reingeniería a una prensa hidráulica de construmecam, para

REINGENIERÍA A UNA PRENSA HIDRÁULICA DE CONSTRUMECAM, PARA
MEJORAR LA EFICIENCIA DE SU PRODUCCIÓN
HECTOR ALEXANDER PAYAN COBO
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA
PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA
SANTIAGO DE CALI,
2012
REINGENIERÍA A UNA PRENSA HIDRÁULICA DE CONSTRUMECAM, PARA
MEJORAR LA EFICIENCIA DE SU PRODUCCIÓN
HECTOR ALEXANDER PAYAN COBO
Proyecto de grado para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Director
Hugo Cenen Hoyos Escobar
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO ENERGÉTICA Y MECÁNICA
PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA
SANTIAGO DE CALI,
2012
Nota de aceptación
Aprobado por el Comité de Grado en
cumplimiento de los requisitos exigidos
por la Universidad Autónoma de
Occidente para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Jurado
Firma del Jurado
Firma del Jurado
Santiago de Cali, diciembre de 2012
3
A mis queridos padres, Jaime Payan y Marleny Cobo, por sus consejos, su
compresión y por el apoyo incondicional para el desarrollo de este proyecto.
4
CONTENIDO
GLOSARIO
11
RESUMEN
12
INTRODUCCION
13
1.OBJETIVO
15
1.1 OBJETIVO GENERAL
15
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
15
2.DESARROLLO DEL PROYECTO
16
3. ANALISIS DE DESEMPEÑO DEL ACTUAL DISEÑO
17
4. DISEÑO MECANICO DE LA PRENSA DE CONSTRUMECAM
19
4.1 DISEÑO TEORICO
20
4.1.1 Definición factor de seguridad
20
4.1.2 Diseño de columna
20
4.1.3 Análisis de platina superior
24
4.1.4 Análisis bastidor
26
4.1.5 Análisis y determinación de la carga máxima
26
4.1.6 Análisis pasador
28
4.2 ANÁLISIS EN SOLIDWORKS
30
4.2.1 Análisis columnas
31
4.2.2 Análisis de platina superior
32
4.2.3 Análisis bastidor
33
4.2.4 Resultados del estudio
36
5. DISEÑO SISTEMA HIDRAULICO
37
5.1 ANALISIS DE FUERZAS Y CAUDAL
38
5.1.1 Presión máxima de trabajo, dimensiones del cilindro de simple efecto 39
5
5.1.2 Análisis de presión de válvula de alivio
40
5.1.3 Análisis caudal bomba
42
5.1.4 Selección de la bomba
43
5.1.5 Análisis desplazamiento volumétrico de la bomba
42
5.1.6 Análisis de la potencia de entrada
44
5.1.7 corte y doblez de láminas
45
5.1.8 Circuito hidráulico
46
5.1.9 Estructura del control automático
45
5.1.10 Ventajas del actual diseño
46
6. SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRÁULICO
48
6.1 FILTRO
48
6.2 BOMBA DE PISTONES
48
6.3 MOTOR ELECTRICO
48
6.4 VALVULA DE CONTROL DIRECCIONAL ELECTROHIDRAULICA
49
6.5 CILINDRO HIDRAULICO DE SIMPLE EFECTO
50
6.6 LINEAS HIDRAULICAS
51
6.7 ACEITE
52
6.8 SISTEMA ELECTRICO
53
7. ANALISIS FINANCIERO
54
8. CONCLUSIONES
55
9. RECOMENDACIONES
56
BIBLIOGRAFIA
57
ANEXOS
58
6
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Propiedades materiales solidworks
Tabla 2. Diámetros de alambre y materiales para resortes
Tabla 3. Tratamientos en los extremos para resortes helicoidales
7
25
34
40
LISTA DE FIGURAS
Pág.
ANEXO A. Propiedades acero
ANEXO B. Propiedades filtro de succión
ANEXO C. Características bomba.
ANEXO D. Motor.
ANEXO E. Válvula direccional.
ANEXO F. Características cilindro de simple efecto.
ANEXO G. Selección diámetro mangueras.
ANEXO H. Propiedades tubería flexible de alta presión.
ANEXO I. Propiedades aceite.
ANEXO J. Pulsador.
ANEXO K. Contactor relé.
ANEXO L. Cotización.
ANEXO M. Formulas y conceptos generales.
8
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
71
GLOSARIO
AISC: american Institute of Steel construction.
ANSI: american National Standards Institute.
Carga: es la acción de una fuerza estacionaria sobre un cuerpo, haciendo que
este experimenté pequeños desplazamientos.
Columna: es un elemento vertical de forma esbelta, que es usada como soporte
estructural, sujeto a pandeo.
Empotramiento: es la unión entres dos elementos de alta resistencia, respecto a
un sistema de referencia inmóvil, que elimina cualquier movimiento de ambos
solidos hacia cualquier punto.
Flexión: es la deformación que se genera en un elemento estructural en la
dirección perpendicular a su eje longitudinal.
Limite elástico: es el esfuerzo máximo que puede soportar un elemento antes de
sufrir deformación plástica permanente
Pandeo: se presenta como inestabilidad elástica, en elementos sometidos a
compresión, y se observa como una deformación en la sección trasversal del
componente esbelto.
Potencia: es la cantidad de trabajo producida por unidad de tiempo.
Viga: es un elemento de alta resistencia, con una sección trasversal pequeña
usada para el soporte de cargas, generalmente sometida a flexión.
9
RESUMEN
Este proyecto analiza una prensa hidráulica de la firma CONSTRUMECAM en
Cali, a fin de realizarle una reingeniería, que permita automatizar sus procesos y
mejorar la eficiencia de los mismos. Se procede por lo tanto al análisis de cada
uno de los elementos que la componen, a identificar los diferentes procesos que
en ella se realizan, al igual que los parámetros de funcionamiento, para la parte
estructural y el sistema hidráulico de transmisión de potencia.
Para realizar la reingeniería a la prensa hidráulica y llevar a cabo el análisis que
diera como resultado, una adecuada implementación del sistema hidráulico de
accionamiento de las piezas que intervienen en los diferentes procesos que en ella
se realizan, fue necesario optar una serie de medidas como son: identificar los
diferentes procesos para lo cual era utilizada, al igual que los diferentes tipos de
materiales y tamaño de las piezas que son intervenidas en la prensa, las
limitaciones del funcionamiento actual de la prensa en los diferentes procesos,
como son sus condiciones de operación, tiempos de ejecución de cada operación,
y capacidad de carga o aplicación de fuerza o potencia mediante la prensa,
identificar las limitaciones de su sistema hidráulico actual, el tipo de
accionamiento, carrera del embolo del cilindro, y demás características propias de
los elementos que intervienen en el circuito hidráulico.
Luego se determinó mediante un análisis de tipo estático y siguiendo las
recomendaciones de las normas AISC (Steel constructions manual 13th), la carga
máxima permisible en la estructura. A partir de lo anterior, se realizó un análisis
por elementos finitos para identificar los efectos de la carga en cada pieza,
teniendo en cuenta conceptos como, esfuerzo de Von Misses, factores de
seguridad para la verificación de la estructura de la prensa utilizando los
esfuerzos admisibles y las diversas cargas a la cual está sometida la máquina.
Por último se diseño un nuevo sistema hidráulico que comprende, la bomba
hidráulica, su motor, el circuito hidráulico y el control automático del mismo,
teniendo en cuenta las condiciones de la secuencia operacional al aplicar las
cargas máximas permisible y las dimensiones de la prensa
Palabras claves: AISIC, hidráulica, prensa, control, carga, esfuerzo
10
INTRODUCCIÓN
Al considerar los procesos que se realizan en el taller de la empresa
CONSTRUMECAN, donde en su mayoría son procesos metalmecánicos como el
doblez de laminas de 1/8” de acero al carbono y otras piezas mecánicas, se
plantea la necesidad de mejorar una maquina herramienta, la cual se supone
inicialmente genera un incremento en los tiempos de los procesos, con lo cual
reduce el desempeño eficiente de los diferentes procesos que en ésta se realizan.
Basado en lo anterior, y partiendo de la existencia de la estructura de prensa
mecánica, se proyecta la posibilidad de automatizar sus procesos y modificar su
diseño si es del caso, para mejorar la eficiencia de estos.
Al entender la necesidad de disponer de una prensa hidráulica más eficiente y de
fácil operación, es preciso recurrir a un análisis previo de la estructura actual de la
prensa, para definir sus actuales parámetros de funcionamiento y operatividad, de
tal manera que permita la selección de las mejores alternativas afines para este
sistema. Por medio de presente proyecto se realizará la reingeniería a esta prensa
mecánica, para mejorar y automatizar su sistema hidráulico mecánico.
La situación actual de la prensa, presenta una problemática de limitación de
capacidad productiva para la empresa CONSTRUMECAM y se hace imperativo
brindar una solución que permita incrementar su eficiencia y capacidad
operacional, de tal forma que la compañía pueda ofrecer nuevos servicios en
rangos de mayor capacidad en procesos de troquelado, punzando y estampado,
de igual forma le permitiría disminuir los tiempo de ejecución y mantener los
parámetros de producción necesarios para ofrecer un producto con mejor calidad.
El objetivo principal del proyecto fue el rediseño de la prensa hidráulica, identificar
las limitantes que ésta presenta en cuanto a su capacidad de producción, carrera
del embolo y su sistema de accionamiento, para de esta forma, presentar una
alternativa viable para el mejoramiento de los procesos que en ella se realizan,
mediante la implementación de un circuito hidráulico que permita incrementar la
capacidad operativa, la eficiencia y que sea posible operarla de manera
automática.
11
En este proyecto se presentará el rediseño de la prensa hidráulica de
CONSTRUMECAM, donde se podrán encontrar los diferentes estudios realizados,
los respectivos análisis de las cargas que intervienen en cada una de las pieza,
teniendo en cuenta el trabajo que realiza la prensa, y conforme a estos parámetros
de diseño, identificar y seleccionar los componentes del circuito hidráulico más
adecuados para cumplir un mejoramiento de su productividad y eficiencia.
12
1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar la reingeniería al diseño de una prensa hidráulica manual de la Empresa
CONSTRUMECAM, a fin de mejorar sus parámetros de operación e incrementar
la eficiencia de su producción.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Analizar la capacidad operativa de la prensa hidráulica de la Empresa
CONSTRUMECAM, para definir los parámetros actuales de producción para la
que es utilizada.

Realizar un planteamiento de rediseño mecánico a la prensa, para adaptarle un
sistema hidráulico accionado automáticamente, que comprenda, la bomba
hidráulica y su motor, circuito hidráulico a implementar y un sistema de control
automático para el sistema hidráulico.

Definir la capacidad operativa de la prensa rediseñada, a fin de determinar
posibles procesos a realizar como doblado de láminas y su máximo espesor,
punzónado, corte y estampado para diferente materiales como acero al
carbono, aceros inoxidables, aceros rápidos y aluminio.

Determinar el valor de la inversión económica del rediseño por reingeniería de
la prensa hidráulica.

Entrega de planos para construcción de la parte rediseñada.
13
2. DESARROLLO DEL PROYECTO
La empresa CONSTRUMECAM a fin de mejorar sus procesos, ha optado por
realizar reingeniería a algunos de sus equipos, que actualmente operan sin
automatización en sus procesos, como es el caso de la prensa hidráulica, usada
para la realización de diversos procesos metalmecánicos, por lo que el rediseño
que se desarrolle debe llevarse a cabo de manera tal, que se preserve la vida útil
del conjunto de piezas de su estructura, mejorando sus condiciones operativas y
de seguridad en la realización de sus procesos, a fin de no exceder el límite
máximo de su diseño original, como de igual forma poder garantizar el
cumplimiento de los procesos productivos con mejores estándares de calidad.
Por medio de la reingeniería aplicada a la prensa se pretende su modernización
mediante un rediseño que permita ampliar su vida útil, adecuándola para realizar
automáticamente otras operaciones, a fin de mejorar su eficiencia operativa,
reducir gastos en sus procesos e incrementar su capacidad en las operaciones
donde la prensa interviene. Pero para lograr el diseño requerido de la prensa
hidráulica, es necesario identificar algunos conceptos fundamentales que inciden
en el desarrollo de cualquier dispositivo hidráulico, como; tipos estructural de la
prensa, el sistemas hidráulico de su accionamiento, componentes que intervienen
en el sistema hidráulico, factor de seguridad del diseño actual, parámetros de
selección de componentes a adicionar, y normativa aplicada al diseño actual, a fin
de realizar una reingeniería adecuada para su mejoramiento.
La metodología implementada para el desarrollo de este proyecto consiste en: un
análisis del funcionamiento y desempeño operacional actual de la prensa de
CONSTRUMECAM, para posteriormente, realizar una verificación teórica de cada
pieza que compone su estructura y de esta manera definir la carga máxima
permisible en cada elemento analizado. Al concluir este análisis, se realizará un
estudio por elementos finitos mediante el software de simulación de solidworks,
donde se simulen los efectos de la carga en cada una de las piezas que
componen la prensa hidráulica, y de esta forma, verificar que el valor máximo de la
carga obtenida, es la carga máxima con seguridad, que se le podría aplicar a la
estructura de la prensa; al finalizar este estudio se planteará el rediseño del
sistema hidráulico con sus respectivos componentes, para finalmente
seleccionarlos, como son la bomba, el motor, las válvulas y los cilindros.
14
Finalmente se realizará un análisis económico donde se establezca el valor de la
inversión necesaria para el proyecto.
15
3. ANÁLISIS DE DESEMPEÑO DEL ACTUAL DISEÑO.
La prensa hidráulica de CONSTRUMECAM en su estado actual es utilizada
únicamente para realizar procesos de doblez de láminas que van desde 1/8” a 1/4”
de espesor de aceros al carbono y aceros inoxidables, donde el diseño actual de
la prensa presenta un sistema hidráulico de accionamiento manual, en el cual se
tiene una bomba que es accionada por palanca, un cilindro de simple efecto y un
manómetro para el seguimiento de la presión impuesta al sistema, y que su
estructura se compone principalmente de dos soportes verticales o columnas, una
base y una platina en la parte superior donde se sitúa el cilindro. En la figura 1 se
puede observar la ubicación de cada una de estas piezas.
Figura 1. Estructuras y elementos de la prensa hidráulica.
La principal limitación de la prensa actual es la poca versatilidad que presenta, ya
que solo es empleada para realizar procesos de doblez de láminas, en el cual se
emplean tiempos muy elevados para efectuar esta función, contribuyendo de
16
manera significativa al bajo rendimiento de la prensa, al igual que su sistema
hidráulico de accionamiento manual, donde la puesta en macha del sistema
requiere de tiempos muy altos debido a las dificultades de operación del mismo,
dando esto como resultado procesos de manufactura lentos, donde la prensa no
es llevada a su máxima capacidad como consecuencia de las dificultades propias
que se producen durante el accionamiento del sistema hidráulico actual con el que
cuenta la prensa hidráulica en el taller de CONSTRUMECAN.
A continuación se hace una descripción del funcionamiento del circuito hidráulico
del actual diseño.
Para el accionamiento de la prensa se hace necesario seguir los siguientes pasos:
 Desbloquear la palanca de la bomba.
 Bombear varias veces para llenar el circuito hidráulico interno de la bomba.
 Bombear con la palanca de accionamiento de la bomba, el desplazamiento
del embolo dependerá de la longitud de las mangueras y del flujo que
suministre la bomba.
 Una vez que las mangueras del sistema hidráulico estén llenas, el embolo
iniciara su avance.
 El cilindro dispone de un retroceso mecánico con la capacidad necesaria
para soportar la carga máxima de la presión, con el fin de permitir desplazar
el embolo hasta el final de su carrera.
 Se mantiene la presión en el sistema durante un lapso de tiempo corto, sin
bombear para verificar que la válvula de retención funciona correctamente.
El funcionamiento del circuito hidráulico de la prensa actual, se inicia cuando el
líquido entra en la cámara del cilindro por uno de sus extremos. Por la resistencia
que genera el embolo se presenta una presión en el líquido, que al ser vencida, el
embolo se desplaza y su vástago sale, el embolo regresa al cambiar la válvula
distribuidora mediante accionamiento externo.
17
En la figura 2 se puede observar el diseño del circuito hidráulico actual de la
prensa y sus componentes.
Figura 2. Circuito hidráulico prensa actual.
18
4. DISEÑO MECANICO DE LA PRENSA DE CONSTRUMECAM
De acuerdo al diseño mecánico de la prensa hidráulica, y acorde a las normas
establecidas en el manual AISC, se procedió a realizar un análisis para el conjunto
de piezas que conforman la estructura de la prensa hidráulica, con el fin de
identificar la carga máxima permisible en la estructura, y por medio de la cual se
establecerán los parámetros requeridos para el circuito hidráulico.
4.1 DISEÑO TEÓRICO
Por medio de este análisis se tiene como principal objetivo realizar un análisis
teórico de cada pieza que compone la estructura de la prensa hidráulica, y de
esta manera definir la carga máxima permisible en cada elemento analizado.
4.1.1 Definición factor de seguridad. Este término se utiliza para evaluar las
condiciones de seguridad de un elemento. En un diseño se tiene que evitar la falla
estructural, las cargas a las que será sometido un elemento cuando está en
operación, deben ser menores que las cargas que la estructura es capaz de
soportar, con lo anterior se presentan las siguientes ecuaciones.
Ecuación 4
Y
Ecuación 4.1
Ecuación 4.2
4.1.2 Diseño de columna. Las columnas son los elementos estructurales
encargados de dar soporte al resto de los componentes, de mantener la
estabilidad de la estructura, son los elementos verticales que soportan cargas de
compresión y flexión. Para el análisis de la columna se tomó como punto de
partida las dimensiones de la misma como el espesor (213 mm), la longitud
19
(2200 mm) y el ancho (400 mm), de igual forma las propiedades del material del
cual están fabricadas, acero AISI 1045 (ver Anexo A).
La figura 3 muestra el esquema de las dimensiones de la columna, y el diagrama
de cuerpo libre, también se puede observar que el elemento empleado como
columna es un perfil rectangular.
Figura 3. Columnas.
a) Isométrico
b) dimensiones
c) diagrama cuerpo libre
Para facilitar los cálculos se ha trasladado la carga de trabajo de su posición
normal a la parte superior de la columna como se observa en la figura 3b,
asumiendo de esta forma que la longitud total de la columna está sometida a
compresión y como consecuencia al efecto de pandeo, además teniendo en
cuenta que ambos extremos están fijos. Los datos que se muestran a continuación
corresponden a las propiedades de la sección transversal del perfil rectangular
donde se tiene que: I es el momento de inercia, A es el área de la sección
transversal, K radio de giro y L la longitud de la columna.
20
Figura 4. Perfil rectangular.
(
)
Ecuación 4.3
Aplicando la ecuación 4.3 tenemos que:
(
)
(
)
Ecuación 4.4
Ecuación 4.5
Como se tiene dos posibles ejes de orientación, con las ecuaciones 4.4 y 4.5 se
obtiene los valores de las inercias para cada eje.
(
)
(
)
21
(
)
(
)
De acuerdo a la orientación que presenten los ejes X y Y, se van a obtener dos
valores de radio de giro (K), a partir de las ecuaciones 4.3 y 3.4 (ver anexos M)
tenemos que:
√
√
√
√
De los dos radios de giro, se debe considerar el menor de los dos, ya que este es
un indicativo de que tiene una sección trasversal débil sobre ese eje y por lo tanto
tendrá una mayor posibilidad de pandeo en esa dirección.
A partir de la ecuación 3.1 (ver anexos M) podemos determinar la relación de
esbeltez que sirve como parámetro para conocer la estabilidad de la columna,
como es una columna fija en ambos extremo tenemos que:
Le=0.5L
Ecuación 4.6
Le =0.5*220cm = 110cm
Con el resultado anterior, y teniendo en cuenta que para una Re < 30 se hace un
análisis por esfuerzos normales, se tiene que
22
Ecuación 4.7
De acuerdo al valor de esfuerzo obtenido se procede a calcular la carga P máxima
para la columna, en este procedimiento y para el perfil de la columna, según el
manual AISC1, se recomienda usar un factor de seguridad para elementos a
compresión de 1.67.
Utilizando la ecuación 4.1 para esfuerzos normales tenemos que:
De lo anterior, se puede decir que la carga máxima permisible en la columna es de
4868.5KN, para las dimensiones dadas
4.1.3 Análisis de platina superior. Este elemento está encargado de albergar y
soportar el cilindro hidráulico, conforman la parte superior de la prensa y está
sujeta a la columna, puede soportar momentos flectores por lo que se ha
considerado para el análisis como una viga empotrada en ambos extremos y con
carga simétrica ubicada en el centro, estas suposiciones se hacen con el fin de
facilitar los cálculos, ya que estos no se encuentran muy alejados de la realidad.
1
Manual del AISC Steel constructions 13th P3-13.
23
El esquema de las fuerzas que actúan en la platina superior se muestra en el
diagrama de cuerpo libre de la figura 5.
Figura 5. Platina superior
a) Dimensiones
b) diagrama cuerpo libre
De acuerdo con el grafico anterior se puede concluir que las reacciones en la viga
empotrada son:
El momento flector máximo se calcula por medio de la tabla 4 (ver anexos M), el
cual queda como:
Con el momento flector máximo anterior, se puede calcular el esfuerzo máximo
para una viga sometida a flexión con la ecuación 3, donde I es la inercia de la
sección trasversal de una viga de perfil rectangular definida en la ecuación 4.4, y c
24
es la distancia que hay desde el eje neutro hasta la partícula más externa, esto se
define como:
De acuerdo al valor de esfuerzo obtenido se procede a calcular la carga P máxima
para la platina, en este procedimiento se establece un factor de seguridad de 1.67
recomendado por el manual AISC2, para elementos sometidos a flexión.
Utilizando la ecuación 4.1 para esfuerzos normales se tiene que:
Con el factor de seguridad establecido se concluye que las dimensiones de la
pieza son adecuadas para soportar una carga de trabajo P aproximada de 837.7
KN.
2
Manual del AISC Steel constructions 13th P3-13.
25
4.1.4 análisis bastidor. La base o bastidor es el elemento encargado de alojar las
piezas de trabajo y soportar las cargas trasmitidas por el cilindro, forman la parte
inferior de la prensa y está sujeta a las columna, debido a la naturaleza de las
cargas, esta debe soportar momentos flectores, por lo que se ha considerado para
el análisis como una viga empotrada en ambos extremos y con carga simétrica
ubicada en el centro, con el fin de facilitar los cálculos.
El esquema de las fuerzas que actúan en la base se muestra en el diagrama de
cuerpo libre de la figura 6, y sus dimensiones.
Figura 6.Bastidor.
a) Dimensiones
b) Diagrama cuerpo libre
De acuerdo con el grafico anterior, se procede a calcular las reacciones en los
extremos de la viga como se muestra a continuación:
El momento flector máximo se calcula por medio de la tabla 4 (ver anexos M), el
cual queda como:
26
Con el momento flector máximo anterior, se puede calcular el esfuerzo máximo
para una viga sometida a flexión a partir de la ecuación 3.
Con el resultado anterior de esfuerzo se procede a calcular la carga P máxima
para la base, en este procedimiento se establece un factor de seguridad de 1.67
que es un valor recomendado por el manual AISC3 , para esta pieza utilizando la
ecuación 3.1 para esfuerzos normales.
Con el resultado anterior, se puede interpretar que las dimensiones del bastidor
permiten soportar la carga P de 461.8KN calculada en el punto anterior.
3
Manual Del AISC Steel constructions 13th P3-13.
27
4.1.5 Análisis y determinación de la carga máxima de trabajo. A partir de los
valores obtenidos de carga para cada pieza, se seleccionó la carga mínima
calculada, ya que de esta manera se asegurar que ninguna de las pieza fallar por
la acción de la misma.
Con el valor anterior, se concluye que el valor máximo de trabajo para la prensa es
de 47 toneladas.
4.1.6 Análisis pasador. Estos elementos son los encargados de soportar la base
o bastidor de la prensa, con esto se genera un sistema de cargas y reacciones
sobre el dispositivo como se muestran en la figura 7.
Figura 7.Pasador.
a) dimensiones
b) diagrama cuerpo libre.
Para el diseño de este, y el resto de los componentes se ha tomado como base
una carga puntual que afecta a todos los elementos de esta maquina. Como se
observa en el diagrama de cuerpo libre la carga puntual generada por el
accionamiento del cilindro hidráulico se transmite a la base P/2 y esta se trasmite
al pasador P’, esta carga se distribuye en cuatro punto de la base, e induce a los
pasadores el efecto de cizallamiento.
28
Con el valor de la carga obtenida en el punto anterior se procede a calcular el
factor de seguridad del pasador, y de esta forma conocer la fiabilidad del mismo
en el sistema.
Utilizando la ecuación de para esfuerzo cortante , y remplazando en área de la
circunferencia del perno en A.
Ecuación 4.8
A partir del resultado anterior, y de acuerdo al manual AISC 4, para el diseño de
pasadores sometidos a cortante, el esfuerzo permisible sometido a cortante se
enuncia como:
4
Manual Del AISC 13th Specification section J4.1.
29
Se obtiene el factor de seguridad correspondiente para el sistema de carga y las
dimensiones del perno como sigue a continuación.
El factor de 2.38, comprueba que material y las dimensiones seleccionadas son
las apropiadas, por lo tanto se garantiza que este elemento no va a fallar bajo las
condiciones de carga aplicada.
4.2 ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS.
Mediante el uso del software de simulación de solidworks, se realizara el cálculo
del factor de seguridad para cada componente, para este procedimiento se
establecerá el criterio de máxima energía de distorsión, como parámetro para
determinar el factor de seguridad, con lo anterior tenemos que:
En el sistema utilizado, el simulador de evaluación de diseño muestra el factor de
seguridad por medio de colores, donde los factores de seguridad mínimos
permisibles son de color rojo, y los sectores con factores mayores con azul, el
material seleccionado en el sistema es un AISI 1020, ya que posee propiedades
con valores aproximados al del material seleccionado para la prensa AISI 1045, a
continuación se muestra una tabla con las propiedades del material en solidworks.
30
Tabla 1 Propiedades de materiales (solidworks)
Dentro del software se definen las condiciones de carga y las características del
elemento a analizar, por medio de los cuales se pueden calcular los esfuerzos,
deformaciones y factor de seguridad correspondiente.
4.2.1 Análisis columnas. Para el siguiente análisis, la columna estará sujeta en
su base, y la aplicación de la carga será axial y centrada para que de esta forma
toda la columna esta sometida el valor máximo de carga.
Figura 8. Tensiones de von misses columnas.
31
Con la imagen anterior se puede determinar que la máxima tensión de Von
Misses es 49.9MPa, la cual es menor al limite elástico del material 350MPa, con
esto se puede concluir que el elemento no fallar, bajo estas condiciones de carga.
Figura 9. Desplazamientos columnas.
El desplazamiento máximo que ocurre en el elemento analizado tenemos un
máximo de 1.379e-001mm, en la parte superior de la columna, desplazamiento
que no afecta el correcto funcionamiento de la maquina.
Figura 10. Factor de seguridad columnas.
32
El resultado del factor de seguridad es de 8.09 en su punto mas critico, en la base
de la columna debido al impacto del bastidor; este factor de seguridad al ser
mayor que 1, permite concluir que el elemento no fallara con la carga actual
aplicada.
4.2.2 Análisis platina superior. Para este análisis, la platina estará sujeta en sus
dos caras laterales, con una carga central.
Figura 11.Tensiones de von misses platina superior.
Con la información generada en la grafica anterior se puede determinar que la
máxima tensión de von misses es 290MPa, la cual es menor al limite elástico del
material 350MPa, con esto se puede concluir que el elemento no fallar, bajo estas
condiciones de carga.
33
Figura 12.desplazamientos platina superior.
El desplazamiento máximo presente en el dispositivo analizado, tiene un máximo
de 7.745 e-00mm, en la parte inferior central del elemento, desplazamiento que no
afecta el correcto funcionamiento de la maquina.
Figura 13. Factor de seguridad platina superior.
34
En base a los parámetros especificados, el factor de seguridad mas bajo
encontrando en el diseño es de 1.21, ubicado en los extremos de la platina, este
factor de seguridad al ser mayor que 1, permite concluir que el elemento no fallara
con la carga actual aplicada.
4.2.3 Análisis bastidor. Para el siguiente análisis del bastidor, la carga esta
soportada por todo el elemento, sujeto mediante pasadores en sus extremos.
Figura 14. Tensiones de von misses bastidor.
En la grafica anterior se observa que el valor máximo de tensión de von misses es
252MPa, la cual es menor al limite elástico del material 350MPa, con esto se
puede concluir que el elemento no fallara, bajo estas condiciones de carga.
35
Figura 15. Desplazamientos bastidor
El desplazamiento máximo presente en el dispositivo analizado, tiene un máximo
de 6.924e-0.001mm, en la parte inferior central del elemento, desplazamiento que
no afecta el correcto funcionamiento de la maquina.
Figura 16. Factor de seguridad bastidor.
36
El factor de seguridad mas bajo encontrando en el diseño es de 1.4, ubicado en
los extremos de la platina (agujeros de pasadores), este factor de seguridad al ser
mayor que 1, permite concluir que el elemento no fallara con la carga actual
aplicada.
4.2.4 Resultados del estudio. De acuerdo a los datos obtenidos por el software
de simulación, se puede observar que todas las piezas de la estructura de la
prensa hidráulica analizadas presentan factores de seguridad superiores a uno y
que los esfuerzos y desplazamientos presentes no afectan la estructura de la
misma, comprobando que la carga estimada para el sistema es la más adecuada y
que se puede tomar como referencia para realizar el diseño del circuito hidráulico
de la prensa.
37
5. DISEÑO SISTEMA HIDRÁULICO
A partir del valor de la carga máxima permisible obtenido mediante el análisis
teórico y el estudio realizado mediante el software de simulación por medio del
cual se comprobaron los efectos propios de la carga en cada pieza y sus factores
de seguridad, se procede a realizar el diseño del sistema hidráulico de la prensa
de CONSTRUMECAM, en el cual se tiene como objetivo adaptarle un sistema
hidráulico accionado automáticamente, que comprenda, la bomba hidráulica y su
motor, circuito hidráulico, y un sistema de control automático, que brinde una
garantía de fiabilidad y que permita operar bajo diversas condiciones de
temperatura y presión, durante varios ciclos, diseño por medio del cual se
accionaran tres cilindros de simple efecto para el retroceso, de forma automática,
con indicadores luminoso que den al operario información del encendido del
sistema y accionamiento de los cilindros.
Para el diseño del sistema hidráulico se cuenta con los siguientes parámetros de
funcionamiento:


Fuerza total máxima permisible por cada cilindro = 15 TN (toneladas)*
Velocidad estándar de cilindros = 0.1
5.1 ANÁLISIS DE FUERZAS Y CAUDAL.
En un sistema hidráulico como el requerido para la prensa hidráulica, donde se
genera, trasmite y controla la aplicación de energía a través de un líquido, se hace
imprescindible determinar el caudal y la presión presentes en el sistema.
5.1.1 Presión máxima de trabajo y Dimensiones del cilindro de simple efecto.
Para determinar la presión de trabajo del sistema, y las dimensiones de los
cilindros del sistema hidráulico de la prensa, partimos de la carga de diseño
anteriormente calculada de 47 toneladas, a partir de lo anterior se divide esta
carga en tres que es el número de cilindros que se situarán en la prensa
hidráulica, luego tenemos que:
38
Figura 17.Diagrama de cargas en el cilindro.
Luego de realizar el diagrama de carga en el cilindro se tiene que:
Ecuación 5
Ecuación 5.1
Ahora cuanto mayor es la presión, menor será el diámetro del cilindro, pero se
deberá tener en cuenta esto para los demás componentes. Si la presión es mayor
a 210 bares (3045Psi), las opciones en cuanto a la selección de bombas, válvulas
y actuadores serán más reducidas, a partir de esto la presión en el sistema queda
definida para 17.24 MPa (2500 Psi) un valor adecuado para una maquina como la
prensa hidráulica y definimos un diámetro tentativo de cilindro de 114 mm (4.5 in)
con el objetivo de obtener la fuerza del muelle necesaria para las 15 toneladas de
cada cilindro y determinar la factibilidad del diseño.
A partir de la ecuación 5 tenemos que:
39
Donde
=
(
(
)
)
Por medio de la ecuación 5.1 se tiene que:
Donde
es la deflexión del resorte en este caso la carrera del cilindro 333mm
Ahora se procede a calcular el resorte de recuperación de cilindro donde tenemos
que D es el diámetro de la espira y d diámetro del alambre.
(
Ecuación 5.4
)
40
Como recomendación practica puede tomarse para C, el rango de valores dado
por 4 ≤ C ≤ 12, A partir del valor calculado de la constante del resorte K, se puede
calcular el numero total de espiras, donde G es el modulo de rigidez a cortante
(80.8GPa) y Na el numero de espiras activas como se muestra a continuación
(
(
)
)
Se aproxima al 1/2 de espira más próximo, ya que la tolerancia de fabricación no
consigue una precisión mejor, y si observamos la tabla 1b, para extremos
cuadrados y rectificados, tenemos que:
Con el valor anterior del número de espiras totales Nt, se finaliza el diseño del
cilindro de simple efecto.
41
Tabla 2. Diámetros de alambre y materiales para resortes.
Fuente: Norton, Robert. Diseño de maquinas. 1 ed. México: Prentice Hall, 1999. p.
817.
42
Tabla 3. Tratamientos en los extremos para resortes helicoidales de compresión.
Fuente: Norton, Robert. Diseño de maquinas. 1 ed. México: Prentice Hall, 1999. p.
823.
Con los valores obtenidos mediante la ecuación 5.4, se observa que el diámetro
de trabajo mas aproximado a estos es de 0.5 in (14 mm), y el material a utilizar
será el SAE 1066, que esta comercialmente disponible para dicho diámetro.
5.1.2 Análisis de presión de válvula de alivio. Para obtener el valor de presión
de la válvula de alivio del sistema, se siguen las recomendaciones realizadas por
los especialistas en hidráulica, los cuales aseveran que la presión de la válvula
debería ser un 5% mayor a la presión de trabajo como se muestra a continuación.
(
)
5.1.3 Análisis caudal bomba. Para realizar el cálculo del caudal necesario para el
sistema hidráulico de la prensa, se toma como base el diámetro del pistón y la
velocidad requerida por el mismo, este tipo de datos se tomaron en relación a los
trabajos a realizarse en la maquina, para determina el caudal del sistema se
plantea la siguiente ecuación.
43
Ecuación
5.2
Donde
Q= caudal
V= velocidad de desplazamiento
A=área del pistón
A partir de la ecuación 5 se determina el caudal necesario para el sistema, y
tomamos la velocidad de 0.1
, la cual se regulara por medio de válvulas
reguladora de flujo.
(
)
50 GPM
El valor de caudal obtenido es el valor necesario para operar los tres cilindros de
la prensa hidráulica a una velocidad de avance de 0.1
de forma simultánea.
5.1.4 Selección de la bomba. A partir de los parámetros de caudal analizados
inicialmente, se selecciono una bomba de pistones de desplazamiento variable
(ver anexos D), de 50GPM a 2700rpm y 3500Psi, este tipo de bomba es
respectivamente mas costosa comparada con otras, pero se justifica por su alto
rendimiento y alto factor de ergonomía, gracias al bajo ruido que produce al
momento de operar.
5.1.5 Análisis de desplazamiento volumétrico de la bomba seleccionada. El
desplazamiento se refiere al volumen de aceite que la bomba puede entregar por
cada revolución, y se puede calcular, de acuerdo a los datos suministrados por el
proveedor, de caudal y las rpm, como se muestra a continuación.
44
Ecuación 5.2
5.1.6 Análisis de la potencia de entrada. Al tomar el caudal de la bomba y la
presión del sistema se puede obtener la potencia requerida en el sistema
hidráulico de la prensa.
A continuación se plantea la ecuación por medio de la cual se calcula la potencia
de entrada al sistema.
Ecuación 5.3
5.1.7 Corte y doblez de láminas. Con la implementación del circuito hidráulico en
la prensa para una carga total máxima de 45 toneladas, es posible realizar un
corte 80mm de diámetro en aceros al carbono con resistencia al corte de 555
y 3mm de espesor, al igual que en aceros inoxidables austeniticos con
resistencias a la corte no superior a 590
, para aceros con mayor tenacidad es
necesario determinar mediante la siguiente formula los valores adecuados de
espesor y diámetro de corte.
Ecuación 5.4
45
Para el doblez de láminas de aceros al carbono con un límite elástico de 380
se pueden trabajar espesores de hasta ½”, de igual forma para aceros inoxidables
austeniticos con limite elástico de entre 280
y 450
, para aceros con alta
resistencia a la fluencia se hace necesario determinar los valores adecuados de
espesor, largo y ancho de la lamina por medio de la siguiente formula, donde I es
la inercia y c es la distancia desde el eje neutro hasta la fibra mas externa para
una fuerza total máxima de 450000 N.
(
)
Ecuación 5.5
5.1.8 Circuito hidráulico. El diseño del circuito hidráulico de la prensa tiene como
función accionar tres cilindros de simple efecto para el retroceso mediantes una
electroválvulas de gobierno tres dos vías normalmente cerradas, que cambian de
posición por medio de un interruptores normalmente abierto, de la misma manera
por medio de un interruptor normalmente abierto, se energiza la bobina del motor y
a su vez la bomba, para el diseño se empleara el software AUTAMATION STUDIO
5.0. En la figura 18 se puede observar el esquema del circuito hidráulico con cada
uno de sus componentes
5.1.9 Estructura del control automático. Se diseñara un sistema de control de
tipo americano para el sistema hidráulico de la prensa, el cual da la posibilidad de
accionar los tres cilindros a través de un tablero de control donde estarán los
pulsadores e indicadores lumínicos del sistema hidráulico. En la figura 19 se
presenta el diseño.
46
Figura 18. Esquema hidráulico.
47
Figura 19.Esquema de control automático.
5.1.10 Ventajas del actual diseño. Con la implementación de este sistema
hidráulico se garantiza que cada uno de los cilindros dispuestos se podrá accionar
de forma automática y de manera independiente, de igual forma se podrá
mantener un control mas adecuado sobre la fuerza, carrera y los tiempos de
operación, permitiendo alcanzar a la prensa su máxima capacidad mas fácil,
rápido y eficientemente, también se podrán realizar otros procesos
metalmecánicos como corte de laminas, punzónado, estampado, y para el doblez
de laminas esta podrán tener espesores desde 1/8” hasta 1/4”, llevando a nivele
óptimos de rendimiento a la prensa hidráulica necesarios para obtener un producto
a bajo costo y con calidad.
48
6. SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRÁULICO
El sistema hidráulico de la prensa hidráulica, presenta varios accesorios que lo
componen, cada uno en una posición especifica. A continuación se detallan las
características de cada componente hidráulico acoplado al sistema de la prensa.
6.1 FILTRO
Generalmente estos elementos se construyen de aluminio, con una pantalla de
acero inoxidable para proteger las bombas hidráulicas de las partículas de tamaño
considerable, que tiende a acumularse en el fondo del depósito. (Ver anexos A).
Figura 20.Filtro de succión.
Cuadro de característica técnicas filtro
Especificaciones técnicas
Máxima presión permitida
20bar
Temperatura de operación
100°c
Material del filtro
Tela metálica en acero
Grado de filtrado
50 a 200µm
Fuente: Direct, Industry site. [En línea]. [Consultado el 10 enero de 2012]. Disponible en internet:
http://www.directindustry.es/prod/argo-hytos/filtros-de-aspiracion-hidraulicos-7313-506475.html
6.2 BOMBA DE PISTONES BOSCH REXROTH
La bomba que se selección para el proyecto es de tipo pistón, ya que presentan
un gran rendimiento y bajo ruido, en las aplicaciones mecánicas de la hidráulica, a
continuación se muestra un a tabla con las características técnicas de la bomba
seleccionada. (Ver anexos B).
49
Figura 21. Bomba
Fuente: Direct, Industry site. [En línea]. [Consultado el 10 enero de 2012]. Disponible en internet:
http://www.directindustry.es/prod/eaton-hydraulics/bombas-hidraulicas-de-alta-presion-conpistones-axiales-7323-372716.html
Características técnicas de la bomba
Presión máxima continua bar (psi)
Flujo máximo L/min (USgpm)
Velocidad máxima rev/min
--------------------------
-----------------------------------
----------------------------------------
350 (5000)
225(60)
2200
Torque máximo a 350 bar (5000psi) -----------------------------
696Nm
Cilindrada cm3 -------------------------------------------------------
125
6.3 MOTOR ELÉCTRICO
El motor de la prensa será accionado a través de un tablero de control, mediante
contactores y relés, se selecciono un motor siemens, que presenta las siguientes
características técnicas (ver anexos C).
50
Figura 22.Motor
Fuente: Direct, Industry site. [En línea]. [Consultado el 10 enero de 2012]. Disponible en internet:
http://www.directindustry.es/prod/motive/motores-electricos-asincronos-trifasicos-14726-57498.html
Características técnicas motor eléctrico siemens
Marca (tipo) ------------------------------------
Siemens (1LA4 207-2YA80)
Potencia KW (HP) ----------------------------
54(75)
Eficiencia --------------------------------------
94%
Peso Kg ---------------------------------------
360
Líneas de sistema ----------------------------
Trifásico
Velocidad Max rpm -------------------------Voltaje -------------------------------------------
3540
220-440
6.4 VÁLVULA DE CONTROL DIRECCIONAL ELECTROHIDRÁULICA.
La válvula direccional de 3/2 vías con solenoide será accionada por los pulsadores
en el tablero de control, por medio de los cuales se accionaran los cilindros en la
prensa hidráulica. (Ver anexos D).
51
Figura 23.Valvula de control direccional.
Fuente: Direct, Industry site. [En línea]. [Consultado el 10 enero de 2012]. Disponible en internet:
http://www.directindustry.es/prod/kawasaki-precision-machinery/electrovalvulas-de-cajondireccionales-hidraulicas-7291-525474.html
Características técnicas válvula de control direccional
Marca (tipo) -------------------------------
ENERPAC (VE32D)
Presión de servicio máxima bar (Psi) -
700 (10152)
Caudal máximo l/min ---------------------
171
Retorno -------------------------------------
Por resorte
6.5 CILINDRO HIDRÁULICO DE SIMPLE EFECTO.
Los cilindros seleccionados para la prensa hidráulica son de simple efecto para el
retroceso, su accionamiento será de forma independiente mediante pulsadores en
el tablero de control del sistema (ver anexos E).
52
Figura 24.Cilindro de simple efecto.
Fuente: Direct, Industry site. [En línea]. [Consultado el 10 enero de 2012]. Disponible en internet:
http://www.directindustry.es/prod/simplex/cilindros-hidraulicos-14060-533030.html
Características técnicas de los cilindros
Marca (tipo) -------------------------
ENERPAC (RC-10010)
Presión de servicio máxima bar ----(Psi)
Fuerza del cilindro ton (KN) ----
700 (10152)
Carrera mm ------------------------
333
Área efectiva cm2 -----------------
102
Capacidad de aceite cm3 --------
3417
75 (718)
53
6.6 LÍNEAS HIDRÁULICAS.
A través de las líneas hidráulicas se desplazara el fluido del sistema hidráulico, y
por esto que es preciso dimensionar las tuberías de acuerdo al caudal que
circulara por ellas, ya que un diámetro inadecuado para el sistema puede generar
elevadas velocidades y con esto perdidas de presión por fricción, por medio de la
tabla A4 (ver anexos F) se selección un diámetro de 11.01 mm, finalmente
aproximamos este valor de diámetro obtenido a uno comercial y el mas adecuado
es de 3/8“ las características de las mangueras seleccionas se presentan en la ver
en anexos G.
Figura 25.Tubo flexible hidráulico de alta presión.
Fuente: Direct, Industry site. [En línea]. [Consultado el 10 enero de 2012]. Disponible en internet:
http://www.directindustry.es/prod/simplex/cilindros-hidraulicos-14060-533030.html
6.7 ACEITE.
El tipo de aceite seleccionado para el sistema hidráulico de la prensa es el Shell
Tellus T HM 46, es un aceite hidráulico anti desgasté que proporciona protección
contra productos típicos de contaminación, tales como el agua y calcio, de igual
forma presenta una gran estabilidad térmica permitiendo trabajar bajo condiciones
extremas de temperatura.( ver anexos I).
54
6.8 SISTEMA ELÉCTRICO.
Por medio de los pulsadores se energiza el motor y los relés del sistema, con los
pulsadores de doble botón de control se accionara cada cilindro permitiendo el
avance o retroceso del mismo durante cada operación (ver anexos J).
Figura 26.Pulsador y contactor relé
Fuente: Direct, Industry site. [En línea]. [Consultado el 10 enero de 2012]. Disponible en internet:
http://www.directindustry.es/tab/pulsadores.html
El relé es un dispositivo que funciona como interruptor y es controlado por una
bobina que acciona varios contactos que permiten abrir o cerrar circuitos eléctricos
independientes, a través de ellos se activa los solenoides de las válvulas
distribuidoras que permiten el movimiento de los cilindros (ver anexos K).
55
7. COTIZACIÓN MEJORAS PROPUESTAS
Para determinar el costo del proyecto partimos de los precios de cada producto de
la cotización adquirida en la empresa FISA FERRETERIA INDSUTRIAL S.A.S, a
continuación consignamos los costos referentes al proyecto.
DESCRIPCION
COSTO
BOMBA ELECTROHIDRÁULICA ------------------------------------------CILINDRO HIDRÁULICO CAPACIDAD 15 TONELADAS (X3) -------MANGUERA 3/8” 1 METRO (X3) -----------------------------------------MANÓMETRO 10 TON 10000PSI -----------------------------------------ADAPTADOR PARA MANÓMETRO --------------------------------------ACOPLE PARA MANGUERA Y CILINDRO DE 3/8” (X3) -------------DERIVADOR ------------------------------------------------------------------ELECTROVALVULA DIRECCIONAL 3/2 VIAS -------------------------SISTEMA ELECTRICO -----------------------------------------------------TOTAL (pesos colombianos) ---------------------------------------------
8.079.300
3.233.700
2.231.259
200.000
123.000
438.930
1.745.243
1.751.666
726.157
16.777.589
La bomba versión estándar trae incluida una válvula solenoide de seguridad, en el
portafolio de Power Team viene un derivador para 4 cilindros, en los cuales se
puede regular el caudal y la bomba posee una válvula restrictora de presión
incluida de fábrica la cotización del sistema aparece en el anexo L.
56
8. CONCLUSIONES
Para mejorar las condiciones de operación de la prensa hidráulica y generar
mayor versatilidad en los procesos que en esta se realizan, se hace inevitable
rediseñar la forma en que opera su sistema hidráulico. Con el circuito hidráulico
actual accionado por palanca el tiempo que emplea el cilindro al extenderse es de
1 minuto en promedio, mientras que con el diseño del sistema accionado de forma
automática propuesto , el tiempo que emplea es de aproximadamente 2 segundos,
a partir de esto por medio del diseño propuesto en este proyecto para la prensa
hidráulica, se reducirían los tiempos de operación, teniendo en cuenta las
condiciones de trabajo como presión, temperatura de fluido y carrera del cilindro.
Con el diseño del sistema hidráulico propuesto es posible realizar otros procesos
en la prensa hidráulica como corte y estampado de aceros, procesos que no son
posibles de realizar con el sistema hidráulico actual debido a las limitaciones que
este presenta en su accionamiento, así mismo con la implementación del nuevo
diseño el operario solo debe accionar un interruptor para accionar el sistema
hidráulico, a diferencia del sistema actual donde este debe bombear el fluido al
sistema mediante el accionamiento de una palanca limitando su desempeño a las
habilidades del operario, por otro lado la posibilidad de alcanzar la máxima
capacidad de carga en tiempos muy cortos, permite extender el tiempo real
aprovechable de la prensa hidráulica.
57
9. RECOMENDACIONES

Cuando se accione el sistema hidráulico, asegúrese que este no presente
fugas de aceite, esto reduce el rendimiento de la maquina y puede
ocasionar accidentes durante su manipulación.

No sobrepase las 47 Toneladas establecidas como limite de carga para la
estructura.

Al utilizar la maquina tenga siempre presente todas las normas de
seguridad industrial, particularmente durante su accionamiento a máxima
capacidad.

Ubiqué la prensa hidráulica en un ambiente limpio libre de polvo, y
filtraciones de agua o cualquier otro líquido que puedan afectar el
funcionamiento de la prensa u ocasionar algún tipo de fallo.

Al realizar el ensamble de la maquina, ponga especial atención en la
correcta posición de los dispositivos hidráulicos, al igual que la posición de
los componentes que soportan directamente la carga de operación.

En caso de sufrir daños o algún tipo de desgaste de algún componente
remplácelo por otro que tenga igual características establecidas en el
diseño hidráulico.

Realizar mantenimientos preventivos programados, donde se verifique que
no hayan cables sueltos, inspeccionar los filtros y engrasar las guías de los
vástagos.

Mantener las condiciones del aceite iguales a las iniciales, regular la
temperatura del aceite a valores recomendados por el fabricante.

El sistema eléctrico es una área critica de mantenimiento, las bobinas y
contactos tiene una vida útil típica, se deben remplazar antes de que fallen
para disminuir horas de mantenimiento correctivo, además se debe
inspeccionar el cableado de control una vez al año, verificando que las
conexiones estén apretadas y localizando cables en malas condiciones.
58
BIBLIOGRAFÍA
AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCCIÓN General design
considerations. .Thirteenth edition July 2006, design of flexure member. 3-13p,
design of compression member. 4-10p
BANYERAS, Jutglar Luis. Bombas, ventiladores y compresores Edición CEAC,
España 2005 p245
BRAD F, kuvin, Conozca su prensa hidráulica y a sus clientes. Revista
Metalforming México 2008,
CENEN, Hugo. Material de apoyo para la materia maquinas hidráulicas. Santiago de Cali,
2012. Universidad Autónoma de occidente
HIBBELER, R.C. Análisis Estructural. Prentice Hall. México 1997
JARAMILLO SUAREZ, Héctor, Deflexiones en vigas, Universidad Autónoma 2009
JARAMILLO SUAREZ, Héctor, Consideraciones generales sobre el diseño de
columnas, Universidad Autónoma 2004.
NORTON, Robert. Diseño de maquinas. 1 ed. México: Prentice Hall, 1999. 1080 p.
OYANADER, Roberto, Curso básico ole-hidráulica aplicado [En línea]. Chile 2011
[Consultado
15
de
abril].
Disponible
en
internet:
http://www.youtube.com/watch?v=GDTJwwzXjD8
ZUBICARAY, Manuel. Bombas: teoría, diseño y aplicaciones Edición (3).México
2004, Editorial limusa. P 239.
VALENCIA, Juan David, VELEZ, Juan David, diseño y simulación de la
instrumentación de una prensa hidráulica strojexport tipo CDM 80-1(LD 80),
Universidad tecnológica de Pereira 2007
59
ANEXOS
ANEXO A. Propiedades acero.
60
ANEXO B.Propiedades filtro de succión.
61
ANEXO C. Características bomba.
62
ANEXO D. Motor.
63
ANEXO E. Válvula direccional.
64
ANEXO F. Características cilindro de simple efecto.
65
ANEXO G. Selección diámetro mangueras.
66
ANEXO H. Propiedades tubería flexible de alta presión.
67
ANEXO I. Propiedades aceite.
68
ANEXO J. Pulsador.
69
ANEXO K. Contactor relé.
70
ANEXO L. Cotización.
El precio del cilindro en esta cotización corresponde a uno de 100 toneladas q no
pertenece al cilindro utilizado en el proyecto que es de 15 toneladas el cual tiene
un valor de 1077900.
71
ANEXO M. Formulas y conceptos generales.
TIPOS Y ANÁLISIS DE ESTRUCTURAS
La prensa hidráulica de accionamiento manual de COMSTRUMECAM en general
presenta una estructura en su mayoría de acero, y se utilizan barras, planchas,
columnas y perfiles que forman en conjunto un cuerpo rígido ligado entre sí que no
trasmiten movimiento. Estos elementos son preparados para el ensamblado,
mediante diferentes procesos como: soldado, remachado o punzónado. Con la
interacción de estos elementos se busca dar resistencia a las estructuras para
sostener cargas considerables y para resistir diversos tipos de esfuerzos, debe ser
capaz de recibir cargas externas, resistirlas internamente y trasmitirlas a los
apoyos.
La estructura es una de las partes más grandes y fundamental de la prensa, su
objetivo principal es el de resistir cargas resultantes de su uso y de su peso propio
y darle forma a un cuerpo, de la máquina, de forma tal que su funcionamiento sea
seguro y permita un rendimiento óptimo de la máquina.
Existen varios tipos de estructuras, y cada una de ellas ofrece características
diferentes y se pueden clasificar desde el punto de vista de los métodos de
análisis en estáticamente determinadas o isostáticas, en estáticamente
indeterminadas o hipostática e hiperestáticas.
Estructura Isostáticas. Como se ha mencionado anteriormente, este tipo de
estructura son aquellas donde se pueden determinar las reacciones, los esfuerzos
axiales en todos los eslabones, al igual que se pueden encontrar las fuerzas
cortantes, fuerzas normales, momentos torsionales y flexionan tés, a partir de las
condiciones de equilibrio únicamente (ecuaciones de equilibrio de la estática).
Figura Condición isostática.
72
Estructura Hiperestáticas. Este tipo de estructura se presenta cuando existe un
número de reacciones o fuerzas desconocidas mayor que el número de
ecuaciones de equilibrio estático que se pueden obtener. Las ecuaciones
adicionales que son necesarias para dar solución a estas estructuras se
consiguen, considerando las deformaciones entre los eslabones y los apoyos. Es
común encontrar que la mayoría de las estructuras presentes en las maquinas son
de este tipo ya que cuentan con un equilibrio estable y en algunos casos
representan un ahorro en cuanto al costos o simplemente por la naturaleza del
material. Pero es importante mencionar que se requieren de un amplio
conocimiento de la estática, al igual que de las propiedades de los elementos
como el momento de inercia, áreas de sección transversal y el módulo de
elasticidad.
Figura Condición Hiperestáticas.
Vigas. Son elementos estructurales rígidos, que se sitúan horizontalmente, su
principal función es la de recibir las cargas de los elementos que se encuentran
sobre ella, y de esta forma transmitir estas cargas a los elementos estructurales
verticales o columnas, de estas a la base y de allí al suelo. Se pueden encontrar
de diversos materiales como: hormigón (pretensado o armando), acero (perfiles
normales o compuestos) y de madera. El tipo de material y las dimensiones
dependerán de los esfuerzos a las cuales va ser sometida y de la estructura la
cual integre.
73
En un inicio, cabe resaltar que en la teoría aplicada a las vigas se contempla
aquello a lo que se le ha designado como resistencia de los materiales; ya que con
esto es posible analizar la resistencia del material del cual está formada la viga, al
igual que la tensión, los esfuerzos y sus desplazamientos.
Figura Vigas.
Fuente: ARQHYS, Architects site. Rep. Dominicana. . [En línea]. [Consultado el 10 enero de 2012].
Disponible en internet: http://www.arqhys.com/construccion/vigas.html
Análisis de Vigas. En general la mayoría de estas estructuras están sometidas o
son las encargadas de soportar cargas perpendiculares a su eje de forma tal que
se presentan esfuerzos internos de flexión y cortantes en la viga. La deformación
en una viga se suele formular desde la posición no deformada, es decir se mide
desde el plano neutro de la viga deformada hasta la posición original de esta. Para
realizar el análisis de vigas se puede proceder de la siguiente forma:
1. Se debe realizar un análisis de las cargas que interviene sobre la viga, para
esto se hace necesario realizar el diagrama de cuerpo libre de esta, que consiste
en una representación gráfica de las condiciones y tipos de cargas a la que está
sometida la viga (ver figura 2.4).
74
Figura Diagrama de cuerpo libre.
2. Teniendo el sistema de cargas ya definido se procede a calcular las reacciones
en los apoyos por las ecuaciones de la estática.
3. Luego se calcula la fuerza cortante máxima que soporta la viga en un
determinado punto, debido a la carga aplicada (tabla A2).
4. Se continúa con el análisis del momento flector máximo aplicado en la viga
(tabla A2.1).
5. Por último se calculan los esfuerzos normales causados por la flexión y se
determina el factor de seguridad correspondiente.
Ecuación 3
Apoyos. En las diferentes estructuras existentes, están presenta los apoyos, que
son los elementos que le proporcionan la estabilidad y soporte a el sistema y por
lo general se encuentran en los extremos o muy cerca de ellos. Uno de los pasos
que son obligatorios para determina el tipo de estructura que se está analizando,
reside en fijar el número de reacciones que se despliegan en los apoyos. En una
estructura plana se presentan tres grados de libertad, uno de rotación y dos de
traslación, donde para lograr un equilibrio y estabilidad del sistema, deberán ser
restringidos para evitar toda tendencia de movimiento.
Los tres tipos de apoyos de usó más común son:
75

Apoyo simple: impide a la estructura los desplazamientos verticales, pero
admite los horizontales, rotaciones o giros (figura 1.4a).

Apoyo empotrado: restringe los tres movimientos que pueden presentarse
en el plano, los desplazamientos verticales, horizontales y la rotación (figura
1.4b).

Apoyo articulado: impide los desplazamientos verticales y horizontales,
pero permite la rotación (figura 4.1c).
Figura Tipos de apoyos.
a) apoyo simple
b) articulado
c) empotrado
Fuente: GONZALEZ CUEVAS, Oscar Manuel. Análisis estructural .México, Limusa,
Universidad Autónoma Metropolitana, 2003 p19.
Columnas. La mayoría de las maquinas presentan elementos axiales que están
sometidos a cargas de compresión, a estos se les denomina como columnas,
elemento estructurales largos y esbeltos, en algunos casos pueden presentar
fallas no por que se hayan superado su límite de resistencia, sino porque bajo la
acción de una carga creciente menor a la requerida para romperla por
aplastamiento, falla por flexión lateral o pandeo, como consecuencia de la poca
sección transversal que presenta con respecto a su longitud.
pandeo. “Pandeo es la forma de falla que resulta generalmente de una pérdida de
estabilidad estructural debido a la acción compresiva sobre un elemento
estructural. Ahora bien, la estabilidad de una estructura es la facultad de conservar
su estado, y esta condición recibe el nombre de estable, el cual se caracteriza por
76
los efectos pequeños, caracterizándose un estado inestable por los efectos
grandes, al producirse perturbaciones iniciales de poca cuantía.
Para explicar mejor este efecto consideremos una columna real a la cual se le
aplica una carga de compresión axial (P), y una pequeña fuerza lateral (F) (Ver
figura 2.4).Esta columna adquiere una pequeña deflexión. Si se incrementa el
valor de P y se realiza el mismo procedimiento para F, se llegará a un valor de P
en la cual la columna no regresa a su condición inicial y adquiere una deflexión, a
este valor de P al que se llega se le denomina carga de pandeo” 5 .
Figura Pandeo.
Fuente: GERE, James M, BARRY, J Goodno. Mecánica de materiales (7) edición .México,
Cengage Learning Editores, 2009 p819
Es importante mencionar que este fenómeno sucede de manera repentina, es por
esto que este tipo de fallos debido al pandeo son en numerosas ocasiones
peligrosos y se hace necesario tener un buen criterio de diseño. Para el diseño de
columnas, es necesario conocer algunos conceptos básicos, que permitan obtener
diseños seguros y que cumplan con los requerimientos de la estructura que
componen al igual que las diversas teorías existentes que dan solución al
problema de pandeo.
5
JARAMILLO SUAREZ, Héctor. Columnas consideraciones generales sobre el diseño de
columnas,Colombia, Universidad Autónoma de Occidente 2004 3p
77

Relación de esbeltez (Re): es un factor que ayuda a determina la
estabilidad de una columna, esta relación es un parámetro y se define
como, el cociente de la longitud efectiva de la columna entre su radio de
giro mínimo, esto es.
Ecuación 3.1
De donde,
Ecuación 3.2
√

Longitud efectiva (Le): se define como la longitud de la columna que se
curva o pandea, cuando se aplica una carga (figura 2.5).

Radio de giro (K). Describe la manera en la cual el área transversal de una
estructura se distribuye alrededor de su eje centroidal.
√
Ecuación 3.3
√
Ecuación 3.4
La relación de esbeltez es un parámetro que permite seleccionar el procedimiento
de cálculo más adecuado, únicamente para columnas de acero, a partir de esto se
puede decir que:
Cuando, Re ≤ 30, se procede a realizar un análisis por esfuerzos normales, para
columnas con carga axial a compresión.
Ecuación 3.5
Se asume para todas las formulaciones y conceptos anteriores que la carga aplica
es axial en el centroide de área de la sección transversal. Para casos donde la
carga sea excéntrica se procede con la fórmula de la secante.
78
SISTEMA HIDRÁULICO
La hidráulica tiene como finalidad la creación de fuerzas y movimientos mediante
la utilización de fluidos sometidos a alta presión, ya que estos son el medio para la
transmisión de energía.
Los sistemas hidráulicos se pueden presentar de forma simple o compleja, pero
estos deben ser lo más funcionales posible y esto se consigue en su mayoría
reduciendo el número de elementos que lo componen, esto, sin limitar la
capacidad requerida, este tipo de sistemas consiguen operar a altas presiones,
altas temperaturas, ciclos rápidos, y gracias a la incompresibilidad de los fluidos
que forman parte integral del sistema, se le brindan la capacidad de obtener
avances o desplazamientos lentos, además cuenta con la posibilidad de aumentar
la presión de trabajo y generar las cargas elevadas que se precisan en ciertas
maquinas como la prensa hidráulica. A pesar de estas ventajas hay también
ciertos inconvenientes debido al fluido empleado, puesto que las grandes
presiones que se manejan dan lugar a posibles accidentes, por esto es preciso
cuidar los diferentes elementos que forman parte del sistema.
Bombas de embolo. Las bombas de embolo o pistón, son especialmente
requeridas en la industria por su alto rendimiento, con una eficiencia volumétrica
aproximada del 90% al 95%, y por la facilidad que ofrece para poder operar a
presión por encima de las 2000 lb/plg2 .Existen una gran variedad de bombas de
embolo, pero en todas ellas podemos encontrar características como: capacidad
para bombear material particulado y productos sensibles a esfuerzos de cizalla,
permite trabajar a temperaturas de más de 120ºC ,junto con un diseño higiénico.
Este dispositivo tiene un amplio rango de aplicación, de donde se destaca la
industria de productos lácteos, bebidas y la industria de proteínas. Los pistones
que generan el bombeo en su movimiento de vaivén, pueden ser de dos tipos
radial o en posición axial en relación al eje de rotación. “los pistones axiales están
situados en la dirección del eje de giro, alrededor de él; el eje de accionamiento
provoca el giro del bloque de cilindro y de los pistones. En la base de cada pistón
hay una junta esférica situada en el interior de un patín; el cual se desliza sobre
una plataforma inclinada que permanece quieta, provocando que los pistones
avancen y retroceden alternativamente. En la posición mostrada en la figura 2.6, el
pistón de la parte superior ha retrocedido en el interior del cilindro, aspirando una
cantidad de aceite igual a su cilindrada; el pistón de la parte inferior acaba de
79
avanzar, impulsando el aceite que había en su cilindro. Cuando los pistones y sus
cilindros giren 180º, el pistón que ha pasado de la parte superior a la inferior se
habrá visto forzado a impulsar el aceite que había aspirado. Cuanto mayor sea el
número de pistones que tenga la bomba, más uniforme será el caudal impulsado
por la bomba” 6 .
Figura Bomba de embolo.
Fuente: SIERRA, Jancito Gil. Bombas: Elementos hidráulicos en los tractores y máquinas
agrícolas Edición (2).España, Editorial Mundi-prensa 1998 P42.
Cilindro de doble efecto. Este tipo de cilindros confieren su fuerza a compresión y
tensión en ambas direcciones de su carrera, los cilindros de doble efecto pueden tener
uno o dos vástagos, donde el fluido puede introducirse en cualquiera de las dos cámaras,
de esta forma accionara por una cara al pistón mientras sale de la otra cámara, y
convierte al fluido en el controlador de los desplazamientos del pistón y su vástago en
ambas direcciones.
Válvulas de control direccional. Estas válvulas son las encargadas de manejar la ruta y
la desviación de una corriente de fluido, incluyendo el paro y el arranque, sin afectar la
presión del sistema o el caudal, este tipo de válvulas que contralan la dirección del
movimientos de un cilindro o de un motor hidráulico pueden ser de 3 vías, 4 vías y en
algunos casos de 5 vías. La simbología usada en las válvulas de control de dirección está
definida por la norma DIN ISO 1219. Estas válvulas pueden presentarse de dos tipos
según su funcionamiento, en continuas o discretas. En el funcionamiento continuo las
6
SIERRA, Jancito Gil. Bombas: Elementos hidráulicos en los tractores y máquinas
agrícolas Edición (2).España, Editorial Mundi-prensa 1998 P41.
80
válvulas tienen dos estados finales y un total ilimitado de posiciones intermedias con
diferentes características de estrangulamiento, se conocen como servo válvulas o
válvulas proporcionales. Las válvulas de funcionamiento discreto siempre tienen una
cantidad limitada de posiciones y se denominan como válvulas direccionales.
Válvula anti retorno. Las válvulas de retención son utilizadas con el propósito de no dejar
regresar un fluido dentro de una tubería. Su función es prevenir que el flujo bombeado
regrese una vez que las bombas se detienen. Obviamente que es una válvula
unidireccional y que debe ser instalada de la forma adecuada para que realice su función
empleando el sentido de circulación correcto. Por lo general Las válvulas check tipo
columpio son las más usadas, donde el fluido y su presión abren el disco hacia arriba y
este regresa cuando deja de pasar, la válvula check al permitir el flujo en una sola
dirección, evita que el cilindro se desplace de la posición en que fue dejado y se
previenen accidentes, como la caída de la carga o contrapresión por el peso que tiene.
Filtros hidráulicos. El dispositivo más común instalado en los circuitos hidráulicos que
tiene como finalidad detener cualquier tipo de material particulado y contaminación en el
sistema se denomina como filtro. Los filtros pueden ser ubicados en la tubería de retorno
o succión, en la línea de presión o cualquier otro lugar que el diseñador considere
necesario para mantener un control de las impurezas, con el objetivo de prolongar la vida
útil de todos los elementos del circuito hidráulico, al igual que evitar paradas del sistema
por la acumulación de partículas en los orificios de las válvulas. Por lo general se ubican
en el circuito principal y suele pasar por ellos una fracción de la presión de retorno,
haciendo que su eficacia en el sistema sea muy limitada. No es muy común encontrar
filtros en las líneas de presión ya que deberían tener una gran resistencia para aguantar
las altas presión que allí se generan. En las tuberías de succión de las bombas, se
podrían presentar restricciones que producirían cavitación disminuyendo de manera
radical la vida útil de las bombas. Existen diversas normas que especifican los parámetros
de diseño y construcción de los sistemas de filtración hidráulicos.
Motor. Los circuitos hidráulicos son accionados por motores eléctricos o de combustión
interna. Es muy frecuente la utilización de los motores eléctricos en sistemas hidráulicos
estacionarios, los motores forman parte esencial de estos sistemas, debido a que son los
encargados de accionar las bombas hidráulicas y con esto poner en marcha a todo el
circuito hidráulico.
81
Tabla 4
Fuente: JARAMILLO SUAREZ, Héctor. Métodos para la solución de vigas estáticamente
indeterminadas, Colombia, Universidad Autónoma de Occidente 2004 49p
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