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elevador electro hidráulico
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UNIVERSIDAD INTERNACIONAL DEL ECUADOR
Facultad de Ingeniera Automotriz
TESIS DE GRADO PARA LA OBTENCION DEL TITULO DE INGENIERO EN MECANICA AUTOMOTRIZ
Diseo e Implementacin de un Elevador Electro-hidrulico de dos Columnas para Vehculos Livianos
Ramiro Patricio Njera Arias
Geovanny Rodrigo Jarrn Gallardo
Director: Ing. Edwin Puente
2011
Quito, Ecuador
C E R T I F I C A C I N
Nosotros, GEOVANNY RODRIGO JARRN GALLARDO y RAMIRO
PATRICIO NJERA ARIAS, declaramos que somos los autores exclusivos
de la presente investigacin y que sta es original y autntica. Todos los
efectos acadmicos y legales que se desprendan de la presente investigacin
sern de nuestra exclusiva responsabilidad.
Geovanny Jarrn G. Ramiro Njera A. CI: 1716633340 CI: 1720571676 Yo, ING. EDWIN PUENTE, declaro que, en lo que yo personalmente
conozco, los seores, GEOVANNY RODRIGO JARRN GALLARDO y
RAMIRO PATRICIO NJERA ARIAS, son los autores exclusivos de la
presente investigacin y que sta es original, autntica y personal suya.
Ing. Edwin Puente Director
i
AGRADECIMIENTO
Agradezco a mis padres por su apoyo incondicional a lo largo de toda mi vida,
por sus consejos, su tolerancia y paciencia.
A mis hermanos porque junto a ellos hemos tenido logros, tropezones, altos y
bajos y a pesar de todo hemos salido adelante juntos.
A mis maestros por transmitirme sus conocimientos y brindarme su amistad.
Al Ing. Edwin Puente que gracias a su apoyo y a su paciencia hemos sacado a
flote este proyecto.
A Geovanny por su predisposicin al trabajo hizo posible en gran parte la
culminacin exitosa de nuestro proyecto de grado
Ramiro
Agradezco a mis padres quienes a lo largo de toda mi vida han apoyado y
motivado mi formacin acadmica, creyeron en m en todo momento y no
dudaron de mis habilidades.
A mis profesores a quienes les debo gran parte de mis conocimientos, gracias
a su paciencia y enseanza.
Al Ing. Edwin Puente por su apoyo y ayuda, y finalmente a Ramiro por su
constante ayuda en la realizacin de este proyecto.
Geovanny
ii
DEDICATORIA
Dedico este proyecto en primera instancia a mis padres, ya que sin su apoyo
no hubiese sido posible la culminacin exitosa de mi carrera profesional, por
estar junto a m en los buenos y malos momentos
A mis hermanos para que sigan adelante y logren alcanzar todas las metas que
se propongan
A mis amigos con los cuales he compartido gran parte de mi vida y con los
que hemos vividos experiencias que quedaran por siempre guardadas en mi
memoria y mi corazn
En fin dedico el presente proyecto a todas las personas que en su momento me
brindaron su amistad y apoyo
Gracias a todos
Ramiro
Dedico este proyecto a mis padres y a mi hermana. A mis padres, quienes a lo
largo de mi vida han velado por mi bienestar y educacin siendo mi apoyo en
todo momento. Depositando su entera confianza en cada reto que se me
presentaba sin dudar ni un solo momento en mi capacidad, y finalmente a mi
hermana que siempre ha estado en todo momento para brindarme su apoyo y
confianza.
Geovanny
iii
INDICE GENERAL
AGRADECIMIENTO ............................................................................................................. i
INDICE GENERAL .............................................................................................................. iii
INDICE DE TABLAS ........................................................................................................... vi
SNTESIS ............................................................................................................................... 1
CAPTULO 1.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN ELEVADOR ELECTRO-HIDRULICO DE DOS COLUMNAS. ............................................................................... 4
1.1. Descripcin del elevador electro-hidrulico de dos columnas. ............................... 4
1.2. Principio de funcionamiento del elevador ............................................................... 6
1.2.1. Mecnica de fluidos .......................................................................................... 7
1.2.2. Principio de pascal ............................................................................................ 7
1.3. ELEMENTOS HIDRULICOS.............................................................................. 9
1.3.1. Bombas ............................................................................................................. 9
1.3.2. Fluidos hidrulicos ......................................................................................... 13
1.3.3. Cilindros hidrulicos ...................................................................................... 18
1.3.4. Vlvulas .......................................................................................................... 21
1.3.5. Electrovlvulas ............................................................................................... 25
1.4. Control ................................................................................................................... 26
1.4.1. Control manual ............................................................................................... 26
1.4.2. Control elctrico ............................................................................................. 26
1.5. Columnas ............................................................................................................... 26
1.5.1. Empotramiento o fijacin ............................................................................... 27
1.5. Vigas de soporte......................................................................................................... 28
iv
1.5.1. Cargas, apoyos y tipos de vigas. ..................................................................... 28
1.5.3. Fuerza cortante. .............................................................................................. 30
1.5.4. Momento flexionante. ......................................................................................... 30
1.6.1. Cadenas. .............................................................................................................. 32
1.6.2. Poleas. ................................................................................................................. 36
1.6.1. Cables. ............................................................................................................ 37
1.7. Elementos elctricos. ............................................................................................. 40
1.7.1. Motor Trifsico. .............................................................................................. 40
1.8. Soldaduras. ............................................................................................................. 40
1.8.1. Tipos de Soldadura. ........................................................................................ 41
CAPITULO 2.- DISEO DEL ELEVADOR ELECTRO-HIDRULICO. ........................ 44
2.1. Parmetros de diseo. ................................................................................................ 44
2.2. Clculos del desarrollo del material........................................................................... 45
2.2.1. Relaciones entre cargas esfuerzos y deformaciones. .......................................... 45
2.3. Cargas. ....................................................................................................................... 46
2.4. Clculo y anlisis general de la estructura. ................................................................ 47
2.4.1. Carga critica de un soporte largo y esbelto ......................................................... 47
2.4.2. Clculos de las columnas .................................................................................... 51
2.4.3. Anlisis esttico de los brazos ............................................................................. 59
2.5. Diseo y seleccin de elementos hidrulicos ............................................................ 73
2.5.1. Diseo del cilindro. ............................................................................................. 73
2.5.2. Diseo del vstago del cilindro. .......................................................................... 76
2.5.3. Seleccin de la Unidad de Potencia. ................................................................... 80
2.5.4. Seleccin de accesorios hidrulicos. ................................................................... 84
v
2.5.5. Seleccin de las uniones de circuitos hidrulicos. .............................................. 85
2.6. Uso de software sap2000 versin 12 ......................................................................... 87
2.6.1. Ingeniera del proyecto. ....................................................................................... 87
2.7. CONCLUSIN ........................................................................................................ 100
CAPITULO 3. MONTAJE DEL ELEVADOR ELECTRO HIDRULICO ................. 101
3.1. Manual de instalacin del elevador electro hidrulico ......................................... 101
3.1.1. Instrucciones de instalacin .............................................................................. 101
3.1.2. Colocacin de los pernos de fijacin ................................................................ 102
3.2. Normas de seguridad ............................................................................................... 109
CAPITULO 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................ 111
SIMBOLOGA ................................................................................................................... 113
BIBLIOGRAFA ................................................................................................................ 116
ANEXOS ............................................................................................................................ 117
PLANOS............................................................................................................................. 131
vi
INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Clasificacin de las bombas ............................................................................................ 10
Tabla 2: Coacciones y grados de libertad segn los apoyos-empotramientos. ................................ 30
Tabla 3 : Tamao de cadena por rodamiento ................................................................................. 34
Tabla 4 : Propiedades del electrodo............................................................................................... 42
Tabla 5: Propiedades del proceso de soldadura .............................................................................. 42
Tabla 6 : Parmetros para soldar. .................................................................................................. 42
Tabla 7 : Aplicaciones y propiedades mecnicas del ACERO A588 .............................................. 46
Tabla 8 : Propiedades de la seccin de las columnas ..................................................................... 52
Tabla 9: Propiedades de la seccin de los brazos ........................................................................... 59
Tabla 10 : Datos para clculo del cable. ........................................................................................ 70
Tabla 11 : Cable normal para elevacin. ....................................................................................... 70
Tabla 12 : Dimetro de poleas segn el cable. ............................................................................... 71
Tabla 13: Caractesticas Motor Elctrico ....................................................................................... 82
Tabla 14 : Catlogo de Mangueras Hidrulicas. ............................................................................ 85
1
Sntesis
Un elevador electro-hidrulico es un sistema diseado para la elevacin de
vehculos, el cual tiene la finalidad de brindar todas las facilidades a las personas que
realizan tareas de mantenimiento y reparacin automotriz.
Es importante destacar a breves rasgos las funciones y mtodos de seguridad que
brinda un elevador electro-hidrulico como son: brazos del elevador, tacos regulables,
pistones, dispositivo de apoyo mecnico y desbloqueo mecnico y sus dispositivos de
seguridad. Esto ayudara a la comprensin del funcionamiento de algunos elementos bsicos
en el elevador.
El principio bsico de un elevador electro-hidrulico se basa en que el trabajo
necesario para mover un objeto es el producto de la fuerza por la distancia que recorre el
objeto.
El elevador hidrulico utiliza un fluido incompresible para transmitir la fuerza, por
lo que la mecnica de fluidos nos permitir dimensionar y seleccionar dispositivos que
funcionan con lquidos.
El fundamento del elevador hidrulico es el principio de pascal el cual dice que la
presin aplicada en un punto de un lquido contenido en un recipiente se transmite con el
mismo valor a cada una de las partes del mismo.
Los elementos hidrulicos son aquellos que funcionan al circular por ellos una
corriente de aceite, estas son partes esenciales dentro del sistema del elevador por lo que se
dar a conocer sus definiciones, clasificacin y descripcin de cada elemento como son:
bombas, cilindros hidrulicos, los aparatos y accesorios hidrulicos.
2
Los elementos mecnicos dentro del sistema del elevador son de metal que
constituyen los elementos de la maquina, dentro de los elementos mecnicos que forman
parte del elevador se encuentran tres que son los impulsores de cadena, poleas y cables.
Diseo
La Hidrulica es la aplicacin de la mecnica de fluidos en ingeniera, para construir
dispositivos que funcionan con lquidos, por lo general agua o aceite. El diseo del elevador
electro-hidrulico est basado en este principio para aprovechar toda la ventaja mecnica
que nos brinda un sistema hidrulico.
Tomando en cuenta distintos elementos como capacidad mxima, altura, ancho del
equipo, tiempo de ascenso y voltajes de alimentacin el elevador electro-hidrulico ser
diseado en base a las necesidades anteriormente descritas, llevndolo a su construccin
basados en los clculos del desarrollo del material.
Para el diseo del elevador electro-hidrulico se debe tomar en cuenta factores como
la resistencia del material a utilizar, determinando los esfuerzos realizados, las cargas
mximas permitidas, las deformaciones a las que pueden estar sometidos los distintos
materiales y finalmente un clculo exhaustivo de soldaduras.
Se utiliza un programa en lo posible que soporte formatos 3D para analizar
esfuerzos y puntos crticos en la estructura construida.
Construccin.
Trata de la utilizacin de los materiales aptos para la construccin del elevador
electro-hidrulico, siendo necesario el estudio de estos individualmente y en grupo optando
siempre por los materiales de mejor rendimiento y mxima seguridad.
3
Sera necesario analizar las caractersticas del material utilizado para la construccin
del elevador, tomando en cuenta resistencias y tolerancias de este para garantizar su
correcto funcionamiento.
Para la soldadura se deber hacer un anlisis de la mas solida y durable, para esto
recurriremos a estudiar las ventajas y desventajas que cada una nos brinda, recurriremos
adems a la opinin de un experto en soldadura para determinar cul es la ms beneficiosa
ya en la prctica.
Para la determinacin de caudal y obviamente la seleccin de la bomba se realiza
clculos de tiempos de elevacin, dimetros de cilindro, carreras.
Manual de instalacin y mantenimiento.
Es muy importante crear un manual de instalacin que indique paso a paso la
instalacin teniendo en cuenta mbitos como son el lugar de instalacin, colocacin de
pernos, conexin de mangueras, cables, etc.
Como tambin se proporcionara un manual de mantenimiento con recomendaciones de
chequeos previos al funcionamiento y durante del mismo para lograr un mejor
funcionamiento y durabilidad.
4
CAPTULO 1.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN ELEVADOR ELECTRO-HIDRULICO DE DOS COLUMNAS.
1.1. DESCRIPCIN DEL ELEVADOR ELECTRO-HIDRULICO DE DOS
COLUMNAS.
Figura 1.1 Elevador electro-hidrulico1
El funcionamiento del elevador electro-hidrulico est basado en el principio de Pascal.
El elevador de dos columnas es fijo, es decir anclado al suelo y su finalidad es brindar
todas las facilidades para realizar prcticas en menor tiempo y menor esfuerzo fsico.
1 FUENTE: http://www.fitesl.com/pdfs/werther/sat/Elev.%202%20columnas/Manuales/208I%28300%29_R8.pdf
5
El elevador est compuesto, principalmente por:
o Estructura fija
Est constituida por dos columnas de acero en cuya base est soldada una
plancha con agujeros, la cual sirve para fijar en el suelo el elevador. En el
interior de cada columna se encuentran los objetos mviles del elevador y a un
costado el cuadro de comandos.
En la parte superior se encuentra un travesao superior que mediante tornillos
conecta las columnas.
o Estructura mvil
La estructura mvil lo constituye un carro de acero, conectada en la parte
superior del cilindro hidrulico y en la parte inferior conectada a los brazos de
elevacin.
El denominado carro se moviliza a lo largo de la columna.
Tambin lo constituyen dos brazos telescpicos de los cuales uno es largo y otro
corto, construidos en un tubo de acero y que en su extremo porta un platillo
regulable en altura para agarre del vehculo.
o Grupo de elevacin
Las partes que forman el grupo de elevacin son: los cilindros hidrulicos, un
motor elctrico de mando, una bomba hidrulica, vlvulas de seguridad, vlvula
de presin mxima, un deposito de aceite, un tubo de envi y recuperacin de
aceite.
6
o Caja de mando
La caja de mandos es la que se encargara de regular la altura que el tcnico o
estudiante desee para la realizacin de la prctica en el vehculo.
1.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL ELEVADOR
El elevador electro-hidrulico est basado en el principio de que el trabajo que es
necesario para mover un objeto es el producto de la fuerza por la distancia que recorre el
objeto, utilizando un fluido incompresible que es el encargado de transmitir la fuerza,
permitiendo que una pequea fuerza aplicada a lo largo de una gran distancia tenga el
mismo efecto que una gran fuerza aplicada a lo largo de una distancia menor.
Figura 1.2 Principio de Funcionamiento2
2 FUENTE: http://www.galeon.com/home3/ciencia/hidraulica.html
7
Esto hace que al emplear una pequea bomba pueda levantar un gran peso como es el peso
de un automvil.
1.2.1. Mecnica de fluidos
La mecnica de fluidos es una rama de la fsica encargada de estudiar la accin de
los fluidos. Un fluido es toda sustancia que no puede mantener una deformacin, esta
descripcin se refiere a la forma en que un material reacciona a fuerzas externas, y esto
aplica a gases como a lquidos. De acuerdo a nuestra necesidad adoptaremos un lquido que
ser primordial para el funcionamiento del elevador electro-hidrulico.
Cuando un fluido se encuentra en reposo, este ejerce una fuerza perpendicular sobre
cualquier superficie que este en contacto con l, como puede ser las paredes de un
recipiente o la superficie de un cuerpo que este sumergido en el fluido.
Las aplicaciones de los sistemas leos dinmicos se centran en el diseo de
activadores y prensas.
1.2.2. Principio de pascal
El fundamento del elevador electro-hidrulico es el principio de Pascal que dice que
la presin aplicada en un punto de un liquido contenido en un recipiente se transmite con el
mismo valor a cada una de las partes del mismo. Este principio, se obtiene en base a
importantes investigaciones del fsico y matemtico francs Blaise Pascal (1623-1662).
El elevador hidrulico consiste en un pistn con una seccin transversal A1 que
ejerce una fuerza F1 sobre una superficie de un lquido incompresible (aceite). La presin
8
ejercida por el pistn sobre el fluido es P = F1 / A1 y se transmite a travs de un tubo en
forma de U que conecta a un gran pistn de seccin transversal A2.
P = F / A 3 (1-1)
Donde
P = Presin del fluido en el cilindro (N/m2)
F = Fuerza (N)
A = rea interior del cilindro (m2)
Cuando se ejerce una F1 sobre el embolo de menor seccin A1, la presin p1 que se
origina en el liquido incompresible con l se transmite ntegramente y de forma instantnea
a todo el resto del liquido; por tanto la presin P2 que ejerce el liquido sobre el embolo de
mayor rea ser igual. Entonces:
P1 = P2 (1-2)
(1-3)
Por lo tanto la fuerza aplicada en F2 ser mayor que F1, debido a que si la seccin A2
es treinta veces mayor que la A1 la fuerza F1 aplicada sobre el embolo pequeo se ve
multiplicada por treinta en el embolo grande.
3 FUENTE: Claudio Mataix, Mecnica de fluidos y maquinas hidrulicas, Espaa Madrid, 1986 Pag. 581
9
Este fenmeno es claramente utilizado en gatos hidrulicos, elevadores y dentro de la
rama automotriz en los frenos de un automvil, donde una fuerza relativamente pequea
aplicada al pedal se multiplica para transmitir una fuerza grande a la zapata del freno.
1.3. ELEMENTOS HIDRULICOS
Los elementos hidrulicos son aquellos que funcionan al circular por ellos una
corriente de aceite, estas son partes esenciales dentro del sistema del elevador por lo que se
dar a conocer sus definiciones, clasificacin y descripcin de cada elemento como son:
bombas, cilindros hidrulicos y accesorios hidrulicos.
1.3.1. Bombas
La bomba es un elemento hidrulico el cual absorbe energa mecnica que por lo
general proviene de un motor elctrico, trmico, etc., y esta transforma en energa que le
transfiere a un fluido como energa leo dinmica la cual permite que el fluido se transporte
de un lugar a otro.
10
1.3.1.1. Clasificacin de las bombas
Tabla 1: Clasificacin de las bombas
Clase Tipo
Roto dinmicas
Centrifugas
- Flujo axial
- Flujo mixto
- Voluta
- Difusor
- Turbina
Desplazamiento
Positivo
De embolo rotativo
(Rotativas)
- Leva y pistn
- Engrane
- Lbulo
- Tornillo
Alternativas
- Accin directa
- Potencia
- Diafragma
- Rotatoria pistn
1.3.1.1.1. Bombas centrfugas
Una bomba centrifuga est constituida por un conjunto de paletas rotatorias
ubicadas dentro de una caja, crter o carcasa. Las paletas imparten energa al fluido por la
fuerza centrifuga. Estas bombas tambin conocidas como turbo bombas, tienen como
11
principio de funcionamiento la fuerza centrifuga, el elemento rotativo de la bomba se
denomina impulsor, el diseo del impulsor puede forzar al liquido a salir en un plano
perpendicular a su eje, dando una velocidad al liquido tanto axial como radial, es por esto
que dentro de las bombas centrifugas existe de diferentes tipos como son: tipo flujo mixto y
flujo axial como las ms comunes.
Figura 1.3 Bomba Centrfuga4
1.3.1.1.2. Bombas de embolo rotativo
Las bombas de embolo rotativo estn constituidas generalmente por una carcasa en
el cual contiene engranajes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc. Estos operan
diferente a la bomba centrifuga, la bomba centrifuga arroja el liquido mientras que la
bomba rotatoria lo atrapa, y lo empuja descargando un flujo continuo. Este tipo de bombas
se utiliza generalmente para lquidos viscosos, pero puede manejar casi cualquier lquido
4 FUENTE: Claudio Mataix, Mecnica de fluidos y maquinas hidrulicas, Espaa Madrid, 1986 Pag. 573
12
que est libre de slidos abrasivos. Se lo considera una bomba de desplazamiento positivo
ya que desplaza una cantidad constante de lquido generando grandes presiones.
Figura 1.4 Bomba rotativa (de engranes)5
1.3.1.1.3. Bombas Alternativas
Las bombas alternativas tambin conocidas como reciprocantes estn dentro de la
clasificacin de bombas de desplazamiento positivo. Estas bombas descargan una cantidad
definida de lquido durante el movimiento del pistn o mbolo a travs de la distancia de
carrera. Sin embargo, no todo el lquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a
escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. A diferencia de las bombas
rotatorias o centrifugas que el flujo de descarga es continuo este tipo de bombas el flujo
pulsa.
5 FUENTE: Claudio Mataix, Mecnica de fluidos y maquinas hidrulicas, Espaa Madrid, 1986 Pag. 573
13
Figura 1.5 Bomba alternativa 6
1.3.2. Fluidos hidrulicos
Los fluidos hidrulicos son lquidos transmisores de potencia que se utiliza para
transformar, controlar y transmitir los esfuerzos mecnicos a travs de una variacin de
presin o de flujo. Generalmente los fluidos hidrulicos son usados en transmisiones
automticas de automviles, frenos; vehculos para levantar cargas; tractores; niveladoras;
maquinaria industrial; y aviones.
Algunos fluidos hidrulicos son producidos de petrleo crudo y otros son
manufacturados.
Un fluido hidrulico de base petrleo usado en un sistema hidrulico industrial
cumple muchas funciones crticas. Debe servir no slo como un medio para la transmisin
de energa, sino como lubricante, sellador, y medio de transferencia trmica. Adems debe
de maximizar la potencia y eficiencia minimizando el desgaste del equipo.
6 FUENTE: Claudio Mataix, Mecnica de fluidos y maquinas hidrulicas, Espaa Madrid, 1986 Pag. 574
14
Un lquido satisfactorio para un sistema particular debe poseer diferentes propiedades
como:
- Viscosidad.- es una de las caractersticas ms importantes, es una medida de la
resistencia de un lquido al flujo. La viscosidad vara segn la temperatura y
presin, a mayor temperatura la viscosidad disminuye y a mayor presin este
aumenta.
- Poder lubricante.- un fluido hidrulico para maquinas con movimiento entre
superficies en contacto tiene que tener la propiedad de lubricar, ya que la friccin
tiende a oponerse al movimiento. Diversos lquidos, incluyendo los aceites, varan
ampliamente no slo en su capacidad de lubricacin sino tambin en la resistencia
de la pelcula que esta deja al momento de fluir. El poder lubricante vara con los
cambios de temperatura. Las cualidades de lubricacin y de resistencia de la
pelcula se pueden mejorar mediante la adicin de ciertos agentes qumicos.
- Estabilidad qumica.- es una caracterstica importante al seleccionar un lquido
hidrulico. Es la capacidad del lquido a resistir la oxidacin y el deterioro por
largos periodos. Todos los lquidos tienden a experimentar cambios desfavorables
bajo condiciones de trabajo severas.
- Acidez.- un lquido hidrulico debe estar libre de cidos que causan corrosin de
los metales en el sistema. Por lo general un lquido nuevo no presenta acidez pero
con el uso este puede tender a ser corrosivo.
15
- Punto de inflamacin.- es la temperatura a la cual el lquido emite vapor en
suficiente cantidad para encender momentneamente. Es muy importante un lquido
con un alto punto de inflamacin ya que as proporciona una buena resistencia a la
combustin y un bajo grado a la evaporacin.
- Tendencia a producir espuma.- la espuma es una emulsin de burbujas de gas en el
lquido. Un lquido bajo alta presin puede contener un gran volumen de burbujas
de aire. Cuando se despresuriza este lquido, y luego alcanza al depsito, las
burbujas de gas en el fluido crecen y produce espuma. Esta espuma puede causar un
mal desempeo de la bomba.
1.3.2.1. Tipos de fluidos hidrulicos
A lo largo de la historia los tipos de fluidos hidrulicos han venido evolucionando y
se han creado aleaciones para satisfacer el alto rendimiento y exigencias que necesita un
equipo hidrulico, es as que a estos fluidos se los ha clasificado de la siguiente manera:
o Agua: Se utiliz hasta la segunda dcada del siglo XVII. Tiene los graves
inconvenientes de alta corrosin, punto de congelacin, bajo de ebullicin,
ausencia de poder lubricante, nulas propiedades anti desgaste y extrema presin.
Su uso fue sustituido por los aceites minerales.
16
o Aceite mineral: Los fluidos con estas bases son los ms utilizados en
aplicaciones hidrulicas. Los aceites minerales poseen una buena relacin
viscosidad/temperatura (ndice de viscosidad), baja presin de vapor, poder
refrigerante, una compresibilidad baja, inmiscibilidad con agua, de satisfactorias
o excelentes cualidades de proteccin, y no requieren especial cuidado respecto
a las juntas y pinturas normalmente utilizadas. Adems tienen buena relacin
entre calidad, precio y rendimiento.
o Emulsin de aceite en agua: tambin denominada emulsin directa, se trata de
una emulsin de aceite (3 al 15%) en agua. Tiene un costo muy bajo y
excelentes propiedades de apagado de llama. Sus desventajas son: muy limitadas
temperaturas de utilizacin, pobre resistencia de la pelcula, dificultades con la
corrosin, problemas de estabilidad de la emulsin y problemas de evaporacin.
o Emulsin de agua en aceite: tambin denominada emulsin inversa, contiene
del orden de un 40% de agua. Tiene excelentes propiedades de apagado de llama
y un costo bajo/medio, pero su temperatura de utilizacin es muy limitada, su
poder lubricante medio, presenta problemas de evaporacin de agua/estabilidad,
y es un fluido no newtoniano.
o Fluidos agua-glicol: Son mezclas en disolucin del 20 al 45% de agua y
etileno-propilen-glicol, con aditivos anticorrosivos y mejoradores antidesgaste.
Tiene buena relacin viscosidad/temperatura, muy buenas propiedades de
17
resistencia a la llama, excelente comportamiento a bajas temperaturas, y un
costo que no es prohibitivo. Sin embargo, su temperatura de utilizacin est
limitada por el agua, suele tener problemas de corrosin, presenta problemas de
evaporacin y separacin de fases, y requiere frecuentes cuidados de
mantenimiento.
o Fluidos sintticos no acuosos: En la actualidad existen una gran variedad de
estos fluidos cada uno con sus caractersticas y propiedades muy diferentes. La
eleccin de estos tipos de fluidos deber hacerse teniendo en cuenta su alto
precio, la posible reaccin con juntas y materiales sellantes as como el ataque a
pinturas e influencia fisiolgica y ecolgica/medio-ambiental
1.3.2.2. Clasificacin de la viscosidad de aceites SAE
De acuerdo con el sistema de clasificacin de viscosidad SAE todos los aceites se
dividen en dos clases: monogrado y multigrado:
o Monogrado aceites hidrulicos
Los aceites hidrulicos monogrado son designados por un nmero (10, 20, 30, 40,
etc.) El nmero indica el nivel de la viscosidad del aceite a una temperatura dada. Cuanto
mayor sea el nmero de grado, mayor es la viscosidad del aceite.
La viscosidad de los aceites hidrulicos designado con un nico nmero, sin la letra "W"
(SAE 10, SAE 20, SAE 30, etc.) se ha especificado a la temperatura de 212 F (100
18
C). Estos aceites son aptos para su uso en ambientes con altas temperaturas.
La viscosidad de los aceites hidrulicos designado con un nmero seguido de la letra "W"
( SAE 10W , SAE 20W, SAE 30W, etc.) se ha especificado a la temperatura de 0 F (-18
C). La letra "W" significa invierno. Estos grados se utilizan a bajas temperaturas
ambientales.
o Multigrado aceites hidrulicos
La viscosidad de los aceites hidrulicos pueden ser estabilizados
por polmero aditivos ( ndice de mejoradores de viscosidad ). La viscosidad de los aceites
como se especifica en tanto la temperatura alta y baja. Estos aceites son llamados
multigrados y son designados por dos nmeros y la letra "W" (SAE 5W30, SAE 10W20,
SAE 10W30, etc.) El primer nmero de la denominacin, especifica la viscosidad del aceite
a temperatura fra, el segundo nmero indica la viscosidad del aceite a altas temperaturas.
Por ejemplo: aceite SAE 10W30 tiene una viscosidad baja temperatura similar a la
del SAE 10W, pero tiene una viscosidad alta temperatura similar a la de aceite SAE 30.
Los aceites multigrado hidrulica se utilizan en un amplio rango de temperaturas.
1.3.3. Cilindros hidrulicos
Los cilindros hidrulicos tambin conocidos como pistn, son los encargados de
convertir la presin y movimiento del fluido hidrulico en fuerza y movimiento mecnico
19
en lnea recta. El flujo del fluido dentro de un cilindro hace mover el pistn, la velocidad
con que se mueva el pistn depende del caudal de fluido y de la superficie del embolo.
La presin del fluido es la que determina la fuerza de empuje de un cilindro. La
combinacin de fuerza y recorrido produce trabajo, y cuando este trabajo es realizado en un
determinado tiempo produce potencia.
Figura 1.6 Cilindro Hidrulico 7
1.3.3.1. Tipos de cilindros hidrulicos
Los tipos de cilindros hidrulicos se definen por su sistema de desplazamiento, estos son:
Cilindro de simple efecto.- cilindro que proporciona una fuerza a tensin o a
compresin segn su aplicacin y regresan a su posicin inicial por medio de
resorte o el propio peso del pistn.
Cilindro de doble efecto.- cilindro que entrega una fuerza a tensin y a compresin
en ambos sentidos de su carrera. 7 FUENTE: Claudio Mataix, Mecnica de fluidos y maquinas hidrulicas, Espaa Madrid, 1986 Pag. 580
20
Cilindro telescpico.- cilindro que est compuesto por varias secciones
concntricas que generan un recorrido mucho ms largo que el tamao cuando esta
recogido.
En el presente trabajo se enfocara directamente en el cilindro de simple efecto, ya que
es el que se empleara en el elevador electro-hidrulico.
1.3.3.1.1. Cilindro de simple efecto
El cilindro de simple efecto aplica la fuerza solamente en una direccin, el fluido se
aplica directamente en la cara delantera del cilindro y la opuesta conectada a la atmosfera.
Figura 1.7 Cilindro de simple efecto 8
Despus que el pistn ha completado su carrera de trabajo, el pistn es retornado a
su posicin original por la accin de un resorte o mediante gravedad u otro mecanismo
mecnico, esto depende del diseo y las necesidades de uso.
8 FUENTE: Claudio Mataix, Mecnica de fluidos y maquinas hidrulicas, Espaa Madrid, 1986 Pag. 580
21
El fluido acta sobre el rea neta del pistn por lo tanto para calcular la fuerza se
debe considerar toda el rea sobre el cual se est aplicando el fluido.
1.3.4. Vlvulas
Para el presente proyecto se utilizara las siguientes vlvulas:
- Vlvula anti retorno
- Vlvula reguladora de presin
- Vlvula distribuidora (2/2)
- Vlvula reguladora de caudal
1.3.4.1. Vlvulas anti retorno
Las vlvulas anti retorno impiden el paso en un sentido; en el sentido contrario, el
aire circula con una prdida de presin mnima. La manera de impedir puede obtenerse
mediante un cono, una bola, un disco o una membrana. Existen varios tipos de vlvulas anti
retorno graficados en la figura 1.8.
Figura 1.8 Vlvulas anti retorno
22
a. Vlvula anti retorno. Paso del fluido en sentido 2-1. Flujo cortado cuando el origen
est en 1.
b. Vlvula anti retorno. Flujo cortado en sentido 1-2 habr paso si se pilota por 3.
c. Conjunto de dos vlvulas anti retorno a emplear en cilindros hidrulicos. Cuando se
enva fluido a travs de V A1, la vlvula permitir V A2 el paso del fluido 1- 2, al
estar pilotada por 3.
d. Vlvula anti retorno con presin limite regulada. Pasa fluido en sentido 1-2. No pasa
fluido en sentido 1-2 mientras que no se supere la presin regulada. No pasa fluido
en sentido 2-1.
e. Vlvula anti retorno con regulacin de la presin mxima, a voluntad.
Las vlvulas 4 y 5 se utilizan como vlvulas de presin mxima y tambin como
vlvulas de seguridad.
1.3.4.2. Reguladores de caudal
Estas vlvulas influyen sobre la cantidad de circulacin, el caudal se regula en ambos
sentidos de flujo. En la figura 1.9 se muestra los tipos de reguladores de caudal.
Figura 1.9 Vlvulas reguladoras de caudal
1. Regulador de caudal. Smbolo general.
23
2. Regulador de caudal con posibilidad de regulacin manual.
3. Diagrama reduccin de la seccin de la tubera en un punto dado para reducir el
caudal de paso.
4. Regulador de caudal en una direccin. De 1 hacia 2.
5. Regulador de caudal unidireccional. De 1 hacia 2.
6. Reguladores de caudal de tres vas, con descarga del fluido sobrante a travs de 3.
1.3.4.3. Vlvulas reductoras de presin
Las vlvulas reductoras de presin son vlvulas de asiento que estrangulan el paso
del fluido, para conseguir a su salida una presin constante. En la figura 1.10 se encuentran
los tipos de vlvulas reductoras de presin.
Figura 1.10 Vlvulas reductoras de presin
1. Vlvula reductora de presin. Smbolo general. Permite regular la presin en la
utilizacin. Es posible que no todos los aparatos funcionen con la misma presin,
24
por lo que ser necesario reducir a reductores de presin para dar a cada receptor la
presin que precise.
2. Vlvula reductora de presin en un solo sentido.
3. Vlvula reductora de presin que funciona de forma diferencial entre las presiones
de 1 a 2.
1.3.4.4. Vlvulas de control de distribucin
Estas vlvulas son las encargadas de interrumpir, autorizar o controlar un fluido,
como el operador as lo desee.
Figura 1.11 Vlvula distribuidora 2/2 (2vas, 2 posiciones)
En la figura1.11 se observa la vlvula distribuidora de 2 vias y 2 posiciones (2v/2p), (2/2)
Figura 1.12 Vlvula distribuidora 3/2 (3 vas, 2 posiciones)
25
La vlvula 3 vas 2 posiciones cambia la corriente del fluido. En esta vlvula como
su nombre lo indica, hay tres bocas de conexin o vas, la primera por donde entra la
presin desde la bomba, la segunda que se comunica con el cilindro hidrulico y la tercera
que es la conexin hacia el tanque o retorno.
En la figura 1.12, se muestra un corte de una vlvula de tres vas en las dos
posiciones que trabajan A y B, en una de esas posiciones la corredera o husillo permite
comunicar la puerta de entrada de presin con la salida del cilindro, mientras bloquea el
retorno al tanque, en la segunda posicin, bloquea ahora la entrada de presin y conecta el
retorno a tanque con el cilindro.
La posicin se logra por una seal de mando, que puede ser, manual, mecnica,
elctrica, por piloto hidrulico o neumtico, que al producirse provocan el deslizamiento
del husillo al lado opuesto.
Esta vlvula se emplea para controlar el accionamiento de cilindros de simple efecto
cuyo retorno se efecta por la accin de un resorte a cargas exteriores que no requiere
retorno hidrulico.
1.3.5. Electrovlvulas
Una electrovlvula es una vlvula electromecnica, esta es controlada mediante
corriente elctrica a travs de una bobina solenoidal. Tienen dos partes fundamentales que
son: el solenoide y la vlvula. A diferencia de las vlvulas mecnicas estas se accionan
mediante energa elctrica. El solenoide es el encargado de convertir la energa elctrica en
energa mecnica actuando directamente sobre la vlvula proporcionando toda la energa
necesaria para su movimiento.
26
1.4. CONTROL
El control de un elevador electro-hidrulico puede diferir en dos tipos: uno con
funcionamiento netamente manual y el otro asistido elctricamente.
1.4.1. Control manual
El control manual requiere el uso de las dos manos para activar el descenso del
mismo, ya que requiere desactivar la seguridad manualmente evitando que esta se active
cada cierto intervalo del descenso, pero eso no es una desventaja ya que muchas veces se
requiere un descenso exacto, consiguiendo esto con este tipo de control.
1.4.2. Control elctrico
El control elctrico es una unidad de mando para una sola mano en ambas columnas
elevadoras, incorpora la retencin de seguridad controlada elctricamente; sus pulsadores
de manejo son de gran sensibilidad. Y muy a parte en cuanto al funcionamiento especifico
de elevador integrada una conexin elctrica de 220 Voltios, preparada para la conexin de
aire comprimido.
1.5. COLUMNAS
Una columna es una pieza estructural que soporta una carga axial por compresin y
tiende a fallar como resultado de inestabilidad elstica o pandeo ms que por trituracin de
material.
La inestabilidad elstica es aquella condicin de falla en la deformacin de la
columna y no es lo suficiente rgida para mantenerla recta bajo la accin de la carga.
27
1.5.1. Empotramiento o fijacin
La manera en que se apoyan o sustentan ambos extremos de las columnas presenta
una gran importancia debido a que segn la manera de fijacin depender como afecte la
longitud efectiva. Las maneras de fijacin son: atornillado, fija empotrada, empotrada libre
y empotrada atornillada.
Figura 1.13 Constante de fijacin en un extremo de una columna9
La manera en que se apoyan o sustentan ambos extremos de la columna afecta la
longitud efectiva, que se define como:
Le = L * K10 (1-4)
9 FUENTE: Robert L Mott, Diseo de Elementos de Maquinas, 4ta Edicin, Mxico, 2006 Pag 234 10 FUENTE: Robert L. Mott, Diseo de Elementos de Mquinas, 4ta Edicin, Mxico, 2006 Pag 233
28
Donde:
L = Longitud de la columna (m)
Le = Longitud efectiva (m)
K = Constante de empotramiento
1.5. VIGAS DE SOPORTE.
1.5.1. Cargas, apoyos y tipos de vigas.
Una viga es un miembro constructivo lineal que trabaja principalmente a flexin,
sometido a cargas lineales a lo largo de su eje. Dichas cargas inducen esfuerzos cortantes en
la viga provocando caractersticas de pandeo, teniendo adems como consecuencia
esfuerzos flexionantes.
Las vigas pueden ser sometidas a distintos patrones de carga como:
a. Cargas concentradas.
Las fuerzas concentradas o puntuales son aquellas que trabajan sobre un punto fijo,
usualmente ubicado en la base de vigas colocadas verticalmente.
Esta carga concentrada se la expresa en unidades de fuerza o de momento (N, lb, kgf, N*m,
lb*pie, kgf*m, etc.).
Figura 1.14 Carga concentrada P
29
b. Cargas distribuidas.
La carga uniforme distribuida es aquella que es aplicada en una seccin de la viga,
dicha carga puede ser uniforme o variable. Esta carga esta expresada en unidades de fuerza
sobre longitud en la que dicha fuerza esta aplicada (N/m, lb/pie, kgf/m).
Figura 1.15 Cargas Distribuidas W11
1.5.2. Tipos de apoyos.
Por lo general ubicados en los extremos o cerca de ellos, los apoyos son los
elementos que proporcionan estabilidad a la viga. Tenemos tres tipos de apoyos:
1. Apoyo fijo o empotrado
2. Apoyo de pasador
3. Apoyo simple de rodillo
Figura 1.16 Tipos de Apoyos12
11 FUENTE: inciarco.info/comunidades/showthread.php?t=760 12 FUENTE: www.monografias.com/trabajos82/temario-temas-selectos-fisica/temario-temas-selectos-fisica2.shtml
30
Tabla 2: Coacciones y grados de libertad segn los apoyos-empotramientos.13
Tipo Desplazamiento
x Desplazamiento
y Desplazamiento
z Reaccin
x Reaccin
y Reaccin
z
U v w Rx Ry Mq
Apoyo Normal 0 0 1 1 1 0
Apoyo Articulado 0 0 0 1 1 0
Apoyo Rodillo 1 0 1 0 1 0
Apoyo Articulado- Rodillo 1 0 0 0 1 0
Empotre Normal 0 0 0 1 1 1
Empotre Articulado 0 0 0 1 1 0
Empotre Rodillo 1 0 0 0 1 1
Empotre Rodillo-Articulado 1 0 0 0 1 0
1.5.3. Fuerza cortante.
Las fuerzas cortantes son fuerzas externas perpendiculares al eje de la viga, Esta
fuerza se da cuando sobre un cuerpo actan fuerzas iguales, con la misma direccin y
sentido contrario. Dichas fuerzas estn ubicadas en el mismo plano o en planos muy
cercanos.
1.5.4. Momento flexionante.
El momento flexionante est definido como la aplicacin de cargas perpendiculares
a la viga, dicho momento flexionante hace que la viga asuma una figura de pandeo
equivalente a la suma de los momentos respecto del centro de gravedad de esa seccin.
13 FUENTE: www.euskalnet.net/jmgomez/anesmef/anesmef1.html
31
1.5.4.1. Deflexin en vigas
Para comprobar a los esfuerzos y momentos a los que una viga est sometida se
calcular la deflexin mxima de uno de los extremos libres.
Figura 1.17 Vigas en voladizo14
Para el clculo de deflexin en la viga.
(1-5)
Donde:
F = Carga aplicada (N)
14 FUENTE: Joseph Edgard Shigley, Diseo en ingeniera mecnica, 3ra Edicin, Pg. 848
32
R1 = Carga Reactiva (N)
V = Fuerza cortante (N)
l = Longitud de la viga (m)
I = Momento de inercia (m4)
1.6. ELEMENTOS MECNICOS.
1.6.1. Cadenas.
Una cadena es un elemento de transmisin flexible el cual nos permite transmitir
potencias considerables, su construccin est basada en un conjunto de eslabones enlazados
entre s mediante pernos.
Sus principales caractersticas incluyen relaciones constantes de velocidad, permite
adems transmisin de fuerzas de traccin de magnitudes altas.
El tipo de cadena ms comn es la cadena de rodamientos, la cual su separacin
entre eslabones proporciona excepcionales fricciones entre la cadena y una rueda dentada.
33
Figura 1.18. Tipos de cadenas de eslabones15
La clasificacin de este tipo de cadenas esta dado bsicamente en la separacin de
los eslabones o paso como se muestra en la Figura 1.19.
Figura 1.19 Seccin de una cadena de rodillos16
15 FUENTE: Robert L Mott, Diseo de Elementos de Maquinas, 4ta Edicin, Mxico, 2006 Pag 284 16 FUENTE: Joseph Edgard Shigley, Diseo en ingeniera mecnica, 3ra Edicin, Pg. 815
34
Segn normas internacionales ISO y DIM una cadena de rodamientos lleva
designaciones estndares de dimetro, longitud y tolerancia para diversas aplicaciones tal y
como se muestra en la siguiente Tabla 3
Tabla 3 : Tamao de cadena por rodamiento17
REFERENCIA PASO DIAMETRO DE RODILLO
ANCHO INTERIOR
DIAMETRO EJE
LONGITUD DE EJE ANCHO MALLAS
GROSOR DE MALLAS
PASO TRANSVERSAL
FUERZA DE TENSION TOTAL
FUERZA DE TENSION MEDIA
DIN/ISO P d1 mx b1 min d2 mx L mx Lc mx h2 mx t/T mx Pt Q min Qo
mm. mm. mm. mm. mm. mm. mm. mm. mm. KN KN
05B-2 8,00 5,00 3,00 2,31 13,90 14,50 7,10 0,80 5,64 7,8 10,2
06B-2 9,53 6,35 5,72 3,28 23,40 24,40 8,20 1,30 10,24 16,9 18,7
08B-2 12,70 8,51 7,75 4,45 31,20 32,20 11,80 1,60 13,92 32,0 38,7
10B-2 15,87 10,16 9,65 5,08 36,10 37,50 14,70 1,70 16,59 44,5 56,2
12B-2 19,05 12,07 11,68 5,72 42,00 43,60 16,00 1,85 19,46 57,8 66,1
16B-2 25,40 15,88 17,02 8,28 68,00 69,30 21,00 4,15/3,1 31,88 106,0 133,0
20B-2 31,75 19,05 19,56 10,19 77,80 81,50 26,40 4,5/3,5 36,45 170,0 211,2
24B-2 38,10 25,40 25,40 14,63 101,70 106,20 33,20 6,0/4,8 48,36 280,0 319,2
28B-2 44,45 27,94 30,99 15,90 124,60 129,10 36,70 7,5/6,0 59,56 360,0 406,8
32B-2 50,50 29,21 30,99 17,81 124,60 129,60 42,00 7,0/6,0 58,55 450,0 508,5
40B-2 63,50 39,37 38,10 22,89 154,50 161,50 52,96 8,5/8,0 72,29 630,0 711,9
48B-2 76,20 48,26 45,72 29,24 190,40 198,20 63,80 1,20 91,21 1000,0 1130,0
La trasmisin por cadena tiene un gran nmero de utilidades dentro de la industria
ya sea automotriz, agrcola, maquinaria pesada y estacionaria.
Al ser comparada la transmisin por cadena con otras transmisiones de enlace
flexible como las transmisiones por poleas y correa, la transmisin por cadena presenta
varias ventajas como:
17 FUENTE: Robert L Mott, Diseo de Elementos de Maquinas, 4ta Edicin, Mxico, 2006 Pag 284
35
a. Dimensiones exteriores son menores
b. Ausencia de deslizamiento
c. Alto rendimiento
d. Pequea magnitud de carga sobre los ejes.
e. Posibilidad de cambiar con facilidad su elemento flexible (cadena)
En cambio, entre las desventajas de la transmisin por cadena se encuentran:
a. Tienden a producir ruido.
b. Requieren de una adecuada y constante lubricacin.
c. Requiere de una precisa alineacin durante el montaje y un constante
mantenimiento.
El circuito que recorre la cadena dentro del sistema mecnico del elevador esta
descrito a continuacin. Figura 1.20
36
Figura 1.20 Representacin de la cadena en el elevador18
1.6.2. Poleas.
La polea es un instrumento mecnico de traccin o elevacin, est formada casi
siempre por una rueda con un carril en su centro montada en un eje, es el apoyo de una
cuerda o cable que se desliza sobre ella sin dar una vuelta completa.
Bsicamente tiene dos propsitos: cambiar la fuerza mediante cuerdas o transmitir
un movimiento giratorio de un eje a otro; este movimiento sobre una polea fija no
18 FUENTE: http://www.fitesl.com/pdfs/werther/sat/Elev.%202%20columnas/Manuales/208I%28300%29_R8.pdf
37
proporciona ventaja mecnica, solo produce transmisin de fuerza cambiando la direccin y
sentido a travs de la cuerda.
Una polea mvil est sujeta al objeto y no a la viga, una polea mvil siempre es una
palanca de segunda clase, que multiplica la fuerza ejercida al alar la cuerda, sin embargo
hay que tirar de la cuerda una mayor distancia.
1.6.1. Cables.
Los cables metlicos son utilizados en la mayora de actividades industriales debido
a su gran eficiencia y su bajo costo, puede transmitir considerables fuerzas a grandes
distancias.
Dentro de la industria de arrastre, manipulacin y sujecin de cargas se las
encuentra en gras, cabrestantes e incluso en el trasporte de personas, telefricos,
ascensores, etc.
Es por lo antes mencionado que se debe conocer las caractersticas, tipos,
condiciones de mantenimiento y manipulacin para los cables metlicos.
1.6.3.1. Tipos de cables metlicos.
El tipo de cable metlico de acero se fabrica en dos tipos:
a) Torcido Normal.
Los alambres estn torcidos en un mismo sentido para formar los cordones, y estos
estn torcidos en sentido contrario para formar el cable. Como se muestra en la Figura 1.21
38
Figura 1.21 Torcido regular19
b) Torcido Lang
Los cables y los torones o nudos llevan la misma direccin. Los cables con Torcida
Lang son ligeramente ms flexibles y muy resistentes a la abrasin y a la fatiga; pero tiene
el inconveniente de tenderse a destorcer.
Figura 1.22 Torcido Lang20
1.6.3.2. Caractersticas de los cables.
Un cable metlico, de manera general puede estar compuesto por diversos cordones
metlicos dispuestos helicoidalmente alrededor de un alma, que puede ser textil, metlica o
mixta.
Esta unin es tal que se la considera como elemento nico el momento de realizar su
trabajo. A la vez un solo cordn puede estar compuesto por diversos alambres metlicos
dispuestos helicoidalmente en una o varias capas.
19 FUENTE: Joseph Edgard Shigley, Diseo en ingeniera mecnica, 3ra Edicin, Pg. 825 20 FUENTE: Joseph Edgard Shigley, Diseo en ingeniera mecnica, 3ra Edicin, Pg. 825
39
La estructura de un cable se expresa en la prctica de forma abreviada, mediante una
notacin compuesta por tres signos, cuya forma genrica es: A x B + C
Siendo:
A: El nmero de cordones
B: El nmero de alambres de cada cordn
C: El nmero de almas textiles.
Cuando el alma del cable no es textil o sea formada por alambres, se sustituye la
ltima cifra C, por una notacin entre parntesis que indica la composicin de dicha alma.
Si los cordones o ramales del cable son otros cables, se sustituye la segunda cifra B por una
notacin entre parntesis que indica la composicin.
El coeficiente de seguridad de trabajo de un cable es el cociente entre la carga de
rotura efectiva y la carga que realmente debe soportar el cable.
21 (1-6)
En el siguiente grafico se puede observar el movimiento del cable en el elevador
electrohidrulico.
21 FUENTE: Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo, Espaa.
40
Figura 1.23 Esquema del cable elevador22
1.7. ELEMENTOS ELCTRICOS.
1.7.1. Motor Trifsico.
El motor que incorpora el elevador electro-hidrulico de este proyecto en teora
genera una potencia de 2,95 HP, elevando 3200 kg en un tiempo estimado de 55 segundos.
1.8. SOLDADURAS.
La soldadura es un proceso en el cual dos metales son unidos por medio de calor y/o
presin y se define como la liga metalrgica entre los tomos del metal a unir y el aporte.
22 FUENTE: http://www.fitesl.com/pdfs/werther/sat/Elev.%202%20columnas/Manuales/208I%28300%29_R8.pdf
41
Existen varios procesos de soldadura los que difieren la manera de aplicar calor o la
energa para su unin. Para el presente proyecto se va a utilizar la soldadura continua MIC,
MAC, los cuales se detalla a continuacin.
1.8.1. Tipos de Soldadura.
1.8.1.1. Soldadura por arco con gas protector (MIG, MAG).
La soldadura MIG se caracteriza porque su electrodo es de un metal que se utiliza
como metal de aporte, por lo que este sistema es considerado como un proceso de soldadura
continua.
Las principales bondades de este proceso son la alta productividad y excelente
calidad; en otras palabras, se puede depositar grandes cantidades de metal siendo la ms
utilizada para estructuras en general, por lo que resulta ideal para las soldaduras del
presente proyecto.
Figura1.24 Soldadura MIG23
23 FUENTE:Pedro Claudio Rodrguez, Manual de soldadura, Editorial Alsina, Pg. 60
42
1.8.1.2. Electrodo Para la soldadura MIG.
Tabla 4 : Propiedades del electrodo
ALAMBRE MIG PARA ACERO DE BAJO CARBONO ER 70 S-6
Norma: AWS ER70S-6 Anlisis del metal depositado:
C 0,1 % Si 0,90 % Mn 1,50 %
Descripcin : Alambre continuo cobrizado de acero micro-aleado Proceso: MAG (G.M.A.W)
Tabla 5: Propiedades del proceso de soldadura
MIG/MAG GAS DE PROTECCIN CO2 AGA MIX 20
RESISTENCIA A LA TRACCIN 58-63 Kg/mm2
80000 psi
Aplicaciones: Para soldar acero dulce en toda posicin, mediante proceso MIG,
usando CO2. Utilizado en estructuras por lo general, maquinarias, bastidores de autos,
puentes, muelles, torres, etc.
Tabla 6 : Parmetros para soldar.
PROCESO MAG AMPERAJE VOLTAJE FLUJO VELOCIDAD (GMAW) JE JE GAS ALIMEN
Mm Plg A V lt/min ALAM
CORTO CIRCUITO 0,8 0,03 90-110 15-21 8-15 500-860 0,9 0,035 90-110 16-22 8-15 400-760
1,0 0,04 100-120 17-22 8-15 310-630 1,2 0,045 100-130 17-22 8-15 250-560
43
Para soldar en posicin vertical y sobre cabeza, reducir el amperaje un 10 a 15%
1.8.1.3. Clculo y anlisis de sueldas.
A continuacin se muestra las frmulas que se van a emplear, con las cuales
podemos deducir la resistencia que cada una de estas va a lograr soportar, segn el trabajo
que realice.
F = (C*Xs)*re 24
(1-7)
Xs = (Lc 2) C 25 (1-8)
Donde:
F = Fuerza (N)
C = Espesor de la costura del electrodo (mm)
Xs = Longitud de soldadura de soporte (mm)
re = Resistencia del electrodo (N/mm2)
Lc = Longitud total del cordn (mm)
24 FUENTE: Nicols Larburu, Maquinas Prontuario, Editorial Paraninfo, Pg. 99 25 FUENTE: Nicols Larburu, Maquinas Prontuario, Editorial Paraninfo, Pg. 99
44
CAPITULO 2.- DISEO DEL ELEVADOR ELECTRO-HIDRULICO.
2.1. PARMETROS DE DISEO.
Figura 2.1 Parmetros de diseo26
Capacidad mxima de carga = 3200 Kg
Altura mxima de elevacin = 1900 mm
Altura mnima de elevacin = 115 mm
Separacin entre carros = 2760 mm
Ancho total = 3453 mm
Medidas de la base = 483 x 432 mm
Longitud mxima del brazo largo = 1250 mm
Longitud mnima del brazo largo = 870 mm
Longitud mxima del brazo corto = 1000 mm
26 FUENTE: http://www.fitesl.com/pdfs/werther/sat/Elev.%202%20columnas/Manuales/208I%28300%29_R8.pdf
45
Longitud mnima del brazo corto = 710 mm
Tiempo de subida del motor = 75 sec
Tiempo de descenso = 18 sect45 sec
2.2. CLCULOS DEL DESARROLLO DEL MATERIAL.
2.2.1. Relaciones entre cargas esfuerzos y deformaciones.
En esta seccin se toma en consideracin el inicio del diseo del elevador, en el cual
tomamos en cuenta todos los factores que han de ser determinantes en la construccin del
presente proyecto.
Dentro de los datos calculados es importante relevar que se aadir un 10 % de la carga
total, el cual concierne al factor de riesgo o seguridad, el cual tiene como objetivo sobre
dimensionar las fuerzas que actan sobre el elevador y as crear un diseo con previsiones de
desgaste o corrosin, posibles errores o desviaciones en las propiedades previstas de los
materiales, diferencias entre las propiedades tabuladas y las obtenibles en la realidad,
tolerancia de fabricacin o montaje, etc; es as como se inicia el desarrollo numrico.
Dentro del presente proyecto, se utiliza material de Acero A588 cuyas aplicaciones y
propiedades mecnicas son:
46
Tabla 7 : Aplicaciones y propiedades mecnicas del ACERO A58827
APLICACIONES PROPIEDADES MECNICAS Industria Automotriz
Resistencia ultima a la traccin Su = 485 MPa
Industria Petrolera
Resistencia a punto cedente S y = 345 Mpa
Industria Mecnica en general Construccin de puentes , etc.
Mdulo de elasticidad E = 200 GPa
2.3. CARGAS.
Se entiende por carga, a la relacin de un miembro a las fuerzas y su capacidad de
soportarlas. Tenemos tres tipos de cargas, las estticas o constantes, las repetidas y las de
choque o impacto.
En el presente proyecto, se utilizar todas las frmulas concernientes a las cargas
estticas o constantes, ya que en su definicin, se determina que las fuerzas se va a aplicar a la
estructura, se van aplicando poco a poco y no repetidamente, y permanecen casi constantes
despus de que se aplican al mismo (brazo).
La carga total a elevar, est determinando en el postulado del presente proyecto de la
siguiente manera:
Carga neta = Peso a elevar
27 Propiedades fsicas medias de los materiales mas comunes
47
Carga neta = 3200 Kg
Carga total (CT) = 3200 Kg + 10 % Factor de seguridad
La Carga Real ser la (CT) = 34531.20 N dividido para dos columnas
Carga Real (CR) = 17265.60 N
El esfuerzo se repartir hacia los cuatro brazos telescpicos, los dos grandes y los dos
pequeos en proporciones distintas, tal es el caso que los brazos cortos elevaran un peso del 70
% y los brazos largos elevara el 30 % restante.
Como se puede apreciar, el diseo propuesto con las medidas reales, asegura elevar la
carga total, adems permitir desarrollar trabajos adicionales en el vehculo una vez que este
se encuentre suspendido sobre los brazos del elevador.
2.4. CLCULO Y ANLISIS GENERAL DE LA ESTRUCTURA.
Para la comprobacin estructural de este proyecto se utiliz el programa SAP 2000, el
cual nos permite un clculo como son momentos en un sistema esttico y una visualizacin
exacta para un ptimo funcionamiento.
2.4.1. Carga critica de un soporte largo y esbelto
Una de los principales y ms importantes clculos es la carga crtica de los extremos,
ya que estos estn sometidos a compresin axial y podra producir un pandeo en estos.
48
El anlisis de estas estructuras se lo realiza mediante un anlisis esttico en la posicin
crtica, estado en el cual se obtiene los mximos momentos y esfuerzos que actan sobre la
estructura.
En el caso de nuestro elevador se considera a una altura mxima de elevacin de 1900
mm del nivel del suelo, y los brazos a su longitud mxima, el brazo pequeo aplicada una
carga de 12085.92 N correspondiente al 70 % del pesa a elevar. Y el brazo largo con una carga
de 5179.68 N correspondiente al 30 % del peso a elevar como se puede observar en la Figura
2.2
Figura 2.2 Fuerzas actuantes en el sistema28
28 FUENTE: Software SAP 2000
49
Una vez planteado el problema y colocadas las fuerzas actuantes a las que sern
sometidas, se realizara el anlisis mediante la primera ley de Newton para esttica, la cual
establece que si la fuerza neta sobre un objeto es cero, si el objeto est en reposo, permanecer
en reposo y si est en movimiento permanecer en movimiento en lnea recta con velocidad
constante.
Fx = 0; Fy = 0; Fz = 0; Mx = 0; My = 0; Mz = 0
Como en el suelo se encuentra empotrado la estructura se producen 3 reacciones y 3
momentos, las reacciones las vamos a dar una nomenclatura de acuerdo con el eje en el cual
actan (X, Y y Z).
Luego de hacer el anlisis de momentos y fuerzas se tiene los valores de las siguientes
reacciones y momentos como se observa en la Figura 2.3
50
Figura 2.3 Fuerzas resultantes en el sistema29
Rx = 0 Mx = 1314,95 N*m
Ry = 3559,63 N My = 9198,27 N*m
Rz = 19212,28 N Mz = 0
A continuacin para realizar el anlisis de cada uno de los elementos que compone el
sistema, los hemos dividido en: Columnas y brazos.
Las columnas son elementos que se encuentran en la direccin z y los brazos en direccin XY.
29 FUENTE: Software SAP 2000
51
2.4.2. Clculos de las columnas
La columna debe ser analizada por estabilidad debido a que sta acta bajo
compresin, para esto debemos encontrar el punto crtico (Pcr).
Punto crtico es la carga crtica o mxima en la cual no existe deflexin o deformacin
del elemento como observamos en la Figura 2.4
Figura 2.4 Fuerzas actuantes sobre la columna
Las dimensiones del perfil seleccionado de la columna es de espesor e = 0,006 m y
0,25*0,23*0,05*0,03m como se observa en la Figura 2.5
Pcr
My = 9198,27 N Rx = 19212,28 N
52
Figura 2.5 Perfil de la columna y propiedades de la seccin
Tabla 8 : Propiedades de la seccin de las columnas30
A continuacin procedemos a calcular las caractersticas de la columna para este proyecto.
30 FUENTE: Software SAP 2000
53
2.4.2.1. Momento de inercia
Con respecto a un eje plano es la suma de los momentos de inercia respecto del eje de
todos los elementos de rea contenidos en ella.
Donde I es el momento de inercia con respecto a cada eje en su plano, y x,y son la distancia
desde el centro de cada uno de los elementos al eje neutro respectivamente.
Ixx = Ixxi (2-1)
Iyy = Iyyi (2-2)
Ixx = 5.062 * 10-5 m
Iyy = 3.400 * 10-5 m
2.4.2.2. Radio de giro
Posterior a los clculos de inercia calculamos el radio de giro en cada uno de los ejes
utilizando la ecuacin.
rxx = ryy =
rxx = ryy =
rxx = 0,10336 m ryy = 0,08471 m
54
2.4.2.3. Calculo del factor esbeltez
Para este clculo procederemos a utilizar la ecuacin (2-3), en el cual necesitaremos el
valor de k (constante en funcin del tipo de empotramiento Figura 1.13)
Re = 44,86
Despus procedemos a calcular la razn de transicin de la delgadez Cc con la ecuacin (2-4).
(2-4)
Una vez obtenidos estos datos aplicamos la ecuacin (2-5) para determinar si se trata
de una columna corta o larga. Figura 2.6
Re > Cc (2-5)
Re > Cc = 44,86 > 106,97
55
Figura 2.6 Diagrama de anlisis de una columna31
Mediante esta relacin podemos darnos cuenta que se trata de una columna corta, por
lo que utilizaremos la frmula de Johnson; para calcular la carga permisible Pcr.
Formula de Johnson
Pcr = 1490875,16 N
31 FUENTE: Robert L. Mott, Diseo de Elementos de Mquinas, 4ta Edicin, Mxico, 2006 Pag 236
La columna es larga, use la frmula de Euler.
La columna es corta, use la frmula de Johnson.
Es Re>Ce?
Calcule carga permisible
SI NO
56
A continuacin calcularemos la carga permisible real Pa utilizando la ecuacin (2-6) a la cual
la columna empezara a deformarse.
Pa = Pcr / N (2-6)
Segn lo recomendado por los libros investigados tomamos un factor de seguridad N = 332
Pa = 1490875,16 N / 3
Pa = 496958,38 N
CONCLUSION:
De acuerdo a los clculos obtenidos podemos determinar que las cargas aplicadas en la
columna no provocaran ninguna deformacin ya que estn dentro del rango de carga
permisible a la que fue diseado nuestro proyecto.
Pa = Carga de Diseo
Pcr = Carga del calculo
Pa > Pcr
Pa = 471589,89 N > Pcr = 19212,28 N
2.4.2.4. Clculo de soldadura
Para el clculo de las soldaduras utilizamos las ecuaciones (1-7) y (1-8).
32 FUENTE: Robert L. Mott, Diseo de Elementos de Mquinas, 4ta Edicin, Mxico, 2006 Pag 242
57
2.4.2.4.1. Clculo de la placa soporte (Base)
Resistencia a la traccin MIG = 58-63 Kg /mm2
Lc =30 + 50 + 230 + 250 + 230 + 50 + 30
Lc = 870 mm
C = 10 mm
Xs = (Lc 2) C
Xs = (870 mm 2) * 10 mm
Xs = 8680 mm
F = (C * Xs) * re
F = (10 mm * 8680 mm) * 58 Kg / mm2
F = 5034400 Kg
F = 49387464 N
2.4.2.4.2. Clculo de soldadura de las nervaduras
Sumatoria total de todo el cordn de suelda.
58
Lc = 67 + 200 + 180
Lc = 447 mm
Xs = (Lc 2)C
Xs = (447 mm 2)*10 mm
Xs = 4450 mm
F = (C*Xs) * re
F = (10 * 4450 mm2) * 58 Kg / mm2
F = 2581000 Kg
F = 25319610 N
Esfuerzo total que soportara la base es:
FT = 49387464 N + 25319610 N FT = 74707074 N
CONCLUSION:
La Fuerza que va a soportar los cordones de suelda es de 74707074 N por lo que
podemos deducir que soportar la fuerza ejercida sobre la columna que es de 16797,12 N, por
lo que se garantiza su perfecto funcionamiento.
59
2.4.3. Anlisis esttico de los brazos
Para este diseo de los brazos se realizara un anlisis esttico. La seccin de los brazos
est compuesta por una seccin tipo caja de 0,10 m * 0,10 m y un espesor de e = 0,005 m
como se puede observar en la Figura 2.6.
Figura 2.6. Seccin de los brazos
Los parmetros de los brazos se calculan al igual que el anlisis de la columna.
Tabla 9: Propiedades de la seccin de los brazos33
33 FUENTE: Software SAP 2000
60
Momentos de inercia
m
Iyy = 3,426 10-6 m
Radio de giro
Para calcular el radio de giro utilizaremos las siguientes ecuaciones:
rxx = ryy =
rxx = rxx =
rxx = 0,0383 m ryy = 0,0383 m
A continuacin veremos el anlisis de cada uno de los brazos del elevador.
2.4.3.1. Clculos del Brazo pequeo
Figura 2.7 Brazo pequeo del elevador
61
Para lo que son brazos se har un anlisis esttico en donde se considera que el brazo
se encuentra en un apoyo el cual restringe los movimientos solo en direccin axial, y se
encuentra aplicada una carga puntual 12085.92 N como se puede apreciar en la Figura 2.8
Figura 2.8 Diagrama de cuerpo libre
Donde:
F = Fuerza aplicada (N)
R1 = Fuerza Reactiva (N)
Tambin se tiene que calcular los esfuerzos en la seccin crtica donde el momento
flector es mximo, como se observa en la Figura 2.9
Figura 2.9 Diagrama de momento flexionante
F = 12085,92
R1
F = 12085.92
62
Mmax = F * d 34 (2-7)
Donde:
Mmax = Momento flector mximo (N*m)
d = Distancia del brazo (m)
Mmax = 12085.92 N * 1 m
Mmax = 12085.92 Nm
Los esfuerzos de tensin en la viga se calcula en la seccin crtica del perfil y se lo
hace con respecto al momento flector mximo.
= 35 (2-8)
Donde:
= Esfuerzo de tensin en la viga (MPa)
y = Distancia desde el eje neutro hasta el punto requerido (m)
Ixx = Momento de inercia (m4)
=
= 141.11 MPa
34 Joseph Edgard Shigley, Diseo en ingeniera mecnica, 6ta Edicin, Pag. 104 35 Joseph Edgard Shigley, Diseo en ingeniera mecnica, 6ta Edicin, Pag. 114
63
Tambin calcularemos los esfuerzos debidos al corte () como se puede observar en la Figura
2.10
Figura 2.10 Diagrama de esfuerzo cortante
En este caso la fuerza cortante es constante y la seccin del perfil se calcula con respecto a la
siguiente relacin:
= 36 (2-9)
Donde:
= Esfuerzo cortante (N*m)
V = Fuerza cortante (N)
A = rea (m2)
=
= 7794015,48 Pa
= 7.79 MPa
36 Joseph Edgard Shigley, Diseo en ingeniera mecnica, 6ta Edicin, Pag. 123
64
Ahora calculamos el factor de seguridad que se lo obtendr comparando el esfuerzo
mximo, con la resistencia a la fluencia del material (Acero A588).
La resistencia de la fluencia del material (Acero A588) Sy es 345 MPa
= 37 (2-10)
Donde:
= Factor de seguridad
= Resistencia a la fluencia (MPa)
= Esfuerzo mximo (MPa)
=
= 1.72
Conclusin:
De acuerdo a los valores obtenidos, podemos establecer que los factores de seguridad
se cumple satisfactoriamente teniendo un valor de = 1.72, con este valor podemos
determinar que el brazo va a soportar la carga y no fallara.
37 Joseph Edgard Shigley, Diseo en ingeniera mecnica, 6ta Edicin, Pag. 25
65
2.4.3.1.1. Clculo de suelda en los brazos pequeos
Para el clculo de las soldaduras utilizamos las ecuaciones (1-7) y (1-8)
Lc = 932 + 546
Lc = 1478 mm
C = 10 mm
Xs = (Lc 2) C
Xs = (1478 mm 2) * 10 mm
Xs = 14760 mm
F = (C * Xs) * Re
F = (10mm * 14760 mm) * 58 Kg / mm2
F = 8560800 Kg
F = 83981448 N
2.4.3.2. Clculos del brazo largo.
Figura 2.11 Brazo largo del elevador
66
Para el clculo de brazos largos se hace un anlisis esttico en el cual la carga puntual
de 5179,68 N se la aplica en el extremo como se indica en la Figura 2.12.
Figura 2.12 Diagrama de cuerpo libre
Adems se debe calcular los esfuerzos en la seccin crtica donde el momento flector
es el mximo utilizado, como se observa en la Figura 2.13. Para este clculo se utiliza la
ecuacin (2-7).
Figura 2.13 Diagrama de momento flexionante
Mmax = F * d
Mmax = 5179,68 N * 1,250 m
Mmax = 6474,6 N*m
67
Se debe calcular tambin el esfuerzo de tensin que soporta la viga, el anlisis se lo
hace en la seccin crtica del perfil y esto se calcula con respecto al momento flector mximo.
Se lo calcula utilizando la ecuacin (2-8).
= 6474,6 N.m * 0,04m 3,426 * 10-6 m4
= 75593695,27 N/m2
= 75,59 MPa
Adems los esfuerzos debidos al corte () se representan por la fuerza cortante V como
se observa en la Figura 2.14.
Figura 2.14 Diagrama de esfuerzo cortante.
Como en este caso la fuerza cortante es constante, la seccin del perfil se calcula
utilizando la ecuacin (2-9).
68
= 3340292,34 N/m2
= 3,34 MPa
Ahora se debe calcular el factor de seguridad que se lo obtendr comparando el valor
mximo calculado, con la resistencia a la fluencia del material (Acero A588) utilizando la
ecuacin (2-10).
La Sy resistencia a la fluencia del material Acero A588 es: Sy = 345 MPa
= 4,56
Con los valores obtenidos, se establece que los factores de seguridad se cumplen
satisfactoriamente teniendo un valor de = 4,56 con lo que podemos garantizar que el brazo
va a soportar la cargar y no va a fallar.
69
2.4.3.2.1. Clculo de sueldas en brazos largos.
Para el clculo de las soldaduras recurrimos a las ecuaciones (1-7) y (1-8).
Datos:
Lc = 932 + 546
Lc = 1478 mm
C = 10mm
Xs = (Lc 2) * C
Xs = (1478 2) * 10
Xs = 14760mm
F = (C * Xs) * re
F = (10mm * 14760mm) * 58 Kg/mm2
F = 8560800 Kg
F = 83981448 N
Conclusin:
La fuerza que va a soportar los cordones de suelda es de 83981448 N por lo tanto
podr soportar la mxima fuerza ejercida sobre los brazos que es de 5179,68 N, y este mismo
tipo de fuerzas son las que refuerzan la estructura del elevador.
70
2.4.3.3. Cables
2.4.3.3.1. Clculo de cable
Para determinar cul debe ser el dimetro del cable de acero para transportar cierta
cantidad de carga debemos siempre utilizar el factor de seguridad sugerido por el fabricante
dependiendo adems el uso al que va hacer sometido. Los datos para el clculo del cable se
pueden obtener en la Tabla 10.
Tabla 10 : Datos para clculo del cable.38
DATOS PARA EL CLCULO
CARGA A SER TRANSPORTADA = 3,2 Ton
TIPO DE SERVICIO = Servicios generales de levantamiento de carga
FACTOR DE SEGURIDA = El factor de seguridad deseable para las condiciones dadas puede obtenerse consultando la Tabla 11.
Tabla 11 : Cable normal para elevacin.39
RESISTENCIA DE RUPTURA TONELADAS
Dimetro plg
Peso aprox. Lb/pie
Acero de centro azul
(Ton)
Acero para arados (Ton)
Acero dulce para arados (Ton)
9/16 0,51 13,5 11,8 10,2
1/2 0,4 10,7 9,35 8,13
7/16 0,31 8,27 7,19 6,25
3/8 0,23 6,1 5,31 4,62
5/16 0,16 4,26 3,71 3,22
1/4 0,1 2,47 2,39 2,07
38 FUENTE: Datos proporcionados por el fabricante. 39 FUENTE: John A. Roeblings Sons Co.
71
Conclusin:
De acuerdo con la carga aplicada en este caso es de 3,2 Ton y la tabla de seleccin de
cable. Tenemos por lo tanto la seleccin del cable de 3/8 de pulgada, el cual presenta una
resistencia a la ruptura de 6,10 Ton lo cual asegura un ptimo funcionamiento del presente
proyecto.
2.4.3.4. Poleas.
Con los datos del dimetro escogido para el cable que es de Cable = 3/8y la tabla de
relacin del tipo de cable y dimetro de polea, procedemos al clculo de dimetro de la polea
que se empleara en el presente proyecto.
Tabla 12 : Dimetro de poleas segn el cable.40
RELACIN TIPO DE CABLE Y DIMETRO DE POLEA
TIPO CABLE DIMETROS RECOMENDADOS DIAMETROS MINIMOS
6*7 7,2 x dimetro del cable 4,2 x dimetro del cable 6*19 seale 5,1 x dimetro del cable 3,4 x dimetro del cable
6*19 comn 3,9 x dimetro del cable 2,6 x dimetro del cable 18*7 5,1 x dimetro del cable 3,4 x dimetro del cable
6*25 filler (3/8) 8,0 x dimetro del cable 6,0 x dimetro del cable 6*36 warrington 3,4 x dimetro del cable 2,3 x dimetro del cable
6*37 comn 2,7 x dimetro del cable 1,8 x dimetro del cable 6*41 warrington 3,1 x dimetro del cable 2,0 x dimetro del cable
De acuerdo a la Tabla 12 la polea ideal ser:
6*25 filler (3/8) 8,0 x dimetro del cable 6,0 x dimetro del cable
40 FUENTE: www.incamet.com.ar/archivos/9_relacion_diametro_polea_diametro_cable.pdf
72
Con las condiciones presentadas tenemos los siguientes resultados:
Dimetro recomendado = 8,0 x dimetro del cable
Dimetro recomendado = 8 x 3/8
Dimetro recomendado = 3
Dimetro mnimo = 6,0 x dimetro del cable
Dimetro mnimo = 6,0 x 3/8
Dimetro mnimo = 2,25
2.4.3.5. Seleccin de cadenas
La seleccin de cadena depende de la carga aplicada que en este caso ser mximo 3,2
Ton y la tabla 1.2 de seleccin de cadenas. Por lo tanto se elige una cadena de rodillos dobles
10B-2 de una longitud total de 2,32m.
La cadena presenta una resistencia a la ruptura de 40 KN lo cual asegura un funcionamiento
correcto del presente proyecto ya que tendr que soportar una carga a levantar total de
34517,12 N.
73
2.5. DISEO Y SELECCIN DE ELEMENTOS HIDRULICOS
2.5.1. Diseo del cilindro.
El cilindro se disea como un cilindro de pared gruesa, este est sometido a una
presin interna de p = 3,17 MPa que genera el fluido, de acuerdo a los manuales del
fabricante.
La fuerza mxima que debe transmitir cada cilindro para la capacidad del elevador en su
posicin crtica es de 17258,56 N.
Utilizando la ecuacin (1-1) calculamos el rea del cilindro.
A= 0,00544 m2
A continuacin calcularemos el dimetro interior del cilindro hidrulico.
41 (2-11)
41 Robert L. Mott, Diseo de elementos de Maquinas, 2da Edicin, Apndice 1
74
Donde:
P = presin del fluido (N/m2)
F = Fuerza transmitida (N)
A = rea del cilindro (m2)
Di = Dimetro interior del cilindro (m)
Di = 0,0834 m = 3,28
En el mercado no se puede encontrar cilindros con los datos exactos a los calculados,
por lo que hemos seleccionado un cilindro hidrulico con dimetro interior Di = 3.5
(0,889m). De tubo de acero sin costura A-53 grado B, clula 40 con esfuerzo permisible de
60000 psi de dimetro 3,5 pulgadas.
Propiedades fsicas del tubo de acero sin costura A-53 grado B.
Dimetro interior = 3,5 pulg
Dimetro exterior = 4 pulg
75
CLCULO DEL ESFUERZO PRODUCIDOPOR EL TUBO
Datos:
ri = 1,75 pulg
re = 2 pulg
42 (2-12)
Donde:
St = Esfuerzo tangencial en el radio r (MPa)
ri = Radio interior (Plg.)
re = Radio exterior (Plg.)
p1 = Presin interna (MPa) presiones
St = 12,35 MPa
El tubo seleccionado cumple satisfactoriamente la presin generada por el sistema, ya
que el esfuerzo tangencial calculado supera al esfuerzo tangencial diseado.
42 Baumeister, T. y otros, Marcks Manual de Ingeniero Mecnico, 8va Edicin, Pg. 3-26
76
S1 > p
S1 = Esfuerzo tangencial calculado = 12,35 MPa
p = Esfuerzo tangencial diseado = 3,17 MPa.
2.5.2. Diseo del vstago del cilindro.
El punto crtico del vstago del cilindro es cuando acta una presin de 3,17 MPa sobre el
rea del pistn a travs del sello principal del pistn.
El vstago se considera como una columna empotrada y libre por el otro extremo como se
observa en la figura 2.15.
Figura 2.15 Columna empotrada y libre por el otro extremo.43
43 Robert L. Mott, Diseo de Elementos de Maquinas, 4ta Edicin, Pg. 234
77
CLCULO DE LA LONGITUD EFECTIVA (Le)
Para calcular la longitud efectiva del vstago del cilindro utilizaremos la ecuacin (1-4)
conjuntamente con los datos dados a continuacin.
Datos:
F = 17258,56 N
L = 1,25 m
Le = K * L
Le = 2 * 1,25m
Le = 2,50 m
RADIO DE GIRO.
44
rmin = 0,01125 m
44 Robert L. Mott, Diseo de Elementos de Maquinas, 4ta Edicin, APNDICE 1.
78
CLCULO DEL FACTOR DE ESBELTEZ.
Para calcular la relacin de esbeltez utilizaremos la ecuacin (2-3), y recurriremos a
los datos ya obtenidos en el clculo de la longitud efectiva.
Re = 222.22
Luego calcularemos la razn de transicin de delgadez utilizando la ecuacin (2-4).
Cc = 112,85
Ahora debemos analizar si se trata de una columna corta o una columna larga
utilizando la ecuacin (2-5).
KL/r > Cc
222,22 > 112,85
79
De esta relacin determinamos que se trata de una columna larga, por lo tanto
utilizamos la ecuacin de Euler para analizarla.
FRMULA DE EULER
Pcr = 63555,32 N
Ahora calcularemos la carga permisible Pa a la cual la columna empezara a
deformarse, utilizando la ecuacin (2-6).
De lo recomendado por los libros tomamos un factor de seguridad N = 3
Pa = Pcr / N
Pa = 63555,32 N / 3
Pa = 21185,1 N
CONCLUSIN:
De los clculos obtenidos determinamos que las cargas aplicadas en el vstago del
cilindro no provocan ninguna deformacin en este ya que estn dentro del rango de carga
permisible a la que fue diseado nuestro proyecto.
80
Pa >Pcr
Pa = 21185,1 N > Pcr = 17258,56 N
2.5.3. Seleccin de la Unidad de Potencia.
2.5.3.1. Determinacin del caudal de la bomba.
Para el clculo del caudal de la bomba, necesitamos los siguientes parmetros: Tiempo
de elevacin, recorrido y dimetro interior del cilindro.
Datos:
Di = 3,5 plg (0,0889 m)
C = 1,25 m
T = 75 s = 1,25 min.
Para el clculo del caudal de la bomba utilizamos la siguiente ecuacin:
45 (2-13)
Donde:
Q = Caudal (GPM)
Di = Dimetro interior del cilindro (m)
C = Carrera til del pistn (m)
45 Parker, Industrial Hydraulic Technology, 21th Edicin, Ohio, 1986, Pg. 4 5
81
t = Tiempo de elevacin (s)
Q = 1,03 * 10-4 m3/s
Q = 1,63 GPM
Este caudal es calculado para un solo cilindro, en nuestro caso es necesario multiplicar
este valor para los dos cilindros que presenta el proyecto.
QT = 1,63 * 2 = 3,26 GPM
Por lo tanto seleccionaremos una bomba que genere 3,26 GPM de caudal, para subir los
mbolos de los cilindros en un tiempo de 75 segundos.
2.5.3.2. Determinacin de la potencia del motor elctrico.
La potencia del motor elctrico se calcula en funcin de la presin y el caudal que va a
generar la bomba.
Potencia = p * Q 46 (2-14)
46 Parker, Industrial Hydraulic Technology, 21th Edicin, Ohio, 1986, Pg. 4 5
82
Donde:
p = presin en los cilindros 12,35 MPa (1791,21 psi)
Q = caudal de la bomba (GPM)
Potencia = p * Q
Potencia = 1272,05 N*m/s
Potencia = 1272,05 watts
Potencia = 1,71 hp
De lo que est disponible en el mercado seleccionamos un motor elctrico con las siguientes
caractersticas:
Tabla 13: Caractesticas Motor Elctrico47
MOTOR ELCTRICO
Voltaje Frecuencia Corriente Potencia Revoluciones
(VCA) (Hz) (A) (HP) (rpm)
230 - 400 50 6,4 - 11 2,95 1400
2.5.3.3. Determi
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