
Transporte Tubería Propiedades Importancia Banda
Transportadora Cadenas Rodillos
Durabilidad 8 3 4 2
Soporte condiciones ambientales y de
trabajo 9 4 5 3
Dimensiones óptimas 10 5 3 2
Forma 5 4 2 3
Fácil instalación 6 5 4 3
Costo 7 4 2 3
23 Con los resultados de la calificación elaborados en las tres alternativas se dispuso trabajar con una banda transportadora, ya que obtuvo la más alta valoración, la cual fue evaluada junto con el ingeniero de la planta en base a catálogos de maquinaria y otras máquinas existentes dentro de la empresa.
3.3.2 SELECCIÓN DEL ACTUADOR ELÉCTRICO PARA EL MOVIMIENTO DE LA BANDA TRANSPORTADORA
Para el movimiento de la banda transportadora se analiza tres posibles alternativas de acuerdo a la ponderación establecida. Se presentan las opciones que más se implementan en las bandas transportadoras, como se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3. Selección del actuador eléctrico para la banda transportadora.
Movimiento Banda Transportadora
Propiedades Importancia Motor DC Motor AC Motor paso a paso
Velocidad Requerida 8 3 5 2
Torque del motor 7 2 4 3
Dimensiones óptimas 9 5 4 3
Tiempo de vida 5 3 5 4
Sistema de control 10 3 5 4
Fácil instalación 7 5 4 3
Costo 6 5 3 4
26 30 23
De acuerdo a la ponderación de la Tabla 3 se decidió utilizar el motor AC porque tuvo la mayor calificación, y esto demuestra que es uno de los sistemas más usados en las máquinas industriales para obtener la velocidad y torque requeridos para mover grandes objetos.
3.3.3 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE EMPUJE DE CADA TUBO
24
Tabla 4. Selección del mecanismo de empuje
Empuje de cada tubo Propiedades Importancia
Cilindro de doble efecto
Cilindro de simple efecto
Facilidad de montaje 6 5 4
Control de avance y retroceso 10 5 3
Dimensiones óptimas 7 3 4
Durabilidad 9 5 3
Costo 8 3 5
21 19
El estudio de las alternativas en la Tabla 4 refleja que el de mayor puntaje es el cilindro de doble efecto, por su facilidad de control de avance y retroceso que es importante manejarlo para el empuje de cada tubo. Este mecanismo se aprecia mejor en las Figuras 38 y 39 del Capítulo 4.
3.3.4 SELECCIÓN DEL SISTEMA PARA EL SOPORTE DE LA TUBERÍA
Para la selección del sistema de soporte de tubería se analiza dos alternativas, que fueron tomadas de los sistemas que más comúnmente usan en las máquinas y procesos industriales. Se presentan de acuerdo a los distintos criterios que se califican en la Tabla 5.
Tabla 5. Selección del sistema de soporte de tubería
Soporte paquete de tubería Propiedades Importancia Poleas
Cilindro de doble efecto
Facilidad de ensamble 5 4 5
Necesidad de estructura 8 2 3
Control de avance y
retroceso 10 4 3
Dimensiones adecuadas 6 2 4
Durabilidad 9 4 3
Costo 7 3 5
19 23
25
3.3.5 SELECCIÓN DEL MATERIAL PARA LA ESTRUCTURA
Los materiales analizados se enfocan de acuerdo a sus propiedades físicas y mecánicas, el material de la estructura tiene que satisfacer todas las especificaciones presentadas en los criterios presentados en la Tabla 6. El material escogido para la estructura influye mucho en el sistema debido a que en él se montan todos los elementos.
Con los resultados de la calificación de las tres alternativas se dispuso trabajar con materiales en acero inoxidable, ya que obtuvo la más alta valoración y las altas propiedades físicas y mecánicas que presta.
Tabla 6. Selección del material para la estructura
Estructura
Propiedades Importancia Aluminio Acero Inoxidable Metal
Dimensiones 5 2 4 3
Forma 9 3 5 4
Durabilidad 8 2 5 4
Esfuerzos 10 2 4 3
Facilidad de ensamble 7 3 5 4
Costo 6 4 2 3
16 25 21
3.3.5 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE ABRE – CIERRA
Este sistema es el que permite que los tubos apilados pasen hacia la parte de enzunchado, es un movimiento circular y debe girar en sentido anti horario, el sistema se muestra en la Figura 14. Y los factores de evaluación se presentan la Tabla 7.
26
Figura 14. Estructura del sistema abre –cierra Tabla 7. Selección sistema abre - cierra
Sistema abre - cierra
Propiedades Importancia Servomotor
Cilindro de doble
efecto
Tiempo de vida 5 4 5
Facilidad de acoplamiento 8 2 3
Control de funcionamiento 10 4 3
Dimensiones óptimas 6 2 4
Facilidad de ensamble 9 4 3
Costo 7 3 5
19 23
3.3.5 SELECCIÓN DE SENSOR
La tubería va a bajar por las bandas transportadoras primarias hacia la estructura de empuje, donde los cilindros son los que los empujan de uno en uno hasta juntar los tres tubos, es aquí donde se usará el sensor de proximidad para que cada vez que baje un tubo active el cilindro que empuje cada uno de ellos y enviarlos hacia la parte de apilado.
27
Tabla 8. Selección de sensor
Sensores de proximidad Propiedades Importancia Detectores
Fotoeléctricos
Detectores Inductivos
Detectores capacitivos Distancia de
trabajo 6 5 4 3
Contaje de piezas 9 4 3 5
Precisión y
velocidad 10 5 4 3
Condiciones de
entorno 7 5 4 3
Vida Útil 5 5 3 4
Costo 8 3 5 4
27 23 22
3.3.6 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL
Sistema que determina el funcionamiento de todo el proceso, es una de las partes más importantes, ya que el sistema de control es el que recibe y transmite los datos, actúa junto con todos los dispositivos para alcanzar el control y el flujo de la tubería. Debe ser eficiente, fácil de implementar y garantizar la acción de control que puede ser por un PLC o un microcontrolador como se muestra en la Tabla 9.
La opción considerada es el PLC como se observa en la Tabla 9, aunque es difícil comparar el PLC con el microcontrolador, debido a que un PLC es un microcontrolador más robusto, está característica es la que hace preferir el PLC sobre el microcontrolador porque se implementará en una máquina industrial.
Tabla 9. Selección sistema de control
Sistema de control
Propiedades Importancia PLC Microcontrolador
Conexión 7 3 4
Uso en la Industria 6 5 3
Conocimiento del
sistema 5 4 3
Velocidad de respuesta 9 4 5
Fiabilidad 10 4 3
Costo 8 4 5
28
3.3 DISEÑO MECÁNICO
Se demanda diseñar una estructura que junto con los actuadores soporten la interacción que tendrá con el ambiente, el peso de la tubería y con los movimientos que estos produzcan, asegurando un mecanismo estable y confiable durante su funcionamiento. Como se observa en la simulación los componentes mecánicos y la estructura brindan un soporte rígido en base al material elegido y disponible, de acuerdo a su peso y durabilidad.
La estructura está en función de los actuadores que son los que realizan el desplazamiento y transporte de la tubería, tener en cuenta las distancias de recorrido de los cilindros, para hacer un acoplamiento final entre los distintos componentes, y realizar pruebas en el software que permite una visión clara del proceso y así identificar cualquier defecto para realizar los cambios respectivos.
La parte de diseño mecánico se hace en la herramienta CAD, que es ideal para esto porque se puede usar distintos materiales y realizar cálculos, cambiar partes si fuese necesario. En esta parte mecánica se refiere al cálculo de esfuerzos, medidas de la estructura y diseño de distancias. Con los requerimientos e información obtenida de la máquina se estudia el diseño de las bandas transportadoras, los cilindros, la estructura.
Se analiza el sistema de transmisión por banda, la velocidad necesaria para el movimiento de la banda que está en función de la velocidad de las revoluciones y potencia del motor a usar, que en la mayoría de industrias son motores AC trifásicos.
3.4 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL
Para el sistema de control se precisa diseñar o realizar un programa en Ladder
29 Esta etapa se realiza por medio del software de control, el que permitirá realizar pruebas y cargar el programa al PLC si así se lo requiere. Así mismo se implementa la herramienta CAPP, que permite tener una idea clara al momento de automatizar un proceso industrial y los cambios que sean necesarios implementar antes de implementarlos. En el diseño electrónico y de control se determina correctamente las entradas y salidas que intervienen en la estructura de la programación, se define cada función que tienen los sensores y los actuadores para que mediante el software de programación controlar dichos actuadores eléctricos. Esto es necesario para ejecutar las comprobaciones virtuales entre los sensores y actuadores necesarios para la simulación.
3.5 PROTOCOLO DE PRUEBAS
Para la prueba del sistema automático se hizo en base al esquema que se muestra en la Figura 15. Para el desarrollo del diseño se incorporan varias herramientas asistidas por computador, que fortalecen y facilitan las actividades de simulación y prototipo virtual que permiten realizar pruebas que al hacerlas físicamente se perdería mucho tiempo y recursos. Se realizan varias pruebas para seleccionar la opción más óptima que cumpla con los requerimientos ya establecidos.
Figura 15. Proceso de Pruebas
Pruebas Dimensionales y
estructurales (simulación)
Pruebas de Movimientos:
Accionamiento de actuadores en
funcíon de los sensores (simulación)
Pruebas en el simulador de la
máquina totalmente
30 Una vez que se definen los lineamientos para el sistema automático se lo simula en el software y se realiza varias pruebas en dicho programa que compruebe su funcionamiento, en estas pruebas se verifican: Las dimensiones, velocidad de avance, pruebas de funcionamiento con carga, soporte de la estructura, funcionamiento de actuadores, funcionamiento ordenado y en conjunto, capacidad de transporte.
3.6 VALIDACÍON DEL DISEÑO EN EL SOFTWARE
31
4.1 DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS
Se identificará y calculará todas las propiedades y características técnicas que se pretenden implementar en la parte mecánica, los trabajos realizados en esta parte son las que serán llevados a las técnicas de modelado y simulación en CAD y CAPP, permiten realizar ensayos y tener las alternativas correctas para el diseño. El resultado de esta etapa muestra cómo se unen las distintas piezas y elementos con las dimensiones y formas para formar la estructura y el sistema.
Un dato que es necesario presentar debido a que se usa a lo largo del diseño mecánico es el peso del tubo de sección rectangular; que es de 71.575 [Kg] que mide 6 [m] de largo, y el paquete de tubos que contiene nueve tubos es de 644.175 [Kg].
4.1.1 ESTRUCTURA DE EMPUJE
La simulación del sistema automático se hizo en base a los requerimientos de la máquina, se realizó los cálculos de las partes nuevas, debido a que lo demás ya se encuentra construido como se muestra en el Anexo 3. La estructura va ser la que soporte la tubería para ser empujados hacía los cilindros e irlos apilando de tres en tres, para entender de mejor manera observar Anexo 4. De acuerdo a la sección de la estructura cuadrada como se muestra en la Figura 16 se calcula la Inercía, lo que sirve para el cálculo del esfuerzo máximo y determinar si es menor al esfuerzo permisible.
32
𝐼 =
𝐿𝑒4−𝐿𝑖412
[6]
Donde:
I: Inercia [𝑚4]
Le: Longitud exterior [m]
Li: Longitud interior [m]
c: Centro de masa [m]
𝐼 =(0.04)
4− (0.036)4
12 𝐼 = 7.333𝑥10−8 𝑚4
𝑐 = 0.02 𝑚
En la Figura 17 se muestra el diagrama de fuerzas que ejercen dentro de la estructura.
Figura 17. Diagrama de fuerzas de la estructura de empuje
Al aplicar la sumatoria de momentos y sumatoria de fuerzas se halla las reacciones en cada uno de los soportes, para la sumatoria de momentos a lo largo del diseño se considera al sentido anti-horario como positivo al igual que la sumatoria de fuerzas en el eje Y como positivo.
Σ𝑀𝑅1= 0
−210.43(0.15) + 𝑅2(1.1389) = 0
1.1389𝑅2 = 31.564 𝑅2 =
33
𝑅2 = 27.715 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
𝑅1− 210.43 + 𝑅2 = 0 𝑅1 = −27.715 + 210.43
𝑅1 = 182.715 𝑁
En la Figura 18 se muestra las reacciones previamente calculadas.
Figura 18. Diagramas de Esfuerzo y Momentos de la estructura de empuje
Para saber si la viga va resistir la fuerza aplicada se debe determinar el esfuerzo máximo para compararlo con el permisible, donde de la Figura 18 se toma el momento máximo para poder hallar dicho esfuerzo máximo.
𝜎
𝑚𝑎𝑥=
𝑀∗𝑐𝐼
[7]
Donde:
M: Momento máximo [Nm]
𝜎
𝑚𝑎𝑥: Esfuerzo máximo en [MPa]I: Inercia [𝑚4]
34
𝜎𝑚𝑎𝑥 =
23.80 ∗ 0.02 7.336𝑥10−8
𝜎𝑚𝑎𝑥 = 6.493𝑥106 𝑃𝑎
𝜎𝑚𝑎𝑥 = 6.493 𝑀𝑃𝑎
Para verificar que la viga soporta el peso al que va estar sometido se usan las ecuaciones 8 y 9, Sy es la resistencia a la fluencia del acero ASTM A36:
𝜎
𝑝𝑒𝑟𝑚=
𝑆𝑦𝑁
[8]
Donde:
𝑆𝑦: Resistencia de fluencia del material [MPa]
𝜎
𝑝𝑒𝑟𝑚: Esfuerzo permisible [MPa]N: Factor de diseño adimensional de 2.5
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 =
250 2.5 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚= 100𝑀𝑃𝑎
𝜎
𝑚𝑎𝑥< 𝜎
𝑝𝑒𝑟𝑚[9]
6.493 𝑀𝑃𝑎 < 100𝑀𝑃𝑎
De estos cálculos se puede decir que la estructura de sección rectangular soportará el peso de la tubería a la que va estar sometido.
En base a las Figuras 16 y 17 se realiza la verificación de las columnas laterales para saber si soportan las cargas a las que van estar sometidas, la columna de sección cuadrada y sección redonda tienen una longitud de 519.5 [mm].
Para la columna de sección cuadrada:
𝐴⊡ = 𝐴𝑒𝑥𝑡− 𝐴𝑖𝑛𝑡 [10]
Donde:
𝐴⊡: Área del cuadrado hueco [𝑚2]
35
𝐴𝑖𝑛𝑡: Área interior [m]
𝐴⊡ = (0.04)2− (0.036)2
𝐴⊡ = 3.04𝑥10−4 𝑚2
La Inercia es de 7.333𝑥10−8 [𝑚4], que se toma de la ecuación 6. El área y la inercia permiten calcular el radio de giro que es indispensable para cálculos posteriores.
𝑟 = √
𝐼𝐴 [11]
Donde:
r: Radio de giro [m] I: Inercia [𝑚4] A: Área [𝑚2]
𝑟 = √7.333𝑥10
−8
3.04𝑥10−4
𝑟 = 0.0155 𝑚 𝑟 = 15.53𝑥10−3 𝑚
Con el radio de giro obtenido se determina la relación de esbeltez para compararla con la constante de columna y saber que formula aplicar dependiendo si es columna larga o columna corta:
𝑅𝐸 =
𝐾𝐿𝑟 [12]
Donde:
RE: Relación de esbeltez, adimensional K: constante que depende del extremo fijo. L: Longitud real de la columna [m]
36
𝑅𝐸 =0.65(0.519) (0.0155) 𝑅𝐸 = 21.76
𝐶
𝑐= √
2𝜋2𝐸𝑆𝑦 [13]
Donde:
Cc: Constante de columna, adimensional E: Módulo de elasticidad [207GPa]
𝑆𝑦: Resistencia de fluencia del material [207MPa]
El módulo de elasticidad y la resistencia de fluencia son propiedades de los aceros, tomados de libros de diseño mecánico y son:
𝐶𝑐 = √2𝜋
2(207𝑥109)
207𝑥106
𝐶𝑐 = 140.496
Con la ecuación 14 se determina si es columna larga o corta y dependiendo de eso se implementa en la ecuación 15.
𝑅𝐸 > 𝐶𝐶 [14]
21.76 > 140.496
Se observa que RE NO es mayor a Cc, entonces se aplica la ecuación 15 y se continúa el análisis como columna corta.
𝑃
𝑒𝑟= 𝐴 ∗ 𝑆𝑦 [1 −
𝑆𝑦(𝐾𝐿/𝑟)24𝜋2𝐸
]
[15]
Donde:
𝑃𝑒𝑟: Carga crítica de pandeo [kN]
𝑃𝑒𝑟 = 3.04𝑥10−4(207𝑥106) [1 −207𝑥106(0.65 ∗ 0.519/0.0155)2
4𝜋2(207𝑥109) ]
37
𝑃𝑒𝑟= 62.17 𝑘𝑁
Se determina la carga admisible para garantizar que la carga aplicada sea segura y menor que la carga crítica de pandeo:
𝑃
𝑎=
𝑃𝑒𝑟𝑁 [16]
Donde:
𝑃𝑎: Carga admisible [kN]
𝑃𝑎 =
62.17 2.5 𝑃𝑎 = 24.87 𝑘𝑁
La carga real aplicada es el peso total de tres tubos, es decir, 2104.305 [N]. Entonces:
𝑃 < 𝑃𝑎 [17]
Donde:
𝑃: Carga real aplicada [kN]
2.1𝑘𝑁 ≪ 24.87𝑘𝑁
Con estos cálculos se verifica que la columna de sección rectangular soportará carga al que va estar sometido por la tubería.
Con las ecuaciones 12, 13, 14, 15, 16 y 17 se realiza el cálculo para la columna de sección redonda hueca, del cual se sabe que tiene un diámetro de 88.9 [mm] y un espesor de 5 [mm].
𝐴
𝜊=
𝜋(𝐷2−𝑑2)4 [18]
Donde:
𝐴𝜊: Área del tubo circular hueco [𝑚2] D: Diámetro exterior [m]
38
𝐴𝜊= 𝜋(0.088
2− 0.08392)
4 𝐴𝜊= 5.33𝑥10−4 𝑚2
𝑟 = √𝐷
2+
𝑑24 [19]
𝑟 = √0.0882+0.08399 2
4 𝑟 = 0.097 𝑚
Con el radio de giro obtenido se determina la relación de esbeltez para compararla con la constante de columna y saber que formula aplicar dependiendo si es columna larga o columna corta como se realizó anteriormente para la sección rectangular:
𝑅𝐸 =
𝐾𝐿𝑟 [12]
La columna por estar fija en sus columnas, es decir, empotrado – empotrado K=0.65:
𝑅𝐸 =0.65(0.519) (0.097) 𝑅𝐸 = 3.477
𝐶
𝑐= √
2𝜋2𝐸
𝑆𝑦 [13]
𝐶𝑐 = √2𝜋
2(207𝑥109)
207𝑥106
𝐶𝑐 = 140.496
Con la ecuación 14 se determina si es columna larga o corta y dependiendo de eso se implementa en la ecuación 15.
39
3.477 > 140.496
Se observa que RE NO es mayor a Cc, entonces se aplica la ecuación 15 y se continúa el análisis como columna corta.
𝑃
𝑒𝑟= 𝐴 ∗ 𝑆𝑦 [1 −
𝑆𝑦(𝐾𝐿/𝑟)24𝜋2𝐸
]
[15]
𝑃𝑒𝑟 = 35.53𝑥10−4(207𝑥106) [1 −
207𝑥106(0.65 ∗ 0.519/0.097)2
4𝜋2(207𝑥109) ]
𝑃𝑒𝑟 = 114435.94𝑁 𝑃𝑒𝑟= 114.43 𝑘𝑁
Se determina la carga admisible para garantizar que la carga aplicada sea segura y menor que la carga crítica de pandeo:
𝑃
𝑎=
𝑃𝑒𝑟𝑁 [16]
𝑃𝑎 = 114.43 2.5 𝑃𝑎 = 45.77 𝑘𝑁
La carga real aplicada es el peso total de tres tubos, es decir, 2104.305 [N]. Entonces:
𝑃 < 𝑃𝑎 [17]
2.1𝑘𝑁 ≪ 45.77 𝑘𝑁
Con estos cálculos se verifica que la columna de sección circular soportará carga al que va estar sometido por la tubería.
4.1.2 BANDAS TRANSPORTADORAS
40
Figura 19. Identificar las bandas transportadoras dentro de la simulación
4.1.2.1 Banda Transportadora Primaria
Está marcadas dentro un cuadrado negro en la Figura 20 y se aprecia de mejor manera en la Figura 21. Estas bandas transportadoras cumplen con la función de transportar el tubo rectangular, cuentan con un pulsador debido a que solo se usa para la tubería de sección rectangular, para la redonda no es necesario activarla porque al ser de sección redonda rueda por esta superficie de la banda transportadora.
Figura 20. Banda Transportadora primaria
41
Figura 21. Rodillo tambor 1
𝑉𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎𝑠 = 1000 𝑚𝑚 𝑠𝑒𝑔⁄ = 1 𝑚 𝑠𝑒𝑔⁄
𝐷𝑅𝑜𝑑. 𝑇𝑎𝑚. = 44𝑚𝑚 = 0.044𝑚 Con el diámetro se determina la velocidad del motor:
𝑤 =
𝑉𝑟 [20]
Donde:
W: velocidad del motor en [rad/seg] V: Velocidad de avance en [m/seg] r: radio del rodio tambor [m]
𝑤 = 1
0.022
𝑤 = 45.49 𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔⁄ = 434.4 𝑅𝑃𝑀
Por consiguiente para que la banda avance 1 [m] se necesita dar 434.4 [RPM] La potencia eléctrica necesaria para desplazar 71.575 [kg] que corresponden al peso de cada tubo y al dividir para las 3 bandas se obtiene 23.86 [kg] que es el peso que va soportar cada banda primaria.
𝑃
𝑁=
𝐹∗𝑉1000∗𝑛 [21]
Donde:
PN: Potencia nominal del motor [KW]
F: Fuerza en [N]
42 n: Rendimiento mecánico
El rendimiento mecánico es la eficiencia de la transmisión de la potencia mecánica a través del mecanismo de transmisión y es igual a 0.9 debido a que es un acoplamiento directo al motor y se considera altamente eficiente. Por lo tanto la fuerza está dada por la ecuación 22:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑔 [22]
Donde:
F: Fuerza en [N]
m: masa en [kg]
g: aceleración [9.81𝑚⁄𝑠𝑒𝑔2]
𝐹 = 23.86𝑘𝑔 ∗ 9.81 𝑚 𝑠𝑒𝑔⁄ 2
𝐹 = 233.83 𝑁
Entonces cambiando las variables en la ecuación 21 resulta:
𝑃𝑁 =233.83𝑁 ∗ 1 𝑚 𝑠𝑒𝑔⁄ 1000 ∗ 0.9 𝑃𝑁 = 0.26 𝐾𝑊 = 260𝑊
El motor requiere una potencia de 260 W y sabiendo que 1hp = 746 W, aplicando la ecuación 23 se obtiene en HP’s:
ℎ𝑝 =
𝑃𝑁746𝑊 [23]
ℎ𝑝 =260𝑊
746𝑊= 0.3485ℎ𝑝
El motor comercial que más se aproxima al valor obtenido es 0.5Hp, se lo puede identificar en el catálogo de motores de siemens del Anexo 5.
43
𝑃 = 𝑤 ∗ 𝑀 [24]
Donde:
P: Potencia del motor en [Watts]
w: velocidad del motor en [rad/seg]
M: Momento o Torque [Nm]
La velocidad ya fue determinada anteriormente, Despejando M y reemplazando se obtiene:
𝑀 =
𝑃𝑤
[25]
𝑀 = 260𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠
45.49 𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔⁄ 𝑀 = 5.71 [𝑁𝑚]
𝑇 =
𝐻𝑃∗716𝑅𝑃𝑀
[26]
Donde:
HP: Potencia del motor en [HP]
RPM: velocidad del motor en [RPM]
T: Momento o Torque [Kgm]
𝑇 =0.3485 ∗ 716 434.4 𝑇 = 0.574 [𝐾𝑔𝑚]
𝑇 = 5.63 [𝑁𝑚]
Como se observa M es casi igual a T, entonces se comprueba que ambos cálculos son correctos para el torque del motor de la banda transportadora.
4.1.2.2 Selección de rodamientos para la banda transportadora primaria
44 determinar la fuerza de tracción concentrada y la fuerza normal concentrada que permiten aplicar la sumatoria de fuerzas y la sumatoria de momentos. Se sabe que la velocidad del rodillo es de 434.4 [rpm], el torque del motor es de 5.71 [Nm], los cojinetes de bola se montarán en A y B, como se ilustra en el diagrama de Fuerzas del cilindro primario en la Figura 22.
Figura 22. Diagrama de fuerzas en el rodillo primario En base al Torque del motor se determina la Fuerza F.
𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝐹 ∗ 𝑟
𝐹 =
𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑟
[27]
𝐹 = 5.71 0.032 𝐹 = 178.437 𝑁
Donde:
F: Fuerza que ejerce el motor [N]
Tmotor: Torque del motor [Nm]
45 La fuerza normal al ser una fuerza distribuida se debe calcular la fuerza concentrada, que se realiza mediante la multiplicación entre la fuerza distribuida por la distancia de superficie de contacto mostrada en la Figura 23.
𝐹𝑁 = 233.812𝑁
𝑚∗ 0.298𝑚 𝐹𝑁 = 69.676 𝑁
Primero se debe determinar la fuerza de tracción, y esto se hace analizando las fuerzas de torque como se observa en la Figura 23.
Figura 23. Fuerzas de torque en el rodillo primario
Σ𝑇 = 0
−𝐹𝑅(0.022) + 𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 0 −0.022𝐹𝑅 = −5.71
𝐹𝑅 =
5.71 0.022 𝐹𝑅 = 259.545 𝑁
Donde:
FR: Fuerza de tracción [N]
FN: Fuerza normal [N]
En esta parte se analizan las reacciones en cada uno de los planos, aplicando sumatoria de momentos y sumatoria de fuerzas.
Plano (x, y)
46
−𝐹𝑁(0.169) + 𝐵𝑦(0.338) = 0
0.338𝐵𝑦 = 69.676(0.169)
𝐵𝑦 =
11.775 0.338 𝐵𝑦 = 34.838 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
𝐴𝑦− 𝐹𝑁+ 𝐵𝑦 = 0 𝐴𝑦 = 𝐹𝑁− 𝐵𝑦 𝐴𝑦 = 69.676 − 34.838
𝐴𝑦 = 34.838 𝑁
En el diagrama de esfuerzos de la Figura 24 se observa que las reacciones en A y en B determinadas anteriormente son correctas, está es una comprobación que se realiza en el plano (x, y) para continuar con los cálculos siguientes.
Figura 24. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, y) rodillo primario Plano (x, z)
Σ𝑀𝐴 = 0