diseño de polipasto eléctrico monorraíl
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Diseño de Polipasto Eléctrico Monorraíl
Una Tesis Presentada Para Obtener El Título De
Ingeniero Mecánico
Universidad De Los Andes, Bogotá
Juan Felipe Matajira Gaitán
Asesor: Carlos Francisco Rodríguez
Enero de 2020.
ii
Tabla de Contenidos
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 1
Sistema motriz ............................................................................................................................ 3
Sistema transmisor ...................................................................................................................... 4
Sistemas de levantamiento de cargas .......................................................................................... 7
Sistema de frenado ...................................................................................................................... 9
Sistema de sujeción ................................................................................................................... 10
ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN .......................................................................................... 12
DISEÑO DETALLADO ............................................................................................................. 15
Diseño del polipasto N°1 .......................................................................................................... 15
Diseño del polipasto N°2 .......................................................................................................... 23
CONCLUSIONES....................................................................................................................... 30
REFERENCIAS .......................................................................................................................... 31
ANEXOS ...................................................................................................................................... 32
iii Lista de figuras
Figura 1. Representación teórica de un polipasto. .......................................................................... 2 Figura 2. Representación de un polipasto con sus respectivos subsistemas. .................................. 3 Figura 3. (2020) Cadena y piñón cadena. Obtenido de https://www.rodamontt.cl/?page_id=275. 5 Figura 4. (2020) Correa en V. Obtenido de https://www.intermec.com.co/poleas_v.php. ............ 5
Figura 5. (2020) Perfil de una banda sincrónica. Obtenida de https://www.catarinas-
industriales.com/catalogo/bandas_sincronicas.php. ............................................................... 6 Figura 6. (2020) Render de una transmisión CVT. Obtenida de
https://www.actualidadmotor.com/cambio-automatico-cvt-la-ultima-evolucion-del-variador-
continuo-se-llama-e-cvt/. ........................................................................................................ 6
Figura 7. (2020) Representación de engrane y piñón. Obtenido de
https://tecnologiapirineos.blogspot.com/2012/02/sistemas-de-transmision-mediante.html. .. 7
Figura 8. (2020) Polipasto eléctrico con tambor expuesto. Obtenido de
https://polipastoelectrico.com.mx/polipasto-electrico-con-carro/ .......................................... 8 Figura 9. (2020) Rueda de cadena eslabonada de un mecanismo marca Yale. Obtenido de
brochure de https://cmco-latam.com/wp-
content/uploads/2018/10/BROCHUREYALE22016CMYKWEB.pdf .................................. 8 Figura 10. (2020) Bolsa porta cadena marca Mitari. Obtenida de
https://www.mitari.es/articulo/6076/bolsa-para-la-cadena-polipastos-de-cadena-500-5000-
kg.html .................................................................................................................................... 9 Figura 11. (2020) Ejemplo ilustrativo de un trolley, una carcasa y la viga puente. Obtenido de
https://www.indiamart.com/proddetail/electric-chain-hoist-16216092391.html.................. 10 Figura 12. Procedimiento para estimar el factor de seguridad asociado al polipasto. Obtenido del
libro The Mechanical Design Process por David Ullman (Ullman, 2016). .......................... 13
Figura 13. (2020) Sección del catálogo de motorreductores coaxiales basados en motores de
10hp. Obtenido de http://www.ramfe.com.co/archivos/177.pdf........................................... 17 Figura 14. Catálogo de cadenas grado 80 del proveedor Colcadenas.
URL:https://www.colcadenas.com/producto/cadena-eslabonada-grado-80 ......................... 18
Figura 15. Render de la rueda cadena. .......................................................................................... 18 Figura 16. (2020) Sección del apartado de especificaciones geométricas del motorreductor
22NA21. Obtenido de http://www.ramfe.com.co/archivos/177.pdf ..................................... 19 Figura 17. Restricciones y cargas aplicadas (izquierda. Factor de seguridad sobre la rueda de
cadena con una carga de 73575N (derecha). ........................................................................ 20 Figura 18. Ensamble de piezas que conforman el sistema de sujeción (izquierda). Análisis de
esfuerzos del sistema ensamblado (derecha). ....................................................................... 22 Figura 19. (2020) Catálogo de frenos electromagnéticos de Industrias RAMFÉ. Obtenido de
http://www.ramfe.com.co/archivos/187.pdf. ........................................................................ 23
Figura 20. (2020). Sección de catálogo de motorreductores sin fin - corona con un motor de 12
caballos. Obtenido de http://www.ramfe.com.co/archivos/193.pdf ..................................... 24 Figura 21. Dimensiones exactas para una caja reductora tamaño SG07 con motor 132. Obtenido
de http://www.ramfe.com.co/archivos/193.pdf .................................................................... 25
Figura 22. Render del sistema de sujeción (izquierda). Analisis de esfuerzos sobre el sistema de
sujeción (derecha). ................................................................................................................ 26
Lista de tablas
iv
Tabla 1.Verificación de cumplimiento de requerimientos para el polipasto N°1. ........................ 28 Tabla 2. Verificación de cumplimiento de requerimientos para el polipasto N°2. ....................... 29
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INTRODUCCIÓN
Actualmente, los tiempos de importación a Colombia para polipastos eléctricos toman
entre seis y ocho semanas según el medio de transporte por donde se envíe y el lugar donde
se fabrique este (Santos, 2019). Por ejemplo, un polipasto americano marca Street tarda
cuatro semanas en estar ensamblado (desde el momento en el que se hace la orden de
requerimiento desde Colombia) y dos o tres semanas más en el proceso de envío.
Adicionalmente, esto viene acompañado de altos costos en el flete (aproximadamente 1000
USD) y una gran desventaja económica causada por la tasa de cambio actual a dólares
(Santos, 2019).
Gran parte de esta problemática puede evitarse desarrollando los polipastos en Colombia
haciendo uso de proveedores con plantas de producción local. Por este motivo, Conergia
Cranes solicitó la colaboración de la Universidad de los Andes con el fin de diseñar un
polipasto con piezas colombianas y que fuera capaz de ser reproducido en el futuro. A esto
se le debe agregar las cotas de seguridad proporcionadas por la norma técnica ASME
B30.16 para polipastos elevados y algunos requerimientos proporcionados por la
compañía.
A lo largo de este documento se presentará el proceso de diseño y selección de dos
polipastos con características mecánicas distintas seccionado de la siguiente manera: (1)
sistema motriz, (2) sistema transmisor, (3) sistema de levantamiento de cargas, (4) sistema
de frenado (5) sistema de sujeción. No obstante, se omitirá el diseño de los controladores
electrónicos de movimiento y arranque.
2
Subsistemas de un polipasto eléctrico
A lo largo de la historia, la necesidad de levantar objetos pesados ha llevado al ser humano
a inventar mecanismos capaces de ayudarlos con estas tareas. Como parte de este proceso
surgieron los polipastos, sistemas que utilizando la ventaja mecánica permiten tener una
fuerza resultante mayor a la introducida. Este tipo de mecanismo se puede representar
gráficamente (véase la figura 1) como una caja donde se aplica una fuerza a una
determinada velocidad y la salida de esta es una fuerza mayor con una velocidad menor
proporcionalmente.
Figura 1. Representación teórica de un polipasto.
En la actualidad existen distintos tipos de polipastos para diferentes tipos de aplicaciones.
Estos varían según los componentes que lo conforman, desde su fuente de alimentación
hasta la forma en la que levanta la carga. Siendo así, en este documento se revisará todos
los componentes posibles para el diseño de un polipasto, seccionando los componentes por
subsistemas tal y como ilustra la figura 2.
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Figura 2. Representación de un polipasto con sus respectivos subsistemas.
Sistema motriz
El sistema motriz en un polipasto se encarga de proporcionar la potencia suficiente al
mecanismo para poder levantar y bajar las cargas asociadas. De acuerdo con la definición
de potencia, esta se puede hallar de la siguiente manera:
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐹𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ∙ 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝐹𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ∙ 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
Sin embargo, esta relación muestra únicamente un escenario ideal donde no hay perdidas
de energía en todo el proceso. Debido a esto, la forma correcta de determinar la potencia
de entrada incluyendo una eficiencia η en todo el mecanismo. Siendo así, la expresión más
adecuada sería la siguiente:
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 =𝐹𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ∙ 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝜂
Esta potencia puede ser entregada manualmente (por un operario) o mediante un motor
eléctrico. Sin embargo, la operación manual está limitada al individuo que utilice el
polipasto y a la máxima potencia que pueda proporcionar este. Para utilizar un motor
eléctrico es necesario saber qué tipo de motores se usan en la industria de polipastos y
cuáles son sus características. Por un lado tenemos los motores asíncronos (o de inducción),
estos son motores que funcionan con corriente alterna y son conocidos debido a que la
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velocidad a la cual gira el rotor es diferente a la velocidad del campo electromagnético del
estator (Fitzgerald, Kingsley, & Umans, 2003). Por el otro lado se encuentra el motor
síncrono, este también es alimentado con corriente alterna pero a diferencia del motor
asíncrono, la velocidad del rotor es la misma que la velocidad del campo electromagnético
del estator (Fitzgerald, Kingsley, & Umans, 2003). No obstante, estos tienen algunas
características adicionales que los diferencian. Primero, los motores síncronos necesitan
una excitación inicial para poder encenderse mientras que los motores asíncronos no.
Segundo, el costo de los motores asíncronos es menor que el de su competencia pero son
más ineficientes energéticamente (Fitzgerald, Kingsley, & Umans, 2003).
Sistema transmisor
Luego de que el sistema motriz entrega la potencia al polipasto, es necesario un sistema
transmisor capaz de aumentar el torque final para poder levantar una carga de más de 5
toneladas. En el siguiente listado de transmisiones se comparará aspectos como el precio
de la máquina, el precio de su mantenimiento, el volumen efectivo y aspectos
diferenciadores con el fin comparar ventajas y desventajas. Con esto en mente se pueden
considerar distintos tipos de transmisión de potencia tales como:
1. Transmisión de Cadena (figura 3): Este tipo de mecanismos son utilizados
ampliamente en aplicaciones que requieren un alto par torsión y también, donde las
temperaturas superen el rango funcional de correas de distribución (Norton, 2009).
• Bajo costo de implementación
• Genera vibración al sistema
• Fácil y económico mantenimiento
• Requieren tensor
• Ocupa un amplio volumen
• Requiere variador de frecuencia
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Figura 3. (2020) Cadena y piñón cadena. Obtenido de
https://www.rodamontt.cl/?page_id=275.
2. Transmisión por Correa (figura 4): La transmisión de potencia mediante correas se
hace por fricción entre los cilindros rodantes. Existen distintos tipos de correas en
las que cambia el tipo de perfil y elastómero (Norton, 2009).
• Bajo costo de implementación
• Existe deslizamiento entre el cilindro rotador y la correa
• Ocupa gran volumen
• Bajo costo de mantenimiento
• Requiere Variador de frecuencia
Figura 4. (2020) Correa en V. Obtenido de https://www.intermec.com.co/poleas_v.php.
3. Bandas Sincrónicas: Realiza la transmisión de potencia con una correa de hule con
hilos de acero con la ventaja de que tiene dientes en la superficie de contacto
(Norton, 2009).
• Bajo costo de implementación
• Resuelve el problema de deslizamiento
• Ocupa gran volumen
• Bajo costo de mantenimiento
• Requiere variador de frecuencia
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Figura 5. (2020) Perfil de una banda sincrónica. Obtenida de https://www.catarinas-
industriales.com/catalogo/bandas_sincronicas.php.
4. Transmisión de variable continua (CVT): Este tipo de transmisión varia la relación
de potencia entre los cilindros por medio de una correa en V que se desplaza por un
par de poleas ajustables en diámetro (Norton, 2009).
• Alto costo de implementación
• Puede ajustar la velocidad y potencia sin necesidad de un variador de
frecuencia
• Alto costo de mantenimiento
• Ocupa gran volumen
Figura 6. (2020) Render de una transmisión CVT. Obtenida de
https://www.actualidadmotor.com/cambio-automatico-cvt-la-ultima-evolucion-del-
variador-continuo-se-llama-e-cvt/.
5. Transmisión por engranes: Es un mecanismo común donde los cilindros rodantes
están en contacto entre ellos y transmiten el movimiento medio de dientes que
encajan entre las dos superficies. Existen distintos tipos de engrane donde puede
variar el número de dientes, la forma del diente, el ángulo que genera con respecto
al movimiento, entre otros (Norton, 2009). Además, existen diferentes tipos de
geometría de engranes en lo que se puede distinguir helicoidales, sin fin - corona,
rectos y más.
• Bajo costo de implementación
• Bajo costo de mantenimiento
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• Ocupa poco volumen
• Requiere variador de frecuencia
Figura 7. (2020) Representación de engrane y piñón. Obtenido de
https://tecnologiapirineos.blogspot.com/2012/02/sistemas-de-transmision-mediante.html.
Sistemas de levantamiento de cargas
Al momento de levantar la carga, es necesario enrollar el cable o cadena con el que se va a
izar los objetos. Siendo que este cable (o cadena) puede tener grandes longitudes, es
importante determinar cómo se va a enrollar dentro del mecanismo de tal manera que no
se enrede el material. Teniendo esto consideración sistemas de levantamiento de carga más
comunes en la industria de polipastos son los siguientes:
1. Tambor de cable: Es un cilindro roscado por donde se enrolla el cable al momento
de subir y bajar la carga (ver la figura 8). Por este motivo, la rosca del tambor no
es contínua sino que tiene dos apartados. Por un lado enrolla al subir y por el otro
enrolla al bajar. Asimismo, este sistema cuenta con un guía cable que se encarga de
ubicar el perfil del cable en cada ranura sin que se sobrepongan o se enreden.
8
Figura 8. (2020) Polipasto eléctrico con tambor expuesto. Obtenido de
https://polipastoelectrico.com.mx/polipasto-electrico-con-carro/
2. Rueda de cadenas y bolsa porta cadena: la rueda de cadena es similar a un piñón y
permite subir o bajar la cadena eslabonada según la dirección de su movimiento
(ver figura 9). Asimismo, la bolsa de cadena almacena toda la cadena que ha sido
recogida por la rueda de cadena tal y como muestra la figura 10.
Figura 9. (2020) Rueda de cadena eslabonada de un mecanismo marca Yale. Obtenido
de brochure de https://cmco-latam.com/wp-
content/uploads/2018/10/BROCHUREYALE22016CMYKWEB.pdf
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Figura 10. (2020) Bolsa porta cadena marca Mitari. Obtenida de
https://www.mitari.es/articulo/6076/bolsa-para-la-cadena-polipastos-de-cadena-500-
5000-kg.html
Sistema de frenado
Al momento de levantar una carga, el polipasto debe ser capaz de mantenerla elevada
indefinidamente si tiene energía o no. Para esto requiere tener un sistema de frenos que
funcione en ocasiones de emergencia y que sea confiable. En el siguiente catálogo se
presentaran algunos mecanismo de frenado siendo evaluados en términos de capacidad,
confiabilidad y costos:
1. Freno de disco: Sistema de frenado que aprieta un disco con mordazas para poder
frenar el movimiento de un objeto. Este tipo de freno es el más común en los
vehículos por su capacidad de disipar el calor y su eficacia (Nice K. , 2020).
2. Freno de tambor: Este sistema, a diferencia del freno de disco, funciona ejerciendo
presión sobre la cara interior del tambor. Esto genera fricción y es capaz de frenar
sistemas en movimiento (Nice K. , 2019).
3. Freno de banda: Sistema de freno que envuelve y aprieta una pieza rotativa para
generar fricción por medio de una banda (USA, 2019).
4. Freno electromagnético: Este sistema está compuesto por dos superficies de que se
friccionan entre ellas al estar en contacto. La posición neutra del sistema es en
contacto y cuando se energiza, este libera el freno (Eitel, 2002).
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Sistema de sujeción
Todos los subsistemas anteriores deben estar acoplados entre ellos y algo que es el trolley
(o patín). A su vez, el trolley está puesto sobre la viga puente en la cual se mueve todo el
polipasto. Para esto se utiliza una carcasa que se encarga de sujetar todos los subsistemas
del polipasto a un gancho directo al patín. La siguiente figura muestra cómo son estas
piezas gráficamente:
Figura 11. (2020) Ejemplo ilustrativo de un trolley, una carcasa y la viga puente.
Obtenido de https://www.indiamart.com/proddetail/electric-chain-hoist-
16216092391.html
Como se puede ver en la figura anterior, la carcasa se encarga de sostener todo el sistema
polipasto y, adicionalmente, a la carga cuando está siendo levantada.
Objetivo General
• Diseñar dos polipastos eléctricos monorraíl de cadena de acuerdo a los criterios de
la norma de seguridad ASME B30.16
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Requerimientos Funcionales
• Diseñar los polipastos con piezas y componentes elaborados en Colombia.
• La capacidad de carga de los polipastos debe ser de 5 toneladas teniendo en
cuenta el factor de seguridad correspondiente.
• Los polipastos deben tener una velocidad de ascenso de cargas de 3.5m/min.
• El diseño de los polipastos debe permitir una futura reproducción de todo el
sistema.
• El diseño del polipasto debe cumplir como mínimo con las cotas de seguridad
proporcionadas en la norma de seguridad ASME B30.16.
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ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN
En este documento se diseñarán dos polipastos eléctricos monorraíl, los cuales incluyen
cada subsistema que se mencionó en la introducción. El propósito de diseñar dos polipastos
diferentes es poder ofrecer alternativas de diseño según la necesidad de Conergia Cranes.
Polipasto N°1: Por un lado, el polipasto N°1 se va a componer de un motor eléctrico que
entrega 10hp a 1800rpm que está acoplado a una caja reductora de con engranes
helicoidales y un disposición coaxial entre el eje de entrada y el eje de salida. Este eje tiene
un estriado tipo DIN y estará acoplado a una rueda de cadena que movilizará la cadena de
carga.
Polipasto N°2: Por otro lado, el polipasto N°2 está compuesto por un motor de 12hp a una
velocidad de 1800rpm que estará acoplado a una caja reductora con engranes helicoidales
y tornillos sin fin – corona el cual funciona simultáneamente como un freno de emergencia.
De acuerdo con los requerimientos de Conergia Cranes, el diseño de los polipastos deben
cumplir al menos con la norma de seguridad B30.16 en la que se aplican las siguientes
cotas (ASME, 2007):
• La cadena eslabonada debe ser capaz de soportar 1 ½ veces la carga nominal del
polipasto.
• El freno electromagnético debe frenar un 125% de la carga nominal.
• El tensión en el sistema de sujeción no debe exceder el 20% de la resistencia del
material.
Adicionalmente, se calculará un factor de seguridad para la potencia entregada por el
sistema motriz con el fin de poder suplir con el torque necesario en casos de exceder la
carga nominal. Este factor de seguridad se determinará siguiendo el siguiente
procedimiento que Ullman utiliza en su libro The Mechanical Design Process (Ullman,
2016):
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Figura 12. Procedimiento para estimar el factor de seguridad asociado al polipasto.
Obtenido del libro The Mechanical Design Process por David Ullman (Ullman, 2016).
Siguiendo la información anterior, el factor de seguridad calculado sería el siguiente:
• FS material = 1.1
Todos los componentes que conforman el polipasto serán de materiales conocidos
y verificados por los proveedores.
• FS esfuerzos = 1.1
La etiqueta del polipasto muestra explícitamente la carga nominal a la cual puede
ser sometido el mecanismo. Esto significa que la carga estará bien definida y que
no existirán cargas fluctuantes no anticipadas.
• FS geometría = 1.0
Las tolerancias en la manufactura del mecanismo tienen tolerancias ajustadas para
un correcto acoplamiento.
• FS falla = 1.3
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Para la mayoría de componentes diseñados en los prototipos, se utilizará la teoría
de falla de Von Mises por energía de distorsión debido a que en su mayoría, los
componentes del prototipo serán dúctiles.
• FS confiabilidad = 1.2
La confiabilidad en el mecanismo se espera que sea promedio.
FS final = FS material* FS esfuerzos* FS geometría* FS falla* FS confiabilidad
FS final = 1.1 * 1.1 * 1.0 * 1.3 * 1.2 = 1.89
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DISEÑO DETALLADO
Para realizar el diseño de cada subsistema se recorrió las zonas industriales de Bogotá en
busca de proveedores que tuvieran la capacidad de producir en masa los componentes
necesarios para el polipasto. Durante esta tarea se encontraron los siguientes proveedores:
• RAMFÉ. Esta empresa tiene experiencia en sistemas de transmisión, motores
eléctricos y frenos electromagnéticos. Por este motivo el sistema motriz, el sistema
transmisor y el sistema de frenado serán diseñados bajo los productos de este
proveedor.
• Colcadenas. Es una empresa dedicada principalmente a producir cadenas
eslabonadas galvanizadas. La cadena del sistema de levantamiento de cargas será
obtenida de esta empresa.
• IMR. Es una empresa especializada en desarrollar piezas y elementos por
fundición. Esta empresa se encargan de realizar los mecanizados necesarios para
entregar las piezas con mejores acabados.
Diseño del polipasto N°1
Los motores que se utilizaran en el diseño de los polipastos están ligados al sistema de
transmisión. Esto es debido a que dependiendo de este, la eficiencia desde el motor hasta
el sistema de levantamiento será diferente, lo que implicará aumentar o disminuir la
potencia que deberá entregar el motor. Por consiguiente, para calcular la potencia que
requiere tener el motor se asumirá como una primera medida una eficiencia del 85% la cual
se ajustará una vez se seleccione el sistema transmisor. Como primer acercamiento, el
motor eléctrico requiere las siguiente potencia para poder elevar una carga de 5ton a una
velocidad de 3.5m/min:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ≈ (9.81𝑚
𝑠2) (5000𝑘𝑔) (0.058
𝑚
𝑠) ≈ 2844.9𝑊
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝜂 = 85%) ≈ 3346.94W
Potencia con F.S ≈ 6325.72W
6325.72𝑊 = 8.5ℎ𝑝
Teniendo en cuenta este dato, se procede a encontrar una caja reductora para el sistema
de transmisión. Para esto es importante determinar el torque y la velocidad angular a la
salida del polipasto. Para esto se asumirá una rueda cadena de 10 cm de radio y la
expresión para determinar esto son las siguientes:
𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 = (5000𝑘𝑔) ∗ (9.81𝑚
𝑠) ∗ (0.1𝑚) ∗ 1.89
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𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 = 9271Nm
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 = (
0.058ms
0.1m) ∗ (
60
2𝜋) = 5.54𝑟𝑝𝑚
De acuerdo con esta información, se buscará una caja de reducción en el catálogo de
RAMFÉ que cumpla con los requerimientos. Actualmente RAMFÉ produce diferentes
tipos de motorreductores (Helicoidales coaxiales, Helicoidal ejes paralelos, Helicoidal sin
fin corona, Helicoidal pendular, Helicoidal con ejes perpendiculares), sin embargo, según
el ingeniero Diego Castellanos, asesor en Industrias RAMFÉ, los reductores más aptos para
el polipasto son los coaxiales, ejes paralelos, sin fin – corona y ejes perpendiculares por su
menor costo y confiabilidad. Siendo así, el reductor escogido para el diseño de este
polipasto es el helicoidal con ejes coaxiales. Las razones adicionales para determinar este
sistema son las siguientes:
1. Su geometría y posicionamiento de los ejes de entrada y de salida permiten realizar
un diseño más simple para el sistema de sujeción.
2. Debido a que no es necesario cambiar la orientación de los ejes de transmisión, no
es útil utilizar un reductor con ejes perpendiculares.
3. El reductor sin fin – corona puede ser útil, por este motivo se evaluará su uso en el
diseño del polipasto 2. De aquí partirá la diferencia en diseño entre ambos.
El siguiente catálogo de RAMFÉ categoriza los motorreductores según la potencia del
motor, la velocidad de salida, la velocidad de salida, el torque y el índice de reducción. De
acuerdo al catálogo, el motor más cercano al requerido es el de 10hp. Partiendo de esto, la
reducción más apropiada en la lista de la figura 13 es la siguiente:
17
Figura 13. (2020) Sección del catálogo de motorreductores coaxiales basados en
motores de 10hp. Obtenido de http://www.ramfe.com.co/archivos/177.pdf
Como se puede en la figura anterior, el motorreductor con menor índice de reducción de
todo el catálogo no alcanza a entregar ni el torque ni la velocidad necesaria. De acuerdo
con esto, la reducción adicional debería estar alrededor de 1.88. Al contactar al proveedor
se concluyó que la mejor opción es rediseñar ese motorreductor para alcanzar la reducción
necesaria conservando el mismo tamaño del equipo 22NA21. Por último, es necesario
conocer la eficiencia de esta transmisión con el fin de determinar de manera más precisa la
potencia requerida por el motor. Como el proveedor no especifica la eficiencia exacta del
sistema, se utilizará como referencia un estudio desarrollado por la universidad de Ghent
(Derammelaere, y otros) donde determinan empíricamente la eficiencia de una caja
reductora similar a la escogida. De acuerdo con los autores, esta eficiencia ronda alrededor
de 84.5% lo que no genera mayores cambios sobre el motor escogido.
Para el sistema de levantamiento se requieren dos componentes principalmente. Primero,
se necesita utilizar una cadena eslabonada lo suficientemente fuerte como para soportar 1.5
veces la carga nominal, obedeciendo las recomendaciones de la norma de seguridad. Para
esto se utilizará una cadena grado 80 debido a que estas están diseñadas para sistemas de
izaje según el proveedor (Colcadenas, 2019). Las especificaciones de esta cadenas se
pueden encontrar en el siguiente catálogo de Colcadenas:
18
Figura 14. (2020) Catálogo de cadenas grado 80 del proveedor Colcadenas. Obtenido de
https://www.colcadenas.com/producto/cadena-eslabonada-grado-80
De acuerdo con el catálogo en la figura 14, la cadena óptima para el levantamiento es la
719 con 16cm de diámetro. Puesto que el límite de trabajo debería ser 7.5ton con factor de
seguridad, se tomó la primera cadena que cumpliera con ese requisito, en este caso, la de
8200kg.
Ahora, el siguiente sistema a diseñar es el de levantamiento. Este consta únicamente de dos
componentes principales que son (1) la rueda cadena y (2) la bolsa porta cadena.
Para el diseño de la rueda cadena, se utilizó como referente una ya existente empleada en
polipastos marca Kito. El diseño obtenido fue el siguiente:
Figura 15. Render de la rueda cadena.
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Como se puede ver, cara arista lateral del octágono posee una muesca donde reside cada
eslabón de la cadena. Esta rueda tiene un radio de aproximadamente 10cm y la conexión
entre el reductor y la rueda es estriado tipo DIN 5480 con un diámetro de 90mm y un
módulo de 2.5, teniendo en cuenta las especificaciones del motorreductor (ver figura 16).
Figura 16. (2020) Sección del apartado de especificaciones geométricas del
motorreductor 22NA21. Obtenido de http://www.ramfe.com.co/archivos/177.pdf
Adicionalmente, se hizo un análisis de esfuerzos en la rueda simulando la carga que
ejercería la cadena sobre las muescas. Para esto se utilizó la herramienta Autodesk Inventor
Stress Analysis, asumiendo hierro fundido como material a utilizar y con un enmallado al
0.1 como es recomendado en el software (Help, 2014). La siguiente figura muestra la
ubicación de las fuerzas aplicadas y la restricción de movimiento. Además, muestra el
factor de seguridad asociado al tipo de material al someterse a la carga.
20
Figura 17. Restricciones y cargas aplicadas sobre la rueda cadena.
Figura 18. Análisis de esfuerzos sobre la rueda cadena.
21
Por otro lado, fue necesario diseñar la bolsa porta cadena para este sistema. Esta puede
tomar diferentes longitudes según la altura a la que se ubique el polipasto por lo que se
supondrá que se almacenará 12m de cadena. Teniendo en cuenta esto y las especificaciones
de la cadena a utilizarse en la figura 14, el peso que debe soportar es aproximadamente de
60kg. Además, es necesario conocer cuál es el volumen que esta cantidad de cadena
ocupará en la bolsa. Para esto se hará una aproximación del volumen ocupado por metro
de cadena considerando el ancho total de un eslabón (por ambos lados) como el ancho
máximo.
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛1𝑚 𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑎 = (0.0235 + 0.032𝑐𝑚)2 ∗ 1𝑚 = 0.00308𝑚3 12𝑚 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑎 = (0.235 + 0.32𝑐𝑚)2 ∗ 12𝑚 = 0.037𝑚3
Con este resultado, el volumen mínimo que debería tener la bolsa es de 0.037m^3
suponiendo que esta se enrolla perfectamente y no deja ningún espacio sin ocupar. Ahora,
debido a que esto no es posible, se utilizará una bolsa en la que queda al menos 3 veces ese
volumen. Adicionalmente, diseñar alguna manera de sujetar esta bolsa en el sistema de
sujeción, no obstante, este diseño se mostrará próximamente al momento de diseñar la
carcasa en la figura 18.
Para el diseño de la carcasa se usó como referencia las medidas de todos los sistemas
anteriores, principalmente con la referencia de la figura 16. Con esta referencia se hizo un
modelo 3D de los componentes principales y con esto, el diseño de la carcasa. Esta carcasa
consta de 3 piezas, por un lado está el ala que sostiene la caja reductora, el motor y el freno
interno al motor, por otro lado está el ala que soporta la bolsa porta cadena y la última pieza
es un tubo que une ambas alas (las piezas individuales se encuentran en los anexos). Las
siguientes figuran muestran los componentes ya ensamblados y el análisis de esfuerzos
asociado a este bajo la carga de 7.5ton en la ranura de la rueda cadena, el peso de la bolsa
porta cadena (cargada) en el ala izquierda y el peso de la caja reductora y el motor en el ala
derecha:
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Figura 19. Vista isométrica superior del sistema de sujeción (izquierda). Vista isométrica
inferior del sistema de sujeción (derecha).
Figura 20.Análisis estático del sistema de sujeción para el polipasto N°1.
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Además, se realizó un análisis estático de sistema de sujeción bajo la carga de 7.5ton, una
cadena de 80kg y un peso de 100kg para el motor, la caja reductora y el freno (como
valor aproximado) en la figura 19.
Por último, se diseñó el sistema de frenado para este polipasto. El freno que se utilizará
será uno electromagnético de disco debido a que tiene un valor agregado en seguridad pues
este mantiene la carga sostenida incluso al estar sin fuente de corriente. Además, tiene la
ventaja (frente al freno de zapata) de que viene incluido dentro de la carcasa del motor
eléctrico. Para esto se revisó el catálogo de frenos propuesto por el proveedor y se escogió
el que cumpliera con torque necesario para poder frenar la carga con su factor de seguridad
asociado. Este torque se determinó de la siguiente manera:
𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 =𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒𝑅𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
𝐼𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 =9271𝑁𝑚
169.02 ∗ 1.88= 29.18𝑁𝑚
Haciendo una revisión en el catálogo de frenos electromagnéticos de la figura 19 se puede
ver que el freno más adecuado es el de 32Nm, pues supera con suficiencia el requerimiento.
Además, este freno en vez de estar seleccionado con un factor de seguridad de 1.25 como
indica la norma, contiene el mismo factor de seguridad del motor (1.89).
Figura 21. (2020) Catálogo de frenos electromagnéticos de Industrias RAMFÉ. Obtenido
de http://www.ramfe.com.co/archivos/187.pdf.
Diseño del polipasto N°2
La razón de diseñar un segundo polipasto es la posibilidad de ofrecer a Conergia Crane un
sistema de frenado de emergencia directo en la caja de reducción. Esto se va a lograr
cambiando el tipo de engranaje por uno sin fin – corona el cual tiene un ángulo de hélice
tan alto que evita la contramarcha en el sistema (Norton, 2009).
En este segundo diseño se utilizará el mismo sistema de levantamiento, con la diferencia
del que el sistema de sujeción cambiará y , por ende, la ubicación de la bolsa porta cadena
también lo hará. Sin embargo, el sistema reductor y el sistema de sujeción cambiaran, ya
que, al cambiar la caja de reducción, la potencia requerida por el motor y el torque de
frenado también lo harán.
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Entonces, primero se va a proponer un motor bajo una eficiencia aproximada (obtenida del
mismo estudio de la universidad de Ghent (Derammelaere, y otros)), luego, se determinará
la caja reductora adecuada y, por último, con esta se determinará de forma más precisa la
eficiencia real poder escoger el motor más adecuado.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ≈ (9.81𝑚
𝑠2) (5000𝑘𝑔) (0.058𝑚
𝑠) ≈ 2844.9𝑊
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝜂 = 60%) ≈ 4741.5W
Potencia con F.S ≈ 8961.44W
8961.44𝑊 = 12ℎ𝑝
Según este dato, el catálogo apropiado para una caja reductora de tornillo sin fin – corona
sería el siguiente:
Figura 22. (2020). Sección de catálogo de motorreductores sin fin - corona con un
motor de 12 caballos. Obtenido de http://www.ramfe.com.co/archivos/193.pdf
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De acuerdo con la información proporcionada en el catálogo, la eficiencia exacta del
sistema es del 68% lo que implica mayor torque en el sistema. En consideración de este
nuevo cambio, se determinará cual es la reducción adicional necesaria en el sistema para
mantener una velocidad angular de salida de 5.54rpm (velocidad para levantar una carga a
3.5m/min con una palanca de 0.1m):
𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 =𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑜𝑔𝑜
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎=
15.94𝑟𝑝𝑚
5.54𝑟𝑝𝑚= 2.88
Este dato permitirá al proveedor reajustar la relación interna de la caja reductora. Por otro
lado, con la especificación geométrica proporcionada por el catálogo, se diseñó el sistema
de sujeción para el polipasto. Estas medidas pueden verse en la siguiente figura:
Figura 23. Dimensiones exactas para una caja reductora tamaño SG07 con motor 132.
Obtenido de http://www.ramfe.com.co/archivos/193.pdf
Con estas cotas se realizó el CAD en tres piezas (de forma similar al polipasto N°1), una
que se encarga de sujetar el sistema transmisor y el sistema motriz, una que se encarga de
sostener la bolsa porta cadena y, por último, cuatro tubos que unen las dos piezas anteriores.
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El render de este sistema (junto al análisis de esfuerzos) se encuentra en las siguientes
figuras:
Figura 24. Vista isométrica superior (izquierda). Vista isométrica inferior(derecha).
Figura 25. Análisis estático de sistema de sujeción del polipasto N°2.
Finalmente, no es necesario calcular otra vez el freno debido a que la reducción en la caja
seguirá siendo la misma. Dado esto, el torque de freno requerido seguirá siendo 29.18Nm.
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Además, la ubicación de este será igual que la del freno anterior, es decir, interno a la
carcasa del motor.
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VERIFICACIÓN DE DISEÑO
Con el diseño de los polipastos hechos, es pertinente determinar si este cumple con todos
los requerimientos funcionales manifiestos en las alternativas de solución . Por este motivo
se verificará cada uno de los polipastos individualmente a lo largo de esta esta sección.
Polipasto N°1
Tabla 1.Verificación de cumplimiento de requerimientos para el polipasto N°1.
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Polipasto N°2
Tabla 2. Verificación de cumplimiento de requerimientos para el polipasto N°2.
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CONCLUSIONES
Se logró diseñar dos polipastos cumpliendo y superando la norma de seguridad B30.16.
Por un lado, el diseño del polipasto N°1 tiene la ventaja de utilizar un motor más pequeño
que el polipasto N°2 ya que el sistema transmisor es mucho más eficiente, lo que implica
un mayor aprovechamiento de la potencia. Sin embargo, el polipasto N°2 tiene la ventaja
de poseer es un caja reductora un tornillo sin fin. Este tornillo elimina la contramarcha en
caso de que el freno electromagnético llegase a fallar, lo que puede llegar a ser una gran
ventaja competitiva.
Por otro lado, aunque se diseñó casi a totalidad los sistemas del polipasto, hizo falta incluir
algunos aspecto importantes como lo son el sistema de control eléctrico, el cual regula
electrónicamente el movimiento del polipasto. También es necesario diseñar los pernos de
sujeción de los componentes que lo necesitaran, principalmente los que van a unir el
sistema de sujeción con el gancho que se conecta al trolley. Además, es importante incluir
unos rodamientos capaces de soportar las rueda cadena para que esta no genere tanta
fricción con la carcasa. Cabe resaltar que es importante verificar que los componentes
mencionados anteriormente sean de fácil acceso en Colombia. Por último, para empezar a
producir el producto es de gran importancia realizar las pruebas de seguridad al equipo en
su totalidad.
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REFERENCIAS
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Colcadenas. (2019). Cadena grado 80. Obtenido de
https://www.colcadenas.com/producto/cadena-eslabonada-grado-80
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(s.f.). Energy efficiency measurement procedure for. Obtenido de
https://core.ac.uk/download/pdf/55782910.pdf
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https://www.machinedesign.com/motors-
drives/article/21828254/electromagnetic-brakes-and-clutches
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https://knowledge.autodesk.com/support/inventor-products/learn-
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03E4-4A5E-AB23-BC6083B6538A-htm.html
Nice, K. (05 de Septiembre de 2019). HowStuffWorks. Obtenido de How Drum Brakes
work: https://auto.howstuffworks.com/auto-parts/brakes/brake-types/drum-
brake1.htm
Nice, K. (2020). Obtenido de How disc brakes work:
https://auto.howstuffworks.com/auto-parts/brakes/brake-types/disc-brake4.htm
Norton, R. (2009). Diseño de Maquinaria. McGraw Hill.
Santos, L. F. (Agosto de 2019). Desventajas al importar polipastos. (J. F. Matajira,
Entrevistador)
Ullman, D. (2016). The Mechanical Design Process.
USA, K. (2019). knott USA. Obtenido de Band Brakes:
https://knottbrake.com/categories/band-brakes/
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ANEXOS
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