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MARINA LÓPEZ HERNANDOJORGE DE RENTERÍA DE LA PEÑA
ESTER MARTÍNEZ FUENTESRICARDO MARTÍNEZ CORCHÓN
2011-2012......2º CURSO......1ER SEMESTRE
MECÁNICA
Trabajo de Módulo
Marina López Hernando Jorge de Rentería De LaPeña Ester Martínez Fuentes Ricardo Martínez Corchón
[INFORME DE MECÁNICA]
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Índice
1. INDICE……………………………………………………………………………………………………………………………….1
2. INTRODUCCIÓN (breve descripción de la máquina, objetivos y descripcion del informe)….2
3. DEFINICIÓN DEL MODELO………………………………………………………………………………………………….
3.1. Descripción detallada del producto………………………………………………………………………………2-10
3.2. Materiales y propiedades……………………………………………………………………………………………10-11
3.3. Cálculos con Inventor…………………………………………………………………………………………………11-14
ANEXO 1: Cálculos de presiones y alargamientos………………………………………………………………….15
ANEXO 2: Cálculos de velocidad de poleas…………………………………………………………………………..15
ANEXO 3: Cálculos de diámetro y vueltas de poleas………………………………………………………...15-16
ANEXO 4:Espesores………………………………………………………………………………………………………………16
4. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………………………17
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INTRODUCCIÓN
El trabajo consiste en el desarrollo de una mochila pulverizadora, cuya función principal es
fumigar a pequeña escala.
El objetivo principal del diseño es reducir el esfuerzo humano durante la actividad. Para ello, se
decidió modificar la forma de ejercer presión, sustituyendo el sistema palanca-émbolo de las
existentes, por unos resortes que ejercen presión al expandirse.
Otro de los objetivos propuestos ha sido mejorar la ergonomía del producto. Para ello, se
dividió el depósito en dos cilindros, de modo que se evitaban tensiones en las aristas, la fuerza
máxima que tenía que ejercer el muelle se reducía. Además, se conseguía acercar el centro de
gravedad de la mochila al de la persona.
En el informe explicaremos las características físicas y formales, los componentes principales y
sus medidas, los materiales utilizados, las tensiones soportadas y algunos cálculos mecánicos
realizados a lo largo del trabajo.
DESCRIPCION DEL MODELO
En este apartado se describen todos los componentes que forman el producto.
Encontramos tres partes claramente diferenciadas:
DEPÓSITOS
En primer lugar, destaca el depósito que estará dividido en dos cilindros colocados
tangencialmente.
Figura 1:
Depósitos
cilíndricos
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En la parte interior de cada uno de estos, se encuentra un resorte que ejerce presión sobre el
líquido a pulverizar.
TUBOS TELESCÓPICOS
Estos muelles estarán unidos a unas plataformas que empujarán el líquido hacia el exterior.
Además, están protegidos con tres cilindros telescópicos que evitarán que estos muelles se
desvíen.
Este conjunto está compuesto por tres tubos concéntricos de acero F-1110 que se solapan
permitiendo la compresión y expansión de los muelles. Las dimensiones de los tubos son:
Figura 2: Medidas de los
depósitos
Figura 4: Render de la parte baja de la mochila
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Tubo 1:
Diámetro mayor: 76 mm
Diámetro menor: 73 mm
Diámetro inicio solapa: 74 mm
Longitud total: 82,75 mm
Longitud menor: 82,25 mm
Tubo 2:
Diámetro mayor: 80 mm
Diámetro inicio de la solapa: 78mm
Diámetro interior: 76 mm
Diámetro otro tubo: 74 mm
Longitud mayor: 82,75 mm
Longitud menor: 82,25 mm
Figura 5: Medidas del tubo 1
Figura 6: Medidas del tubo 2
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Tubo 3:
Diámetro mayor: 82 mm
Diámetro interior: 78 mm
Diámetro solapa: 80 mm
Longitud: 82,75 mm
Por otro lado se encuentra en la parte inferior una cavidad elíptica en la que se coloca en su
interior se coloca el mecanismo para comprimir el muelle.
POLEAS-TRINQUETE
Figura 8: Conjunto completo poleas-trinquete
Figura 7: Medidas del tubo 3
Figuras 8 y 9: Trinquete
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Este sistema consta de tres poleas por las que irá una sierga inextensible uniendo las
plataformas del interior de los depósitos con la polea central. Esta polea central estará unida a
un trinquete para evitar que se pierda el esfuerzo ya realizado y bloquea la descompresión del
muelle.
El modo de poner en funcionamiento esta polea-trinquete es enroscando una manivela y
haciéndola girar. Cuando se vaya a proceder al uso de la mochila se desenroscará la manivela.
Medidas:
Trinquete: Polea grande
Polea pequeña
Figura 10: Medidas trinquete Figura 11: Medidas polea grande
Figura 12: Medidas polea pequeña
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MANIVELA ENROSCADA
Las otras dos poleas se situarán a ambos lados de la polea central y tendrán como función
conducir la sierga desde la plataforma hasta la polea central.
Esta cavidad está unida con los depósitos mediante uniones atornilladas lo que nos permitirá
acceder al interior en caso de avería de alguno de los componentes.
Por último, la parte superior tendrá forma cónica, en un lateral se encuentra el tapón por el
que cual rellenaremos la mochila con el líquido a pulverizar y en la zona superior estará
conectada la manguera.
F
PARTE SUPERIOR CON TAPÓN Y MANGUERA
Figura 13: Manivela enroscada
Figura 14: Medidas de la manivela
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Para proceder a su utilización nos aseguraremos de que el tapón quede totalmente cerrado y
nos colocaremos la espaldera o arnés de manera que la salida de la manguera quedará hacia
abajo.
MUELLES
Los resortes diseñados especialmente para esta función, se fabrican en acero, realizando, de
este modo, la fuerza necesaria máxima de 7246N y obteniendo como presión máxima 6bares
y mínima 1,5bares. Su constante de elasticidad k es de 21875N/m y las propiedades físicas que
los caracterizan son las siguientes:
D = 62mm
Figura 15: Medidas parte superior
Figura 16: Parte superior
10
d = 10mm
n = 16,6
L = 498,5mm
H = 166,5mm
Donde:
D… diámetro del muelle
d… diámetro del hilo
n… número de espiras
L… longitud del muelle
H… espacio mínimo del muelle comprimido
LOS MATERIALES
El material elegido para nuestra mochila es el aluminio debido a sus buenas
propiedades
Tiene alta resistencia a la corrosión.
Baja densidad.
Mediante aleaciones tiene bastante resistencia mecánica.
Se mecaniza con facilidad.
Es relativamente barato.
Tiene bajo punto de fusión.
Es un material blando y maleable.
Reacciona con el oxígeno formando la alúmina protegiéndolo. de
posteriores corrosiones.
Es normal que aparezca aleado con otros materiales para mejorar las propiedades
mecánicas, eso hace posible que pueda ser fundido, forjado, extrusión e incluso
soldadura, que es la que vamos a emplear en nuestro producto.
Por otro lado el material utilizado para los resortes será el acero inoxidable Tipo 302.
Se caracteriza porque es ligeramente magnético. La superficie del acero inoxidable
puede mostrar residuos de níquel en la superficie. Esto es algo normal y no afecta al
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rendimiento del muelle. Además tiene buenas propiedades mecánicas y resistencia a la
corrosión.
CÁLCULOS CON INVENTOR
En este apartado, se expone el análisis de tensiones correspondiente al producto diseñado,
explicando con detalle los pasos seguidos y los métodos utilizados. De este modo, se muestran
las fuerzas y presiones a las que se ve sometido, así como las restricciones fijas aplicadas. Para
ello, se utiliza el programa Inventor, que permite obtener diversos datos mecánicos a partir de
un modelo 3D.
Como se ha observado anteriormente en la descripción detallada, el producto es simétrico, lo
cual hace posible su división. Esta fragmentación es realizada a causa de los problemas
surgidos con las secciones tangentes al ejecutar la malla y, de este modo, hacer una
simplificación formal. Una vez aplicado este cambio, se obtiene la malla que se observa en la
Figura 17. Esta simetría existente se refleja a partir de restricciones que se explican a
continuación.
Para simular el cilindro tangente, se aplica una restricción fija en el eje X a lo largo de la recta
marcada en la Figura 18. Esto evita el desplazamiento en esa dirección, ya que coincide con la
línea tangente entre los dos cilindros. Lo mismo ocurre con la sección de la parte superior
marcada en la Figura 19, que aplicando la simetría real formarían una solo pieza, lo que
también impediría su desplazamiento.
Figura 17:Malla
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Además de estas restricciones por simetría, se aplica una tercera de sección circular en la base
del cilindro, como se muestra en la Figura 20. Puesto que el muelle se une en ese lugar, el
diámetro de la sección coincide con el del resorte (62mm). En este caso, la restricción de
realiza en todos los ejes, ya que esta unión evita el desplazamiento en todas las direcciones
Figura 18: Restricción fija en el eje X por cilindro
tangente
Figura 19: Restricción fija en el eje X por sección
de una pieza
Figura 20: Restricción fija en todos los ejes por
sujeción de muelle
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La presión máxima que tendrán que soportar los depósitos se crea en el momento de máxima
comprensión del muelle, debido a la tendencia de este a la descompresión. Esta máxima
presión que se encuentra es de 6bares y estará aplicada tanto en las paredes del cilindro como
en la tapa superior, siendo esta última la zona más crítica. En la Figura 21, se puede observar el
conjunto de presiones creadas en la mochila.
Esta presión interna genera tensiones elevadas, obteniendo las máximas en las zonas de
aristas vivas y en las restricciones. Para saber con exactitud el valor de estas tensiones, se crea
ejecuta la simulación en el programa Inventor, que clasifica por colores estos valores. En la
Figura 22 puede observarse que los depósitos cilíndricos son las partes que menos sufren y
que la tensión de Von Mises máxima es de 269,4MPa. Como se ha dicho anteriormente, el
límite elástico del aluminio es 275Mpa, con lo que se prueba que la mochila soporta las
tensiones que se crean. En la Figura 23 se muestra una zona de mayores tensiones (aristas) y
en Figura 24 la restricción fija por la sujeción del muelle.
Figura 21: Presión interna creada por los muelles
Figura 22: Tensión de Von Mises
Figura 23: Tensión de Von
Mises en la arista
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Del mismo modo se obtienen los desplazamientos mostrados en la Figura 26, obteniendo los
mayores valores de 0,62mm en la tapa superior.
Para la obtención de estos resultados, los espesores utilizados son los siguientes:
Pared cilíndrica = 2mm
Base del cilindro = 8mm
Redondeo interior del cilindro = 5mm
Base de la tapa = 6mm
Tapa = 3mm
Empalme interior de la tapa = 3mm
Figura 25: Tensión de Von Mises
en la restricción
Figura 26:
Desplazamiento
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Anexo 1: Cálculo de presiones y alargamientos
Por elección del producto la capacidad será de 6 litros ya que será usada para cultivos
pequeños y por normativa la presión mínima será 1,5 bar.
Para relacionar el alargamiento máximo y el mínimo hemos usado esta fórmula que los
relaciona
Como
Despejando se usará esta fórmula:
El resultado final da:
Anexo 2: Cálculo de velocidad con la que girará la polea
Usando la ecuación de continuidad:
Y la ecuación de Bernoulli:
= 0,07031 m/min
Anexo 3:Cálculo de diámetro de la polea y número de vueltas:
Diámetro de la polea
Figura 27: Datos de la polea
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En la figura 27 se muestran los datos que seguiremos en las ecuaciones
R= 3623 N
P= 75 kg=735 N
B₁=0,025m
B₂= longitud de la palanca= 0,607 m
Nº de vueltas para la carga
L = 0,25 m
Anexo 4: Cálculo de espesores
Se han usado estas fórmulas:
Como:
Von Mises:
e= 0,2mm
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CONCLUSIONES
Tras haber realizado diferentes cálculos mecánicos se observa que el producto desarrollado
cumple correctamente las expectativas esperadas, ya que los muelles diseñados ejercen la
fuerza necesaria al líquido para que la presión de salida sea la requerida según la normativa.
La forma es la óptima para almacenar 6 litros de líquido evitando gracias a la forma cilíndrica el
mayor número de aristas vivas posibles.
Las conclusiones del apartado de inventor son que Observando los resultados mostrados
anteriormente se llega a la conclusión de que la mochila fabricada en aluminio con los
espesores determinados soporta las tensiones producidas por la presión de los muelles.
Los resortes diseñados especialmente para este uso, fabricados en acero, ejercen la fuerza
suficiente para garantizar que en todo momento la presión mínima de salida son 1,5bares.
En referencia al material utilizado, se observa que el aluminio soporta las tensiones obtenidas
con un grosor de 1 mm, lo que supera holgadamente el límite de seguridad.
Los objetivos han sido conseguidos de manera satisfactoria gracias al mecanismo del trinquete
que permite ejercer una fuerza inicial suficiente para elevar la superficie con los muelles y
evita el esfuerzo continuo que hay que ejercer en las demás mochilas.