paper tesis diseÑo y simulacion del sistema de envasado para el explosivo sismigel plus
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Paper Sistema De Envasado Para El Explosivo Sismigel Plus 18 de Marzo de 2012
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DISEÑO Y SIMULACION DEL SISTEMA DE ENVASADO
PARA EL EXPLOSIVO SISMIGEL PLUS
Henry Alexander Rodríguez Galvis 44042040, Walter Aldana Ibagué 44042600 Universidad de la Salle, Ing. de Diseño Y Automatización Electrónica
Correo-e: [email protected] , [email protected]
Bogotá D.C., Colombia
1 Introducción
La elaboración de este proyecto surgió de la
necesidad de automatización del proceso de envasado
del explosivo sismigel plus, cuyo producto es hecho
por la fábrica de explosivos (FEXAR) y a su vez es
utilizado por las petroleras y constructoras para
excavaciones profundas, donde este explosivo tipo
hidrogel, en un futuro será el remplazo de la
dinamita.
La producción de este explosivo se realiza en el taller
de hidrogeles ubicado en dicha fábrica, donde este se
envasa de forma manual y el tapado se sella con
soldadura de PVC generando un ambiente agresivo
para los operarios. Por lo tanto se decidió eliminar el
agente sellante del proceso de forma que este envase
sea sellado por torsión en la tapa cuyo valor fue
determinado por el método de prueba y error,
sometiendo 10 envases a esta prueba, utilizando un
torquimetro cuyo valor para el sellado total del
envase resulto ser mayor a 35Nm para lograr un
sellado optimo sin filtraciones o derrames y menor a 60Nm, para no fracturar el envase.
El diseño de la máquina para el envasado y tapado
del explosivo sismigel plus se realiza para lograr
llenar los envases de 150, 300, 450, 900, 1800gr
respectivamente por tanto se pensó en un diseño que
permita el desplazamiento vertical de los envases y
este consta de tres subsistemas, los cuales son:
Subsistema mecánico
Subsistema de control e instrumentación
Subsistema de supervisión
Los cuales se explicaran con más detalle a continuación.
1.1 SUBSISTEMA MECANICO
El diseño fundamental de este subsistema, se basa en
las condiciones de operación debido a las cargas
aplicadas y la necesidad de precisión en este proceso,
para ello se analizaron tres sub conjuntos descritos a continuación:
Estructuras básicas principales: estas
soportan las cargas de forma que estas no
generen vibraciones y garantice una
estructura totalmente rígida debido al tipo de
proceso que esta lleva a cabo.
Cálculo de centro de masa: se realiza este
cálculo con el fin de establecer en que
coordenadas se encuentra toda la masa del
cuerpo concentrada y así poder determinar si
el diseño geométrico de la máquina es el
correcto.
Selección y cálculo de sistemas de
transmisión: Se debe seleccionar que tipo de
sistema de transmisión es el más
conveniente para realizar los movimientos
tanto verticales como horizontales que tiene
la máquina.
1.1 ESTRUCTURAS BASICAS
PRINCIPALES
El sistema mecánico está compuesto por seis
estructuras básicas principales descritas a
continuación:
Una prensa de sujeción de envases, la cual
tiene como función prensar los envases para
que estos estén fijos en el momento del
llenado y a su vez prevenir que estos se
volteen.
Un carro móvil, el cual es la base de la
prensa de sujeción y tiene como función
desplazar horizontalmente la prensa de
sujeción con el fin de hacer el cambio de
dosificado a posterior tapado del envase.
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Una mesa base, encargada de soportar la
prensa de sujeción y el carro móvil, los
cuales se desplazan por medio de esta pieza
verticalmente de arriba hacia abajo por
medio de cuatro tornillos de bolas
recirculantes.
Tornillos de bolas recirculantes, encargados
de desplazar verticalmente toda la estructura
de la máquina.
Estructura base principal, se diseña una
estructura base que cuenta con cuatro
columnas en “H”, con el fin de dar una
estabilidad muy alta a la máquina, robustez
y fiabilidad al proceso que se ejecutara en la
misma.
Columna soporte de Cappers, esta columna
es la encargada de soportar los tres cappers
que a su vez tienen como función principal
sellar la tapa en los envases ya llenos.
Para lograr este propósito es necesario seleccionar el
material adecuado, realizar un análisis de esfuerzos y
garantizar un factor de seguridad de las piezas de
acuerdo con su tarea específica dentro de la máquina.
Se selecciona acero estructural AISI 1020, ya que es
un acero de buena resistencia y gran elasticidad que
absorbe muy bien las deformaciones que se pueden
llegar a presentar en la máquina.
1.2 ANALISIS ESTRUCTURAL
Este análisis se realiza por medio de ALGOR FEA
software que permite visualizar los esfuerzos a los
que está sometida la máquina de acuerdo a las cargas
que intervienen en la estructura de esta, cuyos
resultados se muestran a continuación:
PRENSA DE SUJECIÓN DE ENVASES
Al compara el esfuerzo distribuido de 71.815 KPa de
la estructura con el esfuerzo de fluencia del material
de que alcanza hasta los 145 Mpa, se puede
determinar que no existe ningún riesgo de ruptura del
material.
Con base en el análisis y en la ecuación (1) se
determina un factor de seguridad de:
Debido a que el material de la prensa es un
duraluminio de alta resistencia y una gran elasticidad
utilizado para la fabricación de maquinaria pesada, la
carga que ejercen los envases llenos es mínima y no
generan ningún riesgo de ruptura o deformación, es por esta razón que el factor de seguridad es alto.
CARRO MÓVIL
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Con base en las cargas ejercidas por los envases y la
estructura de la prensa se procede a realizar el
análisis de esfuerzos, con el fin de encontrar puntos
críticos y corroborar la rigidez de la estructura de
forma que esta soporte las cargas ejercidas sobre ella.
En el anterior gráfico se muestra un esfuerzo
máximo de 14.60 Kpa, en la base móvil, debido al
esfuerzo generado por la carga de la prensa de sujeción de envases.
Al comparar el esfuerzo distribuido de 14.60 KPa de
la estructura con el esfuerzo de fluencia del material
que que4 es de 145 Mpa, se determina que no existe
ningún riesgo de ruptura del material.
Con base en el análisis y en la ecuación (1) se
determina un factor de seguridad de:
Debido a que el material que se seleccionado para la
estructura del carro móvil es duraluminio 7075 y el
tornillo de bolas recirculantes que genera el
movimiento y a su vez funciona como chasis interno
es de acero 4140, la estructura al someterse a análisis
de esfuerzos no presenta de formaciones ni rupturas,
es por esta razón el factor de seguridad es alto.
MESA BASE CARRO MÓVIL.
Con base en las cargas ejercidas por los envases, la
estructura de la prensa y el carro móvil se procede a
realizar el análisis de esfuerzos, con el fin de
encontrar puntos críticos y corroborar la rigidez de la
estructura de forma que esta soporte las cargas ejercidas sobre ella.
Al realizar el análisis de esfuerzos se determina que
hay un esfuerzo distribuido de 200 MPa, este se da en
los soportes que conectan la parte móvil del tornillo
de bolas recirculantes con la mesa que soporta le
estructura de la prensa.
Al comparar el esfuerzo distribuido de 200 MPa de la
estructura con el esfuerzo de fluencia del material que
es de 570 Mpa, se puede determinar que no existe
ningún riesgo de ruptura del material ni vibración de
esta estructura.
Con base en el análisis y en la ecuación (1) se
determina un factor de seguridad de:
Debido a que la carga máxima que soporta la mesa
base, se concentra en los extremos de la misma,
donde se sujetara a los tornillos de bolas
recirculantes, el área de contacto a los mismos es
muy pequeña, es por esta razón que el factor de
seguridad en esta pieza disminuye notablemente.
TORNILLO DE BOLAS RECIRCULANTES
Las cargas soportadas por los tornillos de bolas
recirculantes son generadas por las estructuras
anteriormente mencionadas.
Al realizar el análisis de esfuerzos se determina que
hay un esfuerzo distribuido de 24,6 KPa, este se da en la base de la estructura móvil del tornillo de bolas
recirculantes.
Al comparar el esfuerzo distribuido de 24.6 KPa de la
estructura con el esfuerzo de fluencia del material que
es de los 1050 Mpa, se puede determinar que no
existe ningún riesgo de ruptura del material o
vibración alguna
Con base en el análisis y en la ecuación (1) se
determina un factor de seguridad de:
Debido a que son cuatro tornillos de bolas
recirculantes que están fabricados en un acero de alta
resistencia ideal para maquinaria pesada, la carga que
soportan es dividida por 4 y este esfuerzo no es el
4
suficiente para lograr deformar o generar ruptura en
los mismos.
ESTRUCTURA PRINCIPAL
Con base en el análisis realizado en Algor debido a la
carga generada por las estructuras anteriormente
mencionadas, se genera una carga de 582,5KN, por
columna dando como resultado del análisis un
esfuerzo máximo de 30 Mpa, en los soportes de
tornillos de bolas recirculantes y la estructura, debido
a que las cargas máximas están soportadas es estos apoyos.
Al comparar el esfuerzo distribuido de 30 MPa de la
estructura con el esfuerzo de fluencia del material
(380 Mpa), se puede determinar que no existe ningún
riesgo de ruptura del material
Factor de seguridad.
Debido a que en la estructura no puede haber
vibraciones y que se debe garantizar la rigidez de
ella, se avala el resultado obtenido del análisis y su
factor de seguridad.
ESTRUCTURA ACOPLE DE TAPAS
Al comparar el esfuerzo distribuido de 550 KPa de la
estructura con el esfuerzo de fluencia del material
(380 Mpa), se puede determinar que no existe ningún
riesgo de ruptura del material.
Factor de seguridad. (Ver Ecuación 1).
Debido a que en la estructura esta únicamente unida
en la parte inferior de la máquina con la estructura
principal, se genera un esfuerzo de reacción máximo
en esta parte de la estructura de la columna.
1.3 SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE
MOVIMIENTO
Este sistema está compuesto por dos sub sistemas de
transmisión.
1. El primero es un sistema de transmisión
piñón cadena, compuesto por cinco piñones
y una cadena.
2. El segundo es un sistema de transmisión
compuesto por acople y por dos piñones
rectos.
SISTEMA DE TRANSMISIÓN POR
PIÑÓN CADENA.
Los cuatro tornillos para ascenso y descenso de
la prensa, se debe mover simultáneamente. Por lo
tanto en el extremo superior de cada tornillo se
ubica un piñón y los cuatro piñones se enlazan
con una cadena, la cual será movida por un
motor paso a paso
Sistema de transmisión por piñón cadena.
Condiciones iníciales para el cálculo del sistema
Motor eléctrico de 225w=0,3hp
N1= 50 rpm revoluciones por minuto de piñón
conductor
N2= 432 rpm revoluciones por minuto de piñón
conducido
Z1= 114 Número de dientes de piñón conductor
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Para determinar el número de dientes del piñón
conducido se utiliza la ecuación de relación de
transmisión (Ver ecuación 10) y se despeja Z2.
=
(10)
Z2= 14Número de dientes de piñón conducido
RT= 8,64 Relación de transmisión
Longitud en pasos de cadena (LP)
Se determina la longitud por pasos de cadena
reemplazando en la siguiente ecuación.
LP =
+ 2Cp + 0,025
(2)
Centro en pasos de cadena (Cp)
Para la ecuación anterior se asume un Cp de 40 LP =
+ 2(40) + 0,025
Lp= (2)= 302, en longitud en pasos de cadena.
Teniendo el Lp práctico (Ver ecuación 2) se
reemplaza en el Cp práctico.
Distancia entre centros por pasos de cadena (Cp)
[
√(
)]
Cp= 45
Cadena No 80, lubricación tipo A
SISTEMA DE TRANSMISIÓN POR
PIÑÓN CILÍNDRICO
El carro móvil realiza el desplazamiento de los
envases del proceso de dosificado al de tapado, donde
el mecanismo de transmisión utilizado para el
desplazamiento horizontal de los envases, es por
medio de un tornillo de bolas recirculantes y un
sistema de piñon recto movido con un motorreductor,
el cual se muestra en la siguiente figura.
Sistema de transmisión por piñón recto.
Donde para este sistema de transmisión los datos
obtenidos de acuerdo a las condiciones de operación
son los siguientes:
Z1= 8Número de dientes de piñón conductor
Z2= 48 Número de dientes de piñón conducido
=
RT= 0,16 Relación de transmisión
2 SUBSISTEMA ELÉCTRICO,
CONTROL E INSTRUMENTACIÓN.
Este subsistema es utilizado para llevar electricidad a
todos los actuadores, cuadros de control y sistema de
potencia de la máquina.
El subsistema eléctrico de la máquina se alimenta de
una red de 220VAC trifásicos, de lo cual de esa red
se toma una fase y el neutro para alimentar una fuente
regulada de 24VDC, la cual proporcionará energía a los actuadores que se utilizarán como elementos
finales de control, también alimenta el sistema de
regulación (PLC) y dosificación del fluido.
El funcionamiento de este sistema se divide en
diferentes circuitos que luego son acoplados, de
forma que estos circuitos sean controlados y
supervisados en forma automática, con el fin de dar
facilidad al operario en el control y mantenimiento
preventivo y correctivo del sistema.
2.1 SISTEMA DE DOSIFICACION
Bomba M15
Pared
divisora
Electrobomba
P-2
Valvula de retencion
Envase de fluido
Tubo de diámetro 3"
Tubo de diámetro 1/2"
Y2
Y1
Para el sistema de dosifiacion, se utiliza una valvula
proporcional la cual permite regular el cuadal con una
señal de tension que varia de 0 a 10V con un
coeficiante de caudal Kv de 0.01719 de forma que en
el momento que se le envie la señal de corte de flujo
este no genere goteos, aunque para prevenir este error
tambien se coloca en serie con la electrovalvula una
valvula de retencion que no deja que se generen
goteos en el proceso
Electroválvula Proporcional
Fuente. Catálogo de Electroválvula Danfoss
Para la detección del nivel de llenado de los envases
se utiliza un sensor ultrasónico el cual genera una
señal proporcional que varía de 0 a 10V de acuerdo a
6
la distancia de la película de fluido sensado dentro
del envase en el documento de tesis se encuentra con
mayor detalle el escalado de la señal que será
controlada por el plc.
Sensor ultrasónico
Fuente. Catálogo de productos de Migatron Corp
2.2 SISTEMA DE TAPADO
Para el sistema de tapado se selecciona un motor
eléctrico, que genera un torque mayor a 35Nm, que
es el valor práctico proporcionado por la fábrica de
explosivo para el sellado total de la tapa del envase, cuyo valor fue obtenido por el método de ensayo y
error con un torquimetro digital existente en dicha
fábrica.
Se selecciona el motor con base en la velocidad
angular de este ya que de acuerdo con las condiciones
dadas, se debe llenar y tapar un envase de fluido
cada 55segundos, por lo tanto el tapado de los
envase debe durar como máximo 4 segundos,
teniendo en cuenta que la tapa del envase tiene 5
hilos helicoidales y un roscado de 3 centímetros, se
selecciona un motor que también gire a 100 rpm, que es aproximadamente 1.5 revoluciones por segundo, lo
cual permitirá que el roscado y tapado del envase se
logre completar en aproximadamente 4segundos, y a
continuación se determina la potencia del motor que
se debe seleccionar (Ver ecuación 3)
Remplazando en la ecuación (3), se determina la potencia del motor que tapara los envases, cuyo
resultado se muestra a continuación:
(
)
Por tanto se selecciona un motor con factor de
seguridad del 20% y de acuerdo con esto la potencia
es de aproximadamente 450W.
Para el sistema de detección de tapas en la copa de
roscado del motor se utiliza un sensor de posición
microswicht el cual enviara una señal de listo para
operar.
Después de seleccionar el motor donde el tapado se
selecciona un transductor de torque el cual envía una
señal análoga al PLC, con el fin de que este genere
una señal de apagado del motor en el momento que
este haya superado el torque de 35Nm en la tapa del
envase, donde el cuadro de control del motor se
muestra a continuación.
Diagrama de control del sistema de tapado
2.3 LOGICA DE CONTROL
CABLEADA Y PROGRAMADA
En el siguiente grafico se muestra la estrategia de
control del llenado de los envases donde se emplean
los instrumentos anteriormente mencionados, y se
utiliza un sistema de control en lazo cerrado, donde el controlador es un PLC el cual se encarga de hacer la
regulación del proceso tanto de llenado como de
tapado.
Electroválvula
proporcional, elemento
regulador
Envase Elemento
regulado (Nivel)
PLC
Elemento controlador y
regulador
eletrovalvula
Set_point 1800gr
Set_point 900gr
Set_point 450gr
Set_point 300gr
Set_point 150gr
Sensor de nivel
Punto
de
suma
regulador
Selección del operador
Electroválvula
proporcional
para el correcto funcionamiento de la maquina se
utilizan sensores capacitivos para la detección de
envases y en caso contrario no se abre las
electroválvulas. Para poner en marcha el motor que
mueve los tornillos de bolas recirculantes, las condiciones iniciales son:
Detección sensor inductivo de posición de
la mesa abajo.
Detección de envases en la prensa.
Cierre manual de la prensa por pulsador.
Selección por el operario del tipo de envases
a llenar, operación proporcionada desde el
panel del tablero eléctrico.
Si se cumplen estas condiciones el PLC genera una
salida de PWM con pulsos generados hacia derechas
para que el motor eleve la mesa de avance vertical hasta la distancia de llenado, donde la orden parada
está sujeta a la detección de 3 sensores capacitivos de
forma que si algún envase esta desalineado con
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respecto a los otros este no choque y por ultimo este
sensor también si se encuentra activo genera la orden
de abrir la electroválvula del envases presente y de lo
contrario esta no se abre garantizando que si en
alguno de los compartimiento de los envases hace falta alguno la electroválvula correspondiente no sea
abierta. Luego de que el sensor ultrasónico envié la
señal de cierre de las electroválvulas, se pone en
marcha el motor de la mesa de desplazamiento
horizontal para que los envases pasen de la falle de
llenado a la fase de tapado. Luego de colocar la tapa
del envase se pone en funcionamiento el motor de
tapado que tiene en serie un sensor de par que genera
una señal proporcional de 0 a10V donde el escaldo de
la señal permite que en el momento del roscado de la
tapa y se genere un par mayor a 35Nm el PLC genere
la orden de paro de los motores de tapado y se genere el movimiento a izquierdas de forma simultánea del
motor de la mesa de desplazamiento horizontal y
vertical, de forma que la maquina regrese a su
posición inicial para iniciar de nuevo el proceso.
3 RESULTADOS DE LA SIMULACION
Para la simulación del llenado del envase se tiene el
siguiente modelo que es la descripción gráfica del
sistema de llenado de los envases de explosivo.
Moldeamiento del sistema
Envase
Electroválvula
proporcional
QiQ
Entrada
constanteSalida regulada
De forma que resolviendo la ecuación diferencial del
sistema, se hace una simulación para deteminar el
tiempo de llenado de los envases deacuerdo a la
regulación de caudal de la electroválvula cuyos
resultados se muestran a continuación:
En estas figuras se muestra el resultado de la
simulación de la apertura y cierre de la
electroválvula proporcional con respecto al nivel de
llenado de los envases, donde se observan las
diferentes respuestas de apertura y cierre de la
electroválvula a diferentes porcentajes de nivel de
llenado y se puede concluir que el actuador
disminuye el caudal de forma rápida después que se
supera un 90% del nivel de llenado de los envases y
que el tiempo de llenado aumenta a medida que la
electroválvula cierra su obturador.
Simulación del tapado
Para la simulación del tapado se tiene en cuenta el
modelo dinámico de motor DC el cual es mostrado a continuación
Modelo para el tapado
Luego de resolver el sistema dinámico, se genera un
distribución normal para la simulación de la variación
del par (unidades en Nm) del motor con respecto al
cambio del nivel de tensión de suministro cuyo
resultado se muestra en el siguiente grafico.
Par Vs Nivel de Tensión
La gráfica muestra cambios abruptos en el torque
debido a los cambios de nivel en la señal de alimentación de entrada, donde se observa que en
ningún caso se sobrepasa el torque deseado, por tanto
8
si se selecciona un motor con un torque y velocidad
menor al indicado no se garantiza que el envase
quede totalmente tapado.
4 Conclusiones
Se diseñaron y seleccionaron los diferentes
componentes que conforman los sistemas mecánicos
de sujeción, dosificación y tapado de los envases,
basados en el análisis de elementos finitos de cada
una de las estructuras que componen la máquina, donde la tendencia del análisis hecho en ALGOR
evidencia un comportamiento rígido en cada una de
las piezas, debido a los materiales seleccionados,
cuyo factor de seguridad en la mayoría de las piezas
es muy alto, teniendo en cuenta que las cargas que la
estructura debe soportar son relativamente bajas.
Debido al alto riesgo del proceso que se desea
automatizar, se optó por diseñar un sistema de control
proporcional con retroalimentación negativa, cuyo
objeto principal es el de supervisar el nivel de llenado de los diferentes tipos de envases, disminuyendo el
caudal proporcionalmente al aumento de nivel de
llenado del explosivo, para ello se realizó un análisis
de selección de componentes transductores con un
grado de protección IP67, debido a la interacción
cercana con el fluido y elementos electromecánicos,
con el fin de dar fiabilidad a los procesos que se
llevaran a cabo en la máquina.
Para el sistema de tapado, se seleccionó un conjunto
de motor DC, copa para roscado y transductor de
torque, con el fin de tener completo control en el torque aplicado a la tapa del envase, de forma tal que
en el momento de llegar al límite del torque necesario
para sellar completamente la tapa y por medio de una
señal del transductor de torque enviada al PLC, se
hace la parada automática del motor, con el fin de no
generar deformaciones tanto en la tapa como en el
envase.
De acuerdo al diseño de la máquina se procedió a
realizar el presupuesto correspondiente al valor de
los componentes, materiales, e insumos consumibles en la realización del proyecto y con base al análisis
económico realizado, se determina que la inversión
para la construcción y puesta en marcha es de
($142’540.727 pesos), este estudio se realizó por
medio del teorema del valor presente neto (VPN), el
cual arroja como resultado que la inversión realizada
es recuperable en dos años, generando además una
utilidad en el segundo año de ($10’000.000).
Referencias
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Graw Hill
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6) Hibbeler R.C (2004) Mecánica vectorial
para ingenieros dinámica, decima edición,
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7) Hibbeler R.C (2006) Mecánica de
materiales, Sexta edición, Pearson Prentice
Hall
8) Ogata Katsuhiko (1998) Ingeniería de
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Prentice Hall
9) P. Beer Ferdinand y Johnston E.Ruseell
(1997) Mecánica vectorial para ingenieros
estática, sexta edición, MC Graw Hill
10) Rodríguez Penin Aquilino (2007) Sistemas
Scada, segunda edición, Marcombo
ediciones Técnicas
11) Serway Raymond and Jewet John (2003)
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