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Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Sección de Estudios de Postgrado e Investigación

DISEÑO DE UNA PRENSA NEUMÁTICA

TESIS

Que para obtener el grado de: M a e s t r o e n C i e n c i a s

C o n E s p e c i a l i d a d e n I n g e n i e r í a M e c á n i c a

PRESENTA

Ing. Guillermo Amézquita Martínez.

D i i r e c t o r d e T e s i s : M. C. R I c a r d o L ó p e z M a r t í n e z

C o - D i r e c t o r : G a b r i e l V i l l a y R a b a s a

M é x i c o , D. F. 2 0 0 3

AGRADECIMIENTOS

Agradezco profundamente al profesor M. en C. Gabriel Villa y Rabasa y al Ing. Miguel Rodríguez Rodríguez su comprensión y apoyo para la elaboración de este trabajo sin cuya ayuda y comentarios hubiera sido imposible la terminación del mismo; así como al M. en C. Jesús Silva Lomelí por su desinteresada ayuda.

DEDICATORIA

A mis padres con mucho cariño.

INDICE GENERAL

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martín

“DISEÑO DE UNA PRENSA NEUM

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE GENERAL SIMBOLOGÍA ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS RESUMEN ABSTRACT JUSTIFICACIÓN OBJETIVO INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE

1.1. Generalidades históricas de la prensa. 1.2. Clasificación de las prensas 1.3. Aplicaciones de las prensas.

1.3.1. Prensa inclinada. 1.3.2. Prensa de escote.

1.3.3. Prensa de puente. 1.3.4. Prensa de costados rectos. 1.3.5. Prensa de yunque. 1.3.6. Prensa de junta articulada. 1.3.7. Prensa dobladora. 1.3.8. Prensas de revólver. 1.3.9. Prensa hidráulica. 1.4. Vistazo general de la problemática acerca de la manuf de prensas. 1.5. Descripción de la industria donde puede usarse la pren presente trabajo. 1.6. Planteamiento del problema.

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IV

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INDICE GENERAL

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. II

1.6.1. Capacidad. Definición de capacidad. 33 1.6.2. Tipo de prensa del presente trabajo. 33 1.6.3. Tipo de proceso. 33 1.6.4. Aditamentos especiales. 331.7. Sumario. 34

CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS

2.1. Introducción. 352.2. Compresores de émbolo. 412.3. Unidad de mantenimiento. 42 2.3.1. Filtro de aire comprimido con regulador de presión. 43 2.3.2. Regulador con orificio de escape. 46 2.3.3. Lubricador de aire comprimido. 472.4. Válvulas. 51 2.4.1. Válvulas distribuidoras. 522.5. Constitución de los cilindros. 57 2.5.1. Cilindros de doble efecto. 59 2.5.2. Cilindros con amortiguación interna. 602.6. Sumario 62

CAPÍTULO 3 SELECCIÓN DE EQUIPO

3.1. Generalidades Históricas. 633.2. Aire comprimido. 633.3. Selección del compresor. 64 3.3.1. Cálculo de la capacidad de una prensa de corte. 67 3.3.2. Caudal. 69 3.3.3.Presión de trabajo. 70

INDICE GENERAL

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. III

3.3.5. Pérdidas en el sistema de tubería neumática. 733.4. Cálculo de los pasos, temperatura de descarga y potencia para un compresor con cilindro de simple acción. 80 3.4.1. Etapas o escalones del compresor. 80 3.4.2. Temperatura de descarga. 81 3.4.3. Cálculo de la potencia del motor. 883.5. Selección del actuador. 913.6. Cálculo del tamaño de la válvula. 913.7. Sumario. 94

CAPÍTULO 4 ANÁLISIS POR M.E.F.

4.1. Introducción. 954.2. Métodos clásicos de cálculo. 95 4.2.1. Métodos de discretización. 964.3. Antecedentes. 974.4. Modelación. 1004.5. Estructura del programa. 1024.6. Diseño del bastidor. 1024.7. Sumario. 132

CAPÍTULO 5 AUTOMATIZACIÓN

5.1. Generalidades. Definición. 1335.2. Descripción del evento. 1345.3. Unidad controladora. 136 5.3.1. Elección de la unidad. 136 5.3.2. Descripción de la unidad. 136 5.3.3. Construcción. 1375.7. Sumario. 141

INDICE GENERAL

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. IV

Conclusiones. 142Recomendaciones para trabajos futuros. 144Anexo A. 145Anexo B. 151Anexo C. 153Anexo D. 155Anexo E. 167Anexo F. 172Anexo G. 173Referencias bibliográficas. 175

INDICE DE SIMBOLOS

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. V

ÍNDICE DE SIMBOLOS.

SIMBOLO DESCRIPCIÓN Ac Área de cilindro. C Carrera del pistón. d Diámetro del vástago. D Diámetro del pistón. e Espesor de la chapa a cortar. E Módulo de elasticidad. Ev Eficiencia volumétrica. f Relación de factores. h Diferencia de presión.

Hp Pérdida de presión en tuberías. Ks Resistencia a la cizalladura. K Constante para el aire. N Revoluciones por minuto. N´ Factor de seguridad. Pt Presión de trabajo.

Psalida Presión de salida. Pr Relación de presiones. Pc Presión crítica.

Pot. Potencia. Q Caudal de aire libre. rp Relación de compresión. S Área. Tc Temperatura crítica. Tr Relación de temperaturas. T1 Temperatura atmosférica.

Vpistón Velocidad de pistón. Z1,Z2 Factores de compresibilidad. δ Deformación. ν Relación de Poisson.

σc,σvM Esfuerzos de cedencia y máximo del material π Constante.

INDICE DE FIGURAS Y TABLAS

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. VI

ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS.

Figura Descripción Página I.1. Gráfica de pastel de porcentaje de graduados por campo. XIII I.2. Gráfica de tendencia en el campo de ciencia e ingeniería. XIII 1.1. Prensa inclinable de bastidor de manivela simple con

alimentación de doble rodillo.

10 1.2. Diseño de bastidores usados en prensas. 11 1.3. Toldo completamente formado con una carrera en una prensa

cerrada de palanca acodillada. 13

1.4. Prensa de junta articulada con bastidor de hierro fundido. 15 1.5. Prensa dobladora controlada en tarjetas. 17 1.6. Pasos del formado de un tubo de gran diámetro en prensa. 18 1.7. Prensa revólver de 0.27 MN que usa computadora de control

numérico. 19

1.8. Prensa de embutido de doble acción. 21 1.9. Mecanismos de transmisión usados en prensas. 23 2.1. Compresor de émbolo oscilante. 41 2.2. Unidad de mantenimiento. 43 2.3. Filtro de aire comprimido. 45 2.4 a) Regulador de presión con orifico de escape b) sin orificio de

escape. 47

2.5. Lubricador de aire comprimido. 49 2.6. Principio de Venturi. 50 2.7. Válvula 3/2. 54 2.8. Válvula 4/2. 55 2.9. Válvula regulable antirretorno. 56 2.10. Estructura de un cilindro neumático con amortiguación de fin de

carrera. 59

2.11. Cilindro de doble efecto. 60 2.12. Cilindros con amortiguación interna. 61

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. VII

Figura Descripción Página3.1. Tipos de compresores contra temperatura del fluido de entrada. 66 3.2. Compresor indicado según el tipo de fluido comprimido. 77 3.3. Gráfica de rango de operación de compresores. 79

3.4.a) Diagrama de factor de compresibilidad. 83 3.4.b) Diagrama de factores de compresibilidad vs. Presión reducida. 86 4.1. Silueta del bastidor. 117 4.2. Modelado de bastidor en “Solid Works.” 118 4.3. Formación de la malla en el bastidor. 119 4.4. Acercamiento del bastidor en los puntos de mayor concentración

de esfuerzos.

120 4.5. Aplicación de las fuerzas y empotramiento del bastidor. 123 4.6. Concentración de esfuerzos en los cambios de geometría en

acero.

124 4.7. Presentación de las deformaciones exageradas en las partes

criticas del bastidor.

125 4.8. Isométrico con los esfuerzos que operan en el bastidor. 126 4.9. Detalle de la parte superior en acero. 128 4.10. Presentación de las deformaciones en el bastidor en material

aluminio.

129 4.11. Vista con escala cromática con los esfuerzos. 130 4.12. Detalle de la parte superior en aluminio. 131 5.1. Diagrama de escalera de control. 138 5.2. Diagrama de conexiones para la prensa neumática. 140 B.1. Esquema de instalación neumática. 150 C.1. Factor de compresibilidad para gases ideales y reales. 152 E.1. Grafica Capacidad – Velocidad. 156

Tabla Descripción Página1.1. Inversión extranjera directa. 26 1.2. Inversión extranjera directa. 27 3.1. Tramo de tubería usados en el sistema. 72 3.2. Eficiencia de un compresor reciprocante. 88 3.3. Cuadro de resumen de resultados para las etapas 1,2,3. 90 F.1. Relación de componentes y precios unitarios. 171

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. VIII

RESUMEN

RESUMEN.

En este trabajo se presenta una metodología básica para la selección de equipo neumático ( compresores, actuadores, válvulas, etc) con la finalidad de obtener parámetros de diseño. El sistema básico está constituido por una unidad de mantenimiento, cilindros, aditamentos neumáticos y compresor. En el nivel de control se emplean pulsadores, que envían la señal para gobernar la entrada y salida del vástago del cilindro. Otra válvula llamada “check” (antir-retorno) colocada entre el cilindro y la válvula que gobierna la entrada y la salida del cilindro es usada para controlar la velocidad del vástago. Para el aseguramiento de la tapa del cilindro se una rosca en el cilindro. La energía cinética se logra gracias a una válvula de “escape rápido”, la cual hace descender la presión del cilindro rápidamente. Para controlar el tiempo de salida o entrada del vástago se un temporizador. El bastidor de una prensa es la pieza, que recibe los esfuerzos, por tanto se hace el diseño del bastidor. El diseño mecánico del bastidor de la prensa exige conocer previamente las presiones de trabajo del compresor considerando previamente las pérdidas de carga o llamadas también caídas de presión en la línea o tubería. Posteriormente el análisis de esfuerzos y deformaciones del bastidor es realizado en el paquete computacional de ingeniería “Ansys”, por medio del cual se estableció la comparación entre dos tipos de materiales: acero y aluminio, arrojando como resultados previsibles la selección del acero como material para el bastidor. La última parte del trabajo tiene que ver con la automatización del sistema usando un minicontrolador marca “Moeller”, que gobierna las secuencias del movimiento del actuador del cilindro. La construcción de un prototipo básico de ingeniería sería deseable, pero está sujeta a la financiación, por lo cual se considera la construcción del prototipo, que contempla la automatización de la herramienta como parte del trabajo de ingeniería, es opcional.

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. IX

ABSTRACT

ABSTRACT. Man is a tool maker, for that reason it was important to me to build a small pneumatic-press. In this work a basic methodology for the compressor selection ( pneumatic valves, compressors, pneumatic cylinders, etc. ) is developed. The basic pneumatic is constituted by a compressor, maintenance unit and valves. To design a pneumatic system, it is not necessary to know the principle on which the valves are based. However it can be explained how the valves are connected. The control level has two normally closed push buttons ( directional control valves), which send the signal to a valve for the control of the actuator. This valve changes the processing signal so that the cylinder comes out or returns. Another so called check-valve connected between the valve for the control of the actuator and the pneumatic cylinder is used to control the speed of the cylinder. A main principle is employed for securing the cylinder. The most common method consists of joining the end cover by mean of tie-rods on the outside of the cylinder tube. The kinetic energy is achieved thanks to a quick exhaust valve; the quick exhaust valve is used, for instance, to shorten the de-pressuring time of a cylinder. A pneumatic timer module controls the in-out time of the cylinder. The mechanical design of the frame press could be made thanks to output-press and pres-loss through pipes which were previous calculated. A complete stress-analysis could be carried out through a computer-software. The software is the so called “ Ansys-version 5.7” The comparison between the aluminium and steel is made. The comparison was necessary to know if the material ( aluminium ) was the appropriate one. The construction of the prototype depends on the selected material and the material selected was not aluminium, but steel and the construction of it takes in the automation of the tool as a part of the basic work of engineering, but the construction of the prototype is optional.

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. X

JUSTIFICACIÓN

JUSTIFICACIÓN. En las condiciones actuales de escasez de recursos financieros y falta de liquidez de algún sector de las pequeñas y medianas empresas manufactureras en la sociedad mexicana se observa la necesidad de reconversión, adaptación y construcción de equipo y en general de máquinas-herramientas con objeto de alcanzar niveles competitivos mínimos exigidos por la globalización en el aspecto tecnológico, además en la actualidad la necesidad de automatizar líneas de producción hace necesario el uso de técnicas de manufactura alternativas cuyo costo, flexibilidad y amplia gama de aplicación justifiquen su uso. La micro-neumática es una técnica cuya aplicación reduce costos de operación y aumenta la productividad en planta. El desarrollo de un sistema cualquiera que éste sea, implica no sólo el concurso de diversas áreas de la Ingeniería, tales como: Ing. Mecánica, Eléctrica, Electrónica, Sistemas, y de Control, sino también de su conocimiento, dominio y correcta aplicación. La dependencia económica y tecnológica del país se agudiza con el paso del tiempo, por lo cual, una simple propuesta es hacer que la pequeña y mediana empresa recurran a soluciones baratas, con tecnología de mediano alcance a bajo costo y con un tiempo de espera relativamente corto en la generación de la solución, con objeto de generar tecnología propia, la cual con el tiempo puede crecer y llegar a ser considerablemente importante.

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. XI

OBJETIVO

OBJETIVO. El objetivo del presente trabajo es implementar un diseño y construcción de una prensa para embutido de baja capacidad activada neumáticamente, entendiéndose por baja capacidad un valor de 9 bar (8 kgf/cm2) de presión usada por la herramienta en el corte; el trabajo de la tésis se basa en la generación de una metodología para calcular y seleccionar tanto equipo neumático, así como diseñar la parte constitutiva más importante de la prensa ( bastidor ), por tal motivo un objetivo paralelo es la adaptación de una hoja de cálculo, que permita generalizar el cálculo y selección del compresor, que activará todo el flujo másico del sistema contemplando las caídas de presión a lo largo de las líneas de presión. Un objetivo secundario ( opcional ) es la construcción y puesta en marcha del prototipo para verificar físicamente la operabilidad y fiabilidad del sistema, lo cual está sujeto a su vez, a un posible financiamiento.

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. XII

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN La importancia de éste trabajo radica en demostrar la posibilidad de hacer o manufacturar herramental o equipo de baja capacidad, o bien de generar tecnología, sin importar que ésta no sea, en su momento, forzosamente de punta, o bien, sin importar que el costo inicial sea barato; expresado así, el propósito de éste trabajo consiste en dar una solución real a un problema real que puede encontrarse en cualquier industria pequeña. La solución, en teoría, puede estar al alcance de la pequeña industria del medio nacional; por otro lado, tampoco se persigue un objetivo desorbitado queriendo descubrir algo, cuya solución es simple, o bien, dicho aún de ésta otra manera, no se desarrolla un concepto innovativo al hacer en éste trabajo una prensa neumática, en cuya concepción, la solución tecnológica aplicada es sencilla; es decir, en otro sentido, la intención primordial es llamar la atención de que la industria local puede generar con recursos propios, soluciones tecnológicas propias. Debido a que la planta productora nacional arroja muy bajos índices de productividad, o definitivamente los resultados tanto en productividad como en investigación tecnológicas son nulos (entendiéndose bajo productividad el incremento simultáneo de la producción y del rendimiento debido a la modernización de los equipos y la mejora de los métodos de trabajo), así como el entendimiento del poco desarrollo tecnológico, así también como los problemas vividos en la industria manufacturera fueron la motivación para la ejecución de éste trabajo. Por ejemplo: si se visita la página “Web” en Internet del CONACYT(1) para el área de programas de apoyo a la producción tecnológica será fácil entender (como se mencionó líneas arriba) la situación que prevalece en éste sentido, ya que no se encontró un sólo proyecto de investigación en el área metal-mecánica y específicamente en el área de máquinas-herramienta, ya sea de universidad privada o pública. En este sentido, vale la pena ver las gráficas 1 y 2 en donde se observa la poca cantidad de estudiantes y egresados de los programas de doctorado en los programas de Ciencias e Ingenierías, el cual es bastante bajo en relación al total de graduados en dichos programas.

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. XIII

INTRODUCCIÓN

Figura I.1. Gráfica de pastel del porcentaje de graduados por campo. Figura I.2. Gráfica de tendencias en el campo de ciencias e ingenierías.

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. XIV

INTRODUCCIÓN Por otro lado, según datos de la Cámara Nacional de la Industria y Transformación ( CANACINTRA en el Distrito Federal ) en su Boletín Informativo Anual (2) del Departamento de Informática se tiene, conforme al último censo, que del cien por ciento registrado en inversión nacional directa en bienes de capital, exclusivamente alrededor del 5 % del global total está focalizado a la construcción de máquinas-herramienta. En este sentido se presentan casos aislados de Firmas mexicanas constructoras de prensas como la Casa: “Prensas Hidráulicas” en Monterrey, N. L., la cual comercializa prensas con canal estructural de diferentes dimensiones y bajo pedido. En una búsqueda en Internet, por medio de varios servidores (3), de un total de aproximadamente 2065 temas relacionados encontrados, solamente el 1% son páginas de compañías productoras de máquinas-herramienta en el giro de prensas y de éstas, exclusivamente 2 empresas están dedicadas a la manufactura de equipo y maquinaria neumática, aunque no forzosamente de prensas neumáticas. Con esta información en mente, cualquier diseñador puede tomar esto como base para iniciar un primer proyecto, independientemente del alcance del mismo, y fijar así un camino o un modo de hacer las cosas para proyectos de mayor importancia en el futuro.. Se consideran en total tres etapas en el diseño de la prensa neumática:

1. Etapa de selección de equipo.- Se selecciona el equipo convenientemente bajo norma.

2. Etapa de diseño.- Los resultados de la selección de equipo nos ayudan

al diseño mecánico del bastidor. 3. Etapa de automatización.- Se automatiza el equipo.

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. XV

INTRODUCCIÓN

Según lo expuesto anteriormente, puede quedar claro que la construcción de una herramienta de baja capacidad como la presentada en éste trabajo sirve de referencia para diseñar y construir a corto y mediano plazo equipo de mayor capacidad.

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. XVI

TESIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. 1

ESTADO DEL ARTE

ESTADO DEL ARTE. 1.1. GENERALIDADES HISTÓRICAS DE LA PRENSA. Se ignora si en realidad fue Gutenberg (entre l394-l399-l468) el inventor de la primera prensa, o si la prensa que hizo construir en l439 a Conrad Saspach no era más que una mejora de algún tipo de prensa ya existente, sin embargo la prensa que fue fabricada tenía un gran parecido con las prensas de husillo para exprimir uvas en la época. La primera prensa de la que se tiene conocimiento ( o al menos una de las primeras ) es la usada en impresión tipográfica, precisamente por Gutenberg. La descripción de esta prensa es relativamente sencilla: sobre un mármol o platina inamovible y horizontal, se fijaba la forma de impresión, se entintaba mediante tampones y se cubría con una hoja de papel haciendo descender encima un plano mecánico o tímpano con la ayuda de un tornillo vertical; todas las piezas eran de madera. Esta prensa cuya fuerza motriz era suministrada por el impresor, alcanzaba una producción diaria de 250 hojas. El mismo procedimiento se siguió usando durante 4 siglos. En ese tiempo hubo perfeccionamiento de detalles inherentes a los progresivos adelantos técnicos: tornillos metálicos, mármol móvil sobre guías que permitían el entintado fuera del plano. En 1783, Francois Ambroise Didot (1730-1804), substituyó la platina de madera por la platina metálica. Posteriormente, hacia 1810, en Inglaterra, Charles Stanhope ( 1753-1816) hizo construir la primera prensa completamente metálica con un contrapeso que equilibraba el plato: la producción alcanzó entonces de 2000 a 3000 hojas diarias.


ESTADO DEL ARTE A principios del siglo XIX con el empleo de la máquina de vapor suministrando la fuerza motriz, se construyeron máquinas más rápidas y potentes, siendo las primeras, respectivamente, la prensa mecánica para impresión en hojas de Friedrich König en 1811 y las rotativas para papel en bobinas hacia 1860.(4)

Las actuales prensas de impresión ofrecen importantes diferencias, aunque la mayoría son máquinas de producción en masa y tienen en común una determinada cantidad de dispositivos que aseguran, por ejemplo, el entintado correcto, alimentación de papel, retirada de papel impreso, etc. De lo anterior, la prensa como instrumento de producción masivo ha extendido sus horizontes a otros campos de aplicación y disciplinas como la ingeniería industrial, la ingeniería mecánica o la industria automotriz. Dentro de este ramo de la actividad humana la prensa ha tenido un enorme desarrollo y aún sigue teniendo un gran potencial de aportación a la actividad industrial. La prensa tiene muchas aplicaciones y es difícil clasificarla, sin embargo, a lo largo de la historia, de la prensa se han observado características muy importantes y con ése panorama se ofrece a continuación una primera clasificación. 1.2. CLASIFICACIÓN DE LAS PRENSAS. Existen muchos y muy variados tipos de prensas, de forma tal que se presenta una clasificación aproximada de los tipos de prensa que se usan en la tecnología actual.(5)

Las prensas se clasifican en:

Se tienen una gran cantidad y variedad de máquinas para casi cualquier proceso de manufactura o actividad técnica, que resulta prácticamente imposible mencionarlas todas en el presente trabajo, sin embargo una primera clasificación aproximada de las máquinas en general podría ser la siguiente:


ESTADO DEL ARTE Máquinas eléctricas Máquinas térmicas Clasificación de las Máquinas hidráulicas Máquinas(6).

Máquinas C. N. C. Máquinas-herramienta Los elementos que constituyen un producto y que se encuentran laminados pueden ser cortados, doblados, troquelados, embutidos, etc. Las distintas maneras de obtenerlos, los variados aspectos y sus características tecnológicas han hecho que se construya infinidad de máquinas. La división genérica que comprende todos los tipos de máquinas-herramienta se menciona en el siguiente párrafo, y nuestro interés primordial está enfocado primordialmente en el grupo de máquinas-herramienta. Este grupo puede clasificarse a su vez en dos grandes subgrupos: (6)

• Máquinas dotadas de movimiento giratorio continuo. • Máquinas dotadas de movimiento rectilíneo.

Al grupo de máquinas dotadas de movimiento giratorio continuo pertenecen las siguientes:

• Laminadoras. • Curvadoras. • Perfiladoras, etc.


ESTADO DEL ARTE Al grupo de máquinas dotadas de movimiento rectilíneo pertenecen las siguientes:

• Prensas de excéntrica. • Prensas de fricción. • Prensas hidráulicas. • Tijeras de guillotina. • Máquinas rectas de doblar, etc.

El grupo genérico de interés y que a continuación se menciona es el de las prensas, por tanto, la parte más importante, correspondiente a las prensas, es la que más se expone. Las prensas dotadas de movimiento rectilíneo ( prensas de excéntrica, prensas de fricción, prensas hidráulicas) pueden clasificarse en:

• Prensas verticales de simple efecto. • Prensas verticales de doble efecto. • Prensas guiadas en cuatro correderas. • Prensas de configuración especial,

Es difícil hacer una clasificación de las máquinas prensadoras, ya que la mayoría de ellas son capaces de desarrollar varios tipos de trabajos; consecuentemente, no es muy correcto llamar a una prensa, prensa dobladora, a otra, prensa de repujado, y aún a otra, prensa recortadora, pues los tres tipos de operaciones se pueden hacer en una máquina. Sin embargo, a algunas prensas diseñadas especialmente para un tipo de operación, se les puede conocer por el nombre de la operación que realizan, como por ejemplo, prensa punzonadora o prensa acuñadora. El cuadro sinóptico # 1 resume la clasificación anterior.(7)


ESTADO DEL ARTE

Cuadro sinóptico # 1 Vertical de simple efecto. PRENSAS Prensa hidráulica Vertical de doble efecto. En cuatro correderas. Tijeras de guillotina Vertical de doble efecto. De con

Vertical de simple efecto. Vertical de doble efecto. En cuatro correderas. De configuración especial

Prensa de excéntrica

Prensa de fricción

Vertical de doble efecto. En cuatro correderas. De configuración especial

Vertical de simple efecto.

De configuración especial

Vertical de simple efecto.

En cuatro correderas. figuración especial


ESTADO DEL ARTE Una segunda clasificación sencilla y rudimentaria está en relación a la forma de operar o accionar la prensa, es decir, con arreglo a la transmisión de la energía, ya sea operada manualmente o activada con potencia:

• Operada manualmente. • Operada con potencia.

Muchas de las máquinas operadas manualmente se usan para trabajos en lámina delgada de metal, principalmente para trabajos en campo, pero la mayor parte de la maquinaria para producción se opera con potencia. El segundo grupo de prensas, cuya clasificación se basa atendiendo a la fuente de energía que acciona a la prensa, puede a su vez subdividirse en tres grupos; según esto, las prensas pueden dividirse en mecánicas (llamadas así por el método de aplicación de la potencia al ariete), si la energía del motor eléctrico es convertida en energía mecánica del porta-punzón mediante un mecanismo de biela-manivela, o bien, mediante un sistema cremallera-piñón; en hidráulicas, si los pistones (de sección distinta y deslizables dentro de tubos comunicantes entre sí) son accionados por un fluido, normalmente aceite, los cuales convierten la energía hidráulica en energía mecánica del porta-punzón; y por último neumáticas, en las cuales se convierte la energía neumática (aire comprimido) en energía mecánica. La clasificación se presenta a continuación:

• Prensas mecánicas. • Prensas hidráulicas. • Prensas neumáticas.

Estas prensas requieren o utilizan valores muy variables de energía, por ello pueden ir provistas de acumuladores hidráulicos o volantes.


ESTADO DEL ARTE Por último las prensas mecánicas (llamadas así por el método de aplicación de potencia al ariete) se subdividen en:

• Biela-manivela. • Leva. • Excéntrica. • Cremallera-piñón. • Tornillo de potencia. • Acodada, etc.

En todos los tipos de prensas clasificados anteriormente e independientemente del tipo, forma y función de prensa que se seleccione para un trabajo específico, conviene tener muy en cuenta las siguientes formas de funcionamiento de la alimentación o distribución de la materia prima hacia el porta-punzón:

• Sin dispositivos de alimentación o de distribución automática (manuales).

• Con dispositivos de alimentación o distribución semiautomática. • Con dispositivos de alimentación o distribución automática. (Usadas

para grandes producciones en serie) Para seleccionar el tipo de prensa a usar en un trabajo dado, se deben considerar varios factores. Entre éstos están el tipo de operación a desarrollar, la forma constructiva y tamaño de la pieza, cantidad de piezas a fabricar, potencia requerida y la velocidad de operación. Para la mayoría de operaciones de punzonado, recortado y desbardado, por ejemplo, se usan generalmente prensas del tipo biela-manivela o excéntrica. En éstas prensas, la energía del volante se puede transmitir al eje principal, ya sea directamente o a través de un tren de engranajes. En otro caso, se tiene, por ejemplo, que la prensa de junta articulada se ajusta idealmente a las operaciones de acuñado, prensado o forja; tiene una carrera corta y es capaz de imprimir una fuerza tremenda.


ESTADO DEL ARTE Las prensas para operaciones de estirado tienen velocidades más lentas que las de punzonado. Las prensas hidráulicas son en especial deseables para el trabajo de recortado. La clasificación anterior se aprecia mejor en cuadro sinóptico # 2. Manuales

Neumáticas Con potencia Hidráulicas Excéntrica Prensas Cremallera-Piñón Mecánicas Tornillo de potencia Acodada Biela-Manivela Leva

Cuadro sinóptico # 2 En los párrafos siguientes se enumeran y describen a grosso modo algunos tipos de prensas más usuales.(7)


ESTADO DEL ARTE

1.3. APLICACIONES DE LAS PRENSAS.

Es difícil hacer una clasificación de máquinas prensadoras, ya que la mayoría de ellas son capaces de desarrollar varios tipos de trabajo. Por tanto, no es muy correcto llamar a una prensa, prensa dobladora, a otra, prensa de repujado, y aún a otra, prensa recortadora, pues los tres tipos de operaciones se pueden hacer en una máquina. Sin embargo, a algunas prensas diseñadas especialmente para un tipo de operación, se les puede conocer por el nombre de la operación, como por ejemplo, prensa punzonadora o prensa acuñadora. Para seleccionar el tipo de prensa a usar en un trabajo dado, se deben considerar varios factores. Entre éstos están el tipo de operación a desarrollar, tamaño de la pieza, potencia requerida, y la velocidad de la operación. Para la mayoría de operaciones de punzonado, recortado y desbarbado, se usan generalmente prensas del tipo de manivela o excéntrica. En estas prensas, la energía del volante se puede transmitir al eje principal, ya sea directamente o a través de un tren de engranajes. La prensa de junta articulada se ajusta idealmente a las operaciones de acuñado, prensa o forja. Tiene una carrera corta y es capaz de imprimir una fuerza tremenda. Las prensas para operaciones de estirado tienen velocidades más lentas que las de punzonado y recortado. Las prensas operadas hidráulicamente son en especial deseables para este trabajo. Cuando se estira acero dulce, la práctica normal es la de no exceder 20 m/min; el aluminio y otros metales no ferrosos se pueden trabajar a velocidades mayores de 45 m/min.


ESTADO DEL ARTE 1.3.1. PRENSA INCLINADA. En la figura 1.1 Se muestra una prensa inclinable de manivela doble con bastidor de escote. El bastidor inclinado de la máquina ayuda a descargar de la prensa las piezas y desperdicios. Las piezas se pueden deslizar por gravedad en una caja de carga, o el material se puede alimentar a las matrices por medio de una canal. La mayoría de prensas de este tipo son ajustables y varían su posición desde la vertical hasta un ángulo bastante inclinado.

Figura 1.1 Prensa inclinable de bastidor de manivela simple con alimentación de doble rodillo.

Este arreglo se prefiere para trabajo diversificado de prensa, pues muchas tareas se hacen mejor con la prensa en posición vertical; particularmente si las partes se descargan a través de la matriz. Las prensas inclinables se usan frecuentemente en la producción de piezas pequeñas que implican doblado, punzonado, recortado y operaciones similares.


ESTADO DEL ARTE

b) prensa de puente. a) Prensa de escote.

c) Prensa de costados rectos.

d) Prensa de yunque.

Figura 1.2. Diseño de bastidores usados en prensas.


ESTADO DEL ARTE

1.3.2. Prensa de escote. Las prensas de escote o de bastidor en C se llaman así debido a la disposición de la abertura del bastidor de la prensa, como se ilustra en la figura 1.1 Tal diseño del bastidor se muestra también en la figura 1.2. a), con algunos otros diseños comunes de bastidores. Las prensas de escote proporcionan un excelente espacio libre alrededor de las matrices y permiten trabajar con piezas largas o anchas. Las operaciones de estampado se pueden efectuar en una prensa de escote, usando frecuentemente la de tipo inclinable. 1.3.3. Prensa de puente. La prensa de puente ilustrada también en la figura 1.2. b), se denomina así por la forma peculiar de su bastidor. La parte más baja del bastidor, cerca de la bancada, es ancha, para permitir el trabajo en lámina de metal de áreas grandes; la parte superior es angosta. Los cigüeñales son pequeños en relación al área de la corredera y la bancada de la prensa, ya que estas prensas no están diseñadas para trabajo pesado. Se usan para recortado, doblado y desbarbado. 1.3.4. Prensa de costados rectos. Conforme aumenta la capacidad de una prensa, se hace necesario aumentar la resistencia y rigidez del bastidor. Las prensas de costados rectos, ver figura 1.2. c) son más fuertes, pues las grandes fuerzas son soportadas hacia arriba en dirección vertical por los costados del bastidor; y hay poca tendencia a que la alineación de punzones y matrices se vea afectada por el esfuerzo. Estas prensas se encuentran disponibles para capacidades mayores de 11 MN. Las prensas de costados rectos se fabrican con diversos medios de suministro de energía y diferentes métodos de operación.


ESTADO DEL ARTE Para las prensas más pequeñas, generalmente se usa una sola manivela o excéntrica, pero conforme aumenta el tamaño de la pieza, se necesitan manivelas adicionales para distribuir la carga uniformemente en la corredera. Esta última se puede suspender en posición, ya sea por una, dos o cuatro guías o puntos de apoyo. Figura 1.3. Toldo completamente formado con una carrera en una prensa

cerrada de palanca acodillada.


ESTADO DEL ARTE Las prensas de doble efecto usadas ampliamente en las operaciones de embutido, tienen un ariete externo que procede al punzón y sujeta al habilitado antes de la operación de punzonado. El ariete externo es impulsado generalmente por un mecanismo especial de balancín o leva, mientras que para el ariete anterior, que lleva al punzón, es un mecanismo de manivela. En la figura 1.3. se muestra una gran prensa cerrada de costados rectos con palanca acodillada de doble efecto. La presión se aplica a la corredera en cuatro puntos. Esta es la ventaja característica de las prensas de áreas grandes debido a que tal construcción previene la inclinación de la corredera con cargas desequilibradas. El mecanismo de palanca acodillada en esta máquina es para controlar el movimiento del pisador del habilitado. En la figura 1.3., se presenta una prensa (la cual tiene un mecanismo de palanca acodillada), que se puede describir como un conjunto de dos o más barras tales que aunque unidas extremo a extremo no están alineadas, excepto cuando la “rodilla” se endereza. Como consecuencia, se logra una gran fuerza en los extremos; al momento en que se aplica esta fuerza, y cuando no hay movimiento en el pisador del habilitado, se le conoce como periodo de detención. Esto es necesario para sujetar el habilitado en las operaciones de embutido, y se recomienda frecuentemente tener un ligero para un punzón. Para dejar que el metal se ajuste adecuadamente bajo la presión. Los bastidores de costados rectos se usan también en las prensas hidráulicas en las que hay impacto de cargas pesadas, tal como en el formado de material de calibre grueso, forjado en prensa, acuñado y embutido profundo. 1.3.5. Prensa de Yunque. Las prensas de yunque, como la ilustrada en la figura 1.2. d), tienen un eje grueso que se proyecta desde el bastidor de la máquina, en lugar de la bancada ordinaria. Donde está provista de bancada, se acondiciona moviéndola hacia un lado al usar el yunque. Esta prensa se usa principalmente con objetos cilíndricos que implican operaciones de empalmado, reborde de contornos, punzonado, remachado y repujado.


ESTADO DEL ARTE 1.3.6. Prensa de junta articulada. Las prensas proyectadas para el acuñada, calibrado y repujado fuerte, deben ser muy voluminosas para soportar las grandes cargas concentradas que se les aplican.

Figura 1.4. Prensa de junta articulada con bastidor de hierro fundido.


ESTADO DEL ARTE La prensa mostrada en la figura 1.4. está diseñada para este propósito, y está equipada con un mecanismo de junta articulada para accionar la corredera. El eslabón superior o articulación de esta prensa, está abisagrado en un extremo en la parte superior del bastidor y sujeto a un pasador en el otro. El eslabón inferior está también sujeto al mismo pasador y el otro extremo a la corredera. En la figura 1.4. se ilustra una prensa de junta articulada con bastidor de fierro fundido. En cuanto se coloca a los dos eslabones de articulación en posición rectilínea, la corredera ejerce una gran fuerza. Este tipo de prensa siempre ha tenido uso amplio en el acuñado de monedas. De acuerdo a las pruebas efectuadas por The United States Mint en Filadelfia, se requiere una fuerza de 0.9 MN para lograr impresiones claras de monedas de medio dólar hechas en una matriz cerrada. Junto con el acuñado de monedas, se pueden prensar en frío con este tipo de máquina, muchas otras piezas tales como medallas, llaves ciegas, placas para automóvil, cajas para relojes y utensilios de plata. También se pueden efectuar operaciones de calibrado, cabeceado en frío, enderezado, estampado pesado y otras similares. Ya que la carrera de este tipo de prensa es corta y lenta, no se adapta a las operaciones de embutido o doblado. 1.3.7. Prensa dobladora. Las prensas dobladoras se usan para doblar, formar, rebordear, repujar, desbarbar y punzonar lámina metálica de bajo calibre. Tales prensas pueden tener espacios para lámina de 6 m. de ancho y 16 mm. de espesor. La figura 1.5. es una prensa dobladora controlada con tarjeta perforada que automáticamente formará, punzonará y cortará a la longitud piezas de acero. Las tarjetas se pueden producir con papel ordinario para perforar.


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Figura 1.5. Prensa dobladora controlada en tarjetas.

La capacidad de presión requerida de una prensa dobladora para un material dado, se determina por la longitud de la pieza, el espesor del metal y el radio del doblez. El radio mínimo interior del doblez se limita usualmente a un valor igual al espesor del material. Para las operaciones de doblado, la presión requerida varía en proporción a la resistencia a la tensión del material. Las prensas dobladoras tienen carreras cortas, y están equipadas generalmente con un mecanismo impulsor de tipo excéntrico. La figura 1.6. ilustra dos prensas poco usuales que con material de calibre grueso se emplean en la producción de tubería de 760 y 915 mm para sistemas de gasoductos.


ESTADO DEL ARTE Como primer paso de la operación, la prensa del tipo dobladora, flexiona a la gran placa en forma de U. A partir de esta forma, se le comprime en una prensa “O” a presiones mayores de los 125 MPa. Dentro de una forma tubular. Después de esta serie de operaciones de formado, se suelda la tubería, se limpia y se revisa.

Figura 1.6. Pasos del formado de un tubo de gran diámetro en prensa.


ESTADO DEL ARTE 1.3.8. Prensas de revolver. Las prensas de revólver se adaptan especialmente a la producción de piezas de lámina metálica que tenga diversos modelos de agujeros de muchos tamaños. En las prensas convencionales de esta clase, se prepara una plantilla para guiar al punzón, y el tamaño del agujero se selecciona haciendo girar un revólver que contiene los punzones. La figura 1.7. ilustra una prensa punzonadora de revólver de 0.3 MN con control de cinta, que puede trabajar láminas de tamaños de 1200 hasta 830 mm. La lámina se posiciona debajo del punzón a una velocidad de la mesa de 6m/min. Se pueden perforar agujeros mayores de 120 mm de diámetro en acero de 9.4 mm de espesor, a razón de más de 30 piezas por minuto con una precisión de 0.13 mm. Se pueden ajustar al revólver treinta y dos punzones diferentes.

Figura 1.7. Prensa revólver de 0.27 MN que usa computadora de control numérico.


ESTADO DEL ARTE 1.3.9. Prensa hidráulica. Las prensas hidráulicas tienen carreras más prolongadas que las prensas mecánicas y desarrollan plena fuerza a lo largo de toda la carrera. Sin embargo, la capacidad de estas prensas es fácilmente ajustable, y sólo puede usar una fracción de la fuerza. También se puede ajustar la longitud de la carrera como sea necesaria. Las prensas se adaptan especialmente a operaciones de embutido profundo, debido a su movimiento lento y uniforme. En forma análoga se usan para otras operaciones que requieren de grandes fuerzas tales como el aglomerado de metales en polvo, extruido, laminado, moldeo de plástico y forjado.


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Figura 1.8. Prensa de embutido de doble acción.


ESTADO DEL ARTE Las prensas hidráulicas no se recomiendan para recortado fuerte y operaciones de punzonado, ya que el choque de impacto es perjudicial para la prensa. El mantenimiento es mayor que para las prensas mecánicas, aún cuando la operación de la prensa es más lenta. Las prensas hidráulicas pequeñas se asemejan a las prensas de costados rectos. Para el trabajo de grandes áreas se usa la construcción tipo poste o de cuatro columnas. La prensa hidráulica que se muestra en la figura 1.8. está especialmente diseñada para hacer embutidos profundos en toda clase de lámina metálica. El punzón principal de embutido montado en la corredera superior, se mueve en tándem con la corredera del pisador, el cual lo rodea debajo hasta que hace contacto con el habilitado. La matriz descansa sobre la placa soporte; por debajo de esta hay un dado amortiguador que ayuda a mantener la presión en el habilitado o expulsar la pieza formada. Fijado el pisador en la corredera principal y el dado amortiguador libre, la prensa actúa como prensa hidráulica de acción simple. En la figura 1.9. se pueden apreciar los mecanismos más importantes que sirven para activar los distintos tipos de prensas arriba mencionados.


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Figura 1.9. Mecanismos de transmisión usados en prensas.


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1.4. VISTAZO GENERAL DE LA PROBLEMÁTICA ACERCA DE LA MANUFACTURA DE PRENSAS.

Actualmente nuestro país está suscrito a tratados internacionales tales como el T. L. C. A. N. con los países del norte del continente americano, y también está suscrito a convenios comerciales con países de Europa, como los son, por ejemplo, Suiza, Francia, pero principalmente con Holanda y Alemania. Con dichos tratados México entra a una dinámica de intercambio, desarrollo y competitividad. Los acuerdos comerciales firmados con los países del sur de América son, por ejemplo, exclusivamente eso, para intercambio comercial, en los cuales el intercambio tecnológico es nulo. Por otro lado e independientemente de los resultados o beneficios obtenidos hasta ahora con el T. L. C. A. N. en los sectores manufacturero o de intercambio tecnológico, México no puede competir desde el punto de vista de generación de tecnología con países como los Estados Unidos o Canadá, ya que nuestro rezago es debido a malas políticas de inversión o simplemente a escasos proyectos de inversión en el área científica, incluyendo el área tecnológica. En otro orden de ideas, la competitividad de la industria nacional se debe a las exportaciones generadas, aclarando que macro-económicamente, las únicas empresas exportadoras son las que tienen capacidad de hacerlo, debido a los montos de capital líquido invertido por parte de las grandes compañías extranjeras; por ejemplo, los datos obtenidos por la Secretaría de Economía (8) , México recibió en el 2002 una Inversión Extranjera Directa (I. E. D.) de 13mil 626.5 millones de dólares, de los cuales, por sector, la industria manufacturera recibió el 42.2% del total invertido, teniendo la facultad exclusiva de recuperar y usufructuar las ganancias, que de ello se generan, por tanto son las únicas beneficiadas con las exportaciones. La falta de liquidez y la poca fuerza tecnológica (al menos en área metal-mecánica) incide directamente en el sector productivo y manufacturero nacional, en el cual se hace imprescindible una estrategia, que le permita no sólo competir sino integrarse a un mercado manufacturero cada vez más dinámico y eficiente; en ése sentido, un cierto porcentaje de pequeñas empresas nacionales se ven impedidas o limitadas de abrirse camino en nuevos mercados, debido a la falta de competitividad originado por lo mismo: falta de recursos, falta de tecnología, carencia de apoyos, en combinación en ocasiones con otros aspectos, tales como la importación de herramental, equipo y maquinaria muchas veces usada o vieja.


ESTADO DEL ARTE Esta obsolescencia se trata, al menos, de equipo con 5 o más años de atraso, ya que la verdadera tecnología avanzada cuesta mucho más. Esta situación obligaría a países de economía como la de México a generar de alguna manera tecnología con recursos propios, para no depender de ésta situación. ¿Por qué no llamar la atención sobre la situación e intentar dar una solución preliminar en el presente trabajo, aunque en el momento sea una solución sencilla, para marcar, por lo menos, un inicio para trabajos de mayor importancia en el futuro? Para ver de manera más cercana el estado que guarda la industria nacional en cuanto a montos de producción en el área industrial, en el sector metal-mecánico específicamente en el subsector Máquinas-herramienta se acudieron a diversas fuentes. Esto se aclara en el siguiente párrafo. El nivel de la producción de máquinas y su perfeccionamiento son un índice convincente del desarrollo industrial de un país (9), y para el caso de México puede constatarse el estado de su desarrollo industrial observando los datos proporcionados por el INEGI y por CANACINTRA ( en el Distrito Federal ). Según el “Anuario de Producción Económica” edición 2000 publicado por INEGI en su página 651 (ver tabla 1.1.) la inversión extranjera directa según sector económico industrial fue para el año 2000 ( las cifra más reciente ) de 7632.6 millones de dólares de los cuales se aplicaron en el subsector económico llamado "Productos metálicos, Maquinaria y Equipo", 3579 millones de dólares, y de esta cantidad el 0.14 % (51000600 dolares fue invertida exclusivamente en maquinaria (de los cuales 0.03 % fue invertido en prensa hidráulicas (ver tabla 1.2.).


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Tabla 1.1. Inversión extranjera directa.


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Tabla 1.2. Inversión extranjera directa.


ESTADO DEL ARTE Por otro lado, se tiene que el valor de la Producción Industrial Nacional es para el año 2000( cifras mas recientes ) de 1,555,815 millones de pesos (10)

Tabla 1.3. Valor de la producción en la industria manufacturera.


ESTADO DEL ARTE de los cuales, 572,825 millones de pesos, corresponden al subsector económico denominado "Productos metálicos, Maquinaria y Equipo", y de ésta cantidad solamente el 1.75% (10,000 millones de pesos) correspondieron a la producción nacional de prensas. (ver tabla 1.3.) Como se puede apreciar el valor de la Inversión Extranjera Directa es 5 veces mayor al valor de la producción nacional industrial en el ramo metal-mecánico y en particular en el área de máquinas-herramienta (prensas); y el valor de la producción nacional correspondiente a la construcción de prensas es muy bajo con respecto al total del valor de la producción nacional manufacturera, por lo tanto, desde el punto de vista económico podría justificarse la construcción de un tipo de prensa neumática, como la que se expone en éste trabajo. A su vez, la panorámica nacional sobre la producción total por estados federativos en el ramo “3821” denominado ”Fabricación, Reparación y / o Ensamble de Maquinaria con o sin motor eléctrico” es un indicativo del nivel de inversión en el ramo Metal-mecánico en cada estado del país. Según datos proporcionados por el Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática ( INEGI (11) ), los estados más industrializados, o al menos, los estados que más invierten en éste rubro, en orden descendente y según el monto de su producción total anual, son: Nuevo León con 2 450 840 000 pesos, Coahuila con 2 093 194 000 pesos, Querétaro con 2 017 720 000 pesos, Edo. de México con 963 967 000 pesos y el Distrito Federal con 813 653 000 pesos, en algunos estados la producción es inexistente como en el caso de Baja California Sur o muy limitada como en el caso de Campeche con un total de 196 000 pesos. Según la misma fuente, el valor de la producción total nacional en la misma rama ( 3821) es de 12 033 921 000 pesos. Lo anterior invita a reflexionar acerca del estado que guarda la industria nacional en el área Metal-mecánica y específicamente en el sector de Fabricación de Maquinaria en general y muy en particular en el ramo de “Prensas”. ( Ver “Tablas” en el Anexo A en la pág. 144)


ESTADO DEL ARTE 1.5. DESCRIPCION DE LA INDUSTRIA DONDE PUEDE USARSE LA PRENSA. En términos generales puede decirse que toda industria del ramo metal-mecánico requiere de equipo y maquinaria para operar eficazmente y llevar a cabo los procesos de manufactura que se requieran dentro del flujo de operaciones cotidianas. En el caso particular que nos ocupa, la empresa a la cual específicamente nos referimos no es excepción y tuvo necesidad tanto de personal especializado, como de equipo. La descripción de la industria donde se usó la prensa es una micro-industria dedicada a la construcción y diseño básicamente de troqueles para embutir, formar y cortar acero (o cualesquiera otros materiales, para lo cual se solicitaba, sobre pedido, un diseño especial del dispositivo mecánico requerido). Los troqueles podían ser de 1 ó de varios pasos. Esta empresa se dedicaba también a la maquila de piezas para la industria eléctrica, así como piezas para la industria en general (automotriz, de máquinas de escribir, equipo de cómputo, etc.). La empresa referida contaba con equipo básico que consistía en 3 tornos, 1 torno revolver, 1 prensa troqueladora, 1 cepillo de codo, 2 rectificadoras, 1 cortadora, herramienta y accesorios varios; sin embargo se tenían necesidades de más equipo y herramienta, pero las condiciones financieras y de mercado impidieron en su momento la realización de una inversión considerable en equipo y herramienta, lo que determinó tomar la decisión de construir una prensa de tal capacidad, que permitiera resolver el problema a bajo costo, rápida y eficientemente, Aunque la elaboración de la prensa neumática no llevó más de 9 días, la prensa dio los resultados apetecidos, ya que el material a cortar era muy delgado ( chapa 3 mm de espesor ). Consecuentemente, una empresa que tenga características semejantes y necesidades similares de procesar y transformar materia prima usando prensas troqueladoras, podría usar también la prensa que se presenta en este trabajo.


ESTADO DEL ARTE Según datos proporcionados por CONACYT (12), las industrias señaladas como de alta tecnología son aquéllas industrias que desarrollan tecnología de punta, en la clasificación siguen las industrias de tecnología media como aquéllas que desarrollan tecnología no forzosamente de punta, sin embargo importan tecnología del extranjero y por último, se encuentran las industrias de tecnología baja como aquéllas que no generan tecnología pero sí importan tecnología en forma de equipo o en forma de asistencia física en campo. La industria, en la que se generó la necesidad de construir la mencionada prensa, puede describirse, entonces como una industria pequeña, de tecnología baja dedicada al ramo metal-mecánico, con productividad en vías de expansión y con menos de 15 trabajadores operando en planta . Consecuentemente, una empresa que tenga características semejantes como las descritas y necesidades similares en cuanto a procesamiento y transformación de materia prima usando máquinas ( en particular troqueladoras), podría hacer uso también de una prensa con las características, como las que se presentan en el presente trabajo. 1.6. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Para el diseño de una prensa neumática se requiere, en primer lugar saber la función para la cual se construirá la máquina y la herramienta, lo cual se menciona a continuación y tiene que ver, por ejemplo, con las necesidades que en ése momento se tengan en el lugar del trabajo. En alguna ocasión, en una pequeña empresa, se tuvo la necesidad de implementar una herramienta de corte, que substituyera a una prensa troqueladora de un cuarto de tonelada de capacidad. En ése momento se contaba con una única prensa para diferentes trabajos, y se requerían cortar, entre otras piezas, rondanas de espesor muy delgado (aproximadamente 3 mm) para lo cual era excesivo el empleo de ésta máquina, se acordó entonces, construir una prensa de menor capacidad, aprovechando los elementos con los que ya se contaban en la empresa, que consistían en un par de válvulas y una fuente de alimentación neumática.


ESTADO DEL ARTE Por tal motivo se decidió hacer una prensa neumática de corte de muy baja capacidad, que substituyera a la troqueladora. Se concibió el circuito neumático para facilitar la adquisición de otros aditamentos neumáticos o para, en su defecto, fabricar soportes, bastidores o demás piezas que fueran necesarias, sobre las cuales se montaría el actuador o el cilindro neumático. El circuito neumático contemplaba el uso de un compresor, cuya capacidad se desconocía en ése momento, una unidad de mantenimiento a la entrada de la toma del aire; en el nivel de control se contempló el uso de pulsadores (válvulas direccionales), una válvula conmutadora, y probablemente una válvula llamada anti-retorno, una válvula de escape rápido y un temporizador; como elemento transmisor de la fuerza deformadora o fuerza de corte (energía deformadora) se pensó en un cilindro de doble efecto con amortiguación interna, al cual se pensó acoplarle la herramienta de corte. También se contempló el uso de conexiones “rápidas”, mangueras de plástico por se flexibilidad al doblez, o en su defecto tubería rígida de metal, etc. El problema radicó en dar un formato al equipo, de forma tal, que pudiera colocarse al cilindro en posición vertical para poder hacer la función de troquelado. Se decidió diseñar un bastidor que permitiera fijar el cilindro para mantenerlo en posición vertical y tener a la vez rigidez. Las válvulas deberían estar fijas a la estructura formada por el bastidor y la mesa de trabajo. El problema de unión y ensamble se resolvería con tornillería o remaches, para hacer de la prensa una prensa portátil. 1.6.1. Capacidad. La capacidad de las prensas se define como la fuerza desarrollada por la máquina a través del porta-punzones, en el caso particular que nos ocupa, la capacidad de la prensa neumática es equivalente a la presión de salida del compresor dividida entre el área del actuador resultando de aproximadamente 1000 Kgf , que, en comparación con prensas de 6, 8, 15, 30 ó hasta 100 toneladas, la prensa neumática es de baja capacidad.


ESTADO DEL ARTE Definición de capacidad. Es la magnitud característica para poder aplicar una fuerza dada en Kilopondios (kP) (unidad de fuerza en el sistema técnico) con la que un cuerpo de masa dada en Kilogramos masa (unidad de masa en el sistema internacional) a la aceleración normal de la gravedad actúa sobre una superficie , donde un Kilopondio es igual a 9.80665 Newton.(13)

1.6.2. Tipo de prensa. Según la definición, una prensa es una máquina, que sirve para trabajar los metales por deformación en frío; consecuentemente la prensa de éste trabajo es una prensa con movimiento rectilíneo vertical activada neumáticamente para corte de metal. 1.6.3 Tipo de proceso. La prensa neumática se usará para cortar metal, por lo tanto, ésta prensa será una prensa de corte. 1.6.4. Aditamentos especiales. La prensa cuenta con los siguientes aditamentos especiales. • Válvula de escape rápido. • Temporizador. • Válvula reguladora de caudal integrada a una válvula anti-retorno


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1.7. SUMARIO.

En este capítulo se presenta el origen de la prensa como herramienta, aunque en su origen se utilizó para imprimir textos hoy día tiene una gran variedad de aplicaciones. Dentro de la clasificación se presentan algunos tipos de prensa; ésta clasificación atiende a la fuente de energía que activa a la prensa y también se presenta otra clasificación según su construcción. Se hacen mención de prensas de baja capacidad hasta las prensas revolver de bastante capacidad o como también la prensa hidráulica. También se hace referencia al planteamiento del problema (ver apartado 1.6. de éste capítulo) que se aborda en el trabajo.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS

DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS.(14)

El uso y diseño de circuitos neumáticos se adecúa perfectamente a trabajos de baja capacidad, entendiéndose como baja capacidad presiones que no excedan a los 9 bares, presión suficiente para doblar o incluso punzonar láminas con calibre muy bajo; en ese sentido el circuito neumático debe estar protegido contra agentes externos, como polvo y humedad, y además de esa protección de tipo ambiental se debe contar con una protección o válvula de desfogue en caso de una variación inesperada en la presión debida a su vez a una variación en el voltaje. 2.1. INTRODUCCIÓN. En este capítulo se describen tanto los elementos que constituyen la prensa, así como los dispositivos neumáticos ya manufacturados, que hacen funcionar la prensa. Todo tipo de prensa, independientemente del tipo forma o función, consiste básicamente de un bastidor, mesa de trabajo, elemento que transmite energía cinética, dispositivos de control, motor eléctrico y / o hidráulico. En este caso se trata de una prensa neumática para la cual se requiere una instalación adecuada a la necesidad, es decir, toda instalación neumática requiere de un equipo motocompresor y una línea de alimentación además de dispositivos especiales requeridos para la limpieza, secado y lubricación del aire. El equipo para accionar un pistón neumático o actuador, que en el presente caso es de doble efecto, está constituido principalmente por un motocompresor de un paso, que alimenta aire a una presión determinada. La preparación del aire exige equipos y dispositivos para la limpieza del aire, ya que no puede usarse el aire según sale del compresor. Las impurezas, tales como polvo de la contaminación atmosférica, pueden dañar sensiblemente la línea de conducción y todos los demás aditamentos neumáticos.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS La unidad de mantenimiento es un conjunto de tres elementos para limpiar y secar el aire comprimido, y se conectan e incorporan en línea según sale el aire comprimido del motocompresor: Filtro de aire comprimido. Regulador de presión. Lubricador de aire comprimido. Después de ser lubricado el aire, y en serie, se coloca un regulador de presión, el cual tiene por objeto mantener la presión estable, es decir, tener siempre una presión sin variaciones en la alimentación. Posteriormente se tiene propiamente el circuito neumático, consistente en dos válvulas direccionales 3 vías 2 posiciones constituyendo el doble mando neumático para activar otra válvula intermedia 5 vías 2 posiciones, la cual sirve para conmutar la señal, que pasa a otra válvula llamada de escape rápido, cuyo objetivo es elevar la energía cinética del actuador, esto es, un cilindro de doble efecto con una determinada carrera, tiene en su extremo la herramienta de doblez o de corte. La prensa tiene integrada una alarma, cuya señal auditiva está conectada a las dos válvulas distribuidoras con objeto de desactivar el mando y hacer regresar el vástago a su posición original. El temporizador junto con la alarma constituyen un tipo de control que sirve para determinar automáticamente el tiempo de actuación y regreso del vástago a su posición original. Desde el punto de vista estructural, la prensa está armada con dos bastidores que pueden estar manufacturados en acero según código SAE 4320, una pequeña mesa de trabajo y dos soportes que fijan la prensa a los bastidores.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS En los próximos párrafos se menciona los dispositivos neumáticos, que protegen y activan la prensa, así mismo, en el diagrama Núm 1(11) , por ejemplo, se presenta el esquema de los dispositivos de protección y mantenimiento: A : Alimentación y válvula 3/2. B : Filtro con purga. C : Reductor de presión. D : Manómetro. E : Toma de aire sin lubricación. F : Lubricador. G : Presostato.



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DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS El diagrama Núm. 2 muestra todos los elementos que participan en el accionamiento de la prensa que posteriormente se automatizará. Los elementos son los enlistados abajo: Alimentación de aire y unidad de mantenimiento ( ya mencionado ). 2 Válvulas 3/2 con botón y regreso por resorte. 1 Válvula 4/2 piloteada neumáticamente. 1 Válvula regulable anti-retorno 1 Temporizador. Actuador doble efecto.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS 2.2. COMPRESORES DE ÉMBOLO Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde unos 100 kPa. (1 bar) a varios miles de kPa (bar).

Figura 2.1. Compresor de embolo oscilante. Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeña. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema de refrigeración.(12)

Los compresores de émbolo oscilante (Ver figura 2.1.) pueden refrigerarse por aire o por agua, según las prescripciones de trabajo las etapas que se precisan son:

Hasta 400 kPa (4 bar), una etapa Hasta 1.500 kPa (15 bar), dos etapas Más de 1.500 kPa (15 bar), tres etapas o más.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS No resulta siempre económico, pero también pueden utilizarse compresores De una etapa, hasta 1.200 kPa (12bar) De dos etapas, hasta 3.000 kPa (30 bar) De tres etapas, hasta 22.000 kPa (220 bar) 2.3. UNIDAD DE MANTENIMIENTO. La unidad de mantenimiento representa una combinación de los siguientes elementos: Filtro de aire comprimido Regulador de presión Lubricador de aire comprimido Debe tenerse en cuenta los siguientes puntos: a) El caudal total de aire en m3/h es decisivo para la elección del tamaño de unidad. Si el caudal es demasiado grande, se produce en las unidades una caída de presión demasiado grande. Por eso, es imprescindible respetar los valores indicados por el fabricante. b ) La presión de trabajo no debe sobre pasar el valor estipulado en la unidad, la temperatura no deberá ser tampoco superior a 50o C (valores máximos para recipientes de plásticos). La figura 2.2. se refiere a la unidad de mantenimiento.



Figura 2.2. Unidad de mantenimiento. 2.3.1. Filtro de aire comprimido con regulador de presión. El filtro tiene la misión de extraer del aire comprimido circulante todas las impurezas y el agua condensada. Para entrar en el recipiente, el aire comprimido tiene que atravesar la chapa deflectora pero vista de ranuras directrices.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS Como consecuencia se somete a un movimiento de rotación. Los componentes líquidos y las partículas grandes de suciedades se desprenden por el efecto de la fuerza centrífuga y se acumulan en la parte inferior del recipiente. En el filtro sintetizado (ancho media de poros, 40 µm) sigue la depuración del aire comprimido. Dicho filtro (4) separa otras partículas de suciedad. Debe ser substituido o limpiado de vez en cuando, según el grado de ensuciamiento del aire comprimido. El aire comprimido limpio pasa entonces por el regulador de presión y llega a la unidad de lubricación y de aquí a los consumidores. La condensación acumulada en la parte inferior del recipiente (1) se deberá vaciar antes de que alcance la altura máxima admisible, a través del tornillo de purga. Si la cantidad que se condensa es grande, conviene montar una purga automática de agua. Funcionamiento de la purga automática de agua. El agua condensada es separada por el filtro. De vez en cuando hay que vaciar la purga, porque de lo contrario el agua será arrastrada por el aire comprimido hasta los elementos de mando. En la purga de agua mostrada en la figura 2.3. , el vaciado tiene lugar de forma automática. El condensado del filtro llega a través del tubo de unión (1), a la cámara del flotador (3). A medida que aumenta el nivel del condensado, el flotador (2) sube y a una altura determinada abre, por medio de una palanca, una tobera (10). Por el taladro (9) pasa aire comprimido a la otra cámara y empuja la membrana (6) contra la válvula de purga (4). Esta abre el paso y el condensado puede salir por el taladro (7). El flotador (2) cierra de nuevo la tobera (10) a medida que disminuye el nivel del condensado. El aire restante escapa a la atmósfera por la tobera (5). La purga puede realizarse también de forma manual con el perno (8).



a)

b)

Figura 2.3. Filtro de aire comprimido.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS 2.3.2. Regulador de presión con orificio de escape. El regulador tiene la misión de mantener la presión de trabajo (secundaria) lo más constante posible, independientemente de las variaciones que sufra la presión de red (primaria) y del consumo de aire. La presión primaria siempre ha de ser mayor que la secundaria. Es regulada por la membrana (1) figura 2.3.b), que es sometida, por un lado, a la presión de trabajo, y por el otro a la fuerza de un resorte (2), ajustable por medio de un tornillo (3). A medida que la presión de trabajo aumenta, la membrana actúa contra la fuerza del muelle. La sección de paso en el asiento de válvula (4) disminuye hasta que la válvula cierra el paso por completo. En otros términos, la presión es regulada por el caudal que circula. Al tomar aire, la presión de trabajo disminuye y el muelle abre la válvula. La regulación de la presión de salida ajustada consiste, pues, en la apertura y cierre constantes de la válvula. Con el objeto de evitar oscilaciones, encima del platillo de válvula (6) hay dispuesto una amortiguador neumático o de muelle (5). La presión de trabajo se visualiza en un manómetro. Cuando la presión secundaria aumenta demasiado, la membrana es empujada contra el muelle. Entonces se abre el orificio de escape en la parte central de la membrana y el aire puede salir a la atmósfera por los orificios de escape existentes en la caja. Regulador de presión sin orificio de escape En el comercio se encuentran válvulas de regulación de presión sin orificios de escape. Con estas válvulas no es posible evacuar el aire comprimido que se encuentra en las tuberías.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS Funcionamiento: Ver Figura 2.4. a) y b). Por medio de un tornillo de ajuste (2) se pretensa el muelle (8) solidario a la membrana (3). Según el ajuste del muelle (8), se abre más o menos el paso del lado primario al secundario. El vástago (6) con la membrana (5) se separa más o menos del asiento de junta. Si no se toma aire comprimido del lado secundario, la presión aumenta y empuja la membrana (3) venciendo la fuerza del muelle (8). El muelle (7) empuja el vástago hacia abajo, y en el asiento se cierra el paso de aire. Sólo después de haber tomado aire del lado secundario, puede afluir de nuevo aire comprimido del lado primario.

b) a)

Figura 2.4. a)Regulador de presión con orifico de escape b)Regulador de presión sin orificio de escape.

2.3.3. Lubricador de aire comprimido. El lubricador figura 2.5. tiene la misión de lubricar los elementos neumáticos en medida suficiente. El lubricante previene un desgaste prematuro de las piezas móviles, reduce el rozamiento y protege los elementos contra la corrosión.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS El aire comprimido atraviesa el aceitador desde la entrada (1) hasta la salida (2). Por el estrechamiento de sección de la válvula (5), se produce una caída de presión. En el canal (8) y en la cámara de goteo (7) se produce una depresión (un efecto de succión). A través del canal (6) y del tubo elevador (4) se aspiran gotas de aceite. Estas llegan, a través de la cámara de goteo (7) y el canal (8) hasta el aire comprimido , que fluye hacia la salida (2). Las gotas de aceite son pulverizadas por el aire comprimido y llegan en este estado hasta el consumidor. La sección de flujo varía según la cantidad de aire que pasa y varía la caída de presión, o sea, varía la cantidad de aceite. En la parte superior del tubo elevador (4) se puede realizar otro ajuste de la cantidad de aceite, por medio de un tornillo. Una determinada cantidad de aceite ejerce presión sobre el aceite que se encuentra en el depósito, a través de la válvula de retención (3).



Figura 2.5. Lubricador de aire comprimido. Los lubricadores trabajan generalmente según el principio de Venturi. Ver figura 2.6. La diferencia de presión ∆p, caída de presión (h) entre la presión reinante antes de la tobera y la presión en el lugar más estrecho de esta se emplea para aspirar liquido (aceite) de un deposito y mezclarlo con el aire. El lubricador no trabaja hasta que la velocidad del flujo es suficientemente grande.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS Si se consume poco aire, la velocidad de flujo en la tobera no alcanza para producir una depresión suficiente y aspirar el aceite del deposito. Por eso, hay que observar los valores de flujo que indique el fabricante.

h

Figura 2.6. Principio de Venturi. Funcionamiento de un lubricador. El lubricador mostrado en la figura 2.5. anterior trabaja según el principio de Venturi.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS 2.4. VÁLVULAS Según la norma [DIN 24300], la definición es:(6)

Válvulas son dispositivos para controlar o regular el arranque, parada y sentido así como la presión o el flujo del medio de presión, impulsado por una bomba hidráulica, un compresor, una bomba de vacío o acumulado en un depósito. La denominación de válvula es de significado superior correspondiendo al uso internacional del idioma para todas las formas de construcción tales como válvulas de compuerta, válvulas de bola, válvulas de plato, grifos, etcétera. La forma de construcción de una válvula es de una significación secundaria dentro de un equipo neumático; en él sólo importa la función que puede obtener de ella, la forma de accionamiento y el tamaño de la rosca de conexión; con está última característica queda determinado el paso correspondiente. Las válvulas empleadas en Neumática sirven principalmente para controlar un proceso actuando sobre las magnitudes que intervienen en él. Para poder controlar, se necesita una energía de control con la que debe intentarse conseguir el mayor efecto posible con el gasto mínimo. La energía de control viene determinada por la forma de accionamiento de una válvula y puede conseguirse manualmente o por medios mecánicos, eléctricos, hidráulicos o neumáticos. De acuerdo con la función que realizan, las válvulas neumáticas se clasifican en las siguientes grupos principales: Válvulas distribuidoras o de vías. Válvulas antirretorno o de bloqueo. Válvulas reguladoras de presión. Válvulas reguladoras de flujo o de velocidad.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS 2.4.1. Válvulas distribuidoras. Estas válvulas influyen en el camino del aire comprimido (de manera preferente arranque, parada y sentido de paso). Según el número de vías controladas se le llama válvula de dos vías, de tres vías, de cuatro vías o de múltiples vías. Como vías se consideran: la conexión de entrada de aire comprimido, conexión (es) de alimentación para el consumidor y orificios de purga (escape). Los orificios de salida se consideran siempre como una sola vía controlada, aún cuando la válvula tenga varios de ellos. Los orificios de purga de una válvula neumática de vías se consideran siempre como una vía única controlada. Características de las válvulas según la función. Al grupo de las válvulas de dos vías pertenecen todas las llaves de paso, ya que éstas poseen un orificio de entrada (1.o vía) y otro de salida (2.o vía). En ellas, si la válvula está abierta, el aire comprimido puede circular libremente de izquierda a derecha o viceversa, ver figura 2.7. La conexión del aire comprimido (alimentación) se designa con la letra P. Las tuberías de trabajo con letras mayúsculas en la secuencia A, B, C,... Los orificios de purga con R, S, T,.. Las tuberías de control o accionamiento con Z, Y, X,.. En las válvulas con reposición incorporada (por ejemplo con resorte) se llama posición de reposo a ala que adopta el elemento móvil de la válvula cuando ésta en reposo y no es accionada [definición según la norma DIN 24300]. Las válvulas de dos vías sólo figuran en aquellas partes de los equipos neumáticos donde no se precisa ninguna purga de un apartado conectado.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS Todos los cilindros deben purgarse (dar salida al aire) después de realizar el trabajo con el fin de que puede comenzar una nueva fase. Por consiguiente, se precisa una válvula de tres vías para accionar las tres tomas siguientes: Vía: toma de la red (P) = alimentación. Vía: Conducción al consumidor (A) = utilización. Vía purga (R) = escape. En la presentación simbólica, las conexiones (alimentaciones y escapes) se refieren a la posición de reposo, o, si no hay ninguna posición preferente se refieren a al posición de partida.



FIGURA 2.7. VÁLVULA 3/2

Se llama posición de partida a aquella posición de maniobra que toman las partes móviles de una válvula tras incluirla en un equipo y establecer la presión de la red (o dado el caso, también la tensión eléctrica) y con la que se inicia el programa de trabajo previsto [definición según DIN 24300]. Figura 2.7 .



Figura 2.8. VÁLVULA 4/2 De acuerdo con el número de las posiciones de maniobra posibles de una válvula deben preverse en la presentación simbólica el mismo número de rectángulos para ella. Las posiciones de maniobra se designan con las letras minúsculas a, o, b, en caso de existir posición de reposo se le asigna con la letra o, ver figura 2.8.



FIGURA 2.9. VÁLVULA REGULABLE ANTIRETORNO.

Las válvulas de vía se designan según el número de las vías controladas y el de las posiciones de maniobra posibles. Por ejemplo, válvula de 2/2 vías, válvula de 4/2 vías, válvula de 4/3 vías. Figura 2.9.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS 2.5. CONSTITUCIÓN DE LOS CILINDROS. La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como el retorno. Constitución de los cilindros. El cilindro de émbolo se compone de: tubo, tapa posterior (fondo) y tapa anterior con cojinete (manguito doble de copa), vástago, casquillo de cojinete y aro rascador; además, de piezas de unión y juntas. El tubo cilíndrico (1) se fabrica en la mayoría de los casos de acero embutido sin costura. Para prolongar la duración de las juntas, la superficie interior del tubo debe someterse a un mecanizado de precisión (bruñido). Para aplicaciones especiales, el tubo se construye de aluminio, latón o de tubo de acero con superficie de rodadura cromada. Estas ejecuciones especiales se emplean cuando los cilindros no se accionan con frecuencia o para protegerlos de influencias corrosivas. Para las tapas posterior de fondo (2) y anterior (3) se emplea preferentemente material de fundición (de aluminio o maleable). La fijación de ambas tapas en el tubo puede realizarse mediante tirantes, roscas o bridas. El vástago (4) se fabrica preferentemente de acero bonificado. Este acero contiene un determinado porcentaje de cromo que lo protege de la corrosión. A deseo, el émbolo se somete a un tratamiento de temple. Su superficie se comprime en un proceso de rodado entre discos planos. La profundidad de rugosidad del vástago es de 1µm. En general , las roscas se laminan al objeto de prevenir el riesgo de roturas. En cilindros hidráulicos debe emplearse un vástago cromado (con cromo duro) o templado.


DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS Para hermetizar el vástago se monta en la tapa anterior un collarín obturado (5). Ver figura 2.10. De la guía de vástago se hace cargo un casquillo de cojinete (6), que puede ser de bronce sintetizado o un casquillo metálico con revestimiento de plástico. Delante del casquillo de cojinete se encuentra un aro rascador (7). Este impide que entren partículas de polvo y suciedad en el interior del cilindro. Por eso, no se necesita emplear un fuelle. El manguito doble de copa (8) sella completamente la cámara del cilindro. Materia: Perbutano para temperaturas entre -20o C y + 80o C Vitón para temperaturas entre -20o C y + 190o C Teflón para temperaturas entre -80o C y + 200oC Los materiales que se mencionan se refieren al recubrimiento interno del cilindro neumático mediante los cuales se pueden resistir la temperaturas escritas. Las juntas tóricas o anillos toroidales (9) se emplean para obturación estática, porque deben pretensarse, y esto causa pérdidas elevadas por fricción en aplicaciones dinámicas.



Figura 2.10. Estructura de un cilindro neumático con amortiguación de fin de carrera.

2.5.1. Cilindros de doble efecto. En el presente trabajo se usa un cilindro de doble efecto con sensores de fin de carrera integrados al cuerpo del actuador, a continuación se describe el cilindro de doble efecto Los cilindros de doble efecto mostrado en la figura 2.11. se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También este caso, sirve de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas.



Figura 2.11. Cilindro de doble efecto.

.5.2. Cilindros con amortiguación interna.

uando las masas que traslada un cilindro son grandes, al objeto de evitar un

l aire comprimido se comprime más en la última parte de la cámara del

2 Cchoque brusco y daños se utiliza un sistema de amortiguación que entra en acción momentos antes de alcanzar el final de la carrera. Antes de alcanzar la posición final, un émbolo amortiguador corta la salida directa del aire a la exterior. En cambio, se dispone de una sección de escape muy pequeña, a menudo ajustable. Ver figura 2.12. Ecilindro. La sobre-presión producida disminuye con el escape del aire a través de las válvulas anti-retorno y de estrangulación montadas (sección de escape pequeña). El émbolo se desliza lentamente hasta su posición final. En el cambio de dirección del émbolo, el aire entra sin obstáculos en la cámara del cilindro por la válvula anti-retorno.



Figura 2.12. Cilindros con amortiguación interna.



En este capitulo se mencionan todos los componentes básicos para una

n un apartado se menciona las características de los cilindros de doble efecto.

e presenta un diseño del diagrama neumático a utilizar.

2.6. SUMARIO.

instalación neumática tales como la unidad de mantenimiento que es una unidad de protección contra el aire atmosférico contaminado, posteriormente se menciona brevemente el funcionamiento del compresor a su vez se da una descripción de las válvulas más elementales usadas en todo el circuito. E S


SELECCIÓN DE EQUIPO

3.1. GENERALIDADES HISTÓRICAS.

La primera transmisión neumática data del año 1700, cuando el físico francés Denis Papin empleó la fuerza de un molino de agua para comprimir aire, que después se transportaba por tubos. Un siglo después el inventor británico George Medhurst obtuvo una patente para impulsar un motor mediante aire comprimido, aunque la primera aplicación práctica del método suele atribuirse al inventor británico George Law, quien en 1865 diseñó un taladro de roca en el que un pistón movido por aire hacía funcionar un martillo. Otro avance significativo fue el freno de aire comprimido para trenes, diseñado hacia 1868 por el innovador, ingeniero e industrial estadounidense George Westinghouse.(15)

3.2. AIRE COMPRIMIDO.

El aire comprimido a una presión superior a una atmósfera puede emplearse para empujar un pistón, como por ejemplo, en una perforadora neumática o puede hacerse pasar por una pequeña turbina de aire para mover un eje como en los instrumentos odontológicos o expandirse a través de una tobera para producir un chorro de alta velocidad, como en una pistola para pintar, el aire comprimido suministra fuerza a las herramientas llamadas neumáticas, como perforadoras, martillos, remachadoras, o taladros de roca. El aire comprimido también se emplea en las minas de carbón para evitar que se produzcan explosiones por las chispas de las herramientas eléctricas que hacen detonar las bolsas de grisú.Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central.

TE SIS DE GRADO Ing. Guillermo Amézquita Martínez. 64

SELECCIÓN DE EQUIPO Para el caso de estudio las condiciones técnicas del aire a la entrada del compresor son:

• Presión atmosférica local. • Temperatura local promedio. • Aire limpio. ( libre de impurezas de contaminación ambiental como

partículas de plomo en suspensión ) • Aire seco. ( libre de humedad como gotitas de agua ) • Aire lubricado. ( lubricado con gotitas de aceite, el cual es pulverizado

por un atomizador y arrastrado por la corriente de aire dentro de la tubería y que sirve para lubricar las partes o aditamentos en movimiento )

En el momento de la planeación, es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran a futuro. Según la clasificación de los compresores, que pueden ser de tipo de desplazamiento positivo o de tipo dinámico, siendo ambos tipos de máquinas de alta presión, presión media y baja presión, puede en principio para el caso de la prensa neumática, elegirse un compresor reciprocante, monoetápico, con caudal o capacidad moderada y presión media / alta. Esto se aprecia en el apartado 3.3., donde se selecciona el tipo de compresor adecuado.

3.3. SELECCIÓN DEL COMPRESOR. Una vez que se ha instalado en línea una unidad de mantenimiento para tener aire puro, seco y lubricado, un paso importante en el procedimiento de selección del equipo es definir los parámetros de operación de la máquina. Los parámetros, que se enlistan a continuación, son requeridos para la adecuada selección del compresor:



Tipo de fluido compresible que se va a manejar. Capacidad del compresor a la succión. Presión de descarga del compresor. Temperatura de fluido a la entrada del compresor.

Temperatura máxima permisible de operación del fluido. Espacio disponible para el equipo de compresión.

Uso que se piensa dar al fluido comprimido y condiciones máximas que pueden existir de estas variantes durante el consumo.

Requisitos especiales en el consumo, tales como, distancias excesivamente largas de los cilindros, limitación en la velocidad del fluido comprimido.

Los datos técnicos y características termodinámicas del gas a emplear se enumeran enseguida:

1. Gas: Aire. 2. Peso molécular µ : 28.97 3. Capacidad del compresor: calculado. 4. Presión entrada: 0.9353 Kgf / cm2

(a 2240 m. s. n. m.) 5. Presión de descarga: calculada más pérdidas. 6. Temperatura entrada: 20°C ( 290.13 K ) Temperatura promedio 7. Temperatura descarga: calculada. 8. Razón calores específicos: k = 1.4 9. Número de etapas: calculado.

El proceso de selección del compresor adecuado empieza con definir las condiciones, requisitos y características que deba reunir el fluido comprimido. El primer requisito que debe cumplir el compresor es mantener una presión constante o uniforme, ya que el tipo de proceso de manufactura así lo exige, es


SELECCIÓN DE EQUIPO decir, la prensa neumática será una prensa de corte dando como resultado, que la fuerza de corte deberá ser también uniforme, lo cual se logra si no existen variaciones en la presión. Otro requisito es cumplir con un volumen uniforme, es decir, caudal ininterrumpido, lo que se logra con un adecuado manejo de las válvulas. Por norma se pide trabajar con velocidades de rotación del motor inferiores a 600 rpm (16), y por último, las velocidades promedio del pistón en compresores deben de ser de unos 700 pies/ min. (16) . Teniendo en cuenta lo anterior se hace la primera consideración para la selección, en la cual se considera el parámetro de la temperatura del fluido a la entrada del compresor, correspondiente a la temperatura ambiental promedio anual de 20° C ( 68°F ), la cual se localiza en la parte superior de la tabla de la figura 3.1. Figura 3.1. Tipos de compresores contra temperatura del fluido de entrada.


SELECCIÓN DE EQUIPO Al ver la gráfica puede concluirse que prácticamente cualquier compresor, dentro de la gama de compresores existentes, puede servir para el efecto, sin embargo, en ésta primera discriminación no es posible determinar cuál de ellos será utilizado. Por otro lado, las pulsaciones de presión son inherentes en los compresores reciprocantes y son ocasionadas por el movimiento alternativo del pistón; la siguiente fórmula puede servir para tener la máxima limitación en presión debido a las pulsaciones pico a pico en los tubos de succión y descarga:

P1= 1.5/( 0.001 p desc )1/3 (3.1.) Donde: P1 = Pulsación máxima permisible en porcentaje. pdesc = presión efectiva en la tubería de descarga.(lb/pg2) Así, P1 se obtiene con la fórmula, o en todo caso se tomaría el 1% de la presión efectiva como el valor de P1, si P1 es mayor que el 1% de la presión efectiva de descarga. Para conocer la presión efectiva en la tubería de descarga, debe conocerse antes el tonelaje de la prensa, así como las pérdidas de carga. Las pérdidas de carga se refieren a la caída de presión a lo largo de la línea, dependiendo del material usado para la tubería de conexión. 3.3.1. Cálculo de la capacidad de una prensa de corte. Según esto, debe procederse a calcular la capacidad ( tonelaje ) de la prensa y sumar a la capacidad o tonelaje de la prensa las pérdidas de carga. Con la siguiente relación podemos determinar la capacidad requerida para troquelar. T = S × e × K S ( Kg F ) (3.2.)


SELECCIÓN DE EQUIPO Donde: S = Desarrollo de la periferia de la pieza a cortar ( mm ) e = Espesor de la chapa o placa a cortar ( mm ) K S = Resistencia a la cizalladura ( Kg F / mm2 ) La prensa neumática cortará chapa de hierro con las siguientes características:

S = π × d PUNZON = π × 25.6 mm = 80.42447 mm

con d PUNZON = 25.6 mm

El espesor de la placa o chapa oscila entre 0.2 y 0.4 mm, tomaremos por conveniencia el promedio de los dos:

e = 0.3 mm K S = 40 Kg F / mm2

Por tanto, substituyendo datos en la ecuación 3.2., se determina el tonelaje de la prensa:

T = S × e × K S = 80.42447 mm × 0.3 mm × 40 Kg F / mm2

T = 965.1 Kg F

Convirtiendo la fuerza calculada a unidades internacionales, quedaría:

1 N = 0.101959 Kg F

o bien;

1 Kg F = 9.80784 N



En unidades internacionales:

T = 9465.5 N Teóricamente, ésta es la fuerza necesaria para mover al actuador, y consecuentemente sería la fuerza requerida a la salida del compresor, sin embargo, es necesario calcular previamente las pérdidas de carga que se tiene en el sistema, para tal efecto, se requiere conocer el caudal, la presión de trabajo a la salida del compresor, y el diámetro de la tubería a través de la cual fluirá el aire comprimido. 3.3.2. Caudal. El caudal de aire libre(17) es el flujo de aire dado por el compresor y se obtiene con la relación siguiente:

Q = C × N × ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −4

)2( 22 dDπ ( m3/min) (3.3.)

Donde:

C = Carrera del pistón ( mm )

D = Diámetro del pistón ( mm )

d = Diámetro del vástago ( mm ) N = velocidad ( rpm )


SELECCIÓN DE EQUIPO Para conocer el caudal, que se genera en el pistón del compresor, se substituyen los datos siguientes en la ecuación 3.3. Los datos se refieren básicamente a la geometría del pistón, tales como diámetro del pistón 6” (15.24 cm), diámetro del vástago 2 2

1 ” (6.35 cm), carrera 12” (30.48 cm) y velocidad 300 r. p. m., dicha velocidad está por debajo del valor requerido por norma, equivalente a 600 rpm (18) , se toma ésta serie de datos por ser los más comerciales.

Q = 0.3048 m × 300 minrev × ( ) ( )[ ]

40635.01524.02 22 mm −π

Resolviendo la ecuación anterior queda:

Q = 3.04616 m3/ min = 3046.16 l / min

3.3.3. Presión de trabajo. La presión de trabajo se determina con la definición de presión, cuya ecuación es la siguiente:

P T = CILINDRO

PRENSA

AreaTonelaje (3.4.)

Donde el tonelaje o capacidad de la prensa se calculó con la ecuación 3.2. El área que se toma en cuenta es el área del actuador, superficie sobre la cual actúa la fuerza.

Área CILINDRO = π × r2 = π × ( 6 cm )2

A = 113.9 cm2


SELECCIÓN DE EQUIPO La presión de trabajo queda entonces como:

P T = 29.1131.965cmKgF = 8.48 Kg F / cm2


P T = 83.1 N / cm2 = 83.1 × 104 N / m2


SELECCIÓN DE EQUIPO 3.3.4.Tubería requerida. La tubería se compone de dos tramos. Un tramo de tubería conecta la salida del compresor con la toma del usuario, y el otro tramo conecta la salida de la toma del usuario con la entrada del actuador. Los datos de los tramos de tubería se mencionan en la tabla 3.1., donde se mencionan el diámetro de la tubería, el material y la longitud de la misma

DIÁMETRO ( pulg )

LONGITUD ( m )

MATERIAL

Tramo de tubería del

compresor a la toma del usuario.

1/2"

(comercial)

2

Fierro

Tramo de tubería

de la toma del usuario al puerto

del actuador.

3/8” (comercial)

1

Plástico

TABLA 3.1. Tramos de tubería usados en el sistema. Observación. La razón por la cual se eligió tubería de plástico, desde la toma del usuario hasta la prensa, es debido a que la manguera de plástico es flexible y le da a la prensa capacidad de movilidad en cualquier espacio, y puede colocarse donde se requiera, ya que la prensa será portátil, quitando la rigidez de la tubería de metal. Por el contrario, la conexión hecha desde el compresor hasta la toma del usuario se hizo de metal, por razones económicas, ya que la tubería de metal es más económica que la tubería de plástico. (Ver “Instalación Neumática” en Anexo B en página 150.)


SELECCIÓN DE EQUIPO 3.3.5. Pérdidas en el sistema de tubería neumática. Las pérdidas de carga o pérdidas de presión a lo largo de la línea o tubería son calculadas con un diagrama usado industrialmente, ( Véase DIAGRAMA 3 de la página 74) de la siguiente manera:

a. Primer paso: Localizar en la parte izquierda inferior del diagrama el eje de ordenadas ( eje Y ) la presión de trabajo equivalente a 8.43 Kgf/cm2.

b. Segundo paso: Localizar en la parte superior del diagrama el eje de abscisas ( eje X ) el valor del caudal libre de aire en la tubería equivalente a 3046.16 l/min.

c. Tercer paso: Desde el punto de la presión de trabajo desplazarse horizontalmente hacia la derecha hasta cruzar la línea, que desciende verticalmente, del valor del caudal libre de aire. Marcar con una cruz la intersección.

d. Cuarto paso: Partiendo de la intersección y en forma diagonal ( hacia arriba y a la derecha ) cruzar con la línea ascendente del valor del diámetro, cuyo eje se localiza en la parte inferior del diagrama. Para el presente caso los valores de los diámetros son para el fierro y plástico, respectivamente, 1/2" y 3/8”. Marcar con cruz ésta nueva intersección.

e. Quinto paso: Desde ésta nueva intersección, desplazarse horizontalmente hacia la derecha hasta el eje de ordenadas derecho del diagrama y leer finalmente los valores correspondientes a la pérdida. ( Tómese como guía el ejemplo trazado en el diagrama mismo. )

Los valores de las pérdidas de carga por cada 10 metros de tubería son para el fierro y plástico, respectivamente, 0.63 Kgf/cm2 y 3.5 Kgf/cm2.


SELECCIÓN DE EQUIPO En el diagrama 3 se muestra el diagrama mediante el cual se determinan las pérdidas de carga en el sistema.

DIA

GR

AM

A 3

. Cál

culo

de

pérd

idas

de

carg

a


SELECCIÓN DE EQUIPO Entonces, la pérdida de carga para la tubería de fierro con una longitud de 2 m y ∅ = 1 / 2” se obtiene mediante una regla de tres simple:

Pérdidas en tubería de fierro: H P,F = 10

63.02×= 0.124 Kg F / cm2

Entonces, la pérdida de carga para la tubería de plástico con una longitud de 1 m y ∅ = 3 / 8” se obtiene mediante una regla de tres simple:

Pérdida en tubería de plástico: H P,PLAS = 10

5.31× = 0.35 Kg F / cm2

En consecuencia, la presión de salida del compresor es la suma de la presión de trabajo más las pérdidas de carga:

P SALIDA = P T + H P,F + H P,PLAS (3.5.) Substituyendo datos tenemos:

P SALIDA = 8.48 Kg F / cm2 + 0.124 Kg F / cm2 + 0.35 Kg F / cm2

P SALIDA = 8.954 Kg F / cm2


PSALIDA = 87.816× 10 4 N / m2


SELECCIÓN DE EQUIPO Con los cálculos anteriores estamos en disposición de aplicar la ecuación 3.1. con objeto de conocer el valor de la pulsación de la presión en la línea. Según la ecuación 3.1. el valor de pdesc es el valor de la presión efectiva ( lb/pg2) en la tubería de descarga, que es en el caso que nos ocupa, la suma de la presión de trabajo y la pérdidas de carga:

p desc = PSALIDA ( 3.6.)

Con este valor estamos en disposición de aplicar la tabla 3.2. para determinar con más precisión el tipo de compresor a utilizar. Substituyendo el valor de la presión efectiva en la ecuación 3.1. tenemos:

P1 = 1.5/ ( 0.001×pdesc)1/3 = 1.5/ (0.001×127.3527)1/3

P1= 2.98%

La pulsación máxima es 2.98 % más grande que la presión efectiva en la tubería de descarga ( es decir 2.98% de 127.35 ) y es mayor al 1% del valor de la presión efectiva ( es decir 1% de 127.35 ), por tanto elegimos el máximo valor de 1% como máxima variación en la presión. Este valor dará un criterio en la selección del compresor. Las pulsaciones pueden ser evitadas y absorbidas fijando amortiguadores de pulsación lo más cercano posible al compresor, con objeto de reducir la variación en la presión hasta el 1% o menos, si es posible.


SELECCIÓN DE EQUIPO Figura 3.2. Compresor indicado según el tipo de fluido comprimido. Al estudiar la figura 3.2. se concluye que existen dos posibles tipos de compresores para el sistema del presente trabajo, el primero es un compresor reciprocante con una presión de salida uniforme con variaciones de 0.5%; el segundo compresor posible es el compresor centrífugo con una entrega de volumen uniforme con una variación del 0.1%.


SELECCIÓN DE EQUIPO Para decidir el compresor correcto se tienen las siguientes consideraciones: la variación de presión en un compresor reciprocante puede llegar a ser menor aún que el 0.5% de la pulsación, si se colocan adecuadamente amortiguadores de pulsaciones, de forma tal, que se reduzca el valor de la pulsación considerablemente, mientras que la variación de la presión en un compresor centrífugo puede ser casi nula; por el otro lado, la variación en volumen es totalmente inexistente en los compresores reciprocantes, mientras que en los compresores centrífugos es del 0.1%. Después de éste discernimiento puede no quedar claro realmente cuál de los dos tipos puede ser utilizado. Afortunadamente existe un tercer criterio, que puede ser determinante para seleccionar el compresor adecuado. Al analizar la gráfica de la figura 3.3. que se refiere al rango de operación de compresores, puede determinarse en qué región de la gráfica se cae, si se grafican los valores de la presión de descarga ( lb/pg2) en el eje de las abscisas ( eje X ) contra capacidad o caudal de aire ( piés3/min) en el eje derecho de ordenadas ( eje Y ). Para éste caso se tienen que la presión de descarga es de 127.352742 lb/pg2 ( 8.954 Kgf/cm2); localícese éste valor en el eje horizontal de la gráfica. La capacidad o caudal de aire libre es de 107.57514 pié3/min (3046.16 l/min). En la intersección de los dos valores puede apreciarse que se cae en la región de compresores reciprocantes, por tanto el compresor adecuado, sin duda alguna, es un compresor reciprocante o de émbolo, consecuentemente, se elige un compresor de émbolo, cuyos pasos se determinan en el siguiente párrafo. En el apartado 3.3.2. se determina la capacidad de succión y la potencia del compresor que alimentará al actuador.



Figura 3.3. Gráfica de Rango de operación de compresores.


SELECCIÓN DE EQUIPO 3.4. CÁLCULO DE LOS PASOS, TEMPERATURA DE DESCARGA Y POTENCIA PARA UN COMPRESOR CON CILINDRO DE SIMPLE ACCIÓN. En esta sección se determinará la potencia del motor que hará posible el accionamiento del actuador. En este caso se requieren como datos la presión de salida o llamada también presión de descarga, la presión de entrada o presión atmosférica, la temperatura de entrada al compresor y la relación de compresión, así como los pasos de compresión del compresor. (19)

3.4.1. Etapas o escalones del compresor. En principio, cualquier compresor tanto de 1 paso, 2 ó más pasos puede usarse para activar el sistema dado, sin embargo, se hace necesario conocer el número de pasos necesarios que moverán al sistema. La relación 3.7. nos proporciona el importante valor m, llamado número de pasos.

p salida esc/ p entrada esc = ( p desc / p local )1/m ( 3.7.)

Donde: m = número de pasos

p salida esc = presión de salida del primer escalón p entrada esc = presión a la entrada del primer escalón

pdesc = presión de descarga p local = presión en el Distrito Federal

La presión de descarga del compresor, calculado calculada con anterioridad, tiene un valor de 8.954 Kg/cm2, que es muy grande para ser conseguida en una sola compresión, elegimos por tal motivo un compresor, de al menos 2 pasos o etapas. Calculemos entonces el número de pasos del compresor, tomando como primera presión de salida un valor de 2.00 Kg F / cm2, lo cual es ejecutable para cualquier émbolo de compresor comercial.


SELECCIÓN DE EQUIPO La presión de entada al primer escalón o etapa y la presión local son idénticas. Substituimos datos en la ecuación 3.7. quedando:

2.00/0.9353 = (8.954/0.9353)1/m ( 3.8.)

Resolviendo la ecuación 3.8. queda:

(2.13835)m = 9.5733989 ( 3.9.)

Finalmente, al tomar logaritmos de base 10 a la igualdad 3.9. se tiene:

m = 2.97

Consecuentemente se toma el valor de m, aproximándolo, igual 3. Esto significa que el compresor será un compresor multietápico con tres pasos o etapas. La compresión será escalonada. 3.4.2. Temperatura de descarga. Primera etapa o escalón. En primer término calculamos la eficiencia volumétrica teniendo como parámetros importantes las condiciones iniciales del sistema, tales como temperatura absoluta a la entrada, relación de temperaturas, y relación de presiones.

T r = CT

T1 (3.10.)

Donde:

T C = Temperatura crítica absoluta, temperatura por encima de la cual un gas no se licua a pesar de cualquier incremento en la presión = -140.56 oC



T1 = Temperatura de entrada (al compresor) absoluta. ( oK )

T r = Temperatura reducida, número adimensional

T r = 474.13013.270 ENTRADAT+

=474.130

2013.270 + = 2.19

Ahora se calcula la relación de presiones con la ecuación 3.11.

P r = C

ENTRADA

PP

(3.11)

P r = 0.9353 / 0.2665 = 3.51 Donde:

P C = presión crítica, presión a la temperatura crítica para causar que el gas ( aire ) cambie de estado = 0.2665 Kg F / cm2

P ENTRADA = presión de entrada al compresor = 0.9353 Kg F / cm2

P r = presión reducida, número adimensional


SELECCIÓN DE EQUIPO Consultando las cartas de compresibilidad ( Ver Diagrama 3.4.a.) Figura 3.4.a) Diagrama de factores de compresibilidad contra presión reducida.


SELECCIÓN DE EQUIPO se consigue que, al cruzar los valores de la presión reducida con valor de 3.51 ( eje X u horizontal ) con la curva de temperatura reducida con valor de 2.19 se tiene el factor de compresibilidad Z1 (Ver “Factor de compresibilidad” en Anexo C en página 152.):

Z 1 = 0.97 En segundo término calculamos la temperatura de descarga para obtener el factor de compresibilidad Z2 en la descarga en la primera etapa o escalón del compresor; así la relación de compresión en la primera etapa es:

r P = p salida esc/ pentrada esc= 2.00/ 0.9353 = 2.1383

La temperatura de descarga se determina con la relación:

TDESCARGA = T1 × ( )[ ]3.1/3.1−K

Pr (3.12) Donde:

T1 = Temperatura de entrada al compresor.

r P = relación de compresión = 2.1383

K = constante para el aire = 1.4


SELECCIÓN DE EQUIPO Substituyendo datos en la ecuación 3.12:

T DESCARGA = 290.13 × 2.13830 ,076923

T DESCARGA = 307.59731 oK (grados kelvin)

T DESCARGA = 37.47°C ( Temperatura de salida )

El compresor requerirá enfriamiento. El factor de compresibilidad en la descarga se determina con la relación siguiente:

T r = CT

T2 = C

DESC

TT+13.270

(3.13.)

T r = 307.59731 / 130.474 = 2.357

P r = C

DESC

PP

= 2.00/0.2665 = 7.5

Consultando las cartas de compresibilidad (Ver Diagrama 3.4.b.)


SELECCIÓN DE EQUIPO Figura 3.4.b) Diagrama de factores de compresibilidad contra presión reducida. se consigue que Z2 es (Ver “Factor de compresibilidad” en Anexo C en página 152 y 153.)



Z 2 = 1.05 La relación de factores de compresibilidad es f = Z 2 / Z 1 .

f = 1.05 / 0.97 = 1.08247

La eficiencia volumétrica se determina con la ecuación 3.14:

E V = 1 - Lcrf

KP −⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛11 1

(3.14.)

Donde:

f = relación de factores de compresibilidad r p = relación de compresión

c = claro del compresor o espacio muerto (dato del fabricante) k = constante para el aire

E V = 1 – [ ( 0.923813 ×2.13830 .7143 ) – 1 ] 0.12 –0.05

E V = 0.87922

La capacidad de succión del compresor es el caudal de aire libre Q calculado en el apartado 3.3.2., pero afectado por la eficiencia volumétrica Ev:

C.S. = Q × Ev = 3046.16 l / min × 0.87922 = 2678.2448 l / min (3.15.)

C. S. = 0.044637 m3 / s



En tercer término se calcula la velocidad del pistón usando la carrera del pistón y las revoluciones por minuto con la relación 3.16.

V PISTON = 2 × C × N (3.16.)

V PISTON = 2 × 0.3048 m × 300 minrev ×

s60min1

V PISTON = 3.05 m / s La velocidad del pistón no excede la velocidad recomendada en la norma(16), que es de 3.556 m/s ( 700 pies / min ), lo cual es un indicador para comprobar que se ha procedido justamente, tanto al elegir datos comerciales, como de aplicar correctamente el método. 3.4.3. Cálculo de la potencia del motor. La potencia requerida por el motor es calculada por la relación 3.17.

Pot = CILINDRO

ENTRADA QPη

1× ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−1KK

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−

11

KK

Pr (3.17.)

Si la relación de compresión es de 2.1383, se escoge entonces, de la tabla Núm. 3.3. Tabla 3.2. Eficiencia de un compresor reciprocante.


SELECCIÓN DE EQUIPO el valor promedio del rendimiento entre 75-88%, el cual debe ser afectado por 0.95, ya que el compresor será accionado por motor eléctrico.

η CILINDRO = 0.815 × 0.95 = 0.7742

Pot=( ( 0.9353×104 ×0.044637)/0.77425)×(3.5)×(0.24252554) Evaluando:

Pot = 458.0 Kg F – m / s

Pot = 4490.13 N – m / s = 4.49 kW Los resultados de las etapas 2 y 3 se presentan resumidos en la tabla 3. 4. (ver pág. 90) El motor eléctrico es el más usual como máquina motriz para compresores, en relación al motor como máquina motriz, se recomienda el uso de motores de inducción tipo jaula de ardilla, siempre y cuando se tenga un rango de 0 a 50 kW, y se cae en un rango mayor de 50 kW deben usarse motores síncronos. (Ver “Selección del motor eléctrico” en Anexo D en página 154.)



CÁLCULO DE COMPRESORES RECIPROCANTES Gas Peso molecular µ Razón calores específicos,k Presión entrada Presión descarga Temperatura entrada (temperatura promedio) Temperatura descarga Capacidad Relación de compresión global

Aire 28.97

k = 1.4 0.9353 Kg f /cm2

(a 2240 m. s. n. m.) 8.954 Kg f/cm2

20°C ( 290.13 K )

37. 47 oC 3046.16 l/min

8.954/0.9353=9.5

Dado Dado Dada Dada

Calculada + pérdidas

Dada

Calculada Calculada Calculada

Número de etapas m Supuesto(r c≈2.0/etapa)Etapa 1 2 3 Para identificación Relación aprox. / etapa 2.1383 2.1383 2.1383 (r c ) 3

Presión entrada Kg f / cm2 0.9353 1.9999 4.2765 PENTR = 0.9353 × (rc)m-1 Presión descarga Kg f / cm2 1.9999 4.2765 9.1444 P DESC = P ENTR × r cPérdida de presión ( 0.5%) 1.9899 4.2551 9.0987 pp / etapa = 0.995×pdesc

Temperatura succión oC 20 20 20 Por enfriamiento Temperatura descarga oC 37.47 38 38 T desc =TS× rc

(k-1)/k

Compresibilidad (suc) Z1 0.97 1.05 1.45 Por diagrama Compresibilidad(desc) Z2 1.05 1.42 2.4 Por diagrama Relación factores compres. 1.08 1.35 1.65 f = Z2/Z1

Potencia / etapa ( kW ) 4.49 9.6 20.53 Ecuación 3.17. Potencia total ( kW ) 34.62 Pot total=Σ Potm

TABLA 3.3. Cuadro de resumen de resultados para las etapas 1,2,3.


SELECCIÓN DE EQUIPO 3.5. SELECCIÓN DEL ACTUADOR.

Seleccionar el actuador implica conocer la fuerza de trabajo, tanto como la presión de trabajo. Supondremos una carrera del cilindro de 150 mm. Nos interesa conocer el diámetro del cilindro, vástago normal o reforzado. (ver diagrama Núm. 5). El diagrama Núm. 5 es un diagrama por medio del es un diagrama por medio del cual se puede seleccionar el actuador indicado si sabemos la fuerza de compresión y la presión de trabajo, los pasos a seguir para selecciona r el actuador se mencionan en el párrafo siguiente. (20)

Como primer paso debe buscarse la intersección de 965.1 Kg F ó 965.1 Kp con la presión 8.8 bar ( 8.954 Kg F / cm2 ). Leer diámetro del émbolo inmediato superior = 140 mm de diámetro. Como segundo paso tenemos que buscar el punto de intersección de 965.1 Kp con el diámetro del émbolo seleccionado; presión de trabajo a ajustar = 7.8 bar. Como tercer paso se tiene lo siguiente: los puntos de intersección de líneas para el diámetro están marcadas así, N = ejecución normal, S1 = vástago reforzado. Por el punto de intersección 965.1 Kp con el diámetro del vástago 32 mm se tiene que la carrera del pistón máxima admisible es de 750 mm, carrera que rebasa la carrera necesaria, que en nuestro caso es de 150mm. Este será por tanto nuestro cilindro correcto, con amortiguación y de doble efecto.

3.6. CÁLCULO DEL TAMAÑO DE LA VÁLVULA. En este apartado se calcula el diámetro de la válvula 3 / 2 a través de la cual transitará el flujo de aire comprimido . La relación siguiente, dada por el fabricante, involucra la presión de trabajo, el caudal de aire, la temperatura absoluta, además se asocia con el área del puerto de entrada a la válvula.(21)



Q = 11.1 × S × p 1 abs × t+273

273 (3.18) Donde:

Q = caudal ( l / min )

S = Area ( mm2 )

p 1 abs = Presión absoluta a la entrada del puerto ( bar )

T = Temperatura absoluta del aire ( O K )

Substituyendo los datos siguientes en la ecuación 3.18. , se tiene:

Q = 3046.16 l / min

p 1 abs = 8.7812 bar

T = 273 + t ; t = temperatura promedio = 20 OC

T = 273 + 20 = 293 OK

3046.16 = 11.1 × S × 8.7812 × 298273



despejando S se tiene:

S = 32.38388 mm2 y el radio del puerto de entrada es:

r = 3.21 mm → ∅ = 6.5 mm

Comercialmente puede usarse el diámetro (en pulgadas) de 1 / 4” o bien el diámetro 3 / 8” . En este caso se ha elegido el diámetro de 3 / 8” como el diámetro del orificio o puerto de entrada a la válvula. Por otro lado, se ha elegido una válvula 4 / 2 ( o indistintamente puede ser usada una válvula 5 / 2 ) para pilotear el cilindro, ya que se trata de un cilindro de doble efecto; siempre que se tenga un cilindro de doble efecto, debe pilotearse o recibir la señal de conmutación de una válvula como las mencionadas anteriormente.



3.7. SUMARIO.

En este capítulo se presentan los diversos cálculos a los que se recurre para obtener el mejor diseño posible de la prensa, comenzando por el cálculo de la capacidad o del tonelaje de una prensa. Posteriormente se calcula el caudal de aire libre, el cual junto con el tonelaje de la prensa, sirve para obtener la caída de presión, con objeto de determinar la presión de salida del compresor. Después se procede a calcular la capacidad de succión, la temperatura de descarga y la presión de descarga para un compresor de tres etapas con cilindro de simple acción. Esto se hace usando un diagrama para determinar los factores de compresibilidad, para poder a su vez conocer la potencia del motocompresor y elegir así el motor adecuado del sistema. También se presenta el procedimiento para la selección del actuador neumático, mediante el cual se convierte la energía neumática en energía mecánica. En la última parte del capítulo se presenta la forma de seleccionar las válvulas adecuadas para activar, así como para señalizar el actuador.


ANALISIS POR M .E. F. 4.1. INTRODUCCIÓN. Resulta ampliamente conocida la dificultad matemática que implica la aplicación de los distintos métodos de cálculo estructural a problemas ingenieriles, las formulaciones que las distintas teorías llevan implícitas con el planteamiento de sistemas de ecuaciones cada vez más complejas, tanto diferenciales (elípticas) como en derivadas parciales, lo que imposibilitan su aplicación práctica de forma directa, salvo en los casos más elementales que carecen de interés técnico. De ahí, que surja la necesidad de buscar métodos prácticos de cálculo estructural, que basándose en las teorías más o menos complejas y en una serie de hipótesis simplificadoras, permitan el análisis de estructuras complicadas, tanto por su geometría como por el estado de cargas a que se ven sometidas. Es por ello que a lo largo de éstos tres últimos siglos, pero principalmente el último de ellos, han aparecido los diferentes métodos de cálculos estructural que se emplean actualmente. 4.2. MÉTODOS CLÁSICOS DE CÁLCULO. En general, todos los métodos de cálculo utilizan hipótesis que simplifican la geometría de la estructura, así como los estados de carga y de deformaciones de la misma. De acuerdo al número y calidad de las hipótesis de cada método, tanto más próximo al comportamiento real de la estructura pueden ser los resultados obtenidos de su aplicación.(22)

Los métodos de cálculos desarrollados pueden clasificarse en orden creciente de capacidad y exactitud de los resultados, en los siguientes grupos: • Métodos clásicos de la Resistencia de los Materiales. • Métodos iterativos. • Métodos matriciales. • Métodos de discretización.


ANALISIS POR M .E. F. -Método de las diferencias finitas. -Método de los elementos finitos. A continuación solo se comenta brevemente acerca de los métodos de discretización.

4.2.1. Métodos de discretización. Estos métodos se aplican a estructuras planas o espaciales de barras ( ya sean de nodos rígidos o articulados ) o de placas, o bien a estructuras volumétricas generales, cuyas geometrías no se asocian a las configuraciones de barras o placas. Pueden aplicarse a partir de teorías lineales y no lineales. Presentan un tratamiento matricial y se apoyan como los métodos matriciales en el desarrollo de las computadoras y los procedimientos numéricos para estos fines. Por ello, presentan todas las ventajas de los métodos matriciales y aún más, los superan. Permiten tener en cuenta las deformaciones que se generan en estructuras de barras; aspecto que no lo consideraba ninguno de los métodos iteratvos o clásicos de la Resistencia de los materiales. Los métodos de discretización se sustentan en los siguientes aspectos: • La estructura a analizar, que es un sistema continuo, se divide en un número

finito de partes (elementos), cuyo comportamiento se especifica • a través de un número finito de parámetros. • La solución del sistema completo, como ensamblaje de los elementos, se

desarrolla bajo las mismas consideraciones que se llevan a cabo en los problemas discretos tipo; es decir, el establecimiento de las relaciones entre fuerzas y desplazamientos para cada elemento de la estructura, y el ensamblaje posterior de todos los elementos mediante la aplicación del equilibrio de los nodos.


ANALISIS POR M .E. F. Estos métodos tienen como base el proceso de discretización. La discretización de sistemas continuos ha sido abordada de diferente formas por matemáticos e ingenieros. Los primeros han desarrollado técnicas aplicables directamente a las ecuaciones diferenciales que rigen el problema, constituyendo el método de las diferencias finitas. Los ingenieros, por otra parte, suelen enfrentar el problema de forma más intuitiva, creando la analogía entre elementos discretos reales y proporciones finitas de un dominio continuo, surgiendo así el método de los elementos finitos. El enorme avance alcanzado desde principio de la década del 1960 ha permitido que las dos vertientes, la meramente matemática y la ingenieril estén en completo acuerdo y ambos métodos de discretización tengan la capacidad de cálculo y grado de aproximación al comportamiento real de las estructuras equivalentes. El método de los elementos finitos constituye actualmente uno de los métodos más potentes en el cálculo de las estructuras y junto con el de las diferencias finitas es el único que permite el análisis de estructuras espaciales en forma tridimensional. El método de los elementos finitos, tiene la ventaja frente al de las diferencias finitas, de resultar más intuitivo y no distanciar el problema matemático planteado, del problema físico real. Todo lo antes expuesto justifica el hecho de que se haya seleccionado el Método de los Elementos Finitos (MEF), como el método de cálculo estructural más adecuado.

4.3. ANTECEDENTES. La dificultad de poder captar el comportamiento del complejo mundo que rodea al hombre en una sola operación global ha llevado a que, la forma natural de proceder de ingenieros y científicos consista en separar los sistemas en sus componentes individuales o elementos, cuyo comportamiento puede conocerse sin mayores dificultades, y seguidamente reconstruir el sistema original a partir de dichos componentes.


ANALISIS POR M .E. F. En muchos casos se obtiene un modelo adecuado utilizando un número finito de componentes bien definidos, a tales sistemas se les llamarán discretos, frente a otro tipo de sistemas en los que la subdivisión prosigue indefinidamente y sólo pueden definirse haciendo uso del concepto matemático del infinitésimo, a los que se les llamarán continuos. El surgimiento de las computadoras abrió la posibilidad de dar solución a los sistemas discretos, sin grandes dificultades, aún cuando el número de elementos que componen el sistema sea elevado. Debido a que la capacidad de las computadoras no es infinita, los problemas continuos sólo pueden ser resueltos de forma exacta mediante manipulaciones matemáticas por lo que, limita las posibilidades de las computadoras en el caso de sistemas continuos extremadamente simplificados. Para dar solución a esta dificultad que supone la solución de problemas continuos reales, ingenieros y matemáticos han ido brindando a través del tiempo diversos métodos de discretización. Así, surgió el método de los elementos finitos creando una analogía entre elementos discretos reales y partes finitas de un dominio continuo. Desde 1940 hasta la actualidad hombres de ciencia, tales como Mc Henry, Hrenikoff, Newmark, Argyris, Zienkiewicz, Turner y Clough han abordado el tema y parece ser que fue este último el primero en emplear el término de elementos finitos. En todos los casos, el número de interconexiones entre un elemento finito cualquiera rodeado por fronteras imaginarias y los elementos vecinos a él es infinito. Es difícil, por lo tanto, determinar a primera vista cómo pueden discretizarse sistemas de este tipo.


ANALISIS POR M .E. F. La generalización del basamento del método de los elementos finitos posibilita el estudio de sistemas continuos, donde sea posible la formulación variacional, es por ello que ya se dispone de procedimientos generales para discretizar, a partir de los elementos finitos, cualquier problema definido por un sistema de ecuaciones diferenciales, adecuadamente estructurado. 4.4. MODELACIÓN

En todo análisis por computadora se observa primordialmente la forma y geometría del elemento o pieza, para la cual quiere hacerse el estudio del diseño por computadora. La geometría puede ser regular o irregular, puede estar conformada por aristas rectas o por trazos suaves, así, la topología del material es tomada en cuenta. Los siguientes puntos deben considerarse para el estudio del sólido aplicando el Método de los Elementos Finitos:

° El medio continuo se divide mediante líneas, superficies o volúmenes imaginarios, en un número de elementos finitos.

° Se considera que los elementos están conectados entre sí a través de un número discreto de puntos, que se denominarán nodos, situados en sus fronteras. Los desplazamientos de éstos nodos serán las incógnitas fundamentales del problema tal y como ocurre en el análisis simple de estructuras.

° Se supone un conjunto de funciones que definan de manera única el campo de desplazamientos dentro de cada elemento finito en función de los desplazamientos nodales de dicho elemento.

° Estas funciones de desplazamientos definirán de forma única el estado de deformación dentro del elemento en función de los desplazamientos nodales. Dichas deformaciones, junto con las deformaciones iniciales y las propiedades del material, definirán el estado de tensiones en todo el elemento.

° Se fija el sistema de fuerzas concentradas en los nodos, de forma tal que equilibre las tensiones en el contorno, logrando así la relación entre las fuerzas y los desplazamientos.


ANALISIS POR M .E. F. Con lo expuesto anteriormente dentro de la formulación general se sabe que las variables a introducir en todo programa de computación, basado en el método de los elementos finitos, para abordar el estudio del estado tensional y deformacional de un sistema son: • La posición de los nodos una vez analizada la estrategia de discretización

del sistema. • Las propiedades mecánicas del material. • El tipo de elemento finito que se utilizará para la conexión entre los nodos. • Las restricciones al movimiento en los correspondientes nodos del sistema. • Las fuerzas actuantes en los nodos. En consecuencia, este tipo de análisis numérico proporciona un espectro completo del campo de esfuerzos y deformaciones, que no se tendría, por ejemplo, si se efectuara con un estudio extensométrico, el cual sólo hace el análisis puntualmente, es decir, en un punto; además el análisis hecho con un programa de cómputo es más barato y fácil de hacer, que con los métodos tradicionales. Por otro lado, desde el punto de vista geométrico, el modelo geométrico puede, en principio, ser delineado mediante algún paquete de dibujo mecánico asistido por computadora, si la versión computacional por medio de la cual se está haciendo el análisis de esfuerzos no permitiera hacerlo (por limitaciones en su capacidad), posteriormente este modelo puede ser importado al paquete computacional de análisis de esfuerzos. El modelo puede ser hecho también dentro del mismo paquete computacional de análisis de esfuerzos, si la versión así lo permitiera. Este modelo se descompone en pequeños elementos, cuyo objetivo es analizar y estudiar la estructura, para ello es importante fragmentar o hacer una “malla” en el modelo. Los elementos que forman la “malla” pueden tener diversas formas geométricas dependiendo en cierto grado de la forma geométrica del modelo original.


ANALISIS POR M .E. F. En el actual diseño del bastidor de la prensa se empleó el paquete computacional denominado ANSYS ( Analysis of Systems ) desarrollado por Swansons Analysis System Inc. de Houston. ANSYS es uno de los paquetes computacionales de propósito general y su diseño está hecho de manera amigable, lo que lo ha hecho el paquete más popular en su uso.


ANALISIS POR M .E. F.

4.5. ESTRUCTURA DEL PROGRAMA El programa está estructurado de manera tal, que al hacer el análisis por elementos finitos a través de un programa computacional ( por ejemplo, “Ansys”), implicaría la presencia de tres etapas, a saber: preprocesamiento, procesamiento, y postprocesamiento. El preprocesamiento implica la preparación de datos, como las coordenadas nodales, la conectividad, las condiciones frontera, y la información sobre cargas y material. La etapa de procesamiento implica la solución de ecuaciones que resulta de la evaluación de las variables nodales. La etapa de postprocesamiento presenta los resultados, en ésta etapa se presenta la configuración de deformaciones, así como la distribución de esfuerzos.

4.6. DISEÑO DEL BASTIDOR

El diseñador es responsable de asegurar que una pieza dentro de un conjunto o sistema mecánico sea segura en su funcionamiento, para operar bajo condiciones que pueden preverse en forma razonable. Esto requiere llevar a cabo un análisis en la pieza, dentro de la cual se generen esfuerzos, éstos esfuerzos se comparan con el esfuerzo de diseño o con aquel esfuerzo permisible bajo las condiciones de operación para asegurar eficiencia.

El análisis se puede ejecutar ya sea en forma experimental o en forma analítica tradicional. En este caso se ha optado por un diseño tradicional adaptando y cargando los datos de las propiedades de la pieza al programa. Al final del apartado se verifica que el esfuerzo a que se somete la pieza es seguro y está por debajo del esfuerzo de diseño. La fuerza que actúa en el bastidor se calculó previamente en capítulo 3, y se tomó como fuerza de diseño, ya que tiene que ver con la presión de descarga del compresor y se trata a su vez de la presión que origina el movimiento del actuador o pistón neumático.

Existe, en principio, una gran variedad de materiales que pueden ser usados en el diseño. La clasificación principal comprende aquéllos materiales que son dúctiles y los materiales frágiles.


ANALISIS POR M .E. F. En ese primer sentido se eligió, por razones comerciales, un acero SAE 1006 ó 1008, material dúctil y con un esfuerzo en el límite de proporcionalidad equivalente a 2500 Kg / cm2. Como segundo material se eligió un material no ferroso y más suave, con un esfuerzo de cedencia equivalente a 840 Kg / cm2 correspondiente al aluminio. ( En términos generales se considera al aluminio material dúctil ) Criterio de comparación. Existen varios métodos para predecir o proyectar las fallas, por ejemplo, la teoría de la tensión normal máxima, la teoría de la tensión máxima por esfuerzo cortante o la teoría de la distorsión de la energía o conocida también como teoría de von Mises ( teoría de Mises-Hencky ). La teoría de la distorsión de la energía ofrece una proyección muy precisa de fallas en materiales dúctiles que se someten a la acción de cargas importantes como esfuerzos combinados. La teoría establece que la falla se origina cuando la tensión de von Mises excede la resistencia en el punto de cedencia σy. Requerimientos para usar el Ansys versión 5.5. Los mínimos requerimientos para la correcta instalación del programa de computo Ansys 5.5 (sin limite de nodos) son:

Ordenador: sistema clase Pentium. Memoria : Ram 64Mb. Disco duro: 500 Mb (mínimo libre de espacio en disco). Unidad C.D. Rom con doble velocidad. Sistema operativo (Plataforma):

o Microsoft Windows 2000. o Windows NT 4.0 (SP 5 ó superior). o Windows 98.

Tarjeta gráfica de apoyo a Windows 2000 NT 4.0 ó 98 con resolución de 1024 x 768 pixeles en color (16 bits).



Un monitor de 17 pulgadas o más grande compatible con la tarjeta grafica arriba mencionada.

Otros requerimientos : o Raton Microsoft compatible 100% con windows 2000/NT/98. o Memoria requerida para el espacio de trabajo equivalente a 256

Mb. o Tamaño requerido para la base de datos equivalente a 128 Mb.

Procedimiento. Los dibujos de las vistas del bastidor, así como el isométrico (ver anexo G) del mismo fueron realizados en el programa de dibujo “AutoCAD” versión 2000, sin embargo los archivos con extensión ∗∗∗.dwg, que corresponden a “AutoCAD” no son admitidos, o al menos no son leídos en el programa “ANSYS”, por lo cual se tuvo necesidad de modelar el bastidor en otro programa. Se hizo el modelado tridimensionalmente, es decir, con volumen. El bastidor tuvo que ser modelado en otro programa llamado “Solids Works” muy similar a “AutoCAD” para el modelado en 3 dimensiones. (“Solids Works” es un paquete computacional en el cual puede modelarse en 3-D.) El modelo se exporta a ANSYS como archivo con extensión IGS ( nombre del archivo: Prensa.IGS, como alternativa para crear un modelo directamente dentro de Ansys, puede primeramente crearse un modelo sólido en un sistema CAD, salvar es modelo como un archivo IGS e importarlo a Ansys, puede hacerse la malla como se haria en Ansys. IGS es un filtro traductor el cual sirve para importar modelos señalados en un sistema o paquete computacional diferente de Ansys, por ejemplo AUTOCAD, o cualquier otro. La especificación de Intercambio Gráfico Inicial, “IGS” por sus siglas en inglés, es un formato estándar usado para intercambiar modelos geométricos entre diferentes sistemas CAD). Debido a que esta extensión es procesable en ANSYS 5.5 ( versión completa ), puede así ser importado a ANSYS.


ANALISIS POR M .E. F. Posteriormente abrimos el programa ANSYS, y una vez posicionados en él, se abre el archivo, ya importado, desde el menú en “FILE” –“IMPORTAR” y dentro de la ventana de diálogo pedimos corregir modelo ( mejor opción ) y seleccionamos “O.K.” e inmediatamente aparece otra ventana de diálogo en la que aparece “Control de imagen”, y en este momento el programa captura la imagen. El análisis típico en ANSYS comienza con el preprocesador (preprocessing), lugar donde suministran datos al programa; por ejemplo, la geometría, materiales y tipos de elementos. 1. Especificación del título. Aunque este paso no es necesario para hacer el análisis, se recomienda hacerlo en todos los estudios. El titulo (máximo de 72 caracteres) aparecerá en el display gráfico y estará incluido en la salida de la solución. Menu utilitario: File→Change Title

1 Entre el título: “Bastidor” 2 Seleccionar “OK” para definir el título y cerrar la caja de diálogo

2. Conjunto de preferencias El la caja de diálogo de preferencias es donde se selecciona la disciplina de la ingeniería a través de marcar en el menú. Por defecto, el menú selecciona todas las disciplinas que son mostradas, cuando el tipo de modelo escogido no se encuentra en el conjunto de la base de datos de la disciplina seleccionada. Se puede seleccionar una de ellas para que el resto no aparezca a través de un filtrado. Por ejemplo, seleccionando “structural” queda completamente suprimidos los tópicos de térmico, electromagnetismo y fluido. Menu principal: Preferences

1 Seleccionar el filtrado “Structural”. 2 Seleccionar “OK" para aplicar el filtrado y cerrar la caja de diálogo



3. Definir el tipo de elemento y sus opciones. En cualquier análisis se necesita seleccionar de una librería el tipo de elemento y definirlo apropiadamente para el análisis. El tipo de elemento determina, entre otras cosas, los grados de libertad del conjunto (desplazamientos y/o rotaciones, temperaturas, etc.), la forma característica de los elementos (lineal, cuadriláteros, ladrillo, etc.), y el comportamiento en el que se encuentran los elementos, en 2D o 3D. Muchos tipos de elementos tienen también opciones adicionales para especificar algunas cosas tales como el comportamiento y asumir opciones de salida de resultados de los elementos, etc. Para este análisis se utiliza un solo tipo de elemento, “solid 45” (3D sólido estructural), el cual es un elemento 3D. Se denotan los elementos de alto o mediano orden cuando tienen función de forma cuadrática para formar los valores del grado de libertad sin el elemento (en lugar de lineal). Al seleccionar un elemento de alto orden en este ejemplo permite tener un mallado ordinario que con elemento de bajo orden mientras la precisión de la solución se mantenga. Si se usara un elemento solid 45 podría generarse elementos de forma triangular en el mallado que por el contrario sería impreciso. Además, se necesita especificar la tensión del plano con espesor a través de una opción del elemento solid 45. (El espesor no será definido como una constante real en el próximo paso.)

Menu Principal: Preprocessor→Element Type→ Add/Edit/Delete

1 Adicionar un tipo de elemento 2 Familia de elementos sólidos estructurales 3 Seleccionar el “Solid”Brick de 8-nodos (se emplea el elemento Solid Brick ( 3D sólido estructural), para modelado de estructuras sólidas en 3 D. Elemento se define por 8 nodos teniendo 3 grados de libertad en cad nodo, es decir, en las direcciones X, Y y Z. 4 OK para aplicar el tipo de elemento y cerrar la caja de diálogo



32

1

4 Ventana 4.1. Preprocesamiento.

5 Seleccionar las opciones que se definirán del elemento BRICK 8NODE 45 6 Escoger la opción aplicar ( en inglés Apply ) 7 Seleccionar “OK” para especificar la opción y cerrar la caja de

diálogo. 8 Cerrar la caja de diálogo del tipo de elemento

4. Definir las propiedades del material. Las propiedades del material son aquellas independientes de la geometría del elemento tal como el modulo de elasticidad, densidad, etc. Aunque ellas no están necesariamente atadas a un tipo de elemento, las propiedades del material son necesarias para resolver la matriz del elemento, las cuales son listadas para cada tipo de elemento según convenga. Dependiendo de la aplicación, las propiedades del material puede ser lineal, no lineal, y/o anisotrópico. Se puede tener un conjunto múltiple de propiedades de material dependiendo del tipo de elemento y las constantes reales dentro de un análisis. Cada conjunto tendrá un número de referencia. Para el bastidor en estudio se tiene que el material es uno solo, acero A36, que posee valores de Modulo de Elasticidad y Coeficiente de Poisson.



aterial

Menu principal:Preprocessor→MaterialProps→−Constant− Isotropic 1 Seleccionar “OK” para decir que se definirán las propiedades para el

material 1 2 Escribir 30e+6 para EX 3 Seleccionar en la tabla NUXY y escriba 0.27 4 Seleccionar “OK” para definir el conjunto de propiedades del m

y cerrar la caja de diálogo.

1

2

3

4

Ventana 4.2. Preprocesamiento. Antes de continuar al próximo paso se salvará lo que se ha hecho hasta ahora. Cualquier dato que nosotros hemos entrado es almacenado en memoria según el lugar que ocupa la base de datos en el ANSYS. Para salvar la base de datos en un fichero se utilizará la operación disponible como herramienta en la Barra de Herramientas.


ANALISIS POR M .E. F. Se ha definido que el nombre del trabajo será bastidor, la operación de salvar la base de datos de forma automática colocará los datos en bastidor.db. Es importante salvar con frecuencia, por si ocurre un error éste puede ser rescatado con lo último que ha sido almacenado. El modelo es restaurado utilizando la operación resume, que también esta disponible en la barra de herramientas. (Estas acciones están también en el menú utilitario debajo de Archivo, “File” en inglés.) 5. Mallado del área. Una característica particular del programa “ANSYS” es que se puede “mallar” automáticamente el modelo sin especificar cualquier control de tamaño. Esto se hace usando el mallado por defecto. Si no se está seguro de cómo determinar la densidad del mallado, dejar que el “ANSYS” intente primero. Mallado este modelo con enmallado por defecto sin embargo, se puede necesitar más elementos del que puede producir el programa ANSYS/ED. Por tanto se especificará el tamaño del elemento global a controlar en toda la densidad del mallado.

Main Menu: Preprocessor→Mesh Tool

1 Seleccionar SET en el control global.

2 Seleccionar “OK”. 3 Escoger área de “mallado”. 4 Seleccionar “Mesh”. 5 Seleccionar (Pick) todo para el área a ser “mallada”. 6 Cerrar la herramienta de “Mallado”.



1

5 6

7

2

3

Ventana 4.3. Preprocesamiento. En este aspecto del “mallado” se debe llegar a un resultado que satisfaga para el análisis en función de la precisión. Para mayor precisión los cálculos serán mayores y el tiempo de demora también.

SOLUCIÓN En el paso de la solución es donde se define el tipo de análisis y las opciones, se aplican las cargas y sus opciones y se inicializa la solución por elementos finitos. El análisis estático es el análisis por defecto por tal motivo no se necesitó especificar para este problema.



ambién no existen opciones para este problema. (Las opciones de análisis

6. Aplicar las restricciones al desplazamiento

enuprincipal:Solution→−Loads−Apply→−Structural−Displacement→On

1 Seleccionar (Pick) los cuatros puntos de control alrededor el agujero

selección. mientos (ALL DOF).

diálogo.

La opción KEXPND (expandir desplazamientos a los nodos) en la caja de

enu utilitario: Plot→Nodes

Toolbar: SAVE_DB

7. Aplicar las cargas ora a con el botón izquierdo del ratón. Aquí la fuerza

Main Menu: Solution→ −Loads −Apply →On Nodes

1 Seleccionar (Pick) los nodos de los agujeros del bastidor.

alor de 5.4

Ttípico son el método de solución, con resistencia a rigidez y la opción de Newton-Raphson para los no lineares.)

MKeypoints

de la izquierda. 2 OK para terminar la 3 Hacer Clic en todos los desplaza4 Escribir 0 para que los desplazamientos sean cero. 5 OK para aplicar las restricciones y cerrar la caja de

diálogo permite que las restricciones del desplazamiento no sólo se aplique a los nodos seleccionados sino que también se aplique a todos los nodos que se encuentran entre los seleccionados. M

Ah se aplicará la cargaplicada es de 5.4 Kg/cm2 en cada uno de los agujeros del bastidor.

2 Aplicar. 3 Escribir el v



4 Aplicar.

Toolbar: SAVE_DB

8. Resolver

Menu principal: Solution→−Solve−Current LS

1 Observar la información en la barra de estado, seleccionar

2 olución se ha hecho.

l resultado es almacenado en un fichero o archivo con extensión .RST (o

OS-PROCESAMIENTO

l pos-procesamiento es donde se observan los resultados del análisis a través

9. Entrando el pos-procesamiento y lectura de los resultado

Menu principal: General Postproc→−Read Results−First Set

10. Ploteando la forma deformada

enu principal: General Postproc→Plot Results→Deformed Shape

5 OK.

File→Close, para cerrar la ventana. OK para iniciar la solución.

3 Cerrar la ventana cuando la s

E.RTH para térmico, .RMG para magnético y .RFL para análisis de fluidos). Aquí solo existe un paso de carga para la solución, si existieran varios pasos se almacenaría el resultado final. No obstante todas las soluciones pueden ser almacenadas en ficheros. P Ede la Ventana Gráfica y el listado de tablas.

M



Seleccione deformado y no deformado.

11. Ploteando el esfuerzo equivalente de Von Mises

Main Menu: General Postproc→Plot Results→−Contour Plot−Nodal Solu

1 Seleccione en el item de tensión para ser contorneado.

12. Lista de la solución de reacción

enu principal: General Postproc→List Results→Reaction Solu

1 OK para listar todos los ítems y cerrar la caja de diálogo.

Tamb ionar un tipo de reacción en particular en de

En la ventana del scroll seleccionar la fuerza vertical FY.

13. Salida del programa ANSYS

Cuando se desea salir del ANSYS usted puede salvar, la geometría, las cargas,

ANSYS Toolbar: Quit

12 OK.

2 En el próximo scroll selecione von Mises (SEQV). 3 OK.

M

ién se puede selecc

pendencia del interés de la investigación. Esto se realizaría: 12 Seleccionar File→Close, para cerrar la ventana.

la solución, los datos de pos-procesamiento, cualquier cosa o nada. Aquí se escoge nada, pero se puede usar cualquier otra para mantener los ficheros de datos de ANSYS



l valor del esfuerzo a que está sometido el elemento estructural

l factor de seguridad se obtiene dividiendo el esfuerzo e

N =

Epuede leerse en la escala cromática inferior que aparece en pantalla, dentro de la tonalidad verde aparece un valor intermedio que corresponde a 209 Kg / cm2, el cual se compara con el valor del esfuerzo permisible de diseño que es equivalente al esfuerzo elástico del acero SAE 1006, cuyo valor es de 2500 Kg/cm2. Epermisible de diseño, que es en realidad el esfuerzo elástico (dcedencia) del acero, entre el esfuerzo máximo a que se encuentra sujeto el elemento estructural:

..MV

C

σσ

Si substituimos los valores en la ecuación anterior, tenemos:

N =

2

2

/209/2500cmKgcmKg = 11 ( adimensional )

n la escala cromática para deformaciones y dentro de la tonalidad

n procedimiento similar se hace para el otro material, aluminio.

l esfuerzo de cedencia para el aluminio es de 840 Kg / cm2.

Eazul se tiene el valor de la máxima deformación equivalente a δ = 0.00469 cm. U E



omparando el esfuerzo de cedencia del aluminio con el esfuerzo

N =

Cmáximo a que se somete el elemento estructural hecho con este material queda:

..MV

C

σσ

Si substituimos valores:

N =

2

2

/230/840cmKgcmKg = 3.5 ( adimensional )

Como puede apreciarse el coeficiente de seguridad no es bajo y se

uando se hace un análisis por fatiga se consideran el número de

f = Esfuerzo de fatiga. del acero. = 3800 Kg/cm2

entiende que el aluminio podría servir para ésta función, de forma tal que se desecha como solución de diseño, por que la deformación máxima a que se sujeta el material es del orden δ= 0.012 cm. Cciclos de trabajo de la estructura o de la herramienta de la estructura; dentro del tipo de uso que se le dará a la prensa que consiste en perforar chapa de un espesor muy delgado con una baja frecuencia de golpes es decir con un bajo número de ciclos equivalente a 100 golpes por mes se considera entonces que el número de ciclos de trabajo es despreciable y por tanto el análisis de la estructura se considera como estático y el análisis por fatiga se toma en cuenta así.Por otro lado, se considera en el análisis por fatiga que σf=0.5σrtacero Donde: σσrt = Esfuerzo por rotura



omo se aprecia el esfuerzo de fatiga es la mitad del esfuerzo por

el conjunto de elementos y partes que constituyen y dan forma a la

abe señalar que el bastidor se hizo de una sola pieza con acero

as figuras 2 - 4 presentan el modelado construido en el programa

crotura, y el esfuerzo de fatiga es mayor al esfuerzo máximo interno de la estructura, como se aprecia en la figura # 6, por tanto el esfurerzo de 209 Kg/cm2 es menor a éste valor. Dprensa, el bastidor es el elemento que exige atención especial, ya que es el cuerpo sobre el cual recae todo el esfuerzo de la herramienta, motivo por el cual, se desarrolló esta parte del estudio, obteniendo computacionalmente tanto los valores de los esfuerzos del aluminio y acero, como los valores de deformaciones en ambos materiales. Crolado (ver anexo f), así la simulación se hace en una sola “pieza” y en la ventana del programa “Registrar resultados”, se precisa una “solución nodal” arrojando los resultados ya mencionados anteriormente. Lcomputacional “Solids Works” e importado al paquete “ANSYS” con la respectiva formación de la “malla” (del inglés mesh) o la partición del bastidor en elementos y al cual se le aplican las fuerzas de diseño respectivas para el posterior análisis estructural de esfuerzos y deformaciones. La “malla” debe hacerse lo más fino posible, teniendo como figura elemental al triángulo, ya que es la figura que más se amolda a la topología y forma del elemento con el cambio propio de geometría.



n la figura 4.1. se propone un modelo geométrico preliminar del

Figura # 4.1. Silueta del bastidor.

Ebastidor a diseñar.



n la figura # 3, por ejemplo, se presenta un acercamiento de la

n la figura # 4, por ejemplo, se tiene al elemento aislado y

a sujeción en el caso que nos ocupa, se hace en la base del bastidor

Eparte superior del bastidor, que es la que presenta las regiones más peligrosas. Eempotrado en su parte inferior, restringiendo sus grados de libertad para definir las condiciones frontera y establecer las condiciones de carga; las condiciones frontera son consideradas como las restricciones al movimiento o desplazamiento, específicamente se refieren a las condiciones de sujeción para impedir el movimiento de la estructura. Lfijándolo con soldadura completamente alrededor de la base, es decir de la parte inferior, restringiendo el movimiento en los ejes tanto X, como Y, y Z. Haciendo el diagrama de cuerpo libre con las reacciones aplicadas en las salientes tipo-ménsula del bastidor se aplican las condiciones de carga se aprecian claramente en la figura 4 mediante un vector en color rojo, localizados en los nodos .



n las figuras 5 - 8 se presenta el mismo modelo en material acero

edencia σCAc = 2530 Kg / cm2 y la

omo ya se mencionó anteriormente, las condiciones de carga son

l valor de la presión es de 5.2 Kg/cm2 (52x104 N/m2) en el

n la figura # 6 por ejemplo se aprecia un aspecto de la deformación

n la figura # 7 puede apreciarse en la parte media del bastidor y

Epara efectuar la simulación y establecer los valores de deformaciones o desplazamientos máximos de las partes superior e intermedia del bastidor; para obtener los valores de los esfuerzos máximos a los que está sometido el bastidor, se hace ingresar el Módulo de elasticidad del acero. (E=200.1 GPa y el Esfuerzo de crelación de Poisson ν = 0.3.) Cmostradas en color rojo actuando en las partes de sujeción y se ve la fuerza representada en forma de vector. Ebastidor se aplica la fuerza nodalmente en la región de los orificios tanto superiores como inferiores que sirven de sujeción al propio cilindro neumático; lo anterior constituye las llamadas condiciones de carga. Epero se presenta de manera exagerada cuyo valor máximo es de 0.18x10-5cm. Econ letras mayúsculas el símbolo “MX” que significa máximo y con esta designación se encuentra o localiza en ese lugar el esfuerzo máximo interno a que está sujeta la estructura.



n las figuras 9 – 12 se presenta nuevamente el mismo modelo, sin

l procedimiento es el mismo, pero en esta ocasión el valor del

n la figura # 9 se aprecia la máxima deformación que según la

n la figura # 10 se aprecia el valor en la escala cromática para el

as figuras # 11 y # 12 son solamente acercamientos del bastidor en

Eembargo en esta ocasión el análisis se hace para el material aluminio, con objeto de establecer un criterio de selección del material, y hacer ver qué ventajas tiene determinado material con relación a otros. Intuitivamente el metal aluminio es más suave, lo cual se comprueba a través del programa mediante los valores de deformaciones y esfuerzos obtenidos. EMódulo de elasticidad para el aluminio es E = 69 GPa, con un valor del Esfuerzo elástico (de cedencia) σCAl = 840 Kg / cm2 y la relación de Poisson ν = 0.27; valores que se hacen ingresar al programa para obtener los esfuerzos a que está sometido el bastidor bajo determinado sistema de cargas. Eescala cromática, es la máxima y en la misma imagen se puede apreciar con el símbolo “MX” (máximo) cerca de la parte superior del bastidor. La máxima deformación como puede leerse es de 0.009524 cm (esta deformación es excesiva). Eesfuerzo equivalente a 20 977 N/cm2 el cual es superior al esfuerzo elástico ( de cedencia) del aluminio. Lsu parte superior e inferior.



.7. SUMARIO.

ona lo que se entiende por un sistema computacional

4

n este capítulo se menciEde ingeniería, además se explican los pasos de diseño por computadora donde la forma y geometría del elemento a analizar son importantes. Se hace la modelación como parte básica del diseño asistida por computadora hecha en “Solids Works”, la cual es importada al paquete computacional “Ansys”. Se explica propiamente el diseño del bastidor en forma de secuencia o “paso a paso” y se incluyen las gráficas del modelado obteniéndose, al final, el factor de seguridad, el cual es un parámetro importante para ubicar el diseño en la categoría de aceptable, con objeto de tener la confianza, de que el sistema desde el punto de vista de diseño mecánico es seguro y operará eficientemente y evitar, consecuentemente, accidentes en el trabajo o daños de la herramienta, evitando pérdidas de dinero.

AUTOMATIZACIÓN


5. GENERALIDADES

Dos eventos han marcado a la humanidad, desde el punto de vista tecnológico: el primero de ellos es la Revolución Industrial, con la cual se inicia la mecanización y posteriormente se da otra transformación de tipo tecnológica, en la cual surge la automatización. Con automatización se designa el control de procesos u operaciones sin intervención humana directa, y no debería confundirse con mecanización, que es la realización de los trabajos mediante mecanismos, como palancas, engranes, pistones, etc (23) . En términos generales puede afirmarse que la automatización es una consecuencia inmediata de la mecanización, que surgió después de la revolución industrial durante el Siglo XIX. La automatización se refiere en su concepción original a la capacidad de sustituir al hombre por máquinas en los procesos de la producción, en la cual el error humano se minimiza y desaparece, y el sistema bajo el que trabaja el proceso se vuelve autónomo bajo una serie de criterios y tecnologías. DEFINICIÓN La automatización se define como el estudio de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la sustitución del operador humano por un operador artificial en la generación de una tarea física previamente programada(24) , es decir, en la automatización se tienen métodos programables aplicados al control de procesos industriales.

AUTOMATIZACIÓN


5.2. DESCRIPCIÓN DEL EVENTO Independientemente de las bondades y efectos, que pueda tener la automatización dentro de cualquier proceso industrial a controlar, pueden diferenciarse dos aspectos igualmente importantes, a saber :

• La automatización, per se, puede ser benéfica para un proceso determinado, si los medios económicos de la empresa lo permiten, ya que los elementos mecánicos, electrónicos, neumáticos, etc., que combina la automatización (con objeto de lograr una regulación adecuada del proceso (25) ) pueden, en principio, ser costosos.

• La automatización, aún con todos los efectos positivos, puede no ser

forzosamente necesaria, si el proceso del que se trate, es tan sencillo, que el sistema globalmente puede no requerirlo

La tendencia de los adelantos e innovaciones tecnológicas es la mejora en los procesos de producción y el efecto de la automatización es palpable (25) , ya que la introducción de la computadora causó una revolución en el proceso productivo, disminuyendo enormemente la necesidad de personal abatiendo por un lado, gastos innecesarios de personal y por otro lado, abatiendo errores por factores humanos, además de acelerar las operaciones como aumentar calidades y rendimientos. El objetivo central de este capítulo no es ni forzosamente, ni expresamente demostrar la necesidad de automatizar cualquier proceso en general, o la prensa neumática en particular; la automatización de dicha prensa tiene objetivos puramente didácticos, cuyo único fin es enseñar y mostrar al alumno en el aula la manera de hacerlo, independientemente del uso final que pueda tener la prensa.

AUTOMATIZACIÓN


La descripción del evento se refiere al movimiento final de la herramienta sujeta en el extremo del vástago del actuador, el cual es un movimiento alternativo “sube-baja”, y es precisamente éste movimiento lo que se desea controlar. Debido a que el movimiento es repetitivo, es cómodo pensar en la manera de hacerlo en forma automática y no manualmente. La ventaja de la automatización, en general, es abatir costos reduciendo la ocupación de mano de obra, por ejemplo, pero en ésta situación la ventaja al automatizar es hacer el proceso automático, sin tener forzosamente que tener oprimido el pulsador permanentemente durante una demostración. Definitivamente la alternativa de concebir controlar el proceso manualmente es incómoda, fatigante y poco eficaz. En principio, la herramienta puede ser de corte, embutido o punzonado; pero cualquiera que sea el tipo de herramienta el movimiento final siempre será en línea recta vertical. El equipo que gobierne los movimientos puede ser un equipo o micro-controlador de baja capacidad, es decir, un equipo que gobierne al menos 2 señales, puede ser también compacto y portátil. En el caso que nos ocupa, la automatización puede requerir de un minicontrolador que opere solamente 2 señales, esto equivale a una señal por movimiento. Elementos de mando y señalización. Todo mando se ejecuta con algún tipo de botón pulsador luminoso o no luminoso, que actúa en un minicontrolador y éste cuenta con una señal de paro o alarma como medida de seguridad, en caso de una variación extrema de voltaje, lo cual puede ocurrir inesperadamente. Elementos de control. El elemento de control se hace mediante sensores que actúan junto con interruptores de fín de carrera, que realizan el movimiento cíclico, es decir, el movimiento de “sube – baja” del actuador. Entre los elementos de control más comunes se encuentran bobinas, contactores, interruptores de nivel, etc.

AUTOMATIZACIÓN


Elementos actuantes. Todos los elementos anteriores se relacionan con las electro-válvulas y actuadores, que son al final del proceso de control, los elementos que tienen que ver con proceso de manufactura del que se trate.

5.3. UNIDAD CONTROLADORA.

5.3.1. Elección de la unidad. La elección del controlador se basó exclusivamente tomando en cuenta el aspecto económico, ya que la ventaja de un micro-controlador marca Moeller, muy similar en funciones y características a las de otros controladores, reside en su bajo precio. El equipo Moeller consistente en micro-controlador, cable para interface, eliminador de baterías, software de programación, tarjeta de control y 3 manuales de operación y servicio tiene un costo de tres mil pesos, mientras que un equipo Siemens, Festo, Allen Bradley o cualquier otra marca prestigiada, con más capacidad de memoria, más entradas y salidas, más grandes y pesados tienen un costo en el mercado aproximado de seis a siete mil pesos.

5.3.2. Descripción de la unidad (26).

La unidad “Easy 600”es un minicontrolador para el mando y control de equipo de baja capacidad y con funciones lógicas, de temporizador y contador. El dispositivo “Easy 600”, llamado así de fábrica, por ser de fácil instalación, es un dispositivo de control con 12 entradas y 12 salidas, que puede realizar diferentes tareas tanto en edificios como en máquinas. En su interior está montado un dispositivo de seguridad, el cual resulta imprescindible, cuando hayan de prevenirse eventuales daños; en caso de fallo, el aparato mantiene la seguridad desconenctando el componente defectuoso, además de contar con fusibles internos para seguridad. Éste minicontrolador está diseñado para una tensión de alimentación de 24 V DC y 85 a 264 V AC 50/60 Hz, tiene una tecla para borrar contactos/ relés/ conexiones. Las teclas de cursor se encuentran en la parte frontal, también está provisto de la tecla ALT para diseñar conexiones.

AUTOMATIZACIÓN


También cuenta con otra tecla “OK” para aceptar una acción o para entrar a “Menú” y por último, la tecla “ESC” se encuentra en la parte frontal, la cual sirve para salir de “Menú” y para salir sin archivar o guardar. Éste controlador ofrece lo siguiente:

• Alta velocidad de procesamiento. • Capacidad para ampliar la memoria. • Programación uniforme, etc.

Además cuenta con entrada para cable de interface a PC, eliminador de baterías, tarjeta de control y manuales para el aprendizaje y uso del equipo. 5.3.3. Construcción. El controlador programable está construido de manera compacta, ligera y resistente. Las dimensiones en milímetros son de 107.5 de frente o ancho por 58 de espesor por 110 de altura con peso de aproximadamente de 300 gramos. Su peso lo hace ideal para ser transportado, por ejemplo, a mano. La presentación de la unidad es en plástico en color blanco. Las terminales se hacen a base de tornillos, lo cual asegura el contacto en las conexiones. Aplicaciones. Ésta unidad puede aplicarse en diferentes casos como el control y mando de quemadores y calderas, prensas excéntricas, hidráulicas, de husillo, estampadoras y plegadoras. También puede ser usado en máquinas - herramienta, maquinaria industrial como troqueladoras y guillotinas, en dispositivos de protección de máquinas como rejillas de protección, circuitos para mando con dos manos, pulsadores de paro de emergencia, y un sin fin de procesos químicos, señales de tránsito, etc. El equipo “Easy 600” puede programarse, para lo cual existe el lenguaje de programación incluido en el software del equipo con las formas de representación con listas de instrucción, esquemas de contactos y esquemas de funciones.

AUTOMATIZACIÓN


Los diagramas de escalera son representaciones gráficas en los cuales se colocan los botones de arranque y paro, así como las bobinas, y otros dispositivos eléctricos. La colocación de los elementos eléctricos dentro del diagrama de escalera dependerá básicamente del circuito a emplear, lo cual dependerá, a su vez exclusivamente, de las tareas que se quieran controlar dentro del sistema. El diagrama de escalera es único para cada situación específica que se quiera controlar. A continuación se presenta el diagrama de escalera para el sistema de la prensa neumática.

Figura 5.1. Diagrama de escalera de control.

AUTOMATIZACIÓN


En el diagrama 5.1. se observa lo siguiente: Al oprimir en la línea 1 el Botón BA ( Botón de Arranque ) se energiza la bobina 1 y el contacto B1 en la línea 1 se cierra y el circuito se mantiene energizado, mientras que el contacto B1 en la línea 2 se cierra y encontrándose el cilindro en la posición del sensor electromagnético D1, ya integrado de fábrica al cilindro neumático, ( ver Fig 5.2.), se acciona entonces el solenoide A, que es el pilotaje en A de la electroválvula o válvula conmutadora y que sirve para cambiar la posición de la válvula biestable, avanzando de esa forma el cilindro. En la línea 3, al llegar el cilindro a la posición del sensor electromagnético D2, ya integrado de fábrica al cilindro neumático, ( ver Fig 5.2. ), se energiza el solenoide C, que es el pilotaje en C de la válvula conmutadora y que sirve para cambiar la posición de la electroválvula, y así el cilindro regresa nuevamente a la posición D1, repitiéndose el ciclo hasta oprimir BP (Botón de Paro) con lo cual, se corta la energía en la bobina auxiliar B1, abriéndose así los contactos B1 de la línea 2 y 3, deteniéndose el sistema, y regresando finalmente el vástago a su posición inicial.

AUTOMATIZACIÓN


Válvula conmutadora

Controlador

I3Botones

Q1

I1 Q2

I2

I4

Relevador

Q1

Q2

24 V

24 V

Relevador

D 2

D 1

Actuador

Figura 5.2. Diagrama de conexiones para la prensa neumática.

AUTOMATIZACIÓN


5.7. SUMARIO. En este capítulo se describe el evento, es decir, se describe el movimiento de la herramienta cuando se tiene la acción de un microcontrolador gobernando el movimiento del actuador. Se presentan tanto el diagrama de escalera, como el diagrama de conexiones del sistema. El equipo usado es un minicontrolador marca Moeller, cuyas aplicaciones, entre otras son las siguientes: control y mando en quemadores y calderas, maquinaria como troqueladoras y en control de procesos químicos.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.

BIBLIOGRAFÍA 1.- www.conacyt.com.mx (pagina web de la Comisión Nacional de la Ciencia y Tecnología). 2.- Indicadores de actividades científicas y tecnológicas. (Boletín informativo anual) Editorial. SEP-CONACYT México 1998 . 3.- www.t1msn.com 4.- Enciclopedia Moderna Larousse Volumen # 8 1998. 5.- Enciclopedia Técnica McGraw Hill Volumen # 2 1999. 6.- Procesos de Manufactura ( Versión SI ) Autores: B. H. Amstead / Ph. F. Ostwald / m. l. Begeman Editorial: C.E.C.S.A. 1990. 7.- Procesos para Ingenieria de Manufactura Autor: Leo Alting Editorial. AlfaOmega. 8.- Periódico “Reforma”, www.reforma.com Año 10 Número 3356, primera sección primera plana Sábado 22 de Febrero 2003



9.- Elementos de Máquinas Autores: V. Dobrovolski / K. Zablonski / A. Radchik / L. Erlij. Editorial: Mir 1980. 10.- Anuario de Producción Económica Editorial I.N.E.G.I. 2000. 11.- Anuario de Producción Económica Editorial I.N.E.G.I. 2000. 12.- Indicadores de actividades científicas y tecnológicas. (Boletín informativo anual) Editorial. SEP-CONACYT México 1998. 13.- Diccionario de Física Larousse 2001. 14.- www.sapiens.itgo.com 15.- Manual del Ingeniero Mecánico Autor: Hütte. Editorial: Reverte 1985. 16.- Manual de Compresores Autor: Richard w. Greene McGraw Hill 1999.



17.- Manual de Compresores Autor: Richard w. Greene McGraw Hill 1999. 18.- Manual de Compresores Autor: Richard w. Greene McGraw Hill 1999. 19.- Compressors Selection and Sizing Autor: Royce N. Brown Editorial: Gulf 1997. 20.- Apuntes de Neumática Avanzada Compañía SMC, International Training 2000. 21.- Dispositivos Neumáticos Autores: W. Deppert / K. Stoll Editorial Alfaomega-marcombo 2000. 22.- Introducción al Estudio del Elemento Finito en Ingenieria Autores: Chandrupatla / Belegunda Editorial: Prentice-Hall / Pearson. 23.- Enciclopedia Barsa Tomo # 3 Cuerpo de Redacción de la Enciclopedia Británica. Edición 2000.



24.- Problemas resueltos con autómatas programables Autores: Romera / Lorite y Montoro Editorial: Paraninfo 1995. 25.- Enciclopedia Barsa Tomo # 3 Cuerpo de Redacción de la Enciclopedia Británica. Edición 2000. 26.- Wiring Manual Automation and Power distribution Autores: Company Moller 1st edition oct. 1997. 27.- Dispositivos Neumáticos Autores: W. Deppert / K. Stoll Editorial Alfaomega-marcombo 2000. 28.- Termodinámica Tomo I Yunus A Ҫengel / Michell A: Boles. McGraw Hill 1995. 29.- Selección y Aplicación de Motores Eléctricos J. Roldan Viloria. Editorial Alfaomega 2000. 30.- Termodinámica técnica Autores: V.A. Kirillin / V. V. Sichev / A. E. Sheindlin Editorial Mir



1976

PROGRAMAS COMPUTACIONALES

31.- Auto-CAD versión 2000. 32.- 3 D studio 33.- ANSYS versión 5.5. 34.- Solid Works. 35.- Pneumatic ( Simulador neumático ) 36.- Visual basic. 37.- Microsoft-Office ( Word, Power-Point, publisher, etc ) 38.- Software Moller Easy-soft.


CONCLUSIONES


CONCLUSIONES

Las políticas del estado en relación a la generación e impulso de tecnología propia son escasas, además la capacidad del gobierno en los presentes momentos para la financiación de proyectos de investigación tecnológica son nulos, o en el mejor de los casos, raquíticos y pobres. El CONACYT es un organismo ( cuyos recursos para la investigación dependen del gobierno ) no reporta en sus boletines informativos proyectos de estudio en el área metal-mecánica. En tales circunstancias, al no contarse con recursos económicos y financieros suficientes, es difícil montar una infraestructura de desarrollo básico en una de las áreas más importantes para la economía de un país, como por ejemplo, la industria manufacturera. Por el otro lado la Secretaría de Economía junto con INEGI no registra en sus censos datos que reflejen una derrama significativa en materia de proyectos de inversión en el rubro industrial, rama manufacturera y en particular en el subsector “Prensas”. La industria manufacturera se encuentra en decadencia en nuestro país; hace aproximadamente 2 décadas el 70% de la actividad en el mercado estaba concentrada en la Ingeniería de diseño y de producto y el 30% a la importación de bienes; hoy día la situación se ha revertido y la ingeniería de diseño tiene una tendencia a desaparecer y la importación de bienes de capital, tecnología y maquinaria va en aumento. Por otro lado los proyectos “llave en mano” concentrados por el gobierno contrarrestan la posibilidad de invertir en el renglón puramente tecnológico. En el año de 1998 y los 4 año siguientes el ritmo de crecimiento del saldo de la Inversión Extranjera Directa captó poco más del 60% de la IED total; entre el año 2000 y 2002 éste porcentaje bajó a 40% y las ramas que más se beneficiaron de la IED fueron productos metálicos, maquinaria y equipo, químicos, derivados del petróleo y plástico en ese orden. A finales del 2002 se observó una caídadel 14.7% en la IED Manufacturera, de forma tal que las actividades más beneficiadas ahora con la IED son Servicios y la Industria

CONCLUSIONES


eléctrica, según los comentarios de la revista “Manufactura” número 6, Junio del año 2003. Así, la propuesta de la tésis está relacionada con la construcción de un prototipo de una prensa de corte de baja capacidad, con activación neumática. Éste trabajo puede servir para presentar una sugerencia, en el sentido de poder manufacturar un equipo con éste tipo de características, en el ámbito industrial, ante la escasez de productores nacionales de prensas en general; algunos de los problemas en relación a la pequeña industria, como por ejemplo, falta de dinero y financiación para la adquisición de máquinas hechas en el extranjero ( cuya importación eleva el costo), podrían verse superados y encontrar una posible solución, si se intentara exponer algún resultado como el expuesto en el presente trabajo. El costo del prototipo del trabajo asciende aproximadamente a siete mil pesos, según se aprecia en el Anexo F. Todos los componentes pueden ser adquiridos en el país a bajo costo, y todos los elementos son prácticamente comerciales. El estudio se centra en demostrar la posibilidad de su diseño. Por las dimensiones y peso del bastidor (aproximadamente 2Kg ) puede la prensa llegar a ser portátil, aunque no se persiguió explícitamente éste objetivo. La instalación es sencilla, es decir, la conexión a la toma del usuario se hace mediante la manguera haciendo presión ligeramente hacia la toma. En términos generales y como comentario final, cualquier industria, pequeña o no, puede intentar formular sus propias soluciones a sus necesidades. Este trabajo es un primer atisbo para la generación de futuros trabajos tales como la adaptación de un alimentador neumático para la prensa o en otro sentido, diseñar prensas que puedan desarrollar más capacidad que la prensa que aquí fue presentada.

CONCLUSIONES


RECOMENDACIONES


RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS. Como trabajos futuros se recomienda realizar lo siguiente:

• La implementación de una serie de prácticas para el Laboratorio de Neumática en E. S. I. M. E. ( Unidad Azcapotzalco ) para alumnos de 4to. y 6to. Semestres de la carrera de Ingeniería Robótica incluyendo el material de éste trabajo.

• La implementación de una serie de prácticas en Laboratorio de

Programación en E. S. I. M. E. ( Unidad Azcapotzalco ) basándose en la hoja de cálculo que se propone en éste trabajo.

• Desarrollar un tipo de prensa activada neumáticamente con mayor

capacidad ( 20 ó 30 kg.), cuyo diseño se encuentra en estudio. • Desarrollar un máquina de serigrafía automatizada cuyo diseño se

encuentra en estudio.

• Rediseñar la prensa actual adaptando una herramienta de corte. • Rediseñar la prensa actual adaptando una herramienta de embutido

4

• Construir un alimentador neumático para el avance de la chapa metálica sincronizada a la prensa que se analiza en éste trabajo; ésto sería complemento de la prensa neumática que se aquí se presenta.

ANEXOS


ANEXO A

TABLAS(10)

En las siguientes tablas se aprecia el valor de la Producción Bruta Total por estado federativo en la rama 3821 que se refiere ala fabricación , reparación y/o ensamble de maquinaria con o sin motor eléctrico. Los estados a los que se hace referencia son: Nuevo León, Coahuila, Querétaro, Edo de México y Distrito Federal entre otros.

ANEXOS


ANEXOS


ANEXO B

INSTALACIÓN NEUMÁTICA( 27)

La instalación o red neumática es un conjunto de dispositivos, aditamentos y líneas neumáticas, que tienen por objetivo llevar el aire comprimido desde la zona de compresores hasta los puntos de utilización del usuario. Desde el punto de vista neumático, los parámetros que determinan el diseño de un sistema neumático con aire comprimido son: la presión, el caudal, y la pérdida de carga admisible. En una red de aire pueden distinguirse:

• Línea principal. • Línea secundaria. • Las tomas de aparatos.

Figura B.1. Esquema de instalación neumática.

ANEXOS


En la figura B-1 puede verse la distribución de la red ramificada típica en la cual se incluyen, todos los componentes posibles que suelen encontrarse en las instalaciones de aire comprimido. En el caso de éste trabajo solo se cuenta con línea principal con tubería de fierro que conecta el depósito del compresor con la toma del usuario y con longitud suficiente de 1 m. Desde la toma del usuario hasta la aplicación propiamente dicha se tiene la conexión con manguera de plástico, que da al sistema ( en este caso a la herramienta ) movilidad y flexibilidad. En la figura B-1 puede verse una red típica, en la que se incluyen todos los componentes posibles que pueden encontrarse en una instalación de aire comprimido. Según la figura B-1 indica los componentes:

o Compresor. o Depósito acumulador de aire comprimido.(Manómetro, Purga de

condensados, etc. ) o Válvula de corte. o Filtro principal con nivel y purga automática. o Purga de condensados. o Instalación de toma para el usuario final, incluye toma de aire,

válvula de cierre, filtro-regulador con manómetro y reductor de presión, presostato, lubricador y conexión flexible.

o Inclinación o pendiente en el sentido del flujo de aire de 3 ó 4 %. En nuestro caso los componentes son necesarios para adecuar una correcta instalación neumática. Los elementos de la lista anterior son conocidos comercialmente como la unidad de mantenimiento.

ANEXOS


ANEXO C

FACTOR DE COMPRESIBILIDAD

En el caso de gases ideales pv = RT o bien pv/(RT) = 1; para los gases reales puede la ecuación de los gases perfectos no forzosamente ser igual a la unidad; para gases reales pv/(RT) es diferente de la unidad; cuando es el caso, entonces pv/(RT) es una variable para gases reales llamada factor de compresibilidad. El factor de compresibilidad es una medida de la desviación del comportamiento del gas ideal, es decir, si z = 1 (= pv/[RT]), se tiene entonces un gas ideal, de lo contrario, se tiene el comportamiento de un gas real. Cuanto más lejos es encuentre Z de la unidad, mayor es la desviación del gas comportamiento de gas ideal. ( ver figura C-1)

GAS IDEAL GAS REAL

> 1 Z=1 Z = 1 < 1

FIGURA C-1. Factor de compresibilidad para gases ideales y reales. Se dice(28) que los gases siguen la ecuación de gas ideal con gran precisión a bajas presiones y altas temperaturas. ¿ Pero qué es exactamente lo que constituye baja presión y alta temperatura? ¿ Son –70O C una temperatura baja? Es claro que lo es para muchas substancias, pero no para el aire. El aire ( o el nitrógeno) puede tratarse como gas ideal a esta temperatura y a la presión atmosférica con un error menor a 1 % debido a que el nitrógeno se encuentra bastante arriba de su temperatura crítica ( ≈-142O C) y lejos de la región de saturación.

ANEXOS


A esta temperatura y presión se encuentran la mayor parte de la substancias en fase sólida, por consiguiente la presión o temperatura de una sustancia es alta o baja con relación a su temperatura o presión crítica. Los gases se comportan de manera diferente a una temperatura y presión determinadas, pero se comportan de la misma manera a temperaturas y presiones normalizadas respecto de sus temperaturas y presiones críticas. La normalización se efectúa con:

Pr = PENTRADA / Pc y Tr = TENTRADA / Tc ec. B-1

Aquí Pr y Tr reciben el nombre de presión y temperatura reducidas, respectivamente; así el factor Z para todos los gases es aproximadamente el mismo a la misma presión y temperatura reducidas. ( Lo anterior es llamado en termodinámica “Principio de estados correspondientes” ). Los valores del factor de compresibilidad se grafican en las llamadas cartas de compresibilidad.

ANEXOS


APÉNDICE D

SELECCIÓN DE UN MOTOR ELECTRICO(29)

Un aspecto importante en el estudio de las maquinas eléctricas en su selección y aplicación, ya que se encuentran en distintos tipos de aplicaciones y no siempre se sabe que características deben tener para una aplicación especificas, o bien como algunas veces forman parte de otro tipo de maquinaria con funciones diversas, no se conocen las características eléctricas. También, conviene recordar que las maquinas eléctricas rotatorias son elementos convertidores de energía eléctrica en energía mecánica, y como la electricidad, representa una forma intermedia de energía. Para alguien que no esta familiarizado con la electricidad, la mayoría del equipo para desarrollo de potencia mecánica tiene incorporado un motor eléctrico, por ejemplo, si se compra un compresor de aire, un taladro, una fresadora, etcétera, el motor eléctrico se encuentra instalado como parte del Equipo. En este caso, la información “eléctrica” que se necesita saber para adquirir este tipo de motor es el voltaje (volts),la frecuencia (ciclos/segundos) y él numero de fases; cuando por alguna razón es necesario remplazar el motor de un equipo que es accionado por un motor eléctrico, se puede considerar que el motor por sustituir opera en forma satisfactoria y entonces, se reemplaza por otro de las mismas características. Para esto, basta con verificar la placa de características del motor por sustituir. Los principales factores a considerar en la selección de un motor son los siguientes:

ANEXOS


• Potencia en la entrada o salida, expresada en Hp o kilowatts. • Características de la carga por accionar. • Velocidad nominal en RPM. • Tamaño de la carcaza. • Clasificación por velocidad. • Efecto del ciclo de trabajo. • Elevación de temperaturas en la maquina. • Factor de servicio. • Requerimientos de mantenimiento y accesibilidad. • Los tamaños comunes de los motores.

Rangos de utilización de un motores eléctricos.

ANEXOS


POTENCIA DE SALIDA. También se designa como potencia en la fecha y obviamente debe ser suficiente para accionar la carga que estará conectada a su eje. Este factor se complica ligera mente por el hecho de que un motor debe soportar por periodos breves sobrecargas. Por ejemplo se puede tener el caso de que un motor con potencia nominal de 20 HP a 1750 RPM con un ciclo continuo de operación a 50°c de elevación de temperatura, debe producir o entregar 25 HP a 1650 RPM, pero no en forma continua, esto quiere decir que su devanado debe admitir un sobrecalentamiento de 10 a 15 minutos sin daño alguno, por lo que selecciona para el valor de potencia que debe entregar por corto periodo. En nuestro caso tenemos una potencia requerida de P = 12.064 Kw es decir 9 HP seleccionaremos un motor de 10 HP a 1800 RPM a una temperatura de 30°C promedio.

ANEXOS


Otra condición puede ser que el ciclo de trabajo sea tal que la mayor parte del tiempo el motor opere con cargas bajas, entonces, la potencia se debe seleccionar para la condición de carga a la que el motor opera la mayor parte del tiempo, si se considera que a menor carga el motor es eficiente. En el monograma anexo, se da la relación entre el par requerido y la potencia que debe tener el motor y la velocidad de operación.

ANEXOS


CARACTERÍSTICAS DE LA CARGA POR ACCIONAR. Si una carga puede requerir de 20 HP a 1750 RPM en forma continua, puede tener otras características que de penden del tipo particular de la carga por accionar, por ejemplo un ventilador no requiere de un alto par de arranque, pero en cambio hay cargas que si lo requieren y, entonces, dependiendo de su magnitud, se pueden usar arranques con capacitores, o también trifásicos con rotor devanado. Sin en cambio se puede pensar en otra solución, y lo mismo ocurrirá si la velocidad es prácticamente constante. A este respecto lo que se pretende hacer notar es que existe una amplia gama de motores eléctricos para distintas aplicaciones. VELOCIDAD NOMINAL. La velocidad de la placa de un motor en rpm está dada para sus condiciones normales de operación, ya que a un motor eléctrico se le puede requerir que opere a cualquier velocidad desde el reposo hasta su velocidad nominal, o bien, periódicamente opera con velocidades que varíen dentro de cierto rango esto hace que la solución se pueda dar con distintos tipos de motores de control, por lo que constituye también un factor a considerar en su selección. De donde Ns que serán la velocidad del motor requerida y la calcularemos por la siguiente formula:

P = polosNs

f4

18007200

1800)60(120120

===

Donde: P = numero de polos F = frecuencia Ns = velocidad

ANEXOS


Ns = RPMp

f1800

47200

4)60(120120

===

DONDE: Ns = velocidad requerida P = polos del estator F = frecuencia Calculando el torque:

T = pielibrasNs

P/0352.0

180036.63

1800)9(04.704.7

===

T = 487.41Kg/Cm Carcazas de los motores. Los motores se deben montar en forma apropiada antes de su puesta en operación. Todos los motores con carcazas algunos medios de montaje. Las carcazas o tamaño de carcazas de los motores sean clasificado por la NEMA (NACIONAL MANUFACTURER ASSOCIATION), por medio de un numero normalizado para indicar las dimensiones de montaje del motor. El numero de la carcaza (NC) de un motor de acuerdo alas normas americanas NEMA se determina multiplicando la distancia (medida en pulgadas) del centro de la flecha por 16 por esta forma calculamos el numero de la carcaza correspondiente a nuestro motor por seleccionar: NC = Dimensión del centro del motor x 16 eje a la base NC = 3.5x16 = 56

ANEXOS


Teniendo este dado consultamos la tabla anexa.

ANEXOS


CLASIFICACION POR VELOCIDAD. Existe una clasificación por velocidad reconocida también por los fabricantes de motores eléctricos (NEMA) de la siguiente manera:

• Motores de velocidad constante • Motores de velocidad variable • Motores de velocidad ajustable • Motores de velocidad ajustable-variable • Motores de multivelocidad

EFECTO DEL CICLO DE TARBAJO. El ciclo de trabajo afecta en forma considerable al ciclo de operación de los motores, ya que este puede ser continuo o alternativo, con carga aplicada en forma directa al eje o a través de mecanismos como poleas o cajas de engranes reductores de velocidad, el par en el motor varia y puede hacer variar de alimentación. TEMPERATURA AMBIENTE. Los motores de inducción pueden ser usados en ambientes poco comunes, por ejemplo cercanos a hornos o equipos que operan con alta temperatura, o bien sumergidos, como es el caso de los motores de bombas para pozos profundos. En ambos casos, la elevación de temperaturas es diferente y, por lo tanto, se requiere de distintos tipos de motores.

ANEXOS


ELEVACIÓN DE TEMPERATURAS. La corriente que circula a través de los devanados del motor, incrementa la temperatura del mismo. La elevación de temperaturas es la diferencia entre la temperatura del devanado de un motor en operación y la temperatura ambiente. La elevación de temperaturas producida ala corriente a plena carga no es perjudicial, siempre que la temperatura ambiente no exceda al limite de temperatura ambiente del motor. La elevación de temperaturas permisibles es la diferencia entre la temperatura ambiente y la máxima temperatura ambiente indicada en el motor. Por ejemplo si la temperatura ambiente a que opera un motor es 25°C y la indicada en la placa es de 40°C, la elevación de temperaturas permisibles es: Elevación de temperaturas permisible = 40°C-25°C = 15°C FACTOR DE SERVICIO. Algunos motores están diseñados para desarrollar mas de su potencia nominal (HP)sin que se les produzca daño alguno. El factor de servicio de un motor es un margen de seguridad para las sobrecargas del motor, por ejemplo un motor con factor de servicio 1.15indica que el motor puede operar al 115% de la capacidad de corriente a plena carga sin que sufra daño el aislamiento. Para calcular la potencia máxima en HP que un motor puede desarrollar, se debe multiplicar la potencia en HP del motor por el factor de servicio. Por ejemplo un motor de 20 HP con un factor de servicio de 1.25 puede desarrollarse en forma segura 1.25x20 = 12.5 HP un motor con el factor se servicio de 1.0 no tiene margen de seguridad. Par nuestro motor que seleccionamos utilizaremos un factor de servicio de 1.4 Hpmax = HP x F.S. Hpmax.= 10x1.4 = 14 HP

ANEXOS


El factor de servicio lo obtenemos de la tabla anexada a continuación.

ANEXOS


REQUERIMIENTO DE MANTENIMIENTO Y ACCESABILIDAD. Estos aspectos se refieren a la condición particular de aplicación de un motor eléctrico y debe ser consideradas en su selección. En nuestro caso no se presenta ningún inconveniente debido a que nuestro motor se instalara en un lugar adecuado que permite el desarrollo pleno de este punto sin ningún problema. LOS TAMAÑOS COMUNES DE MOTORES. Los tamaños de los motores normalmente se encuentran disponibles para los rangos de voltaje estándar de alimentación en corriente alterna. En México, por ejemplo, la frecuencia de alimentación es de 60 Hz. Y la selección del tamaño (potencia)apropiado del motor depende de la potencia requerida se tiene algunos problemas porque el motor se sobrecarga y, entonces, no se le puede dar la potencia apropiada, ya que la sobrecarga hace que los dispositivos de protección abran el circuito frecuentemente, con lo que se interrumpe la alimentación del motor y éste se para. Un concepto interviene en la aplicación de motores eléctricos, es le que se conoce como “factor de seguridad” y que indica cuanta carga en forma temporal puede tomar un motor. Por ejemplo, si un motor tiene un factor de servicio de 1.25 y es de 1 HP (0.746Kw) el motor puede entregar 1.25HP, o bien, 1.25x0.746=0.932 Kw Al operar un motor con una capacidad superior ala de la placa, la temperatura tiende también a elevarse, por ejemplo si el motor de 1 HP opera a 40°C, es de esperar que cuando opere a 1.25 HP eleve su temperatura a un valor superior, por ejemplo 50°C.

ANEXOS


ANEXO E

(30)

ANEXOS


L = p1V1 – p2V2 + ------- (4) ∫2

1

V

V

pdV

Si derivamos el producto ( pV ) se tiene,

d(pV) = pdV + Vdp--------(5)

Despejamos el término pdV,

PdV = d( pV ) – Vdp

Substituimos este valor en la ecuación del trabajo ecuación 1:

L = p1V1 –p2V2 + [ ]∫ −2

1

)(V

V

VdppVd

Integramos la ecuación anterior,

L = p1V1 – p2V2 + p2V2 - p1V1 - ∫2

1

p

p

Vdp

ANEXOS


Quedando finalmente,

L = - ------- (6) ∫2

1

p

p

Vdp

El trabajo específico de compresión ( referido a 1 Kg de gas ) es,

l = - ------- (7) ∫2

1

p

p

vdp

El ciclo del compresor debe ser de tal manera regulado, que el trabajo L, que se gasta en el ciclo desde la presión p1 hasta la presión p2, sea el menor posible, y también que la temperatura del gas a la salida del compresor no sea demasiado alta, y en todo caso menor a la temperatura de inflamación de la grasa que se usa para lubricar. Para el proceso politrópico se tiene la siguiente ecuación:

p vn = 1p nv1

Despejamos vn :

v = 11

1

11

1 vp

pv

pp

n

nn

n

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×

ANEXOS


Substituyendo el valor de v en ecuación 7:

l = - dpvp

pp

p n

n

11

1

12

1

∫⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

Considérese que la presión de entrada 1 p1 y el volumen 1 v1 son constantes, deben por tanto salir de la integral, quedando así:

l = - np1

1 1v ∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −2

1

1p

p

n dpp

Aplicando la definición:

Cmuduu

mm +

+=∫

+

1

1

Se tiene,

l = - ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−=

+−

+−+−+−

11

1

11

21

1

1

11

1

1

1 11

11

2

1

nnn

p

p

nn pp

nn

vp

n

pvp

ANEXOS


Operando algebráicamente:

l = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−−

−−+−n

nn

nnnn

ppvpn

n 1

1

1

21

1

1

O bien:

L = −⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

−−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

− −

−−−−−

−

nn

nn

nn

nn

nn

nn

p

ppvp

nnppvpp

nn

1

1

1

1

1

211

1

1

1

21

1

11 11

Finalmente la ecuación queda como sigue:

l= ⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

−−

−

−

−

11

11

1

1

2111

1

1

211

nn

nn

nn

pp

vpn

n

p

pvp

nn

Esta la ecuación que nos proporciona la cantidad de trabajo por unidad de ma sa entregado por un compresor.

ANEXOS


ANEXO F

COSTO DEL PROTOTIPO

El valor de las partes que forman el prototipo se presentan en forma de lista. Todos los componentes pequeños tales como relevadores, botones de arranque, cable calibre # 14, etc., pueden ser conseguidos en cualquier casa dedicada a comercializar microcomponentes ubicada en Av. República del Salvador, pero el actuador con sensores magnéticos integrados, así como la electroválvula pueden ser adquiridos en compañías como Festo Pneumatic ( ubicada en: Av. Ceylán # 3, Tequesquinahuac, Edo. de México). El minicontrolador fue adquirido en la compañía Moeller Electric, S.A. de C. V. ( Centro de Servicio a Clientes. Calle 2 # 7, Fracc. Ind. Alce Blanco. Naucalpan, Edo. de México).

Cantidad Concepto Costo unitario ( Pesos )

Costo parcial ( Pesos )

3 Botones 30.00 90.00 1 Fuente 70.00 70.00 2 Relevadores 50.00 100.00

5 metros Cable 10.00 50.00 1 Actuador con sensores

magnéticos integrados 750.00 750.00

2 Válvulas direccionales 345.00 690.00 1 Electroválvula 450.00 450.00 1 Micro controlador 3100.00 3100.00 2 Bastidores 750.00 1500.00 1 Placa acero (de desperdicio) 50.00 50.00 Tornillería 10.00 10.00

5 metros Manguera neumática 9.00 45.00 Soldadura ( electrodos) 120.00 120.00

TOTAL: $ 7025.00 Tabla # F.1. Relación de componentes y precios unitarios.

ANEXOS


ANEXO G

FABRICACIÓN DEL BASTIDOR Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO.

La fabricación del bastidor puede hacerse maquinando una hoja de acero laminado en frío (cold-rolled) con bajo contenido de carbono, configurando el perfil deseado, barrenando las estructuras en las partes salientes para ensamblar los seguros y proporcionar mayor rigidez a la estructura; o bien, puede hacerse de fundición directamente, lo cual requiere de dos moldes de madera. En el cilindro se ajustan, tanto en la parte superior como en la parte inferior, dos placas, las cuales sirven para empotrar al cilindro en las dos ranuras del bastidor, así, al fijar el cilindro a los bastidores se gana rigidez. En los costados y en la parte interna de los bastidores se colocan las válvulas distribuidoras y de escape rápido. Todo el conjunto debe ser soldado a una base de metal y en la cual también se coloca una mesa metálica de trabajo. Véase el dibujo isométrico, y también véanse los dibujos del bastidor, del actuador, y de la prensa.

ANEXOS


ANEXOS


ANEXO B

INSTALACIÓN NEUMÁTICA( 27)

La instalación o red neumática es un conjunto de dispositivos, aditamentos y líneas neumáticas, que tienen por objetivo llevar el aire comprimido desde la zona de compresores hasta los puntos de utilización del usuario. Desde el punto de vista neumático, los parámetros que determinan el diseño de un sistema neumático con aire comprimido son: la presión, el caudal, y la pérdida de carga admisible. En una red de aire pueden distinguirse:

• Línea principal. • Línea secundaria. • Las tomas de aparatos.

Figura B.1. Esquema de instalación neumática.

ANEXOS


En la figura B-1 puede verse la distribución de la red ramificada típica en la cual se incluyen, todos los componentes posibles que suelen encontrarse en las instalaciones de aire comprimido. En el caso de éste trabajo solo se cuenta con línea principal con tubería de fierro que conecta el depósito del compresor con la toma del usuario y con longitud suficiente de 1 m. Desde la toma del usuario hasta la aplicación propiamente dicha se tiene la conexión con manguera de plástico, que da al sistema ( en este caso a la herramienta ) movilidad y flexibilidad. En la figura B-1 puede verse una red típica, en la que se incluyen todos los componentes posibles que pueden encontrarse en una instalación de aire comprimido. Según la numeración indicada los componentes son:

o Compresor. o Depósito acumulador de aire comprimido.(Manómetro, Purga de

condensados, etc. ) o Válvula de corte. o Filtro principal con nivel y purga automática. o Purga de condensados. o Instalación de toma para el usuario final, incluye toma de aire,

válvula de cierre, filtro-regulador con manómetro y reductor de presión, presostato, lubricador y conexión flexible.

o Inclinación o pendiente en el sentido del flujo de aire de 1 ó 2 %. En nuestro caso los componentes son necesarios para adecuar una correcta instalación neumática. Los elementos de la lista anterior son los elementos comerciales con los que debe contar toda instalación neumática.

ANEXOS


ANEXO C

FACTOR DE COMPRESIBILIDAD

En el caso de gases ideales pv = RT o bien pv/(RT) = 1; para los gases reales puede la ecuación de los gases perfectos no forzosamente ser igual a la unidad; para gases reales pv/(RT) es diferente de la unidad; cuando es el caso, entonces pv/(RT) es una variable para gases reales llamada factor de compresibilidad. El factor de compresibilidad es una medida de la desviación del comportamiento del gas ideal, es decir, si z = 1 (= pv/[RT]), se tiene entonces un gas ideal, de lo contrario, se tiene el comportamiento de un gas real. Cuanto más lejos es encuentre Z de la unidad, mayor es la desviación del gas comportamiento de gas ideal. ( ver figura B-1)

GAS IDEAL GAS REAL

> 1 Z=1 Z = 1 < 1

FIGURA B-1. Factor de compresibilidad para gases ideales y reales. Se dice(28) que los gases siguen la ecuación de gas ideal con gran precisión a bajas presiones y altas temperaturas. ¿ Pero qué es exactamente lo que constituye baja presión y alta temperatura? ¿ Son –70O C una temperatura baja? Es claro que lo es para muchas substancias, pero no para el aire. El aire ( o el nitrógeno) puede tratarse como gas ideal a esta temperatura y a la presión atmosférica con un error menor a 1 % debido a que el nitrógeno se encuentra bastante arriba de su temperatura crítica ( ≈-142O C) y lejos de la región de saturación.

ANEXOS


A esta temperatura y presión se encuentran la mayor parte de la substancias en fase sólida, por consiguiente la presión o temperatura de una sustancia es alta o baja con relación a su temperatura o presión crítica. Los gases se comportan de manera diferente a una temperatura y presión determinadas, pero se comportan de la misma manera a temperaturas y presiones normalizadas respecto de sus temperaturas y presiones críticas. La normalización se efectúa con:

Pr = PENTRADA / Pc y Tr = TENTRADA / Tc ec. B-1

Aquí Pr y Tr reciben el nombre de presión y temperatura reducidas, respectivamente; así el factor Z para todos los gases es aproximadamente el mismo a la misma presión y temperatura reducidas. ( Lo anterior es llamado en termodinámica “Principio de estados correspondientes” ). Los valores del factor de compresibilidad se grafican en las llamadas cartas de compresibilidad.


ANEXOS

ANEXO D

SELECCIÓN DE UN MOTOR ELECTRICO(29)

Un aspecto importante en el estudio de las maquinas eléctricas en su selección y aplicación, ya que se encuentran en distintos tipos de aplicaciones y no siempre se sabe que características deben tener para una aplicación especificas, o bien como algunas veces forman parte de otro tipo de maquinaria con funciones diversas, no se conocen las características eléctricas. También, conviene recordar que las maquinas eléctricas rotatorias son elementos convertidores de energía eléctrica en energía mecánica, y como la electricidad, representa una forma intermedia de energía. Para alguien que no esta familiarizado con la electricidad, la mayoría del equipo para desarrollo de potencia mecánica tiene incorporado un motor eléctrico, por ejemplo, si se compra un compresor de aire, un taladro, una fresadora, etcétera, el motor eléctrico se encuentra instalado como parte del equipo. En este caso, la información “eléctrica” que se necesita saber para adquirir este tipo de motor es el voltaje (volts), la frecuencia (ciclos/segundos) y él numero de fases; cuando por alguna razón es necesario remplazar el motor de un equipo que es accionado por un motor eléctrico, se puede considerar que el motor por sustituir opera en forma satisfactoria y entonces, se reemplaza por otro de las mismas características. Para esto, basta con verificar la placa de características del motor por sustituir. Los principales factores a considerar en la selección de un motor son los siguientes:


ANEXOS

• Potencia en la entrada o salida, expresada en Hp o kilowatts. • Características de la carga por accionar. • Velocidad nominal en RPM. • Tamaño de la carcaza. • Clasificación por velocidad. • Efecto del ciclo de trabajo. • Elevación de temperaturas en la maquina. • Factor de servicio. • Requerimientos de mantenimiento y accesibilidad. • Los tamaños comunes de los motores.

Rangos de utilización de motores eléctricos. GRAFICA PAG. 158 POTENCIA DE SALIDA. También se designa como potencia en la flecha y obviamente debe ser suficiente para accionar la carga que estará conectada a su eje. Este factor se complica ligeramente por el hecho de que un motor debe soportar por periodos breves sobrecargas. Por ejemplo, se puede tener el caso de que un motor con potencia nominal de 20 HP a 1750 RPM con un ciclo continuo de operación a 50°c de elevación de temperatura, debe producir o entregar 25 HP a 1650 RPM, pero no en forma continua, esto quiere decir que su devanado debe admitir un sobrecalentamiento de 10 a 15 minutos sin daño alguno, por lo que selecciona para el valor de potencia que debe entregar por corto periodo. En nuestro caso tenemos una potencia requerida de P = 12.064 Kw, es decir 9 HP, seleccionaremos un motor de 10 HP a 1800 RPM a una temperatura de 30°c promedio.


ANEXOS Otra condición puede ser que el ciclo de trabajo sea tal que la mayor parte del tiempo el motor opere con cargas bajas, entonces, la potencia se debe seleccionar para la condición de carga a la que el motor opera la mayor parte del tiempo, si se considera que a menor carga el motor es eficiente. En el monograma anexo, se da la relación entre el par requerido y la potencia que debe tener el motor y la velocidad de operación. GRAFICA PAG. 158 CARACTERÍSTICAS DE LA CARGA POR ACCIONAR Si una carga puede requerir de 20 HP a 1750 RPM en forma continua, puede tener otras características que dependan del tipo particular de la carga por accionar, por ejemplo, un ventilador no requiere de un alto par de arranque, pero en cambio hay cargas que sí lo requieren y, entonces, dependiendo de su magnitud, se pueden usar arranques con capacitores, o también trifásicos con rotor devanado. Sin en cambio, se puede pensar en otra solución, y lo mismo ocurrirá si la velocidad es prácticamente constante. A este respecto lo que se pretende hacer notar es que existe una amplia gama de motores eléctricos para distintas aplicaciones. VELOCIDAD NOMINAL La velocidad de la placa de un motor en RPM está dada para sus condiciones normales de operación, ya que a un motor eléctrico se le puede requerir que opere a cualquier velocidad desde el reposo hasta su velocidad nominal, o bien, que periódicamente opere con velocidades que varíen dentro de cierto rango, esto hace que la solución se pueda dar con distintos tipos de motores de control, por lo que constutiye también un factor a considerar en su selección; de donde Ns será la velocidad del motor requerida y la calcularemos por la siguiente formula:

P = polosNs

f4

18007200

1800)60(120120

===


ANEXOS Donde: P = número de polos F = frecuencia Ns = velocidad

Ns = RPMp

f1800

47200

4)60(120120

===

DONDE: Ns = velocidad requerida P = polos del estator F = frecuencia Calculando el torque: T = pielibras

NsP

−=== 0352.01800

36.631800

)9(04.704.7

T = 487.41 Kg-cm Carcazas de los motores. Los motores se deben montar en forma apropiada antes de su puesta en operación. Todos los motores con carcazas tienen algunos medios de montaje. Las carcazas o tamaño de carcazas de los motores se han clasificado por la NEMA (NACIONAL MANUFACTURER ASSOCIATION), por medio de un número normalizado para indicar las dimensiones de montaje del motor. El numero de la carcaza (NC) de un motor de acuerdo a las normas americanas NEMA se determina multiplicando la distancia (medida en pulgadas) del centro de la flecha por 16; de ésta forma calculamos el número de la carcaza correspondiente a nuestro motor por seleccionar:


ANEXOS NC = Dimensión del centro del motor x 16 eje a la base NC = 3.5x16 = 56 Teniendo este dado consultamos la tabla anexa. GRAFICA PAG. 199 CLASIFICASION POR VELOCIDAD Existe una clasificación por velocidad reconocida también por los fabricantes de motores eléctricos (NEMA) de la siguiente manera:

• Motores de velocidad constante • Motores de velocidad variable • Motores de velocidad ajustable • Motores de velocidad ajustable-variable • Motores de multivelocidad

EFECTO DEL CICLO DE TARBAJO El ciclo de trabajo afecta en forma considerable al ciclo de operación de los motores, ya que este puede ser continuo o alternativo, con carga aplicada en forma directa al eje o a través de mecanismos como poleas o cajas de engranes reductores de velocidad, el par en el motor varía y puede hacer variar de alimentación. TEMPERATURA AMBIENTE Los motores de inducción pueden ser usados en ambientes poco comunes, por ejemplo, cercanos a hornos o equipos que operan con alta temperatura, o bien sumergidos, como es el caso de los motores de bombas para pozos profundos. En ambos casos, la elevación de temperaturas es diferente y, por lo tanto, se requiere de distintos tipos de motores.


ANEXOS ELEVACIÓN DE TEMPERATURAS La corriente que circula a través de los devanados del motor, incrementa la temperatura del mismo. La elevación de temperaturas es la diferencia entre la temperatura del devanado de un motor en operación y la temperatura ambiente. La elevación de temperaturas producida ala corriente a plena carga no es perjudicial, siempre que la temperatura ambiente no exceda al límite de temperatura ambiente del motor. La elevación de temperaturas permisibles es la diferencia entre la temperatura ambiente y la máxima temperatura ambiente indicada en el motor. Por ejemplo, si la temperatura ambiente a que opera un motor es 25°c y la indicada en la placa es de 40°c, la elevación de temperaturas permisibles es: Elevación de temperaturas permisible = 40°c-25°c = 15°c FACTOR DE SERVICIO Algunos motores están diseñados para desarrollar más de su potencia nominal (HP) sin que se les produzca daño alguno. El factor de servicio de un motor es un margen de seguridad para las sobrecargas del motor, por ejemplo un motor con factor de servicio 1.15 indica que el motor puede operar al 115% de la capacidad de corriente a plena carga sin que sufra daño el aislamiento. Para calcular la potencia máxima en HP que un motor puede desarrollar, se debe multiplicar la potencia en HP del motor por el factor de servicio. Por ejemplo, un motor de 20 HP con un factor de servicio de 1.25 puede desarrollarse en forma segura 1.25x20 = 12.5 HP un motor con el factor se servicio de 1.0 no tiene margen de seguridad. Par nuestro motor que seleccionamos utilizaremos un factor de servicio de 1.4 Hpmax = HP x F.S. Hpmax.= 10x1.4 = 14 HP


ANEXOS El factor de servicio lo obtenemos de la tabla anexada acontinuación. GRAFICA PAG. 210 REQUERIMIENTO DE MANTENIMIENTO Y ACCESABILIDAD Estos aspectos se refieren a la condición particular de aplicación de un motor eléctrico y debe ser consideradas en su selección. En nuestro caso no se presenta ningún inconveniente debido a que nuestro motor se instalará en un lugar adecuado que permite el desarrollo pleno de este punto sin ningún problema. LOS TAMAÑOS COMUNES DE MOTORES Los tamaños de los motores normalmente se encuentran disponibles para los rangos de voltaje estándar de alimentación en corriente alterna. En México, por ejemplo, la frecuencia de alimentación es de 60 Hz. y la selección del tamaño (potencia) apropiado del motor depende de la potencia requerida; se tienen algunos problemas porque el motor se sobrecarga y, entonces, no se le puede dar la potencia apropiada, ya que la sobrecarga hace que los dispositivos de protección abran el circuito frecuentemente, con lo que se interrumpe la alimentación del motor y éste se para. Un concepto interviene en la aplicación de motores eléctricos, es le que se conoce como “factor de seguridad” y que indica cuanta carga en forma temporal puede tomar un motor. Por ejemplo, si un motor tiene un factor de servicio de 1.25 y es de 1 HP (0.746Kw) el motor puede entregar 1.25HP, o bien, 1.25x0.746=0.932 Kw Al operar un motor con una capacidad superior a la de la placa, la temperatura tiende también a elevarse, por ejemplo si el motor de 1 HP opera a 40°c, es de esperar que cuando opere a 1.25 HP eleve su temperatura a un valor superior, por ejemplo 50°c.


ANEXOS

ANEXOS.


ANEXO E

(30)

ANEXOS.


L = p1V1 – p2V2 + ------- (4) ∫2

1

V

V

pdV

Si derivamos el producto ( pV ) se tiene,

d(pV) = pdV + Vdp--------(5)

Despejamos el término pdV,

PdV = d( pV ) – Vdp

Substituimos este valor en la ecuación del trabajo ecuación 1:

L = p1V1 –p2V2 + [ ]∫ −2

1

)(V

V

VdppVd

Integramos la ecuación anterior,

L = p1V1 – p2V2 + p2V2 - p1V1 - ∫2

1

p

p

Vdp

ANEXOS.


Quedando finalmente,

L = - ------- (6) ∫2

1

p

p

Vdp

El trabajo específico de compresión ( referido a 1 Kg de gas ) es,

l = - ------- (7) ∫2

1

p

p

vdp

El ciclo del compresor debe ser de tal manera regulado, que el trabajo L, que se gasta en el ciclo desde la presión p1 hasta la presión p2, sea el menor posible, y también que la temperatura del gas a la salida del compresor no sea demasiado alta, y en todo caso menor a la temperatura de inflamación de la grasa que se usa para lubricar. Para el proceso politrópico se tiene la siguiente ecuación:

p vn = 1p nv1

Despejamos vn :

v = 11

1

11

1 vp

pv

pp

n

nn

n

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×

ANEXOS.


Substituyendo el valor de v en ecuación 7:

l = - dpvp

pp

p n

n

11

1

12

1

∫⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

Considérese que la presión de entrada 1 p1 y el volumen 1 v1 son constantes, deben por tanto salir de la integral, quedando así:

l = - np1

1 1v ∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −2

1

1p

p

n dpp

Aplicando la definición:

Cmuduu

mm +

+=∫

+

1

1

Se tiene,

l = - ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−=

+−

+−+−+−

11

1

11

21

1

1

11

1

1

1 11

11

2

1

nnn

p

p

nn pp

nn

vp

n

pvp

ANEXOS.


Operando algebráicamente:

l = ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−−

−−+−n

nn

nnnn

ppvpn

n 1

1

1

21

1

1

O bien:

L = −⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

−−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

− −

−−−−−

−

nn

nn

nn

nn

nn

nn

p

ppvp

nnppvpp

nn

1

1

1

1

1

211

1

1

1

21

1

11 11

Finalmente la ecuación queda como sigue:

l= ⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

−−

−

−

−

11

11

1

1

2111

1

1

211

nn

nn

nn

pp

vpn

n

p

pvp

nn

Esta la ecuación que nos proporciona la cantidad de trabajo por unidad de ma sa entregado por un compresor.

ANEXO F

ANEXOS.


COSTO DEL PROTOTIPO

El valor de las partes que forman el prototipo se presentan en forma de lista. Todos los componentes pequeños tales como relevadores, botones de arranque, cable calibre # 14, etc., pueden ser conseguidos en cualquier casa dedicada a comercializar microcomponentes ubicada en Av. República del Salvador, pero el actuador con sensores magnéticos integrados, así como la electroválvula pueden ser adquiridos en compañías como Festo Pneumatic ( ubicada en: Av. Ceylán # 3, Tequesquinahuac, Edo. de México). El minicontrolador fue adquirido en la compañía Moeller Electric, S.A. de C. V. ( Centro de Servicio a Clientes. Calle 2 # 7, Fracc. Ind. Alce Blanco. Naucalpan, Edo. de México).

Cantidad Concepto Costo unitario ( Pesos )

Costo parcial ( Pesos )

3 Botones 30.00 90.00 1 Fuente 70.00 70.00 2 Relevadores 50.00 100.00

5 metros Cable 10.00 50.00 1 Actuador con sensores

magnéticos integrados 750.00 750.00

2 Válvulas direccionales 345.00 690.00 1 Electroválvula 450.00 450.00 1 Micro controlador 3100.00 3100.00 2 Bastidores 750.00 1500.00 1 Placa acero (de desperdicio) 50.00 50.00 Tornillería 10.00 10.00

5 metros Manguera neumática 9.00 45.00 Soldadura ( electrodos) 120.00 120.00

TOTAL: $ 7025.00 Tabla # F.1. Relación de componentes y precios unitarios.

ANEXOS.


ANEXO G FABRICACIÓN DEL BASTIDOR Y CONSTRUCCIÓN

DEL PROTOTIPO

La fabricación del bastidor puede hacerse maquinando una hoja de acero laminado en frío (cold-rolled) con bajo contenido de carbono, configurando el perfil deseado, barrenando las estructuras en las partes salientes para ensamblar los seguros o pernos y proporcionar mayor rigidez a la estructura; o bien, puede hacerse de fundición directamente, lo cual requiere de arena de fundición y de dos moldes de madera. En el cilindro se ajustan, tanto en la parte superior como en la parte inferior, dos placas, las cuales sirven para empotrar al cilindro en las dos ranuras del bastidor, así, al fijar el cilindro a los bastidores se gana estabilidad. En los costados y en la parte interna de los bastidores se colocan las válvulas distribuidoras y de escape rápido. Todo el conjunto debe ser soldado a una base metálica y en la cual también se coloca una mesa de trabajo. Véase el dibujo isométrico, y también véanse los dibujos del bastidor, del actuador y de la prensa.

diseÑo de una prensa neumÁtica...indice general tesis de grado ing. guillermo amézquita...

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