View
706
Download
3
Category
Preview:
Citation preview
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
DISEÑO DE UNA MÁQUINA ENROLLADORA DE TELA DE
POLIPROPILENO
I. NECESIDAD:
Se requiere una máquina enrolladora de tela para la empresa NORSAC S.A.
Diagrama de flujo del proceso de fabricación de la tela de polipropileno, de la
planta NORSAC
II. EL PROBLEMA.
II.1.Formulación Del Problema:
Diseñar una máquina que transforme tela proveniente de los telares en rollos,
reduciendo al mínimo los pliegues formados.
Estado “A” Estado “B”
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
III. ANALISIS:
III.1. Criterios de selección:
Criterio económico.
De fácil montaje y desmontaje del rollo.
De fácil maniobrabilidad.
Que ocupe un mínimo de espacio.
De fácil mantenibilidad.
Atractivo a las ventas
III.2. Volumen:
150 Máquinas enrolladoras.
III.3. Uso:
Vida útil estimada: 80 000 rollos de tela (80000 Horas.)
III.4. Condiciones de entrada.
III.4.1. Condiciones cinemáticas:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
- Velocidad de entrada de la tela de polipropileno: Ve = 0.063 m/s.
III.4.2. Condiciones Físicas de la tela de polipropileno:
- Densidad de la tela de polipropileno:
- Espesor de la tela de polipropileno: e = 1.2 x10-3 milímetros
- Ancho de la tela de polipropileno: AT = 0.90 metros.
III.5. Condiciones de Salida
- Diámetro del rollo final: DR = 0.60 metro.
- Peso del rollo final: PR = 226 Kg.
IV. ANÁLISIS DEL PROBLEMA:
De nuestro análisis y experiencia recabada:
- La falta de tensión en la tela durante el enrollado, genera plegamiento en la tela,
por lo tanto enrollado defectuoso.
- Las propiedades físicas de la tela y material de recubrimiento de los rodillos
deben ser sometidos a mayor consideración al momento de calcular el régimen
de trabajo.
- Mejorar el montaje y desmontaje.
V. BÚSQUEDA DE SOLUCIONES
5.1 Una máquina que cuente con variador de velocidades:
Aquí presentamos la máquina siendo el rodillo motriz el que enrolla la tela.
5.1.1 Ventajas:
- El variador de frecuencias nos da la velocidad sincronizada del rodillo motriz
con la velocidad de entrada de la tela.
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 3
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
- Permite simplificar la construcción de la máquina.
5.1.2 Desventajas:
- Hace difícil el montaje y desmontaje del rollo de tela.
- Son de difícil reparación.
- Su vida útil es menor en comparación con sistemas mecánicos.
5.2 Una máquina que cuente con un mecanismo enrollador con pistones que
produjera una presión constante durante el enrollado.
Aquí presentamos la máquina siendo la tela enrollada por fricción por un rodillo en
contacto con el rodillo motriz.
5.2.1 Ventajas:
- Mejora el montaje y desmontaje del rollo de tela.
- Simplifica la construcción de la máquina en cierto punto.
- Los pistones ayudan al desmontaje del rollo.
5.2.2 Desventajas:
- No asegura a disminuir la formación pliegues en rollo.
- Se forman pliegues en la tela antes de enrollar.
5.3 Maquina con un sistema contrapeso.
Aquí presentamos la máquina donde la tela se enrollada por fricción
por un rodillo en contacto con el rodillo motriz, además se lo agregó un sistema de
contra peso que regula la tensión en la tela.
5.3.1 Ventajas:
- El sistema de contra peso elimina la formación de pliegues, regulando la tensión
de la tela.
- Disminuye considerablemente la formación de pliegues en el rollo.
- Facilita el montaje y desmontaje del rollo.
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 4
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
5.3.2 Desentajas:
- Su estructura es más compleja que las anteriores.
- Estructura de peso relativamente mayor a las anteriores.
- Necesita de fuerzas externas para brindar la fuerza de contacto entre el rollo
motriz y el rollo enrollador.
ALTERNATIVA SELECCIONADA
Evaluando las consideraciones descritas anteriormente, se decidió condicionar
nuestro diseño en el marco de la presencia de un contrapeso regulable automáticamente
según al tensión requerida y acondicionar los elementos de máquinas para proporcionar
la fuerza de contacto requerida.
VI. DESARROLLO DEL PROYECTO.
6.1 Desarrollo de la solución:
Para su desarrollo dividió el proyecto en dos partes:
- Parte del contra peso (C.P.).
- Parte motriz (M)
6.1.1 PARTE CONTRA PESO:
A. Diseño de la máquina (esquemas y diagramas dimensionados, etc.)
B. Cálculo de fuerzas.
Calculo del peso para el contrapeso (tensión de regulación).
• Cálculos de los pesos necesarios de los rodillos.
6.1.2 PARTE MOTRIZ DE LA MÁQUINA:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 5
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
A. Cálculo de tensión necesaria de la tela para el enrollamiento
B. Cálculo cinemático:
• Velocidad de entrada de la Tela (Valor fijo), V
Cálculo del peso de la tela enrollada.
C. Selección de los elementos de máquinas.
D. Diseño del Mecanismo de descarga
E. Selección del motor (asincrónico, motoreductor).
F. Diseño del circuito de potencia y control.
G. Cálculo de la cimentación para ambas partes.
CÁLCULOS DE LA MAQUINA ENROLLADORA
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 6
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
1. DATOS DE ENTRADA DEL PROCESO.
1.1. CARACTERISTICAS DE LA TELA
Material de la tela: polipropileno
e: espesor de la tela
v: velocidad de la tela a la salida de los telares
b: ancho de la tela a enrollar.
ρ: densidad de la tela de polipropileno
σ: limite elástico de la tela del polipropileno
e = 1,2 x 10-3 m
v = 0.063m/s
b = 0.9m
ρ =0.915g/cm3
σ =25.5kg/cm2
1.2. DIMENSIONES Y MATERIAL DEL RODILLO DE
ENRROLLAMIENTO.
Material: plástico
r: radio del rodillo de enrollamiento
l: longitud del rodillo de enrollamiento
r = 0,05 m
l =1.0m
1.3. DIMENSIONES DEL RODILLO MOTRIZ
rm: radio exterior del rodillo motriz
lm: longitud del rodillo motriz
rm=0.05m
lm= 1.0m
1.4. DIMENSIONES DEL ROLLO DE TELA
r0: radio inicial del rollo de tela
rf: radio final del rollo de tela
lr: longitud del rollo de tela
r0=0.05m
rf=0.3m
lr=0.9m
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 7
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
2. CALCULOS DEL ROLLO DE TELA
2.1. CALCULO DE LA LONGITUD DE TELA EN CADA ROLLO Y
NÚMERO DE VUELTAS DE TELA ENRROLLADA
S: longitud de tela enrollada
N: numero de vueltas de la tela en el rollo
2.2. ESPESOR DEL ROLLO DE TELA.
E: Espesor del rollo de tela
E= = = 0,25 m
2.3. TIEMPO DE ENRROLLADO DE LA TELA: ( )
: Tiempo de enrollado
2.4. CALCULO DEL PESO DEL ROLLO DE TELA
Pr: Peso del rollo de tela
g: aceleración d la gravedad (9.81)
V: volumen del rollo de tela
Reemplazando tenemos:
3. CALCULO DE LA VELOCIDAD ANGULAR DEL RODILLO MOTRIZ
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 8
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
3.1. VELOCIDAD ANGULAR DE RODILLO MOTRIZ
: velocidad angular del rodillo motriz
4. CÁLCULOS DEL CONTRAPESO
4.1. CÁLCULO DE LAS PESAS ADICIONALES DEL CONTRAPESO
Se agregaran pesas adicionales al rodillo móvil con la finalidad de aumentar la
tensión en la tela, esto debido a que no se puede calcular con precisión la tensión
requerida de la tela a la entrada del rodillo motriz. Con la finalidad de que el
aumento del peso se de manera variable a partir del peso mínimo proporcionado por
el rodillo móvil que es de 70 Kgf. Se han considerado 3 juegos de pesas, de las
cuales 4 pesas tienen 10Kgf y 2 son de 5Kgf. Estas pesas se colocan en los extremos
del eje del rodillo móvil. La tensión mínima en la tela es de 70Kgf y la máxima será
de 120Kgf esta tensión es el 45% de la tensión de fluencia del material.
Vamos a usar pesas de:
5Kgf de espesor de 20mm
10Kgf de espesor de 40mm
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 9
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Ahora calcularemos los diámetros para 5Kg y 10Kg:
Para 5Kg (1):
Sabemos: y
: Densidad del acero
e1: espesor de la pesa de 5Kgf
: masa de la pesa
V1:volumen de la pesa
5Kgm
0.02mem
Kg7850ρ
1
1
3ac
Reemplazando y hallando el diámetro, obtenemos:
Para 10Kg:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 10
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Sabemos:
Reemplazando y hallando el diámetro, obtenemos:
4.2. CÁLCULO DE DIMENSIONES Y PESOS DE LOS EJES
CONSTITUYENTES.-
4.2.1. Rodillo superior (rodillos fijos).-
Peso del cilindro:
Ls: longitud del cilindro superior
Ds: diámetro exterior del cilindro
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 11
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
ds: diámetro interior del cilindro
Ls = 1000mm
Ds = 150mm
ds = 140mm
Vs: volumen del cilindro superior
Ps: peso del cilindro superior
Peso del eje:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 12
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Pes: peso del eje del rodillo superior
Peso de la tapa del rodillo:
Det: diámetro exterior de la tapa del rodillo superior
dit: diámetro interior de la tapa del rodillo superior
dat: diámetro de los agujeros de la tapa del rodillo superior
Vt: volumen de la tapa
Mt: masa de la tapa del rodillo superior
Pt: peso de la tapa del rodillo superior
Peso de la brida de soporte:
Vb: volumen de la brida
mb: masa de la brida
Mb: masa total de la brida
Pb: peso total de la brida
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 13
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Luego:
Peso total del rodillo:
4.2.2. Rodillo inferior (rodillo móvil).-
Peso del cilindro:
Li: longitud del cilindro inferior
Di: diámetro exterior del cilindro inferior
di : diámetro interior del cilindro inferior
Vi: volumen del cilindro inferior
Mi: masa del cilindro inferior
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 14
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Pi: peso del cilindro inferior
Li = 1000mm
Di= 220mm
di = 200mm
Peso del eje:
Mei: masa del eje del cilindro inferior
Pei: peso del eje del rodillo inferior
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 15
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Peso de la tapa del rodillo:
Det1: diámetro exterior de la tapa del rodillo inferior
dit1: diámetro interior de la tapa del rodillo inferior
dat1: diámetro de los agujeros de la tapa del rodillo inferior
Vt1: volumen de la tapa
Mt1: masa de la tapa del rodillo inferior
Pt1: peso de tapa del rodillo inferior
Peso de los soportes de brida:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 16
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Del catalogo de SKF tenemos que los pesos para los soportes de brida
denominadas 722508DB es 2.3Kg
Psb: peso del soporte de brida
Peso total del rodillo:
Peso de los cubos (los que se deslizan en la horquilla):
Tenemos:
Donde:
Vc1: Volumen del sólido caracterizado por la parte superior, desprovista del
chaflanado.
Vc2: Volumen total del sólido resultante de unir los cuatro chaflanes.
Vc3: Volumen total, sin descontar el agujero central Pasante.
Luego:
Donde:
Vc4: es el volumen del agujero central que debemos descontar.
Reemplazando:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 17
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Peso total del contrapeso:
Sumando todos los pesos calculados anteriormente tenemos:
M = =72.5kg 70kg
Sumando los pesos adicionales de las pesas:
4.3. CÁLCULO DE LOS RODAMIENTOS.
4.3.1. CÁLCULO DE LOS RODAMIENTOS USADOS EN EL RODILLO
INFERIOR (RODILLO MÓVIL):
Para
Tenemos la ubicación de soporte de brida solidaria al cilindro móvil, esto
mediante la sujeción del soporte de brida a las tapas del cilindro mismo por
medio de tornillos.
De acuerdo al catálogo SKF, tenemos:
Soporte de brida 722508 DB, para eje pasante. Este soporte de brida usa un
rodamiento de bolas a rotula 1208EK y con manguito de fijación 208.
Luego del D.C.L. tenemos:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 18
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Donde:
W1: Peso del eje (suponiendo una carga concentrada).
W2: Pesos adicionales de las pesas.
R1: Reacción del rodamiento 1.
R2: Reacción del rodamiento 2.
Al notar que será la tela tensionada la que habrá de soportar el peso del rodillo,
entonces no será mas carga para el soporte que la de los cubos, el eje mismo y
las pesas que se le adicionara.
De acuerdo con el catálogo SKF, tenemos que para este tipo de soporte sólo son
admitidos determinados rodamientos en tamaños dados, así para nuestro caso,
podemos tomar el rodamiento de bolas a rótula con agujeros cónico y que son
diseñados para usar manguito de fijación.
Luego se tiene:
Comprobación del rodamiento:
Rodamiento: Rodamiento de bolas a rótula 1208EK.
Cálculo de carga dinámica:
Sea:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 19
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Tenemos:
Cálculo de la carga dinámica equivalente:
Tenemos:
Donde:
: Vida en millones de revoluciones.
: Número de revoluciones.
Ahora:
De la relación:
Reemplazamos valores:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 20
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Por lo tanto el rodamiento se adapta a nuestros requerimientos, ya que la
capacidad de carga dinámica para este tipo de rodamientos según el cata logo
SKF es 19900N. El sobre dimensionamiento que existe es debido al diámetro del
eje el cual se escogió debido a la longitud que este tiene y a la carga radial
pequeña que soporta.
4.3.2. CALCULO DE LOS RODAMIENTOS USADOS EN LOS
RODILLOS SUPERIORES:
Tenemos EL D.C.L.:
Donde:
W3: Peso debido a tensión de la tela y al peso del propio rodillo.
R3: Reacción en el rodamiento 1
R4: Reacción en el rodamiento 2
R3=R4
Sea:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 21
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
En este caso usaremos:
Chumacera (soporte de pie SNH):
Designación: SNH 506TG (soporte con obturaciones de doble labio)
Tomamos el rodamiento: 1206 EK
Manguito de fijación: H 206
Anillo de fijación: 2 FRB 8/62
Otros componentes: TSNA 506 G
Comprobación del rodamiento:
Carga dinámica equivalente:
Capacidad de carga dinámica:
millones de revoluciones.
También sabemos:
Reemplazamos valores y hallamos “C”:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 22
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Por lo tanto el rodamiento seleccionado cumple con los requerimientos.
El sobredimensionamiento se da por la magnitud del eje, este eje tiene tal
diámetro por su longitud.
4.4. CÁLCULOS DE SOLDADURA EN EL CONTRAPESO
4.4.1. CÁLCULO DE SOLDADURAS EN TAPAS OBTURADORAS DE
EXTREMO DE RODILLO
Tapa de rodillo inferior de contrapeso.-
Tapas de rodillos superiores de contrapeso.-
El electrodo que se usara para unir ambas tapas es:
Electrodo CELLOCORD P (Clase AWS E6010) - OERLIKON
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 23
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
4.4.2. CÁLCULO DE SOLDADURA EN LOS NERVIOS DE APOYO DE
LA HORQUILLA.
Fuerza de compresión de cada nervio de apoyo (F).-
Este cálculo se hará suponiendo que todo el peso del rodillo móvil del
contrapeso estará soportado por los nervios que están ubicados en la parte
inferior de la horquilla, esto solo se dará en caso de que los pernos de la
horquilla fallen y que la tela se rompa y el rodillo se apoye por completo en los
nervios.
Tenemos:
Donde:
F: fuerza de compresión en cada nervio
Ph: peso de la hoquilla
Prodillo inf: peso del rodillo inferior
N
Momento flector en cada nervio (M)
Donde:
F: fuerza de compresión aplicada
L: brazo de momento
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 24
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Cálculo de Soldadura Vertical en los nervios de apoyo.-
Datos de entrada:
- Tipo de soldadura: De filete
- Longitud del cateto del cordón de soldadura (h): 3mm
- Esfuerzo permisible en soldaduras de filete ( ): 0.4 Sy = 99.2 MPa
- Límite de fluencia del acero ASTM – 36 (Sy): 248 MPa
- Esfuerzo en el cordón ( )
Datos de salida:
- Electrodo a usar.
Esquema de la soldadura:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 25
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Cálculo del esfuerzo:
Sea:
Donde:
M= momento flector.
c = distancia del eje neutro del cordón a la fibra mas alejada.
I = momento de inercia del cordón.
Tenemos
M = 22.27 Nm
Reemplazando datos:
Reemplazando datos en la formula del esfuerzo tenemos:
Se seleccionará el electrodo E6010 cuyo .
4.4.3. CÁLCULO DE LA SOLDADURA HORIZONTAL EN LOS
NERVIOS DE APOYO
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 26
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
En esta posición no existen esfuerzos muy grandes por tanto no se necesitaran
mayores cálculos de soldadura ya que esta solo servirá solo para asegurar un poco
mas la horquilla a los nervios.
Se usara electrodo CELLOCORD P (Clase AWS E6010) - OERLIKON
4.4.4. CÁLCULO DE SOLDADURA EN LOS VÉRTICES SUPERIORES
DE LA ESTRUCTURA DEL CONTRAPESO
Datos de entrada:
- Tipo de soldadura: De filete
- Longitud del cateto del cordón de soldadura (h): 3mm
- Esfuerzo permisible para soldaduras de filete ( ): 0.4 Sy = 99.2 MPa
- Límite de fluencia del acero ASTM – 36 (Sy):248 MPa
- Esfuerzo en el cordón ( ):
Datos de salida:
- Electrodo a usar.
Cálculo de fuerzas en el cordón de soldadura
Suponemos que la fuerza de tensión aplicada por la tela se reparte de manera
proporcional a ambos lados de la estructura del contrapeso.
Calculamos las fuerzas transmitidas por las chumaceras superiores a la viga C
que los soporta:
Diagrama de cuerpo libre del rodillo superior izquierdo.
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 27
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Donde:
Por y tenemos:
Fx=30Kgf.
Fy= 30Kgf.
Diagrama de cuerpo libre de la chumacera superior izquierda:
Diagrama de cuerpo libre del rodillo superior derecho:
De las ecuaciones de equilibrio tenemos:
Rx=30cos37.5º=23.8Kgf
Ry=30+30*sen37.5º=48.3Kgf
Diagrama de cuerpo libre de la chumacera derecha.
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 28
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Diagrama de cuerpo libre de la viga C soportes de las chumaceras
: tenemos:
Fy1=34.46Kgf
Fy2=43.83Kgf
Por ser uniones soldadas tenemos un sistema hiperestático por tanto las
reacciones en el eje x es indeterminado. No se hacen los cálculos
correspondientes a estos sistemas hiperestáticos ya que la magnitud de las
fuerzas que intervienen es muy pequeña y los efectos que tienen sobre la
estructura no son relevantes.
Calculo del esfuerzo cortante en el cordón
Sea:
Donde:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 29
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
=esfuerzo cortante
V=fuerza cortante
A=área del cordón de soldadura
La fuerza cortante que se usara para el calculo de la soldadura será la
fuerza resultante en dirección horizontal mostrada en la figura anterior que es
igual a: 6.2Kgf., es decir tomaremos la máxima fuerza horizontal, suponiendo
que esta es soportada por un solo vértice.
Donde:
L= longitud del cordón de soldadura.
Reemplazando datos tenemos:
Se seleccionara el electrodo E6010 por ser el electrodo de menor resistencia y se
ajusta a los requerimientos.
4.4.5. CALCULO DE SOLDADURA EN LOS PIES DEL ANCLAJE
Datos de entrada:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 30
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
- Tipo de soldadura: De filete
- Longitud del cateto del cordón de soldadura (h): 3mm
- Esfuerzo cortante permisible ( ): 0.4 Sy = 99.2 MPa
- Límite de fluencia del acero ASTM – 36 (Sy):248 MPa
- Esfuerzo en el cordón ( ):
Datos de salida:
- Electrodo a usar.
Cálculo del esfuerzo:
Sea:
T= tensión en la parte superior
M=momento flector
De la figura anterior tenemos:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 31
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Reemplazando:
Se seleccionará el electrodo E6010.
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 32
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
4.4.6. CALCULO DE SOLDADURA EN VIGA MEDIA DEL
CONTRAPESO
Datos de entrada:
- Tipo de soldadura: De filete
- Longitud del cateto del cordón de soldadura (h): 3mm
- Esfuerzo cortante permisible ( ): 0.4 Sy = 99.2 MPa
- Límite de fluencia del acero ASTM – 36 (Sy):248 MPa
- Esfuerzo en el cordón ( ):
Datos de salida:
- Electrodo a usar.
Diagrama de cuero libre de la viga media
Sea:
Reemplazando datos:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 33
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Se seleccionara el electrodo E6010
4.4.7. SOLDADURA EN LOS ARRIOSTRES DE LA VIGA SUPERIOR
DEL CONTRAPESO
La soldadura que se colocara en estos arriostres es solo para asegurar que estos
permanezcan fijos a la viga y no necesitan de mayores cálculos.
4.4.8. Soldadura entre el eje del rodillo móvil y el cubo deslizante.
Esta soldadura es para evitar posibles movimientos de rotación del eje ya que se
necesita que este sea fijo. Ya que aquí no hay muchos esfuerzos solo se colocaran
algunos puntos de soldadura como se muestra en el dibujo.
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 34
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
.
5. CALCULOS DE LA PARTE MOTRIZ
5.1. CÁLCULO DE POTENCIA DEL MOTOR
Para el cálculo de la potencia requerida en el eje motriz consideraremos la tensión de
la tela y la velocidad angular a la cual gira dicho eje. Se obtiene el siguiente resultado:
Peje= T*9.81*r*ω
Donde:
Peje: potencia requerida en el eje
T: tensión de la tela
ω: velocidad angular del eje motriz.
rm: radio exterior del rodillo motriz
Para el cálculo de la tensión T, tomamos como referencia el peso del rodillo de
contrapeso (70kgf) más los pesos adicionales (50kgf), entonces tenemos:
Reemplazando datos, tenemos:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 35
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
5.1.1. SELECCIÓN DEL MOTOR
Como se puede observar la potencia obtenida del cálculo anterior es pequeña;
considerando las pérdidas de potencia en la transmisión y además que la masa que
tiene que arrastrar el eje motriz va aumentando durante el enrollado. Para la
selección del motor tomamos una potencia superior a la calculada anteriormente,
esta potencia será de 3/4 HP.
El motor tiene las siguientes especificaciones:
Tipo de motor: motor eléctrico de inducción de potencia fraccionaria.
Alimentación: Corriente alterna CA trifásica con una tensión de 460 voltios.
Frecuencia (f): 60Hz.
Velocidad rotacional del eje del motor: 1750rpm.
Velocidad rotacional en el eje del reductor: 35rpm.
Relación de transmisión del reductor: 50:1
Procedencia: Lesson Electrical motor, General motors and drives ( Catálogo W
GZ40153110047)
5.1.2. DIGRAMAS DE LOS CIRCUITOS DE POTENCIA Y DE CONTROL
DEL MOTOR
Los diagramas de de potencia y de control se muestran a continuación.
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 36
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
5.2. CÁLCULOS DE LA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN DE LA CADENA
La velocidad de rotación a la salida del motoreductor es de 35 rpm. Para esta
velocidad de rotación calcularemos la cadena a usar, este cálculo se hará según el
método explicado en el libro de diseño mecánico de Shigley.
Datos:
Hnon: potencia nominal.
n1: velocidad angular a la salida del motoreductor
n2: velocidad angular del eje motriz
N1: numero de dientes de la catalina motriz
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 37
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Debido a las bajas velocidades de rotación y limitaciones de espacio se toma un número
de dientes de la catalina motriz de 11 dientes, esto según las recomendaciones del texto
de Shigley (Pág: 1092)
Calculo del numero dientes de la polea conducida
Calculo de la cadena
Factor de servicio (tabla 17-15 de Shigley)
Factor de diseño
Factor de corrección de dientes
: Factor de hilos múltiples
C: distancia entere centros
Potencia admisible
Potencia tabulada
Potencia de diseño
Longitud de la cadena
: Paso de la cadena
Ancho de la cadena
D: diámetro de paso de la catalina
Diámetro de paso de la catalina motriz
: Diámetro de paso de la catalina conducida
1.2
1.5
0.62
= se elegirá el que convenga
C= 675.35 mm
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 38
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Se tiene que cumplir que:
Reemplazando datos tenemos:
Interpolando la tabla 17-21 de Shigley para hallar las potencias tabuladas
correspondientes a la velocidad angular de la catalina a 35 rpm.
Tabla Nº1
velocidad de la
catalina
Numero ANSI de cadena
25 35 40 41 50 60 80 100 120 140 160 180 24035 0,04 0,12 0,27 0,15 0,53 0,92 2,13 4,09 7 10,65 15,44 21,37 45,850 0,05 0,16 0,37 0,2 0,72 1,24 2,88 5,55 9,33 14,4 20,9 28,9 61,8
100 0,09 0,29 0,69 0,38 1,34 2,31 5,38 10,3 17,4 26,9 39,1 54 115
Tabla Nº2
numero de hilos
K2 2,177/K2
Numero de
cadena1 1 2,18 1002 1,7 1,28 803 2,5 0,87 604 3,3 0,66 60
De las tablas 1 y 2 seleccionamos:
Cadena Nº 60 de 3 hilos ( )
Las características de esta cadena son (Según tabla 17-20 de Shigley)
Calculo de los diámetros de las catalinas
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 39
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Catalina motriz.
Catalina conducida.
Calculo de la longitud de cadena
Reemplazando datos tenemos:
Por lo tanto usaremos una cadena de 94 pasos y una longitud de
5.3. ANÁLISIS DE LAS FUERZAS DE CONTACTO ENTRE EL ROLLO DE
TELA Y EL RODILLO MOTRIZ
5.3.1. CALCULO DE LAS DIMENCIONES DEL BRASO SOPORTE DEL
ROLLO DE TELA
Las dimensiones lo calculamos de la geometría del siguiente diagrama:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 40
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Del diagrama se observa que es:
Hallamos de la siguiente relación:
De las ecuaciones anteriores se demuestra que conociendo la longitud del brazo se
puede determinar los ángulos al inicio cuando el eje enrollador esta vacío y cuando
el eje esta totalmente lleno.
Reemplazando datos en las ecuaciones anteriores tenemos:
5.3.2. CALCULO DE LOS PESOS DE LOS COMPONENTES DE LA
PARTE MOTRIZ DE LA MAQUINA.
Peso del eje de plástico.
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 41
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Hallamos el volumen del eje de plástico:
Donde:
: Diámetro exterior del eje de plástico.
: Diámetro interior del eje de plástico.
: Longitud del tubo de plástico
Reemplazando datos:
Ahora para el peso del eje plástico:
Peso de los ejes ranurados ( ):
: Área mayor.
: Área menor.
: Longitud de la parte ranurada.
: Longitud de la parte no ranurada.
: Volumen del eje ranurado.
Entonces el volumen del eje ranurado es:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 42
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Ahora el peso del eje ranurado será:
Reemplazando datos tenemos:
Peso del rollo de tela ( ):
De los cálculos anteriores tenemos:
Peso del brazo ( ):
: Volumen del brazo.
Reemplazando datos:
5.3.3. FUERZA DE CONTACTO AL INICIO DEL ENROLLADO
Diagrama de cuerpo libre del brazo sin el cilindro neumático (Al inicio
del enrollado)
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 43
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Calculo de la fuerza de contacto al inicio del enrollado
La fuerza de contacto necesaria al inicio del enrollado debe ser la suficiente para
garantizar que el rodillo motriz arrastre la tela.
Conociendo que el coeficiente de fricción entre la tela y el caucho es de 0.6 y
que la tensión máxima en la tela es de 590 N hallamos la fuerza de contacto al
inicio.
: Fuerza de rozamiento.
c: Fuerza normal necesaria.
Asumimos una fuerza de rozamiento algo mayor a la tensión de la tela:
Fuerza que debe proporcionar el mecanismo neumático
Fuerza de contacto sin mecanismo neumático ( )
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 44
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Reemplazando datos:
Fuerza de contacto con mecanismo neumático ( ):
Fuerza de contacto proporcionada por el mecanismo neumático ( ): esta es la
fuerza de contacto mínima que debe proporcionar el mecanismo neumático al
inicio de la operación de enrollado.
5.3.4. CÁLCULO DE LA FUERZA PROPORCIONADA POR EL
VÁSTAGO DEL SISTEMA NEUMÁTICO
A continuación se muestra un diagrama de los ángulos del vástago del sistema
neumático en diferentes estados durante el proceso.
Hallamos los ángulos
Del grafico anterior tenemos:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 45
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Fuerza mínima al inicio de la operación de enrollado:
A continuación se muestra el diagrama de cuerpo libre al inicio de la operación
de enrollado de la tela, en esta circunstancia no hay peso por parte da la tela, y
la fuerza da contacto necesaria lo da el mecanismo neumático.
La fuerza mínima que debe proporcionar este sistema neumático al inicio de la
operación es:
El diagrama de cuero libre mostrado en la figura es para un brazo, como se van a
usar 2 cilindros neumáticos (uno en cada brazo) la fuerza total de contacto que
se necesita a se aplicara de forma igual en cada uno de ellos (la mitad en cada
brazo).
De las ecuaciones de equilibrio tenemos:
Despejando la ecuación anterior tenemos:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 46
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Cálculo de la fuerza necesaria aplicada por el vástago en la operario de
descarga
A continuación se muestra el diagrama de cuerpo libre del brazo con el eje de
enrollamiento completamente lleno (antes del levantamiento para la descarga).
De igual manera que en el caso anterior, el peso total se dividirá en los dos
brazos y cada cilindro neumático solo levantara la mitad del peso total.
De las ecuaciones de equilibrio tenemos:
Despejando tenemos:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 47
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
De los cálculos anteriores vemos que el sistema neumático debe promocionar las
fuerzas de:
500N al inicio de la operación de enrollado y
757N al final, para la operación de descarga.
Por lo tanto elegimos la mayor fuerza para toda la operación, además esta fuerza
nos va a servir para el cálculo de la presión que debe tener el aire de la línea de
aire comprimido.
La fuerza seleccionada es: 757N
5.4. CALCULO DE LA PRESION DE AIRE EN EL INTERIOR DE
CILINDRO NEUMÁTICO
Esta presión se determinara en función de la fuerza seleccionada:
Por lo tanto:
Sabemos que:
Donde:
ds: es el diámetro del cilindro neumático.
Reemplazando datos tenemos:
5.5. DETERMINACIÓN DEL CILINDRO NEUMÁTICO
Sistema Neumático:
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 48
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
Fuerza requerida por cilindro neumático: 20kgf
Tenemos:
… (1)
Donde:
P= presión de trabajo (atm) A= área sometida a presión (cm2)
Luego, asumiendo un diámetro de vástago: 40mm
Tenemos:
Área del cilindro =
Tenemos una presión en línea de 6atm.
Luego en (1):
De acuerdo al manual de neumática básica MICRO, tenemos que para cilindro con diámetro 40mm, y a una presión de 6atm, la carrera máxima permitida para evitar pandeo en el vástago es mayor de 830mm, luego para nuestra utilización tomamos una longitud de: 420mm
En el presente proyecto se hizo uso del cilindro neumático marca Micro modelo SP-10 doble efecto vástago simple, el cual trabajo a una presión de 6atm, siguiendo un circuito en el cual se pueden apreciar dos fines de carrera, para lograr en primera instancia la ausencia de presión en el cilindro una vez alcanzada una determinada cantidad de material que permita a la propia tela lograr la presión precisa para su correcto enrollamiento, además de un segundo final de carrera que determine el retorno del pistón a su posición extendida, que viene a ser la posición inicial de trabajo del sistema enrollador.El cilindro seleccionado permite solicitar vástagos hasta de 2 metros de longitud, por lo que el valor seleccionado se encuentra en el rango disponible.
5.6. CIRCUITO NEUMÁTICO
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 49
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
BIBLIOGRAFÍA
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 50
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE ING. MECANICA
1. Shigley,”DISEÑO EN IGENIERIA MECANICA”, Editorial
McGRAW HILL, Sexta Edición.
2. dubbel,”MANUAL DEL CONTRUCTOR DE MAQUINAS”,
Editorial Labor S.A. Segunda Edición, España.
3. Feodosiev “RESISTENCIA DE MATERIALES”, Editorial
Mir, Primera Edición, RUSIA 1972.
4. Oerlikon, “MANUAL DE DE SOLDADURA”.
5. Leeson, “CATALOGO DE MOTORES Y
MOTOREDUCTORES”.
6. Ingeniería Termodinámica, MANUAL DE CILINDROS
NEUMATICOS “MICRO”
DISEÑO DE MÁQUINAS II MAQUINA ENRROLLADORA DE TELA DE POLIPROPILENO 51
Recommended