INGENIERÍA EN ELECTROMECÁNIC

A

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA ELEVADORA DE CARGA PARA TRANSPORTAR MATERIAL CERÁMICO DE FORMA AUTOMATIZADA HACIA DOS MOLINOS DE BOLAS, RESPALDADA EN UN SOFTWARE C.A.E. PARA EL ANÁLISIS CORRESPONDIENTE, EN LA EMPRESA “NOVEL”

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Diseñar y Construir una máquina elevadora de carga para transportar material cerámico de forma automatizada hacia dos molinos de bolas, respaldada en un software C.A.E.(Computer Aided Engineering) para el análisis correspondiente, en la empresa “NOVEL”

OBJETIVOS

OBJETIVO ESPECÍFICOS: Diseñar y construir el sistema mecánico para la

elevadora de carga del material cerámico. Diseñar y construir la estructura contenedora de la

elevadora de carga de material cerámico. Seleccionar e implementar los micro switch para la

tolva del material. Diseñar e implementar el circuito de control y potencia

con sus respectivos elementos de protección eléctrica. Implementar el panel de control.

ELEVADORA DE CARGA

(1) Pórtico(2) Templador interior(3) Placa de soporte(4) Cartelas inferiores(5) Placa superior(6) Viga IPN (7) Trolley eléctrico(8) Tecle eléctrico(9) Tolva(10) Brazo de sujeción(11) Motorreductor(12) Piñón(13) Cremallera(14) Tablero de control

ELEVADORA DE CARGA

Peso del material cerámico 200kg

Densidad del material 2600

Velocidad de elevación del material

0,076

Velocidad de apertura compuerta 0,1

Velocidad de traslación del material

0,26

Factor de seguridad 3

PARÁMETROS DE DISEÑO

ELEVADORA DE CARGA

DETERMINACIÓN DE LA CARGA

𝑪𝒂𝒓𝒈𝒂𝒔 𝒗𝒊𝒗𝒂𝒔=𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑎𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑟 +𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑙𝑣𝑎+𝑝𝑒𝑠𝑜𝑝𝑜𝑙𝑖𝑝𝑎𝑠𝑡𝑜𝑒𝑙 é 𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜=3099,96𝑁

𝑪𝒂𝒓𝒈𝒂𝒎𝒖𝒆𝒓𝒕𝒂=𝑝𝑒𝑠𝑜𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑣𝑖𝑔𝑎=759,29𝑁

DISEÑO DE LA VIGA

𝑆𝑥𝑥≥𝐹 .𝑆𝑥 𝑀𝑚 á𝑥

𝑆 𝑦

𝑆𝑥𝑥≥58,46𝑐𝑚3

𝑆𝑥𝑥=81,8𝑐𝑚3

𝜎 𝐹𝑙𝑒𝑥=𝑀𝑚 á𝑥

𝑆𝑥𝑥

=59,08𝑀𝑃𝑎

𝜏𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒≅𝑉𝐴𝑎𝑙𝑚𝑎

=𝑉h𝑡=2,5𝑀𝑃𝑎

M

ELEVADORA DE CARGA

𝜎❑=𝜎 𝑥+𝜎 𝑦

2±√(𝜎 𝑥−𝜎 𝑦

2 )2

+𝜏𝑥𝑦2

𝜎 1=59,18𝑀𝑃𝑎

𝜎 2=−0,10𝑀𝑃𝑎

𝜎 ′=√𝜎 12−𝜎1𝜎2+𝜎2

2=59,23𝑀𝑃𝑎

𝐹 𝑠=𝑆𝑦

𝜎 ′= 248𝑀𝑃𝑎59,23𝑀𝑃𝑎

=4,18

ELEVADORA DE CARGA

DISEÑO DE LAS COLUMNAS

M

𝐹=1929,62𝑁

𝐿𝑒=𝐾𝐿=2730𝑚𝑚

𝑟=√ 𝐼𝐴=40.01𝑚𝑚

𝐼=𝐵4−𝑏4

12=1255445.33𝑚𝑚4

𝐴=𝐵2−𝑏2=784𝑚𝑚2

ELEVADORA DE CARGA

Determinación de la carga crítica

𝑃𝑐𝑟=𝜋 2𝐸𝑥 𝐼

(𝐿𝑒 )2=342,65𝑘𝑁

Determinación de la carga admisible

𝑃𝑎=𝑃𝑐𝑟

𝐹 .𝑆 .=114,21𝑘𝑁

Esfuerzo normal

𝜎=𝑃𝑎

𝐴=145,67𝑀𝑃𝑎

𝑌𝑚á 𝑥=𝑒(𝑠𝑒𝑐( 𝜋2 √ 𝑃𝑎𝑃𝑐𝑟 )−1)=2,05 𝑥10−3𝑚𝑚

Deflexión máxima

Esfuerzo máximo

ELEVADORA DE CARGA

𝐹 𝑠=5,13

ELEVADORA DE CARGA

PLACAS DE SOPORTE

𝑁=0,25𝑚𝐵=0,25𝑚𝑛=0.05𝑚𝑓 𝑐´=3𝑘𝑝𝑠𝑖

𝑆 𝑦=248𝑀𝑃𝑎𝐹=964,81𝑁

𝑝=𝐹𝐴

=15437𝑃𝑎

𝑡=√ 1,25𝑥 𝑓 𝑐´ 𝑥𝑛2𝑆𝑦=1,6 𝑐𝑚

𝑓 𝑏=3𝑥 𝑝 𝑥𝑛2

𝑡 2=0,45𝑀𝑃𝑎

𝐹 𝑏=𝑆𝑦𝐹 .𝑆

=82,66𝑀𝑃𝑎

𝐹 𝑏≥ 𝑓 𝑏

82,66𝑀𝑃𝑎≥0,45𝑀𝑃𝑎

ELEVADORA DE CARGA

PERNOS DE SUJECIÓN

𝑃=2220,54 𝑙𝑏𝑓

𝐹 𝑖=0,9 𝐴𝑡𝑆𝑝=54,97𝑘𝑙𝑏𝑓

𝐶=𝑘𝑏

𝑘𝑚+𝑘𝑏=0,18

𝑘𝑏=𝐴𝐸𝑙

= 𝜋 𝑑2𝐸4 𝑙

=9,01𝑀𝑙𝑏𝑓𝑝𝑙𝑔

𝑘𝑚=𝜋 𝐸𝑑

2 𝑙𝑛 [5 ( 𝑙+0,5𝑑𝑙+2,5𝑑 )]=38,59

𝑀𝑙𝑏𝑓𝑝𝑙𝑔

𝑃𝐸𝑅𝑁𝑂𝑆𝑆𝐴𝐸𝐺𝑅𝐴𝐷𝑂−8

ELEVADORA DE CARGA

𝑆𝑒=𝑘𝑎𝑘𝑏𝑘𝑐𝑘𝑑𝑘𝑒𝑘 𝑓 𝑆𝑒´

𝑘𝑎=𝑎𝑆𝑢𝑡𝑏 =0,394 𝑘𝑝𝑠𝑖

𝑘𝑏=1

𝑘𝑐=0,832

𝑘𝑑=1

𝑘𝑒=1𝐾 𝑓

=13=0,33

𝑘 𝑓=1

𝑆𝑒´=0,506𝑆𝑢𝑡=75,9𝑘𝑝𝑠𝑖

𝑆𝑒=8,21𝑘𝑝𝑠𝑖

𝐹 .𝑆=¿ ¿𝐹 .𝑆=5,55

ELEVADORA DE CARGA

DISEÑO DE LA TOLVA

𝐴𝑆𝑇𝑀 𝐴−36

𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 3𝑚𝑚

𝐹 1=1962𝑁

𝑉 1=h13 ( 𝐴𝐵+𝐴𝐵´+√𝐴𝐵√𝐴𝐵´ )=0,048𝑚3

𝑉 2=𝑙× 𝑙×h2=0,12𝑚3

𝑉 𝑡𝑜𝑙𝑣𝑎=𝑉 1+𝑉 2=0,168𝑚3

ELEVADORA DE CARGA

ELEVADORA DE CARGA

DISEÑO DE LA COMPUERTA DE DESCARGA

𝑃=𝜌×𝑔×h=15303,6 𝑃𝑎

𝐹 𝑇=𝑃 𝑥 𝐴𝐶=2303,19𝑁

𝑀𝑚á 𝑥=𝐹×𝐿4

=234,34𝑁 𝑥𝑚

𝑡≥√( 6×𝑀𝑚á𝑥×𝐹 .𝑆𝑏×𝑆𝑦

)𝑡≥6,46𝑚𝑚≈10𝑚𝑚

ELEVADORA DE CARGA

SELECCIÓN DEL MOTORREDUCTOR

𝑃 𝑠𝑎𝑙=𝐹 𝑥𝑉=276,85𝑊

𝜂=𝑃𝑠𝑎𝑙

𝑃𝑒𝑛𝑡

𝑃𝑒𝑛𝑡=395,5𝑊

𝜂=𝑃 𝑠𝑎𝑙

𝑃𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎

𝑃𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎=527,33𝑊 ≈0,7𝐻𝑃

𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟=𝑃𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎𝑥 𝑓 𝑠=0,75𝑘𝑊

ELEVADORA DE CARGA

DISEÑO DEL PIÑÓN

𝐷𝑝=𝑀𝑥¿𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠=88𝑚𝑚

𝑑𝑒=𝑀 (¿𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠+2 )=96𝑚𝑚

ELEVADORA DE CARGA

BRAZO DE SUJECIÓN DE LA TOLVA

𝑀𝑚á 𝑥=𝑇 𝑥𝐿2

=901,29𝑁 𝑥𝑚

¿

𝜎 𝑓𝑙𝑒𝑥=𝑀𝑚á 𝑥𝑥𝐹𝑆

𝜋 𝐷3

32

≤𝑆𝑦

𝐷≥0,048𝑚=48,06𝑚𝑚

𝐷≥ 3√ 32𝑥901,29𝑚𝑥3248 𝑥106𝑥 𝜋

ELEVADORA DE CARGA

SELECCIÓN DEL TROLLEY ELÉCTRICO

𝑁=(𝑊 𝑡𝑜𝑙𝑣𝑎+𝑊𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙+𝑊 𝑡𝑒𝑐𝑙𝑒 )𝑥 𝑔=2756,61𝑁

𝐹 𝑓𝑟=𝜇𝑥 𝑁=1571,26𝑁

𝑉=𝑊 𝑟𝑒𝑞𝑥𝑟=0,26𝑚𝑠

ELEVADORA DE CARGA

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA ELÉCTRICO

Determinación de las cargas en el sistema eléctrico

POTENCIA (HP)

Motor Trolley eléctrico 1/2

Motor tecle eléctrico 1,1

Motorreductor 1

Selección de los conductores para los motores

𝐼=𝑃

η x √3 xV x𝐹 𝑝

𝑥1,25=4,1 𝐴

Tecle eléctrico Trolley eléctrico

𝐼=𝑃

η x √3 xV x𝐹 𝑝

𝑥1,25=1,86 𝐴

Motorreductor

𝐼=𝑃

η x √3 xV x𝐹 𝑝

𝑥1,25=3,73 𝐴

ELEVADORA DE CARGA

Selección del conductor para el alimentador primario

𝐼=1,25 𝑥 𝐼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟+∑ 𝐼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠+∑ 𝐼𝑜𝑡𝑟𝑎𝑠𝑐𝑎𝑟𝑎𝑔𝑠=15,31𝐴Protección para el alimentador

primario

𝐼=1,25 𝑥 𝐼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟+∑ 𝐼𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠+∑ 𝐼𝑜𝑡𝑟𝑎𝑠𝑐𝑎𝑟𝑎𝑔𝑠=15,31𝐴Protección para

derivaciones

𝐼𝑝𝑟𝑜𝑡=2𝑥 𝐼 𝑐𝑝=8,2𝐴

ELEVADORA DE CARGA

Selección de los guardamotores

Tecle eléctrico

𝐼=1,25 𝑥 𝐼𝑛=4,1 𝐴

Trolley eléctrico

Motorreductor

𝐼=1,25 𝑥 𝐼𝑛=1,86 𝐴

𝐼=1,25 𝑥 𝐼𝑛=3,73 𝐴

MOTORES GUARDAMOTOR INTENSIDAD (A)

Tecle Eléctrico 3RV 2011 - 1FA10 3,5 - 5

Trolley Eléctrico

3RV 2011 - 1BA10 1,1 – 1,8

Motorreductor 3RV 2011 - 1EA10 2,8 - 4

Selección del contactor

𝐼=𝑃

η x √3 xV x𝐹 𝑝

𝑥1,25=4,1 𝐴

ELEVADORA DE CARGA

CONSTRUCCIÓN

COLUMNAS

Acero estructural

ASTM A500

TOLVA

Plancha galvanizada A36

3mm

ELEVADORA DE CARGA

CONSTRUCCIÓN

Mecanismo de la compuerta

ELEVADORA DE CARGAIMPLEMENTACIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA

LOGO 23ORC

BREAKER PRINCIPAL

BREAKERS DERIVACIONE

S

GUARDAMOTORES

CONTACTORES

BREAKER DE CONTROL

ELEVADORA DE CARGA

CONSTRUCCIÓN

ELEVADORA DE CARGA

PERIODO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN

𝑇𝑀𝐴𝑅=12 , 48%

𝑉𝑃𝑁=−𝑘𝑂+∑𝑖=1

𝑛 𝑓 𝐶𝑖

(1+𝐷 )𝑖=$ 11523,84

𝑇𝐼 R=54,96%

𝑃𝑅=2𝑎ñ 𝑜𝑠3𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 22𝑑 í 𝑎𝑠

𝑅𝐶 /𝐵=2,92

TÉCNICA DE EVALUACIÓN RANGO

VPN,$ $ 11523,84 ˃ 0

TIR,% 54,96% ˃ 13,13%

PRI, AÑOS 2 años ˂ 5 años

RBC 2,92 ˃ 1

ELEVADORA DE CARGACONCLUSIONE

S

En el diseño de la estructura se aplicaron métodos analíticos los cuales permitieron establecer parámetros importantes como lo es factor de seguridad y esfuerzos máximos, teniendo así una baja probabilidad de falla para este tipo de elementos estructurales.

La forma geométrica de la tolva es adecuada para elevar y transportar los 200kg de material cerámico (arcilla y caolín) hacia los molinos.

El sistema de descarga de la tolva conformado por un mecanismo de piñón – cremallera funciona de forma adecuada acorde a los esfuerzos que tiene que soportar para la apertura y cierre de la compuerta.

ELEVADORA DE CARGACONCLUSIONE

S

Se minimizo en un 50% la mano de obra y tiempo utilizado para transportar el material cerámico de manera manual, obteniendo así una mayor producción en la empresa “NOVEL”.

La inversión realizada en la máquina elevadora de carga es viable debido a que se obtiene un VPN de $ 11523,84 y un TIR del 54,96% el cual asegura un periodo de recuperación de 2 años con 3 meses siendo de gran satisfacción para los propietarios de la empresa “NOVEL”.

ELEVADORA DE CARGARECOMENDACIO

NES

Es indispensable revisar el manual de operación y mantenimiento de la elevadora de carga para extender su vida útil.

Verificar que la cadena del tecle eléctrico este constantemente lubricada para que la misma no se trabe durante el proceso.

Limpiar la tolva después de cada proceso para evitar que el material cerámico se queda incrustado en las guías de la compuerta y así evitar algún atascamiento.

Se recomienda realizar un proceso automático para el llenado de agua en los molinos.

ELEVADORA DE CARGA

GRACIAS