UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA NEUMÁTICO
PARA SERVICIO EN UN VEHÍCULO LIVIANO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
LUIS ANTONIO RÍOS AGUIRRE
DIRECTOR: ING. CARLOS ROSALES
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1714259643
APELLIDO Y NOMBRES: Ríos Aguirre Luis Antonio
DIRECCIÓN: Av. De la Prensa entre Unión y
Progreso y Domingo Segura
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 022591238
TELÉFONO MOVIL: 0984320217
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
Diseño e implementación de un sistema neumático para servicio en un vehículo
liviano
AUTOR O AUTORES: Ríos Aguirre Luis Antonio
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
20 de noviembre del 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
MS.c. Carlos Rosales
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN:
Este proyecto se basó en el diseño e implementación de un sistema neumático en un vehículo liviano para lo cual se calculó la presión necesaria que necesita el sistema neumático para elevar un vehículo de hasta 1700 kg, obteniendo como resultado que es necesario un compresor con una presión mínima de 74,40 PSI o 5 bar, valores por debajo de la presión estándar de un compresor 90 PSI o 6 bar. Para el propósito de este proyecto se concluyó que el compresor debe tener una potencia mínima de ¾ de HP, y un depósito de 2.97 el sistema será comandado por una aplicación para Smartphone, mediante una programación en plataforma Arduino, las mismas que hacen que
abran y cierren cada una de las electroválvulas dando así un control inalámbrico. La presión máxima a la que llega todo el sistema es de 100 PSI y mínima de 70 PSI, haciendo que el compresor se encienda y se apague mediante un presostato, según el trabajo que se realice. El tanque pulmón escogido es un tanque con características similares a los de GLP, con un acero ASTM A36, brinda un factor de seguridad de 4.24 suficiente para este proyecto. Mediante nomogramas se determinó que el diámetro de tuberías a ser utilizado es de 16 mm y en teoría no existen pérdidas, se concluyó que es debido a que en el sistema no existen largas distancias como máximo en todo el sistema existen 22 metros, esto sumado las distancias suplementarias.
PALABRAS CLAVES: Sistema Neumático, presión, válvulas, compresor, depósito, actuador.
KEYWORDS Pneumatic system, pressure, valves, compressor, tank, actuator.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, RÍOS AGUIRRE LUIS ANTONIO, CI 1714259643 autor del proyecto titulado: Diseño e implementación de un sistema neumático para servicio en un vehículo liviano previo a la obtención del título de
INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial. 1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las
Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
DECLARACIÓN
Yo RÍOS AGUIRRE LUIS ANTONIO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
CERTIFICACIÓN
DEDICATORIA
Este triunfo se lo dedico primero a mi madre Patricia, quien han sido la motivación de mi vida y siempre ha estado ahí para mí, dándome el ánimo y el aliento para seguir adelante y no desmayar en este largo y difícil camino. A mi padre Luis, que, a más de financiarme todos mis estudios superiores, me ha enseñado como enfrentarme a la vida, demostrándome que con ética, valores, sacrificio y perseverancia es posible alcanzar el tan anhelado éxito. A mis hermanas Alexandra y Amparo, porque ellas han sido un pilar fundamental en mi vida, ya que por en ellas tengo un gran ejemplo sobre profesionalismo y porque siempre me han cuidado y han estado pendientes de mi bienestar.
AGRADECIMIENTOS
Agradecer infinitamente a Dios ya que él me ha demostrado el camino para alcanzar el éxito, por darme la motivación para salir adelante y sobre todo por todas las bendiciones que recibí durante mi carrera universitaria.
A mis padres que desde un principio creyeron en mí, me han ayudado y han sido una gran motivación, a mi madre que con todo su amor me inspiraba a dar lo mejor de mí cada día, a mi padre que con sus lecciones de vida me muestra el camino a seguir, dándome cada día consejos para así alcanzar el éxito profesional, a mis hermanas, cuñado y sobrinos ya que de una u otra manera han estado conmigo apoyándome en esta etapa de mi vida.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
2. METODOLOGÍA 7
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 11
3.1. SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES 11
3.2. CÁLCULO DEL CAUDAL DEL ACTUADOR 11
3.3. CÁLCULO VOLUMEN DEL TANQUE 13
3.4. CÁLCULO DE RESISTENCIA DEL TANQUE PULMÓN 15 3.5. CÁLCULO DEL CAUDAL DEL ACTUADOR Y DEL TANQUE 21
3.6. INSTALACIÓN ELÉCTRICA DEL COMPRESOR 24
3.7. CÁLCULO DE PERDIDAS DE PRESIÓN EN EL CIRCUITO 25
3.8. CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITO NEUMÁTICO 31
3.8.1. ANCLAJE DEL TANQUE Y COMPRESOR 31
3.8.2. INSTALACIÓN ELÉCTRICA 31
3.8.3. INSTALACIÓN DEL SISTEMA NEUMÁTICO 32
3.8.4. AUTOMATIZACIÓN DEL PROYECTO 34
3.8.5.RESULTADOS DE LA APLICACIÓN APP INVENTOR 2………...37 3.8.6.PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA 38
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 39
4.1. CONCLUSIONES 39
4.2. RECOMENDACIONES 40
5. BIBLIOGRAFÍA 41
ii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Propiedades Mecánicas Acero A36 ... 16
Tabla 2. Tabla de resistencia y precio de los tanques ... 20
Tabla 3. Tabla de características de los tanques ... 20
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Compresor de aire ... 13
Figura 2. Cilindro de pared delgada ... 16
Figura 3. Diagrama Eléctrico del compresor ... 25
Figura 4. Nomograma diámetro de tubería ... 26
Figura 5. Nomograma diámetro de tubería ... 27
Figura 6. Nomograma longitudes supletorias ... 28
Figura 7. Nomograma de longitudes supletorias. ... 29
Figura 8. Nomograma diámetro de tubería ... 30
Figura 9. Anclaje al vehículo ... 31
Figura 10. Conexión desde la batería ... 31
Figura 11. Fusible de 80 A ... 32
Figura 12. Tubería utilizada a la entrada ... 32
Figura 13. Válvula de apertura y cierre ... 33
Figura 14. Filtro regulador de presión ... 33
Figura 15. Electroválvula 5/3 ... 33
Figura 16. Electroválvula 4/2 ... 34
Figura 17. Placa Arduino con módulo Bluetooth ... 34
Figura 18. Conexión Placa Arduino con bloque de relés. ... 35
Figura 19. Desarrollo de la aplicación en App inventor 2 ... 35
Figura 20. Desarrollo de bloques de programación App inventor 2... 36
Figura 21. Ascenso fuelle………..38
Figura 22. Descenso fuelle………38
iv
ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1. Programación Arduino ... 43
Anexo 2. Especificaciones Electroválvulas 5/3 y 4/2 ... 45
Anexo 3. Manual de operación del compresor marca ARB ... 48
Anexo 4. Especificaciones válvula reguladora de presión ... 55
Anexo 5. Circuito neumático electroválvula 5/3 cerrada 57
Anexo 6. Circuito neumático electroválvula 5/3 abierta 58
Anexo 7. Circuito neumático electroválvula 5/3 en descarga 59
Anexo 8. Circuito neumático electroválvula 3/2 cerrada………. 60
1
RESUMEN
Este proyecto se basó en el diseño e implementación de un sistema neumático en un vehículo liviano para lo cual se calculó la presión necesaria que necesita el sistema neumático para elevar un vehículo de hasta 1700 kg, obteniendo como resultado que es necesario un compresor con una presión mínima de 74,40 PSI o 5 bar, valores por debajo de la presión estándar de un compresor 90 PSI o 6 bar. Para el propósito de este proyecto se concluyó que el compresor debe tener una potencia mínima de ¾ de HP, y un depósito de 2.97 el sistema será comandado por una aplicación para Smartphone, mediante una programación en plataforma Arduino, las mismas que hacen que abran y cierren cada una de las electroválvulas dando así un control inalámbrico. La presión máxima a la que llega todo el sistema es de 100 PSI y mínima de 70 PSI, haciendo que el compresor se encienda y se apague mediante un presostato, según el trabajo a realizarse. El tanque pulmón escogido es un tanque con características similares a los de GLP, con un acero ASTM A36, brinda un factor de seguridad de 4.24 suficiente para este proyecto. Mediante nomogramas se determinó que el diámetro de tuberías a ser utilizado es de 16 mm y en teoría no existen pérdidas, se concluyó que es debido a que en el sistema no existen largas distancias como máximo en todo el sistema existen 22 metros, esto sumado las distancias suplementarias.
2
ABSTRACT
This project was based on the design and implementation of a pneumatic system in a light vehicle for which the necessary pressure that the pneumatic system needs to raise a vehicle of up to 1700 kg was calculated, obtaining as a result a compressor with a pressure is necessary minimum of 74.40 PSI or 5 bars, values below the standard pressure of a compressor 90 PSI or 6 bars. For the purpose of this project it was concluded that the compressor must have a minimum power of ¾ of HP, and a deposit of 2.97 , the system will be commanded by an application for Smartphone, through an Arduino platform programming, the same that make them open and close each of the solenoid valves thus giving a wireless control. The maximum pressure reached by the entire system is 100 PSI and minimum of 70 PSI, causing the compressor to turn on and off with a pressure switch, depending on the work performed. The lung tank chosen is a tank with characteristics like those of LPG, with an ASTM A36 steel, providing a safety factor of 4.24 sufficient for this project. By means of nomograms it was determined that the diameter of pipes to be used is 16 mm and in theory there are no losses, it was concluded that it is since in the system there are no long distances at most throughout the system there are 22 meters, this added to the extra distances.
3
1. INTRODUCCIÓN
En los vehículos por lo general con el tiempo se tiene ciertos tipos de problemas, mientras están en funcionamiento, el más común es el pinchazo o desinflado de los neumáticos, dicho problema compromete la integridad del vehículo, además de esto resulta incómodo resolverlo, sobre todo para aquellas personas que son vulnerables. Ante toda esta realidad se genera una pregunta, ¿Cómo hacer más cómodo la resolución de un problema común como el desinflado o pinchazo de los neumáticos de un vehículo? La solución que se encontró fue implantar un sistema neumático en un vehículo liviano que cuando se genere un problema como el mencionado sea mucho más cómodo y rápida su resolución. Este proyecto se realiza para la comodidad de los conductores de vehículos livianos que día a día corren el riesgo de tener un percance en los neumáticos de sus vehículos ya sea por baches u objetos en la vía. Para ello se pensó que un vehículo liviano tenga implementado un sistema neumático y de esta manera se obtengan los beneficios del aire comprimido.
El objetivo general de proyecto es diseñar e implementar un sistema neumático para servicio en un vehículo liviano. Los objetivos específicos son; el primero, analizar el sistema neumático adecuado y sus posibles aplicaciones en un vehículo liviano. Luego es implementar el sistema neumático en el vehículo liviano. Y, por último, realizar las pruebas de funcionamiento del sistema neumático.
Este proyecto de titulación se realizará en un vehículo liviano, por tal motivo se debe conocer que es un vehículo liviano. Tomando en cuenta como referencia la Norma INEN 2002 se tiene las siguientes definiciones: Vehículo liviano: “Es un automotor tipo automóvil o derivado de éste, diseñado y manufacturado para movilizar hasta 12 personas” (Instituto Ecuatoriano de Normalización, 2002). Vehículo liviano: “Vehículo con un peso menor a 3.5 toneladas, que sirva para el transporte y movilización de personas y de mercancías” (Instituto Ecuatoriano de Normalización, 2002), en la clasificación según la INEN los vehículos livianos se encuentran en la categoría M ya que son: Vehículos automotores de cuatro ruedas o más, que son manufacturados para el transporte de personas (Instituto Ecuatoriano de Normalización, 2002).
En el vehículo liviano se piensa implantar un sistema neumático que por medio de un compresor que genere aire comprimido, para ello se colocarán salidas de aire y válvulas que por medio de la automatización facilitará su utilización cuando el conductor así lo requiera.
4 Cuando se habla de neumática se describe la ciencia que utiliza el aire comprimido como medio de transporte de energía, la energía que se origina en cierta posición luego es trasladada a través de una línea o circuito y aprovechada localmente por actuadores, motores u otros elementos neumáticos, para ejecutar un determinado trabajo (de las Heras, 2007). La neumática incluye un grupo de técnicas para la transición de energía, su control y regulación, tanto para el dominio de las fuerzas como el de movimientos, destinadas al mando de instrumentos mediante el aire comprimido (de las Heras, 2007).
Hoy en día la industria aprovecha una gran cantidad de aplicaciones de aire a presión, debido a su sencillez de aplicaciones y sus bajos precios de montaje, se puede concluir que todo tipo de fábrica tiene una instalación de aire comprimido, entre sus aplicaciones están desde la apertura y cierre de puertas en vehículos, hasta automatizaciones de diversos procesos industriales. Entre las principales aplicaciones están: manipuladoras industriales, máquinas para el taladrado, máquinas de perforación, posicionamiento de piezas, máquinas para el etiquetado, prensas para madera, pistolas de impacto, estampadoras, etiquetados de productos, fijación de piezas, envasadoras, androides industriales, etc. (Poveda, 2007). Entre las ventajas que brinda la neumática son el bajo precio de sus componentes, su sencillez de diseño, e implementación y el bajo par o la fuerza escasa que puede producir a las bajas presiones con las que usualmente trabaja (típico 6 bar), lo que constituye un factor de seguridad. Otras particularidades favorables son el riesgo nulo de explosiones o incendios debido a que el aire no es un gas inflamable, su cambio fácil al movimiento giratorio, así como al lineal, la posibilidad de transmitir energía a grandes distancias, una sencilla construcción y mantenimiento y la economía en las aplicaciones (Creus, 2012).
La utilización del aire comprimido siempre será económico, ya que el aire que se utiliza se consigue tomándolo de la atmósfera, lo que no implica costos, el aire es abundante y no existe riesgo de escases, el medio ambiente también se beneficia de esta tecnología ya que el aire utilizado regresa a la atmósfera por ende no existe contaminación del medio (Poveda, 2007).
Entre las desventajas, está la imposibilidad de alcanzar velocidades estables debido a la compresibilidad del aire, como también las posibles fugas que reducen el rendimiento de los actuadores (Creus, 2012).
5 caudal obligando así al compresor a trabajar por más tiempo incrementando los costos en el uso de energía (Poveda, 2007).
Un sistema neumático está compuesto de una estación de generación y acondicionamiento del aire formada por un compresor de aire, un depósito o reservorio, un sistema de preparación del aire (filtro, lubricador y regulación de presión), una línea de tuberías para llegar al actuador y un conjunto de preparación del aire para cada elemento neumático individual (Creus, 2012). Como se indica todos los sistemas neumáticos trabajan a base de un compresor los mismos que son utilizados en todo tipo de aplicaciones como en la industria textil, automotriz, ganadera, etc. Se conocen dos grandes grupos básicos de compresores que son: los de desplazamiento positivo en los mismos la compresión de aire se obtiene a partir de la reducción del volumen del aire o gas dentro del compresor, el gas o aire se confina en un recipiente, y el volumen que usa se confina mecánicamente, ocasionando un incremento de presión en la descarga. Entre estos se tiene compresores de pistón, paletas, lóbulos y tornillos (Poveda, 2007).
Existen también los compresores tipo dinámicos, en este tipo de compresores el aire es aspirado por un lado y comprimido por la aceleración de la masa de aire o el cambio de energía cinética es decir que al aire o gas se le impone una energía de velocidad a partir del giro a alta velocidad de los impulsores de la máquina y parte de esta energía se transforma en presión, en este tipo de compresores se encuentran los compresores axiales y centrífugos. (Poveda, 2007).
Para el correcto funcionamiento los circuitos neumáticos poseen diversos elementos entre los más importantes están los elementos generadores de energía o compresor, el mismo que brinda toda la presión y caudal necesario al sistema, también se encuentran los elementos de transporte que en neumática son aquellos por los cuales el aire comprimido recorre hasta llegar al actuador, por lo general las tuberías o líneas de trasporte por donde pasa el aire es de cobre ya que este material no es afectado por la oxidación, y por ultimo entre los elementos más importantes de un sistema neumático se encuentran los actuadores y elementos de mando y control. Para el funcionamiento de un sistema neumático los compresores trabajan con el aire que se encuentra en la atmósfera, el aire es un gas formado por moléculas de diferentes gases que se mueven libremente. En la práctica el aire se puede considerar un gas ideal y por este motivo se rige por las leyes generales de estos (de las Heras, 2007).
6 como un gas ideal, la composición volumétrica del aire y su peso molecular medio es M_(aire=) 28,9667 g/mol (de las Heras, 2007).
Para un mejor entendimiento de los procesos tecnológicos que componen la neumática es necesario poseer conocimientos básicos sobre propiedades y fundamentos físicos, cuando se trabaja con sistemas neumáticos es común escuchar términos como presión y caudal.
7
2. METODOLOGÍA
En toda la información recopilada de las fuentes bibliográficas se encontraron los elementos necesarios para la implementación de un sistema neumático, los tipos de elementos que se requieren en el mismo, así también principios físicos que conlleva la realización y diseño del proyecto. Un punto importante a tomar en cuenta en la realización de este proyecto es dimensiones, tipo de compresor que va implementado el sistema neumático, cuáles serán sus funciones, sus características técnicas (presión, caudal, scfm, etc.), que tipo de válvulas, tuberías, etc., serán necesarios para la correcta selección del mismo. Para la selección se tendrá en cuenta cuál será la función final del sistema neumático y que elementos se complementarán y saldrán beneficiados del mismo.
Otro punto importante en la realización e implementación de este proyecto es la selección del vehículo liviano, ya que el mismo debe presentar las características idóneas, sea compatible con el sistema neumático y no presente problemas y mucho menos daños en su infraestructura al momento del montaje del sistema neumático y mucho menos una vez que el sistema entre en funcionamiento con el mismo.
Para el diseño y selección de los elementos que conformarán parte del sistema neumático se realizó una serie de cálculos, los mismos que ayudaron a determinar qué tipo de elementos serán los adecuados para el proyecto. Con estos valores se identificó las características idóneas de dichos elementos.
Para la obtención de la capacidad de presión del compresor se utilizó la siguiente ecuación:
[1] Dónde:
P: Presión [ ⁄ ] F: Fuerza [ ] A: Área [ ]
Posteriormente para obtener el caudal necesario para el funcionamiento del sistema se utilizó las siguientes ecuaciones:
[2] Dónde:
8 v: Volumen [ ]
t: Tiempo [ ]
[3]
Dónde:
V: Volumen [ ]
D: Diámetro del cilindro [m] C: Carrera del cilindro [m]
Para el cálculo de la capacidad del tanque se utilizó la siguiente relación: [4] Dónde:
V1: Volumen inicial [ ] P1: Presión inicial [ ⁄ ] V2: Volumen final [ ] P2: Presión final [ ⁄ ]
Para el cálculo de la presión atmosférica se utilizó la siguiente ecuación. ( ) [5] Dónde:
P (h): Presión a la altura establecida [ ⁄ ] Po: Presión atmosférica [ ⁄ ]
Densidad del aire [ ⁄ ]
9 h: Altura de la ciudad a encontrar la presión [m]
Para el cálculo de los esfuerzos máximos que puede soportar el tanque pulmón se utilizó las siguientes ecuaciones.
[6]
Dónde:
Esfuerzo radial [kPa]
P: Presión interna del cilindro [kPa] r: radio del cilindro [m]
e: espesor [m]
[7]
Dónde:
Esfuerzo longitudinal [kPa] P: Presión interna del cilindro [kPa] r: radio del cilindro [m]
e: espesor [m]
Para el cálculo del esfuerzo máximo total que puede soportar el tanque se utilizó la siguiente ecuación.
√ [8]
Dónde:
: Esfuerzo total máximo [kPa]
: Esfuerzo longitudinal [kPa]
: Esfuerzo radial [kPa]
Para el cálculo del factor de seguridad que tienen los tanques se utilizó la siguiente ecuación.
10 En la implementación del sistema neumático se utilizó diversas herramientas como con el software FluidSIM, además llaves, flexómetros y todo lo relacionado a un sistema neumático como son: compresor, válvulas, mangueras etc.
La implementación de este sistema se realizará en un vehículo liviano, su peso total es aproximadamente 1700 kg, el mismo que cumple con todas las propiedades mecánicas necesarias para soportar el sistema neumático sin que se vea comprometido su estructura.
11
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES
Se conoce teóricamente que en un vehículo la distribución de peso es 50% en la parte delantera y 50% en la parte trasera, el sistema neumático a implementar en este proyecto no está destinado a brindar una presión para que el elevador neumático pueda levantar el peso total del vehículo sino solo uno de sus extremos, con esta consideración se concluyó que el peso total a levantar es de 425 kgf, se recurrió a tablas y especificaciones sobre elevadores neumáticos y se encontró que para levantar esa carga es suficiente y existe un fuelle con un diámetro de 4 pulgadas o de 10.16 cm y una altura de 20 cm, la misma soporta una carga de hasta 471 kgf, encima de lo necesario para el proyecto. Con esta consideración se realiza el siguiente cálculo con la ecuación 1.
Datos:
F: 425 kgf A: 81.07
Obteniendo el siguiente resultado:
( ) x x ( ) = = psi
Esta es la presión que necesita el sistema para elevar el fuelle de 4 pulgadas de diámetro con una fuerza de 425 kgf, cabe destacar que la capacidad estándar a las que trabajan los sistemas neumáticos es de , esto quiere decir que el proyecto es factible ya que la presión necesaria para realizar el trabajo previsto no está por encima de la capacidad estándar a lo que trabajan la mayoría de los sistemas.
3.2. CÁLCULO DEL CAUDAL DEL ACTUADOR
Con este resultado se realiza el cálculo del caudal necesario para el propósito del proyecto.
Para el cálculo del valor del caudal que necesita el fuelle primero se necesita el valor del volumen del mismo para ello se utiliza la ecuación 3.
12 Datos:
V: ? D: 0.1016 C: 0.20 m
Obteniendo el siguiente resultado:
( )
Una vez obtenido el valor del volumen del cilindro se realizó el cálculo del caudal con la ecuación 2.
Dónde:
Q: Caudal v: Volumen t: Tiempo
Obteniendo el siguiente resultado:
( ) =
El resultado obtenido es multiplicado con una constante, que es el factor de compresión “fc” que tiene el valor de 6 este es un número adimensional.
0.35 scfm
Este factor de compresión es un número adimensional utilizado para fines prácticos en lo que se refiere a sistemas neumáticos, se le asignó el número 6 tomando en cuenta que un compresor está trabajando en condiciones ideales, es decir a 20 ˚C y a presión atmosférica aproximadamente 1 bar. Entonces se toma las presiones de entrada y salida y existe una relación de presiones, sabiendo que la presión de salida de un compresor estándar es de 6 bares y la presión atmosférica en condiciones ideales es 1 bar.
13 Haciendo el equivalente de que 1 HP equivale a 4 scfm, se obtiene que para este proyecto se necesitará un compresor de 0.087 HP, pero se tomó en cuenta que el cilindro demore 10 segundos en elevarse completamente se realiza el siguiente cálculo sobre caudal utilizando la ecuación 2.
Datos:
Q: ?
v: t: 10 seg
Obteniendo el siguiente resultado:
( ) = x 6= 2.04 scfm
Con la consideración de que 1 HP se concluye que el compresor a utilizarse deberá tener una potencia de 0.51 HP y que su voltaje sea de 12 V, se seleccionó un compresor marca ARB, como lo muestra la figura 1.
Figura 1. Compresor de aire
3.3. CÁLCULO VOLUMEN DEL TANQUE
Como se necesita un volumen de para llenar el fuelle se realiza el siguiente cálculo:
14 Tomando en cuenta que se necesita un tanque de 0.3435 y que la presión en la boquilla del compresor es 8 Bar, se considera como P1=8 bar y P2=6 bar ya que es la presión de salida o de trabajo del sistema, por lo tanto, se realizó el cálculo con la ecuación 4.
Dónde:
V1: Volumen inicial P1: Presión inicial V2: Volumen final P2: Presión final
( )
Como resultado se obtuvo que para elevar un fuelle de 4 pulgadas de diámetro se necesita un tanque de
Para complemento de este proyecto será factible la utilización de herramientas neumáticas pequeñas, las mismas en promedio necesitan de 21 scfm, se realizó el cálculo del volumen del tanque para este propósito, se utilizó la ecuación 2.
Datos
Q: ⁄
v: ?
15
Con este valor de se realizó el siguiente cálculo utilizando la ecuación 4.
Dónde:
V1: Volumen inicial P1: Presión inicial V2: Volumen final P2: Presión final
( )
Teniendo los dos resultados se obtiene el valor total del tanque a ser utilizado en el proyecto:
El volumen total del cilindro a ser utilizado en el proyecto es de .
3.4. CÁLCULO DE RESISTENCIA DEL TANQUE PULMÓN
16 Es una pared delgada cuando existe una diferencia grande entre el espesor del cilindro y el diámetro y cuando el cociente entre el espesor y el diámetro sea mayor a 10, como se observa en la figura 2.
Figura 2. Cilindro de pared delgada (Hibbeler, 2006)
Los tanques que se analizaron para este proyecto tienen la particularidad de ser de bajo costo y son de acero ASTM A36, el mismo es un acero estructural al carbono, que frecuentemente se usa en construcción de estructuras metálicas. El acero ASTM A36 tiene una densidad de 7850 , el mismo viene en diferentes presentaciones por ejemplo en barra, planchas y perfiles.
Los aceros ASTM A36 con espesores de menos de 8 pulgadas (203.2mm), su límite de fluencia mínimo es de 250 MPa, y un límite de rotura mínimo de 410 MPa. El acero ASTM A36 son fácilmente unidos mediante casi todos los procesos de soldadura que son menos costosos, entre ellos están la Soldadura por arco metálico protegido, soldadura con arco metálico y gas (GMAW), y soldadura oxiacetilénica, y tiene una gran resistencia a las tracciones, así como se observa en la tabla 1.
Tabla 1. Propiedades Mecánicas Acero A36
El compresor por utilizar tendrá una presión máxima de trabajo de 100 psi, se realizó el cálculo de los esfuerzos que soporta el tanque pulmón con todas las posibles opciones que se analizaron y están disponibles en el mercado, se realizó un cálculo de esfuerzo radial y longitudinal, para ellos se utilizaron las ecuaciones 6 y 7.
La presión máxima de trabajo del compresor será 100 psi, este dato se transformó en pascales y se obtuvo que 100 psi = 689476 Pa.
17
Cálculo esfuerzo radial.
Datos:
P= 689476 Pa r= 0.15 m e= 0.004 m
( ) ( )
Cálculo esfuerzo longitudinal
Datos
P= 689476 Pa r= 0.15 m e= 0.004 m
( )
Obtenidos los resultados tanto de esfuerzo radial y longitudinal se realizó el cálculo del esfuerzo total, en el tanque, para el cálculo se utilizó la ecuación 8.
√
√
Por último, se calculó el factor de seguridad que tiene este tipo de tanque, para ello se utilizó la ecuación 9.
18
La bombona de gas tiene un factor de seguridad de 4,24.
Como siguiente opción se analizó utilizar un tanque de extintor, se utilizó las ecuaciones 6,7 y 8.
Cálculo esfuerzo radial
Datos:
P= 689476 Pa r= 0.105 m e= 0.002 m
( ) ( )
Cálculo esfuerzo longitudinal
Datos
P= 689476 Pa r= 0.105 m e= 0.002 m
( )
Cálculo esfuerzo total
√
√
19
El tanque del extintor tiene un factor de seguridad de 4,26.
Como última opción se analizó usa un tanque de un compresor de 120 V.
Cálculo esfuerzo radial
Datos:
Esfuerzo Radial P= 689476 Pa
r= 0.2 m e= 0.003 m
( ) ( )
Cálculo esfuerzo longitudinal
Datos:
P= 689476 Pa r= 0.2 m e= 0.003 m
( )
Cálculo esfuerzo total
20
√
Cálculo factor de seguridad
[9]
El tanque de un compresor de 12 voltios tiene un factor de seguridad de 3,66.
Una vez que se analizó las tres posibles opciones para ser utilizado en el proyecto, se realizó un cuadro comparativo y así elegir la mejor opción, como se observa en la tabla 2 y 3.
Tabla 2. Tabla de resistencia y precio de los tanques
21 Se comparó los diferentes tipos de tanques, para así poder seleccionar uno de ellos para este proyecto se utilizó un visto ( ) que indica que el tanque cumple y una (x) que indica que el tanque no cumple, también se usó una ponderación del 1 al 5 para la columna de facilidad de operación, el cual 1 indica una fácil operación y 5 una compleja operación, como se observa en la tabla 4.
Tabla 4. Tabla comparativa de diferentes tipos de tanque
Con los resultados de la tabla comparativa se llegó a la conclusión que la bombona de gas es ideal para este proyecto.
3.5. CÁLCULO DEL CAUDAL DEL ACTUADOR Y DEL
TANQUE
Este proyecto va a funcionar a una altura de 2850 metros a nivel del mar entonces es necesario hacer los respectivos cálculos para el actuador y el tanque debido a que la presión atmosférica será diferente a esta altura que la presión atmosférica en el nivel del mar y esto influirá en los cálculos entonces para ello se utilizó la ecuación 5.
( )
Datos:
P(h): Presión a la ciudad de Quito : 1 atm
: 101325 Pa
g: debido a que [ ] entonces se despeja la ecuación y se tiene que [ ], entonces se concluye que = .
22 h: 2850 msnm
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
Se concluye que en Quito la presión atmosférica es de 0,71 atm o 10,4 psi. Con esta nueva presión se calculó el factor de compresión “fc”.
El nuevo factor de compresión es de 8,45 con el cual se procedió a realizar los cálculos de caudal y volumen.
Se sabe que el caudal necesario para el actuador es de los mismos serán multiplicados por el nuevo factor de compresión.
= 0.49 scfm
Con la consideración que 1 hp es igual a 4 scfm se concluye que para sumistrar el caudal necesario al actuador se necesita un compresor de 0.122 hp, pero tomado en cuenta que el fuelle demore 10 segundos en elevarse completamente se realiza el siguiente cálculo utilizando la ecuación 2.
Datos:
Q: ?
23 t: 10 seg
Obteniendo el siguiente resultado:
( ) = x 8.45= 2.87 scfm
Se conoce que 1 HP por lo tanto se deduce que el compresor a utilizarse deberá tener una potencia de 0.71 HP y que sea a 12 Voltios.
Para el cálculo del tanque se sabe que se necesita un volumen de
para llenar por completo el fuelle, entonces se realiza el siguiente cálculo:
( ) x 8.45 = 0.60
Se toma en cuenta que se necesita un volumen de 0.60 y que P1=8 bar y P2=6 bar se realizó el cálculo del volumen necesario para el tanque con la ecuación 4. ( )
Como resultado se obtuvo que para elevar un fuelle de 4 pulgadas de diámetro se necesita un tanque de
Para complemento de este proyecto será factible la utilización de herramientas neumáticas pequeñas, las mismas en promedio necesitan de 21 scfm, se realizó el cálculo del volumen del tanque para este propósito, se utilizó la ecuación 2.
24 Q: ⁄
v: ? t: 1 minuto
Con este valor de se realizó el siguiente cálculo utilizando la ecuación 4. ( )
Teniendo los dos resultados se obtiene el valor total del tanque a ser utilizado en el proyecto:
El volumen total del cilindro a ser utilizado para la ciudad de Quito y para una altura de 2850 msnm es de .
3.6. INSTALACIÓN ELÉCTRICA DEL COMPRESOR
25 apenas llegue a los 100 Psi de presión, su diagrama se representa en la figura 3.
Figura 3. Diagrama Eléctrico del compresor (Manual compresor ARB)
3.7. CÁLCULO DE PERDIDAS DE PRESIÓN EN EL CIRCUITO
Se sabe que toda la presión a la salida del sistema no será aprovechada, existen varios factores como el rozamiento del aire con las paredes de la tubería, otros de los factores que inciden para las pérdidas es el estrangulamiento del aire que se origina en las diferentes válvulas de paso, y los diferentes cambios de dirección de flujo. Una red de aire comprimido siempre se deberá dimensionar de tal manera que no exista una pérdida de presión de más de 0.1 bar, los scfm que necesita todo el sistema son de 23,83 este valor transformado a metros cúbicos por hora da un valor de 40.1
26
Figura 4.Nomograma diámetro de tubería (Berrio, 2007)
Se concluyó, que el diámetro de tubería para el sistema es de aproximadamente 16 mm. Con este diámetro de tubería se realizó el cálculo de pérdida de presión, cabe destacar que está perdida es la pérdida real que va a existir en el sistema, se utilizó los siguientes datos y la pérdida se representa en la figura 5.
LT1= 12 m
P= 6 bar
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Figura 5. Nomograma diámetro de tubería (Berrio, 2007)
Luego se realizó el nomograma de diámetro de tubería, se hizo un cálculo con un nomograma de longitudes supletorias y para ello se utilizó los siguientes datos:
Número de codos: 4
Número de válvulas de cierre: 2
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Número de piezas en T: 2
Número de compuertas: 0
Con estos datos se utilizó el nomograma de longitudes supletorias como se observa en las figuras 6 y 7.
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Figura7. Nomograma de longitudes supletorias.
(Berrio, 2007)
Una vez analizados los nomogramas de longitudes supletorias se obtienen los siguientes resultados.
4 codos normales equivales a 0 metros
2 válvulas de cierre equivalen a 3 metros c/u, en total 6 metros
2 T equivales a 1 metro c/u, en total 2 metros
Sumando estos nuevos datos se obtiene una nueva longitud de 20 metros. LT2= LT1+LS
30 Con esta nueva longitud se realiza nuevamente un nomograma diámetro de tubería y se analiza si existen perdidas, como se observa en la figura 8.
Figura 8. Nomograma diámetro de tubería (Berrio, 2007)
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3.8. CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITO NEUMÁTICO
3.8.1. ANCLAJE DEL TANQUE Y COMPRESOR
Una vez que se encontró todos los parámetros necesarios para la realización de este proyecto se procedió a la construcción de mismo, lo primero que se realizo fue la instalación de los componentes en la parte trasera del vehículo, mediante tuercas, de tal forma que no afecte la integridad del vehículo como lo muestra la figura 9.
Figura 9. Anclaje al vehículo
3.8.2. INSTALACIÓN ELÉCTRICA
Las especificaciones técnicas del compresor indican que su funcionamiento es a base de corriente continua a 12 V, entonces fue necesario hacer una conexión desde la batería hacia la parte trasera del vehículo donde está ubicado el compresor como lo muestra la figura 10.
Figura 10. Conexión desde la batería
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Figura 11.Fusible de 80 A
3.8.3. INSTALACIÓN DEL SISTEMA NEUMÁTICO
Ya instalado la salida de 12 voltios se procedió a la conexión de todo el sistema neumático utilizando para esto los siguientes elementos:
Tubería de cobre
Tubería de poliestireno
Acoples rápido
Electroválvulas
Filtro regulador de presión
Válvulas en T
Anclado el compresor y el tanque pulmón al vehículo se procedió a instalar la tubería que sale del compresor a la entrada del tanque pulmón, para esto se utilizó una tubería de cobre, como se observa en la figura 12.
Figura12. Tubería utilizada a la entrada
Fue utilizado una tubería de cobre en esta parte del circuito debido al gran calor que producía el compresor, haciendo que una tubería de poliestireno se deforme y no rinda en su totalidad.
Luego de conectar la salida del compresor con la entrada del tanque pulmón se procedió a instalar los elementos a la salida del compresor, entre los más importantes están:
33 Figura 13. Válvula de apertura y cierre
Un filtro regulador de presión como se observa en la figura 14, con las siguientes características:
Filtro de hasta partículas de hasta 4 micras
Rango de temperatura de trabajo -20 – 70 ºC
Rango de presión de trabajo 0-10 bar
Figura 14. Filtro regulador de presión
2 electroválvulas una 5/3 y 4/2 a 110 voltios como lo muestra la figura 15 y 16.
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Figura 16. Electroválvula 4/2
3.8.4. AUTOMATIZACIÓN DEL PROYECTO
Para complemento del proyecto se realizó la automatización del mismo mediante una placa Arduino, la misma que una plataforma electrónica que maneja una programación de tipo código abierto de fácil entendimiento, dedicado a diseñadores y novatos que intentan crear programaciones interactivas. Para la utilización del sistema Arduino se deben utilizar placas del mismo nombre, las que permiten cargar la programación desarrollada en el programa; esta placa es a base de un micro controlador el cual posee entradas para recepción de información y salidas para transmisión de datos, alimentación de 5v, masa, salidas digitales y analógicas. Como completo de este proyecto en la placa Arduino se incluyó un módulo Bluetooth Hc-05 y un módulo de relés, los mismos que en conjunto abren y cierran las electroválvulas de manera electrónica e inalámbrica.
Una vez que programada la placa Arduino se procedió a conectar los elementos, primero se conectó el módulo Bluetooth HC-05 tal como lo indica la figura 17.
Figura 17.Placa Arduino con módulo Bluetooth (Garcia, 2014)
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Figura 18.Conexión Placa Arduino con bloque de relés. (García, 2014)
Una vez finalizada la conexión que comprenden la programación Arduino se desarrolló la aplicación para el control de los pulsadores en el desarrollador APP Inventor 2, el cual tiene un sistema amigable para el usuario y permite codificar de manera muy sencilla a través de un diseñador de la portada estética como se ve en la figura 19.
36 Una vez finalizada la configuración de la portada con los mismos botones colocados en la cara principal del programa se procedió a programar a través de bloques como se ve en la figura 20.
Figura 20. Desarrollo de bloques de programación App inventor 2
La aplicación se guardó en formato. apk, y se instaló en un Smartphone, y a configurar el bluetooth de la Tablet con el HC-05 del Arduino para proceder a controlarlo.
3.8.5. RESULTADOS DE LA APLICACÍON APP INVENTOR 2
El uso de la aplicación App inventor 2 hace posible que, mediante un Smartphone vía Bluetooth, se pueda controlar las electroválvulas del sistema neumático, la pantalla principal de la aplicación consta de 4 pulsadores que controlarán las 2 electroválvulas como se observa en la figura 21.
37 Al presionar el pulsador superior izquierdo de la aplicación, permitirá la apertura de la electroválvula 5/3 haciendo que se eleve tanto el fuelle como el vehículo como se observa en la figura 22.
Fig.22 Ascenso del fuelle
Al presionar el pulsador superior derecho, procederá a cerrar la válvula 5/3 y que el fuelle neumático descargue todo el aire y descienda como se observa en la figura 23.
Fig.23 Descenso del fuelle
Los dos pulsadores inferiores tanto izquierdo como derecho permiten la apertura y cierre respectivamente de la electroválvula 3/2, para que así el usuario pueda beneficiarse del aire a presión y utilizar cualquier tipo de herramienta neumática mediante los dos acoples rápidos instalados en el sistema, como lo muestra la figura 24.
Fig.24 Acoples rápidos
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3.8.6. PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA
Una vez instalado el sistema neumático y sus actuadores se procedió a realizar las pruebas de funcionamiento, en las mismas se obtuvieron buenos resultados, como primera prueba se analizó la eficiencia del fuelle el cual llega a su altura máxima en 5 segundos, en los cálculos se diseñó que el fuelle llegue a su altura máxima en 10 segundos pero el tiempo se acorto debido a que el sistema en longitud de su tubería es muy corto haciendo que teóricamente el sistema 100% eficiente, una vez elevado el fuelle este puede estar en esa posición el tiempo que el operario lo desee ya que la válvula que lo maneja (5/3) es independiente y una vez que se deje de presionar el botón de mando “subir” se bloquea automáticamente, permitiendo que en los otros acoples se pueda utilizar el aire a presión sin comprometer la altura ni presión del fuelle.
Se verificó si en el sistema existen pérdidas, teóricamente y mediante nomogramas se concluyó que el mismo es 100 % eficiente, a través de una inspección visual se recalcó en lo que nomogramas se analizó, es decir no existen pérdidas esto debido a que en el sistema no existen más de 5 acoples o uniones lo que hace que cualquier pérdida sea despreciable. Se verificó que la aplicación App Inventor 2 Instalada en un Smartphone abra y cierre sus válvulas del sistema, esto lo logra mediante choques eléctricos de 5 Volts controladas mediante el Smartphone, el mismo que manda una señal a un módulo Bluethooth Hc 05 y luego pasan a una placa Arduino previamente programada para este fin, desde la placa Arduino se controla que los relés cierren o abran y de este manera se logra controlar las electroválvulas, todo este sistema electrónico se puede prender y apagar con una batería de 9 Volts la misma que se conecta al puerto de la placa Arduino y energiza todo este sistema.
Como sugerencia para los operadores de este sistema está en que siempre revisen el regulador de presión ya que para el óptimo trabajo del sistema el mismo debe estar abierto completamente, también revisar la que los acoples estén completamente cerrados al rato de utilizar los actuadores como el fuelle o cualquier otra herramienta neumática de esta manera el aire podrá pasar completamente, como una medida de mantenimiento preventivo del sistema se debe siempre desconectar los dos cables que van a presostato del compresor ya que de esta manera el mismo quedará sin energía y así se previene que por cualquier corto circuito o sobrecarga de corriente el compresor sufra algún daño.
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4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. CONCLUSIONES
Se diseñó y se construyó un sistema neumático de control electrónico, que permite aprovechar los beneficios del aire comprimido, el cual tiene una presión máxima de trabajo de 100 Psi.
Se seleccionó el tanque basados en tablas de características, resistencia, precio y factor de seguridad del material, el cual dió como resultado que un tanque pulmón de características similares a los tanques de GLP, con un tipo de Acero ASTM A36 es el ideal para trabajar en este proyecto
En todo el sistema neumático según lo que muestran los nomogramas no existen pérdidas, esto debido a que en este proyecto no tiene largas distancias de tubería, como máximo tiene 12 metros y sumadas las longitudes suplementarias llega a un máximo de 22 metros, la pérdida de presión se considera despreciable.
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4.2. RECOMENDACIONES
Hacer un estudio para la optimización del almacenamiento de aire en el vehículo.
Investigar la posibilidad del que el proyecto funcione con mando de voz, con la posibilidad que reemplacen los pulsadores de la aplicación.
Implementar este sistema automatizado en un vehículo pesado para analizar su funcionamiento.
Estudiar la factibilidad de que el fuelle este incorporado en el chasis del vehículo y que no sea portátil.
Utilizar dos compresores de esta manera cada uno del sistema seria independiente y el tanque pulmón seria de menor volumen.
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5. BIBLIOGRAFÍA
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Creus, A. (2012). Neumática e Hidráulica. Barcelona: Marcombo. Berrio, L. (2007). Neumática Básica. Medellín: ITM.
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Cálculo en recipientes de paredes delgadas, envolventes de pequeño espesor. (2015). Mecánica de sólidos. Obtenido de
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cargas admisibles. Obtenido de
http://www.academia.edu/23012894/FACTOR_DE_SEGURIDAD_Y_ESFUE RZO_DE_DISE%C3%91O_PERMISIBLE_ESFUERZO_DE_TRABAJO. Acero al carbono estructural. (2012). Acero ASTM A36. Obtenido de https://es.scribd.com/doc/89693272/Acero-ASTM-A36.
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6. ANEXOS
ANEXO 1
Programación Arduino
//bluetooth hc-05 int EVA1 = 7; int EVA2 = 8; int EVA3 = 9;
int EVA4 = 10;// se uso un pin de salida al LED int state = 0; // Variable lectura dato serial int bandera=0;
void setup() {
pinMode(EVA1, OUTPUT); //Declara pin de Salida pinMode(EVA2, OUTPUT); //Declara pin de Salida pinMode(EVA3, OUTPUT); //Declara pin de Salida pinMode(EVA4, OUTPUT); //Declara pin de Salida digitalWrite(EVA1, HIGH); //Normalmente Apagado digitalWrite(EVA2, HIGH); //Normalmente Apagado digitalWrite(EVA3, HIGH); //Normalmente Apagado digitalWrite(EVA4, HIGH); //Normalmente Apagado
Serial.begin(9600); }
void loop() {
if(Serial.available() > 0){ state = Serial.read(); }
if (state == '1') {
digitalWrite(EVA1, LOW); }
else {
digitalWrite(EVA1, HIGH); }
if (state == '2') {
digitalWrite(EVA2, LOW); }
else {
digitalWrite(EVA2, HIGH); }
44 digitalWrite(EVA3, LOW);
} else {
digitalWrite(EVA3, HIGH); }
if (state == '4') {
digitalWrite(EVA4, LOW); }
else {
digitalWrite(EVA4, HIGH); }
45
ANEXO 2
48
ANEXO 3
55
ANEXO 4
57
ANEXO 5
58
ANEXO 6
59
ANEXO 7
60
ANEXO 8
61
