INGENIERÍA EN ELECTROMECÁNICA

INGENIERÍA EN ELECTROMECÁNICA

ESPE-L

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE LAVADO DE ARENA CON CAPACIDAD APROXIMADA DE CIENTO SESENTA TONELADAS POR DÍA E IMPLEMENTACIÓN DE UN HMI, PARA LA COMPAÑÍA “ECOHORMIGONES”

OBJETIVO GENERAL:DISEÑAR Y CONSTRUIR UN SISTEMA DE LAVADO DE ARENA DE CIENTO SESENTA TONELADAS POR DÍA PARA LA COMPAÑÍA ECOHORMIGONES.

OBJETIVOS

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diseñar y construir el tornillo sinfín. Diseñar y construir la artesa. Diseñar y construir la tolva contenedora de arena. Diseñar y construir el chasis. Disminuir el consumo de agua. Implementar el circuito de control eléctrico.

OBJETIVOS

EQUIPOS PARA EL LAVADO DE LA ARENA

NORIAS TIPO TORNILLO

ELUTRIADORES HODROCICLONES

Sistema de lavado de arena

LAVADORA TIPO TORNILLO

(1)Tornillo sinfín(2) Artesa(3) Sistema motriz (4) Tolva(5) Compuerta de descarga(6) Tanque de decantación(7) T. de almacenamiento (8) Chasis(9) Cilindro neumático(10) Mangueras(11) Bomba centrifuga (12) Tablero de control

LAVADORA TIPO TORNILLO

Parámetros de diseño Material a procesar Arena de banco

húmeda ()

Capacidad del equipo 20 t/h

Pendiente del equipo 15°

Velocidad angular del tornillo 13 RPM

Velocidad tangencial del tornillo 0,5 m/s

Sentido de la hélice Mano derecha

Separación entre la artesa y la hélice 20 mm

Factores de seguridad 3

4

v

exD

𝐷h=60×V  𝜋×𝑁 =0,734𝑚

𝐷h=780𝑚𝑚

Diámetro del tornillo sinfín

Paso del tornillo sinfín

LAVADORA TIPO TORNILLO

𝑃=𝐷h

2=390𝑚𝑚

Longitud del tornillo sinfín

𝐿𝑙𝑣=𝑃× 𝑡𝑙𝑣×𝑁  

60

𝐿𝑇=3×𝑃× 𝑡𝑙𝑣×𝑁  

60=6,33𝑚

Por disposición del material

V=0,53𝑚/ 𝑠

𝐻𝑃𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜=𝐿𝑇×N× 𝑓 𝑑  × 𝑓 𝑏

1000000=0,0935𝐻𝑃

Potencia del motor

Determinación del número de discos

LAVADORA TIPO TORNILLO

¿𝑑𝑒𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠=𝐿𝑇𝑃 =15,25 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠

𝐻𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎=𝐶×𝐿𝑇×W× 𝑓 𝑓  × 𝑓 𝑚× 𝑓 𝑝

1000000=1,95𝐻𝑃

𝐻𝑃 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=(𝐻𝑃𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜+𝐻𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎)× 𝑓 0

𝑒× 𝑓 𝑖=4,85𝐻𝑃≈5𝐻𝑃

𝐹 𝑃𝑀=𝐻𝑃 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

¿𝑑𝑒𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠×𝑣𝑎=2871,27𝑁

Espesor del helicoide

LAVADORA TIPO TORNILLO

290,56 N

𝑣𝑎=𝑃×𝑁60

𝑊=𝑤×𝑉 𝑝𝑎𝑠𝑜

𝑉 𝑝𝑎𝑠𝑜=𝜆×𝜋 × (𝐷h

2−𝑑𝑒2 )×𝑃

4

015

015cosW

015Wsen

W

N

015

w

N

P

rF

Espesor del helicoide

LAVADORA TIPO TORNILLO

𝑓 =𝐹 𝑃𝑀+𝐹𝑅=3161,83𝑁

𝑓 𝑒=𝑓∅

=5488,34𝑁 /𝑚

∅=¿¿𝐹 𝑒= 𝑓 𝑒×𝑏=5488.34𝑁

Espesor del helicoide

LAVADORA TIPO TORNILLO

𝑀=2×𝐹 𝑒× 𝐿

3=329,30𝑁−𝑚

𝜎=6×𝑀𝑏×𝑒2

𝐹 𝑠=𝑆𝑦

6×𝑀𝑏×𝑒2

𝐹 𝑠=4,55

e=

𝑒=6𝑚𝑚

Selección del eje tubular

LAVADORA TIPO TORNILLO

015

w

6 pulgadas

Material ASTM A-53 Gr.

Longitud 6 m

Espesor 7 mm

Peso

𝑤𝑡=1662,82𝑁 𝑤h=4088,76𝑁

𝑤𝑇=5751,58𝑁 𝑤𝑇𝑑=958,59𝑁 /𝑚

𝑀𝑚á 𝑥=4313,66𝑁−𝑚 𝜎=𝑀𝑚á𝑥

𝑆 =30,975𝑀𝑃𝑎

𝜏=𝑇 ×𝑟𝐽 =9,38𝑀𝑃𝑎 𝜎 ′=35,35𝑀𝑃𝑎 𝑭 𝒔=

𝑺𝒚

𝝈 ′=𝟐𝟎𝟓𝑴𝑷𝒂𝟑𝟓 ,𝟑𝟓𝑴𝑷𝒂=𝟓 ,𝟕𝟗

Selección de los eje sólidos

LAVADORA TIPO TORNILLO

𝜏𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒=16𝑉3𝜋 𝑑2

=4882,05𝑁

𝑑2

𝜏 𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖 ó𝑛=16𝑇𝜋 𝑑3

=13952.17𝑁−𝑚

𝑑3

𝜎 ′=24,73𝐾𝑃𝑎

𝑑=3√ 𝐹 𝑠

10109,17=73,41𝑚𝑚

LAVADORA TIPO TORNILLO

Tipo de cadena RS80

26 RPM

13 RPM

2

Paso 1 pulgada

32

64

Diseño del sistema reductor de velocidad

𝐻𝑃𝑑𝑖𝑠=𝐹 𝑠𝑒𝑟×𝐻𝑃 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎=6,5𝐻𝑃

𝐷1=𝑃

sin (180 ° /𝑁1 )=10,2𝑝𝑢𝑙𝑔

𝐷2=𝑃

sin (180 ° /𝑁 2)=20,38𝑝𝑢𝑙𝑔

𝐿=2𝐶+𝑁1+𝑁 2

2 +(𝑁 2−𝑁1 )2

4𝜋 2𝐶=108𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠

𝜃1=180 ° −2 𝑠𝑖𝑛−1 [𝐷2−𝐷1

2𝐶 ]=160.14 °𝜃2=180 °+2𝑠𝑖𝑛

− 1[𝐷2−𝐷1

2𝐶 ]=199,80 °

LAVADORA TIPO TORNILLO

Diseño de la Artesa

(Tornillo sinfín) (Arena-agua) M

Diseño de la tolva

LAVADORA TIPO TORNILLO

𝐴𝑆𝑇𝑀 𝐴−36

𝐹 1=7 465𝑁

𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 6𝑚𝑚

LAVADORA TIPO TORNILLO

Diseño de la compuerta de descarga

𝐞=√ 𝟔×𝑭 𝒔×𝑴𝒎á 𝒙

𝑺𝒚×𝒃=𝟏𝟏 ,𝟐𝟗𝒎𝒎

𝑃𝐶=𝜌 𝐴×𝑔×h=24463,68𝑁 /𝑚2

𝐹𝐸=𝑃𝐶×𝐴𝐶=7081,65𝑁

𝑀𝑚á 𝑥=𝐹𝐸×𝐿𝐶

4=1370,29

Diseño del chasis

LAVADORA TIPO TORNILLO

(Artesa, la hélice, la arena y agua)

(Tolva y el arena)

𝑡=2,4× 𝐿×√𝛼×𝐻×0,036×𝐺𝑆𝑦

Tanque de decantación

Tanque de almacenamiento

LAVADORA TIPO TORNILLO

Volumen

Material ASTM A653 AC

Espesor de la placa 2 mm

Volumen

Material ASTM A653 AC

Espesor de la placa 2 mm

Diseño del HMI

LAVADORA TIPO TORNILLO

ENTRADAS

SÁLIDAS

SÁLIDASCotactores Electroválvulas

OPC SERVERSPLC SIMATIC S7-1200

Comunicación EthernetCable RJ-45

OPC CLIENTComputador+ Windows

LabVIEW+DSC

Programación del PLC

LAVADORA TIPO TORNILLO

Creación de proyecto nuevo en TIA

Configuración de dispositivo en TIA

Programación del PLC

LAVADORA TIPO TORNILLO

Agregar dispositivo en TIA Configuración de dirección IP y mascara de subred

Programación del PLC

LAVADORA TIPO TORNILLO

Tipos de direcciones IP

Clase Área de aplicación Espacio de direcciones privadasMáscara de Subred por defecto

A Gobiernos del todo el mundo 10.0.0.0 a 10.255.255.255 255.0.0.0

B Empresas de gran envergadura 172.16.0.0 a 172.31.255.255 255.255.0.0

C Demás solicitantes 192.168.0.0 a 192.168.255.255 255.255.255.0

Programación del PLC

LAVADORA TIPO TORNILLO

Programación del PLC

Programación del PLC

LAVADORA TIPO TORNILLO

Programación del PLC

Diseño del HMI

LAVADORA TIPO TORNILLO

Configuración en NI OPC Server 2012

Diseño del HMI

LAVADORA TIPO TORNILLO

Variables compartidas en LabVIEW 2012

Librería de variables en LabVIEW 2012

Panel frontal del HMI

LAVADORA TIPO TORNILLO

Panel frontal del HMI

LAVADORA TIPO TORNILLO

Configuración de Alarmas

LAVADORA TIPO TORNILLO

Configuración de Registro de Datos

LAVADORA TIPO TORNILLO

Configuración de Seguridad y Cuentas de Usuarios

LAVADORA TIPO TORNILLO

Construcción

LAVADORA TIPO TORNILLO

LAVADORA TIPO TORNILLOPruebas realizadas en la Arena

Arena sin lavar Arena lavada

% 𝑳𝒊𝒎𝒐=𝟒% % 𝑳𝒊𝒎𝒐=𝟐 ,𝟕𝟓%

LAVADORA TIPO TORNILLOPeriodo de recuperación de la inversión

𝑽𝑷𝑵=−𝑲𝟎+∑𝒊=𝟏

𝒏 𝑭 𝑪𝒊

(𝟏+𝑻𝑴𝑨𝑹 )𝒊=$𝟏𝟗𝟖𝟓 ,𝟏𝟐

𝑻𝑴𝑨𝑹=𝟏𝟓 ,𝟖𝟏%

𝑻𝑰𝑹=𝟐𝟐%

𝑷𝑹𝑰→𝟒𝒎𝒆𝒔𝒆𝒔

𝑹𝑩𝑪=𝑽𝑷𝑵𝑩𝑽𝑷𝑵𝑪=𝟐 ,𝟗𝟐

TÉCNICA DE EVALUACIÓN RANGO

VPN, $ 1985,12>0

TIR>TMAR 22 %>15,81%

PRI, Años 4 meses <5 años

RBC 2,92 >1

El diseño y construcción de la máquina lavadora de arena satisface los requerimientos de la compañía ECOHORMIGONES.

El diseño propuesto ofrece mínimos requerimientos de mantenimiento.

Se minimizó el consumo de agua para el lavado de la arena con la construcción del tanque de decantación.

Se disminuyo el limo contenido en la arena de 4% al 2,75%.

PRI de 4 meses.

LAVADORA TIPO TORNILLO

Conclusiones

LAVADORA TIPO TORNILLO

Recomendaciones

Revisar el estado de los helicoides de la zona de lavado.

Verificar que la conexión trifásica para la lavadora sea la asignada.

Verificar la secuencia de fases de la toma trifásica para la conexión de la lavadora, la toma de aire debe tener 120 psi (8 bares).

Revisar el manual de mantenimiento, con el objetivo de extender la vida útil de la máquina.

Se recomienda la construcción de un tanque decantador y clarificador de mayor volumen.

GRACIAS

LAVADORA TIPO TORNILLO