proyecto de diseÃo pescador 1 entrega

Proyecto de Diseño Mecánico Pescante

Proyecto de diseño Mecánico

Pescante

Integrantes

Adolfo plata Lozada

Rafael Steer Calvo

Andrés Ospina Benito Revollo

Carlos Capachero Espinosa

Lisandro Quesada

Entregado a

Jairo Francisco Useche Vivero

Cartagena de indias D. T y C.

2014


Introducción

El trabajo que realizamos está dirigido a la construcción de un Pescante funcional,

que sea capaz de izar una carga de 20kg a través de 2.5 metros de altura, a lo largo

del trabajo se estudiaran los elementos que conforman el pescante, realizando un

análisis detallado en el motor de izado del mismo.

La interpretación eficaz del trabajo radica en una análisis numérico detallado para

la construcción del motor de izado del pescante, el cual debe cumplir las condiciones

de diseños. Entre las que radica la necesidad de ser diseñado para funcionar con

aire comprimido, generado por un número específicos de botellas plásticas, para el

cálculo de energía necesario Se realizó un ensayo de capacidad de carga que

generaba una botella

De igual manera es relevante conocer los componentes principales del pescante,

con el fin de adecuar el diseño para un funcionamiento óptimo del mismo, uno de

los puntos clave del diseño radico en la capacidad de establecer los puntos clave

en la construcción, como por ejemplo la necesidad de crear un soporte adecuado

para la sujeción del pescante en el punto de anclaje determinado.

Los motores de aire comprimido basan su funcionamiento en la compresión del

aire principalmente y constan de tres ciclos, compresión, inyección y expansión. A

lo largo del trabajo se enfatizara la información adecuada para la comprensión del

sistema de inyección del aire comprimido, así como también las funcionabilidad y

compontes del pescante diseñado.


Objetivos General

Diseñar un pescante funcional capaz de levantar una carga de 20kg a través

de 2.5 metros de altura, utilizando un motor de aire comprimido.

Específicos

Realizar un análisis numérico detallado del diseño del motor de izado del

pescante.

Construir el sistema estructural del pescante capaz de soportar las fuerzas

ejercidas al izar la carga

Utilizar los conocimientos adquiridos en clases para optimizar el sistema del

pescante.


Marco teórico Motor de aire comprimido

Los motores de aire comprimido basan su funcionamiento en la compresión del

aire principalmente y constan de tres ciclos, compresión, inyección y expansión.

Imagen 1. Partes de un motor de aire comprimido

Ciclo de compresión

En este ciclo y de la misma manera que los motores convencionales, el contenido

del cilindro es comprimido, a unos 20 bares aumentando su temperatura a

aproximadamente 400 grados centígrados.


Ciclo de inyección

En el ciclo de inyección se inyecta aire comprimido a temperatura ambiente,

mediante la acción de bombas de presión con una presión de unos 300 bares,

mientras que el pistón está en la posición que ejerce máxima presión con el aire al

mínimo volumen.

Ciclo de expansión

El aire comprimido inyectado durante la fase anterior provoca un aumento de la

presión en el cilindro, haciendo que se provoque una expansión que ejerce la fuerza

del empuje sobre el pistón, es así este ciclo también denominado ciclo de trabajo

ya que es en el cual se produce la fuerza que mueve el motor.

Este tipo de motor basa su funcionamiento en el siguiente fenómeno, el aire es

comprimido aumentando su temperatura y posteriormente al introducirse aire a

temperatura ambiente provoca un enfriamiento que a su vez hace que exista

un aumento de presión moviendo el pistón.

Existen algunas buenas características de estos motores, como un gasto de

mantenimiento muy bajo, ninguna emisión contaminante tras el proceso y el posible

reaprovechamiento del aire frio en el sistema de aire acondicionado, ya que

recordemos que tras los ciclos de trabajo la temperatura del aire baja

considerablemente hasta una temperatura de entre –15 ºC a 0 ºC.

Aun así cabe destacar de manera importante que los motores de aire comprimido

no son iguales en su totalidad en la manera de funcionar y existen distintos tipos

distintos, como por ejemplo, el famoso motor construido por la fábrica gala MDI que

funciona de una manera algo distinta.1

1 Articulo. Motores de aire comprimido, la energía alternativa. TECMOVIA.2012. http://www.tecmovia.com/2012/04/26/motores-de-aire-comprimido-la-energia-alternativa/


Pescante

Pescante es un dispositivo para izar o arriar pesos a bordo de un barco. En la

fotografía se observa un pescante de gravedad para arriado de botes salvavidas.

Imagen 2. Pescante2

2 Imagen. Pescaste. http://www.nauticexpo.es/prod/viking/pescantes-botes-rescate-botes-salvavidas-buque-21603-347744.html.


Condiciones de diseño.

Las condiciones de diseño están basadas en restricciones de material,

dimensiones, peso, suministro de aire y capacidad de carga. Las cuales generan

los parámetros iniciales de diseño.

Necesidades:

Elevar un peso de 20 Kg. a una altura de 2.5 metros, en el menor tiempo

posible.

El giro del brazo es manual.

Restricciones

La estructura del pescante no debe pesar más de 10 kg.

El motor debe trabajar con aire comprimido utilizando botellas plásticas de

PET (envase de gaseosa o similar de 2.5 lts).

No puede utilizarse madera en la construcción.

Todos los elementos para la fabricación de pescante incluyendo el motor

debe ser construido en aluminio y construidos por el equipo de trabajo.

Se exceptúan mangueras para aire comprimido, racores, válvulas,

accesorios en general, cables y tornillería, etc. pueden ser comprados.

El motor de aire comprimido debe ser totalmente construido.

La presión máxima en las botellas de aire comprimido no puede sobrepasar

los 60 psi.

El motor debe estar montado en el pescante.

El pescante debe tener un control de velocidad de elevación.

El número de botellas de aire a utilizar no debe ser mayor a 10.

Longitud máxima del brazo y de altura del pescante no sobrepasará 1.5 m.

Deben utilizarse algún(os) elementos de transmisión de potencia visto en el

curso: correas, cables, bandas, frenos, embragues, rodamientos etc.

Requerimientos


Elevar como mínimo 20 kg de peso a una altura mínima de 2.5 m.

Metodología de diseño

Con el fin de determinar la eficacia y el éxito sobre las expectativas de diseño, se

llevó a cabo un mecanismo para la obtención de la información necesaria que

permitiera poner en práctica los conocimientos y realizar las deducciones

adecuadas, el cual comprende los siguientes procedimientos:

1. Se analizaron las restricciones estipuladas para el diseño del pescante.

2. Se determinó el diseño estructural que llevaría el pescante (Cuerpo y

soporte)

3. Calculamos los valores de esfuerzo que debería resistir la estructura del

pescante, a partir de un análisis de fuerza en los puntos de carga.

4. Realizamos planos en programa CAD con dimensiones de la estructura y el

soporte del pescante

5. Determinamos el diseño de entrada y salida del aire comprimido en las

botellas

6. Comprobamos la energía acumulada por una botella cargada a 60 PSI

7. Se calculó la variación de la presión, la potencia, la densidad y el flujo de aire

en función del tiempo.

8. Se realiza un análisis dinámico del motor

9. Se realiza la selección del cable de acero.


Cálculos

Cálculos de la estructura

PESCANTE

CAD FASE FINAL DE ESTRUCTURA DEL PESCANTE


SIMULACION DE ELEMENTOS FINITOS DE LA ESTRUCTURA DEL PESCANTE CON

LAS SIGUIENTES CONDICIONES


CONDICIONES DE CARGA Y DE RESTRICCIONES DEL MOVIMIENTO

Análisis de piezas del motor

ESTUDIO DINAMICO DEL MECANISMO PARA EL DISEÑO DEL MOTOR

Para los cálculos cinemáticos y dinamicos del del motor se procedio a usar el software

Dynamic Designer

Teniendo como bases algunas referencias para el diseño del mecanismo que

básicamente es un manivela biela corredera.

Para estos estudios se usaron como referencia en el dimensionamiento de las piezas

algunos concejos vistos en el siguiente documento


CINEMATICA y DINAMICA DE HARRISON

Luego se procedio a modelar un mecanismo Biela manivela corredera en el paquete de

software dinamic designer, con el fin de entender los principios físicos y las reacciones

detrás del movimiento tanto del piston como de la manivela.


Simulacion del mecanismo usando dinamic designer probando el efecto de las fuerzas

iteradas en una función armonica para simular el flujo de aire actuando sobre el piston


SIMULACION Realizada en Dinamic designer para encontrar las fuerzas que actúan

sobre el piston desde un mecanismo homologo, pero con entrada constante

NOTAS DE ALGUNAS OBSERVACIONES

Del estudio en "prueba fuerza ultima" se deduce

que es posible hacer que el movimiento siga en una sola direccion pero que a medida

que pasa el

tiempo es mas rapido y por tanto hasta (3)

fuerzas se ha logrado que siga en la misma direccion.

pues la 4 ya el timing cambia

con 2 davueltas indefinidamente

con 3 tambien

con 4 da 4 recorridos

con 5 da 5 y mas de las mitad de los 6 recorridos

con 6 da 6

con 7 da 6 pero en la 7 le falto y se devuelve

HAciendo tiempo desde 3 hasta 4 0.1segundo mas logro 8 carreras

LUEGO DE VARIAS ITERACIONES Y PRUEBAS

Se concluye que la mejor manera de simular la accion del flujo de aire

sobre un piston es armar un mecanismo(manibela biela corredera) que realice la

fuerza necesaria sobre el piston PERO al momento del contacto

deje una toleracia y se usen relaciones de contacto.

De esta manera se da tiempo para que el mecanismo responda a la fuerza aplicada

ya que es dificil establecer una sincronizacion exacta entre el movimiento del

mecanismo afectado y el tiempo en que se aplicara la fuerza

El archivo se llama(mecanismo impulsadndo mecanimo.asm)


(de esta manera se puede estudiar el comportamiento con X fuerza en Y intervalo)

SEGUNDO METODO PARA ENCONTRAR FUERZA NECESARIA

El segundo metodo consiste en dar una entrada al mecanismo como se quiere que

se mueva y posteriormente usar las graficas de fuerzas(*.cvs) para ingresarlos como

funciones de entrada para ejercer el movimiento en el mecanismo como reacciones

1. Diseño de la leva

Para nuestro diseño, la leva va a cumplir el papel de abrir y cerrar la válvula de doble

efecto, con el fin de sincronizar la entrada y la salida de aire al cilindro.

En el primer instante (figura 1), la leva oprime el seguidor ocasionando la entada del aire a

la primera cámara del cilindro, este aire empuja el pistón el cual hace girar el cigüeñal

media vuelta. Al dar media vuelta, la leva también lo hará ocasionado que este deje de

oprimir el seguidor y permita la entrada de aire a la segunda cámara del cilindro (figura 2),

este aire empuja el pistos hacia el lado opuesto del primer instante, permitiendo que el

cigüeñal de otra media vuelta al igual que la leva, haciendo que se repita la operación.

Figura 1 figuara 2

Para el diseño de la leva primero se debe tener claro cual es la distancia a la cual se

oprime el seguidor, esta distancia es de 7 mm. Luego se colocan dos circunsferencias en

un mismo centro con una diferencia de diametro igual a la distancia con que se oprime el


seguidor. el diametro mayor de la leva va a ser de 50.8, este diamtro se tomo por decisión

del grupo ya que no es relevante, el la figura 3 se muestra el diseñode la leva.

Figura 3

Análisis da las magnitudes en función del tiempo.

Para realizar este análisis partimos de las siguientes bases:

1. La densidad varia a medida que varía la presión, de la ecuación de los gases

ideales llegamos a esta conclusión:

𝜌 =𝑃 ∗ 𝑀

1728 𝑅 ∗ 𝑇

Donde:

𝑃 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛, 𝑝𝑠𝑖

𝑀 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟, 28.96 𝑙𝑏/𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙

𝑅 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠, 10.7316 𝑝𝑖𝑒3 𝑝𝑠𝑖

𝑅 ∗ 𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙⁄

1728 𝑒𝑠 𝑢𝑛𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎𝑗𝑢𝑠𝑡𝑎𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠

𝑇 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 𝑟𝑎𝑛𝑘𝑖𝑛𝑒

2. Necesitamos conocer el flujo másico que depende de la densidad calculada

en el paso anterior y que es útil utilizar la ecuación de Bernoulli para fluidos

compresibles que esta dad por:


(𝑘

𝑘 − 1)

𝑃1

𝜌1+

𝑉12

2𝑔𝑧1 = (

𝑘

𝑘 − 1)

𝑃2

𝜌1+

𝑉22

2𝑔𝑧2

Donde 𝑘 = 𝑐𝑝/𝑐𝑣

De esta ecuación calculamos la velocidad de salida del aire es decir 𝑉2 = √2∗(3.5)∗𝑃1

𝜌

, que es necesaria para obtener el flujo volumétrico el cual se calcula con el producto

de la velocidad por el área (�̇� = 𝑉𝑒𝑙 ∗ 𝐴) y este flujo volumétrico nos sirve para

calcular el flujo másico relacionándolo con la densidad. Entonces la ecuación nos

queda de la siguiente forma:

�̇� = 0.25 ∗ 𝜋 ∗ 𝑑2 ∗ 𝜌

Donde 𝑑 es el diámetro de la salida.

3. Calculamos la masa de aire que queda en el tanque luego de un corto

espacio de tiempo. Para esto usamos la siguiente ecuación:

𝑚𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 = 𝑚0 − �̇� ∗ ∆𝑡

Donde 𝑚0 es la masa que está en el tanque antes que transcurriera un corto espacio

de tiempo ∆𝑡 el cual se definió como 0.5 s.

4. Calculamos la densidad final con la que queda el aire en el tanque luego del

lapso de tiempo. Esto se logra dividiendo la masa anteriormente calculada

con el volumen que ocupa las 10 botellas.

𝜌𝑓 =𝑚𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎

𝑣𝑜𝑙10

5. Calculamos la nueva presión con la que queda el interior de las botellas por

medio de las leyes de los gases:

𝑃𝑓 =𝜌𝑓 ∗ 1728 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇

𝑀

También podemos conocer la potencia que puede trasmitir el flujo de aire

comprimido sabiendo que 𝑃𝑜𝑡 = 𝑄 ∗ 𝑉𝑜𝑙.

*Con esta densidad final podemos iniciar los calculo desde la primera

ecuación que es de densidad colocando la presión resultante, volviéndose un

sistema iterativo obteniendo así una gráfica que relacione el tiempo con la

presión en el interior de las botellas, también la potencia en función del tiempo


y así muchas otras magnitudes en función del tiempo como la densidad, el

flujo de aire, la masa de aire que sale de las botellas.

El resultado de esta iteración se muestra a continuación por medio de gráficas:

Presión en función del tiempo

Potencia en función del tiempo


Densidad en función del tiempo


Flujo de salida en función del tiempo

Análisis dinámico

En este análisis dinámico calcularemos la aceleración con la que se sube la carga y la

variación de esta aceleración.

1. Aceleración del sistema

Calcularemos la mínima presión y la fuerza que debe ejercer el pistón para sostener el

peso de 20 𝑘𝑔

𝐹1 ∗ 𝑟1 = 𝐹2 ∗ 𝑟2


Donde 𝐹1 es la fuerza que ejerce el pistón y 𝐹2 es la fuerza de tensión en el cable que es

igual al peso a sostener.

0.25 ∗ 𝜋 ∗ 𝑑2 ∗ 𝑃𝑚𝑖𝑛 ∗ 𝑟1 = 44 ∗ 𝑟2

Sabiendo que el diámetro 𝑑 del piston es de 1 pulgada, 𝑟1 es la mitad de la carrera del pistón

es decir 1.75 𝑝𝑢𝑙𝑔 y 𝑟2 será la mitad de 𝑟1, podemos calcular la presión min para sostener

le peso.

𝑃𝑚𝑖𝑛 = 28.01 𝑝𝑠𝑖

Entonces ya podemos conocer la fuerza mínima que requiere el pistón relacionando la

presión con el área.

𝐹1𝑚𝑖𝑛 = 𝑃𝑚𝑖𝑛 ∗ 𝐴𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛 = 22 𝑙𝑏𝑓

Nos podemos dar cuenta que la fuerza que se trasmite a la carga es dos veces la que se

ejerce por el pistón.

Ahora calcularemos la aceleración máxima en el sistema, es decir cuando se ejerce la

presión máxima en el pistón (60 𝑝𝑠𝑖).

𝐹1 = 60 ∗ 𝐴𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛 = 47.124 𝑙𝑏𝑓

Como 𝐹2 es el doble, entonces 𝐹2𝑚𝑎𝑥= 94.25 𝑙𝑏𝑓.

Realizando diagrama de cuerpo libre:

∑ 𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎

𝐹2𝑚𝑎𝑥 − 44 = (44

32.2 ∗ 12) ∗ 𝑎

𝑎 = 440 𝑖𝑛/𝑠2

Esta es la aceleración máxima del sistema, criterio que se usara para la selección del cable

de acero.


2. Selección del cable de acero

Primero se clcula la tension del cable metalico debido a la carga y

aceleracion/desaceleracion

𝐹𝑡 = (𝑊

𝑚+ 𝜔𝑙)(1 +

𝑎

𝑔)

Donde:

W = peso al final del cable (jaula y carga), lbf m = numero de cables que soportan la carga w = peso/pie del cable metalico, lbf/pie l = longitud del cable suspendida, pies a = aceleracion/desaceleracion maximas experimentadas, pie/s2 g = aceleracion de la gravedad, pie/s2

Luego se calcula la carga de flexion equivalente

𝐹𝑏 =𝐸𝑟𝑑𝜔𝐴𝑚

𝐷

Donde:

Er = modulo de Young para el cable metalico, tabla 17-24 o 17-27, psi (libro de diseño en ingeniería mecánico de shigley) dw = diametro de los alambres, pulg Am = area de la seccion transversal del metal, tabla 17-24 o 17-28, pulg2 (libro de diseño en ingeniería mecánico de shigley) D = diametro de la polea o del tambor del malacate, pulg

La resistencia a la fatiga por tencion para una vida especificada

𝐹𝑓 =(

𝑝𝑆𝑢

)𝑆𝑢𝐷𝑑

2

Donde:

(p/Su) = vida especificada, de la figura 17-21 (libro de diseño en ingeniería mecánico de shigley) Su = resistencia ultima a la tension de los alambres, psi D = diametro de la polea o del tambor del malacate, pulg d = tamano nominal del cable metalico, pulg


Al final se halla el factor de seguridad por fatiga

𝑛𝑠 =𝐹𝑢 − 𝐹𝑏

𝐹𝑡

Como no se conoce el tamaño nominal del cable metálico (d), ni el número de cables que

soportan la carga (m) se utilizó scilab para hacer un sistema iterativo y calcular el factor

de seguridad.

En la siguiente tabla se muestra los valores del factor de seguridad para cada valor de (m)

y (d)

nf

D m=1 m=2 M=3 M=4

0.25 - 29.118973 - 57.19405 - 84.280377 - 110.42928

0.375 - 97.486657 - 187.4472 - 270.72077 - 348.02625 0.5 - 225.20994 - 421.26131 - 593.47267 - 745.94323

Programa para cálculo del cable metálico hecho en scilab

W=44.107 //lbf l=8.2 //pies a=36.66666 // pies/s^2 g=32.2//pies/s^2 m=4 //primera variable d=0.5//segunda variable er=12000000 //módulo de Young dw=0.067*d //diámetro del alambre tabla 17:27 am=0.40*d^2 //área del metal tabla 17:27 w=1.6*d^2 //tabla 17:24 psu=0.0014 // relación presión/resistencia tabla 17:21 su=240000 //resistencia D=1.75 //pulg ft=((W/m)+w*l)*(1+(a/g)) ff=(psu*su*D*d)/2 fb= (er*dw*am)/D nf=(ff-fb)/ft

Análisis volumétrico del cilindro


Tenemos que el diámetro de la polea que enrollara el cable de acero es de 1.75 𝑝𝑢𝑙𝑔 por

tanto en un vuelta de la polea la carga subirá 5.5 pulgada. Es decir que para que la carga

suba 2.5 metros (98.43 𝑝𝑢𝑙𝑔), la polea deberá hacer 18 revoluciones.

Sabemos que la polea da una revolución cuando el pistón ha recorrido la carrera dos veces,

es decir, una ida y vuelta. El pistón tiene una pulgada de diámetro y 3.5 pulgadas de carrera

por tanto el volumen de una carrera será de 𝑉𝑠 = 0.25 ∗ 𝜋 ∗ 𝑑2 ∗ 3.5 = 2.75 𝑖𝑛3 .

Para las 18 revoluciones que va dar el pistón se requiere un volumen de 36 veces el

volumen de la carrera es decir 99 𝑖𝑛3.

Sabemos que las botellas empezaran con una presión de 60 psi y llegaran hasta una

presión de 28.01 psi, que es la mínima requerida para sostener el peso. Esto sucederá a

los 15 segundos. Por tanto necesitamos conocer la masa de aire que salió a los 15

segundos. Esto se obtiene calculando el área bajo la curva del flujo de salida desde 0 hasta

15 segundos.

𝑚 = ∫ 0.0164𝑒−0.052 𝑡𝑑𝑡15

0

= 0.171 𝑙𝑏𝑚

Calcularemos el volumen relacionando la masa con una densidad promedio.

𝑉𝑜𝑙 =𝑚

𝜌𝜌@44𝑝𝑠𝑖=

0.171

0.000126= 1357.14 𝑖𝑛3


Este volumen lo multiplicaremos por un porcentaje de espacio muerto3 en el cilindro, que

se calcula como el volumen de espacio muerto sobre la carrera del pistón. La carrera del

pistón es de 3.5 pulgadas y en ambos lados del pistón queda 0.25 pulgadas, por tanto el

espacio muerto es de 0.5 pulgadas. El porcentaje de espacio muerto es de 14.28 %.

Por tanto el volumen que llenara las carreras será de 𝑣𝑜𝑙 = 1357.14 ∗ 0.143 = 194 𝑖𝑛3

Vemos el volumen disponible es mayor que 99 𝑖𝑛3que es el que se requiere para las 18

revoluciones que necesita dar la polea para alzar la carga 2.5 metros

3 http://www.unp.edu.pe/facultades/minas/petroleo/alumn/pyg/CURSO%20DISE%C3%91O%20Y%20CALCULO%20DE%20COMPRESORES.pdf


Montaje completo


CAD FASE BETA (dimensiones reales, piezas reales)

Ensamble del motor de aire comprimido, modelado en Solid Edge ST5, para realizar

pruebas

Explosionado de las partes internas del motor (Todas las piezas son de aluminio sacadas

de perfiles estandares)

proyecto de diseÃo pescador 1 entrega

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