Empacadora De Cemento v5d5a

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

DISEÑO DE UNA MÁQUINA EMPACADORA DE CEMENTO MORTERO Autor: Freddy Alejandro Duque Camacho

PROCESOS DE MANUFACTURA I Ing. Byron Cortez

Sangolquí 2016

Table of Contents 1.

2.

Denominación del Proyecto .................................................................................................. 6 1.1.

Introducción .................................................................................................................. 6

1.2.

Objetivo General ........................................................................................................... 6

1.3.

Objetivos Específicos ..................................................................................................... 6

1.4.

Alcance .......................................................................................................................... 6

Marco Teórico ....................................................................................................................... 7 2.1.

Empaque........................................................................................................................ 7

2.1.1. 2.2.

Empacado por Fluidificación ......................................................................................... 7

2.2.1.

Funcionamiento de Empacado por Fluidificación ................................................. 8

2.3.

Empacado por Hélices ................................................................................................... 8

2.4.

Empacado por Tornillo Sinfín ........................................................................................ 9

2.4.1. 2.5.

2.5.2. 2.6.

Clasificación del Tornillo Sinfín ............................................................................ 10

Silos y Tolvas ................................................................................................................ 11

2.5.1.

3.

Bolsa Valvulada...................................................................................................... 7

Dimensiones y geometría .................................................................................... 11 Esfuerzos en Silos y Tolvas ...................................................................................... 12

Cemento Mortero ....................................................................................................... 14

2.6.1.

Densidad .............................................................................................................. 15

2.6.2.

Ángulo de Rozamiento ........................................................................................ 15

2.6.3.

Ángulo de rozamiento interno ............................................................................ 15

2.6.4.

Granulometría ..................................................................................................... 15

2.6.5.

Coeficiente de Rozamiento ................................................................................. 15

Diseño Preliminar ................................................................................................................ 16 3.1.

Necesidad del mercado ............................................................................................... 16

3.2.

Función del producto .................................................................................................. 16

3.3.

Diseño de la bolsa empacadora .................................................................................. 16

3.4.

Estructura funcional .................................................................................................... 17

................................................................................................................................................. 17

4.

3.5.

Alternativas de diseño ................................................................................................. 18

3.6.

Evaluación y selección de la mejor alternativa ........................................................... 18

Diseño de la máquina .......................................................................................................... 20 4.1.

Descripción del proceso .............................................................................................. 20

4.2.

Diseño de componentes mecánicos y estructura ....................................................... 20

4.2.1.

Diseño de la Tolva................................................................................................ 20

4.2.2.

Salida prismática.................................................................................................. 27

4.2.3.

Boquilla de dosificación ....................................................................................... 29

4.2.4.

Diseño del tornillo sinfín...................................................................................... 34

4.2.5.

Transmisión de potencia ..................................................................................... 39

4.2.6.

Selección de rodamientos y soportes ................................................................. 49

4.2.7.

Soporte estructura .............................................................................................. 53

4.3.

Motor........................................................................................................................... 55

5.

Operación de la Máquina. ................................................................................................... 56

6.

Conclusiones y Recomendaciones ...................................................................................... 57

7.

Bibliografía........................................................................................................................... 58

8.

Anexos ................................................................................................................................. 59

Ilustración 1 Bolsa Valvulada ........................................................................................................ 7 Ilustración 2Funcionamiento de empacado por fluidificación ...................................................... 8 Ilustración 3 Hélice tipo vertical .................................................................................................... 9 Ilustración 4 Funcionamiento empacado por hélice ..................................................................... 9 Ilustración 5 Tornillo Sinfín .......................................................................................................... 10 Ilustración 6 Tornillos Sinfín según su paso ................................................................................ 10 Ilustración 7 Tornillos Sinfín según geometría de sus espiras..................................................... 11 Ilustración 8 Geometrías de Silos y Tolvas .................................................................................. 12 Ilustración 9 distribución de esfuerzos en silos y tolvas ............................................................. 12 Ilustración 10 Distribución de presiones en paredes inclinadas ................................................. 14 Ilustración 11 Esquema bolsa empaque...................................................................................... 17 Ilustración 12Pre diseño de ensacadora ..................................................................................... 20 Ilustración 13 Volumen Pirámide truncada invertida ................................................................. 22 Ilustración 14 Dimensiones de la tolva ....................................................................................... 22 Ilustración 15 Dimensiones tomadas .......................................................................................... 24 Ilustración 16 Idealización de partes trapezoidales .................................................................... 25 Ilustración 17 Esquemático de la tolva........................................................................................ 27 Ilustración 18 Salida prismática................................................................................................... 27 Ilustración 19 Esquema Boquilla de salida .................................................................................. 29 Ilustración 20 Diagrama de fuerzas boquilla ............................................................................... 30 Ilustración 21 Diagrama Fuerza Cortante.................................................................................... 32 Ilustración 22 Diagrama Momento flector .................................................................................. 32 Ilustración 23 Ejemplo código CEMA .......................................................................................... 35 Ilustración 24 Tornillo seleccionado ............................................................................................ 35 Ilustración 25 Esquema del tornillo ............................................................................................. 36 Ilustración 26 Esquema polea por transmisión abierta .............................................................. 39 Ilustración 27 Diagrama de fuerzas en el plano XY ..................................................................... 44 Ilustración 28 Diagrama fuerza cortante XY ................................................................................ 45 Ilustración 29 Diagrama Momentos XY ....................................................................................... 46 Ilustración 30 Diagrama fuerzas plano XZ ................................................................................... 46 Ilustración 31 Diagrama cortante XZ ........................................................................................... 47 Ilustración 32 Diagrama Momento XZ ........................................................................................ 47 Ilustración 33 Esquema diámetros requeridos ........................................................................... 49 Ilustración 34 Rodamientos SKF .................................................................................................. 52 Ilustración 35 Dimensiones de la estructura ............................................................................... 53 Ilustración 36 Fuerzas y dimensiones del perfil .......................................................................... 54 Ilustración 37 Diagrama de cuerpo libre viga soporte ................................................................ 54 Ilustración 38 Motor.................................................................................................................... 56 Ilustración 39 Secuencia de pasos para operar empacadora...................................................... 57 Figura 1 Estructura funcional de la máquina............................................................................... 17 Tabla 1 Características del mortero ............................................................................................ 15 Tabla 2 Propiedades de materiales granulados .......................................................................... 16 Tabla 3 Dimensiones de bolsa valvulada ..................................................................................... 17 Tabla 4 Evaluación Peso Específico de cada criterio ................................................................... 18 Tabla 5 Evaluación del Peso Específico de exactitud .................................................................. 18

Tabla 6 Evaluación del Peso Específico de Velocidad.................................................................. 19 Tabla 7 Evaluación del Peso Específico de Montaje .................................................................... 19 Tabla 8 Evaluación del Peso Específico de costo ......................................................................... 19 Tabla 9 Conclusiones para selección de alternativa.................................................................... 19 Tabla 10 Dimensiones de la tolva ................................................................................................ 22 Tabla 11 Relación de los lados da las paredes de la tolva con bordes fijos ................................ 25 Tabla 12 Aumento de longitud de banda .................................................................................... 41 Tabla 13 Tamaño estandarizado para cada sección correspondiente ........................................ 42 Tabla 14 Factores cálculo de potencia ........................................................................................ 43 Tabla 15 Cálculos bandas y poleas .............................................................................................. 44 Tabla 16 Tabla de rodamientos ................................................................................................... 50 Anexo 1 Propiedades del acero A36............................................................................................ 59 Anexo 2 Características del motor .............................................................................................. 60 Anexo 3 Partes de la máquina ..................................................................................................... 61 Anexo 4 Dimensiones estándar de un motor .............................................................................. 63 Anexo 5 Diámetros en tubería de acero inoxidable .................................................................... 64 Anexo 6 Propiedades de algunos materiales .............................................................................. 65

Diseño de una máquina empacadora de cemento mortero

1. Denominación del Proyecto 1.1. Introducción Una empacadora es una máquina utilizada con el fin de empaquetar un determinado producto, como por ejemplo el cemento. Para empresas quienes trabajan en la elaboración, empaque, importación y distribución de materiales cerámicos, que pueden laborar en diseño, sellado e impresión de empaques de empresas cementeras el tener una máquina que pueda realizar este proceso es la base fundamental de sustento para su economía ya que abarca todo su campo de trabajo, o una gran parte del mismo. La mayor parte de empacadoras se encuentran conformadas por los mismos elementos principales, como serían una tolva, boquillas, espiras y ejes; ya que el funcionamiento para la mayoría de productos es similar, variando únicamente en ciertos aspectos que dependerán del material a empacar. El presente proyecto se realiza con el fin de poner en práctica las habilidades y capacidades de diseño de los estudiantes, junto con el conocimiento adquirido hasta el momento a lo largo de la carrera de ingeniería mecatrónica.

1.2. Objetivo General 

Diseñar una máquina para el ensacado de cemento mortero en bolsa valvulada.

1.3. Objetivos Específicos    

Incentivar conocimientos investigativos y de diseño. Diseñar la estructura y componentes mecánicos de la máquina capaz de llenar bolsas valvuladas. Realizar los planos respectivos para la posterior realización de la máquina empacadora. Realizar los cálculos necesarios para sustentar el diseño de esta máquina.

1.4. Alcance Definir el diseño de una máquina que cumpla con la capacidad de trabajo promedio de una ensacadora (9 a 10 ton/h), que se verifique su durabilidad a las condiciones de trabajo establecidas, así como al momento del llenado de las bolsas, se espere un error mínimo de pesaje. Una limitación para este proceso será el hecho de que la máquina no será automática en su totalidad, ya que requerirá de un operario para el inicio del ciclo.

2. Marco Teórico A continuación se definen algunos términos importantes y describen varios tipos de empacado utilizados industrialmente para la bolsa valvulada, adicionalmente, se darán a conocer aspectos básicos y técnicos tenidos en cuenta para la elaboración de la ensacadora de bolsa valvulada.

2.1. Empaque Según la Asociación Americana de Marketing se conoce a un empaque como: "Contenedor utilizado para proteger, promocionar, transportar y / o identificar un producto. El empaque puede variar de un envoltorio de plástico a una caja de acero, madera o de tambor. Puede ser primario (que contiene el producto), secundario (que contiene uno o más paquetes primarios) o terciario (que contiene uno o más paquetes secundarios)1.

2.1.1. Bolsa Valvulada La bolsa valvulada es un tipo de empaque industrial que debido a su diseño y elaboración permite un mejor desempeño en el empaque de materiales finos y granulados, este tipo de bolsa puede ser elaborado en polietilenos de baja y alta densidad según sea el caso también en polipropileno; en cuanto al diseño de la bolsa está constituido de manera eficiente para que el llenado sea más rápido debido a su válvula de apertura y un mejor y eficiente estibado del producto empacado, debido a la elaboración de los fuelles laterales; adicionalmente la elaboración en este tipo de materiales da una mejor presentación del producto empacado debido a las diferentes policromías que se pueden imprimir.

ILUSTRACIÓN 1 BOLSA VALVULADA

2.2. Empacado por Fluidificación Fluidificación es el proceso en el cual a un material granulado se le implementa una cantidad de aire o fluido, haciéndolo más ligero con el propósito de mejorar su transporte; la fluidificación usualmente se utiliza para el transporte de materiales cuyas granulometrías son muy bajas, materiales encontrados en diferentes sectores tales como lo son la industria química, minera, construcción, alimentación entre otros; este tipo de tecnología es muy eficaz para el empacado de materiales sensibles a los rozamientos mecánicos, ya que sufren menos rozamiento entre sus partes como puede manifestarse en transportadores de tornillos y hélices o turbinas. Este tipo de maquinaria es muy confiable ya que el desgaste en rodamientos, y equipos de transmisión son nulos debido a que carece de este tipo de componentes haciendo más eficaz su mantenimiento. Por lo contrario se pueden 1

De la página web http://www.marketingpower.com/_layouts/Dictionary.aspx?dLetter=P, correspondiente el sitio web de la American Marketing Association, MarketingPower.com

ver válvulas de entrada del material, válvulas de presurización y descompresión y el sistema de corte de salida de producto, componentes esenciales en este tipo de tecnología.

2.2.1. Funcionamiento de Empacado por Fluidificación

ILUSTRACIÓN 2FUNCIONAMIENTO DE EMPACADO POR FLUIDIFICACIÓN En la Ilustración 2Funcionamiento de empacado por fluidificación, la cámara (1) se llena de producto a través de la válvula de mariposa (2) en posición abierta. El producto contenido en la cámara es fluidificado por medio de aire a baja presión, el cual penetra por el fondo de la misma a través de un diseminador (3) construido a partir de un material poroso. Al introducir un saco en la boquilla (4) se activa el inicio de ciclo. La secuencia de un ciclo completo de ensacado es la siguiente: El saco queda firmemente sujeto por la acción del mecanismo (5) sujeta-sacos. Cierre simultáneo de la válvula de mariposa (2) y válvula de manguito (6) de descompresión de la cámara. Al mismo tiempo, abren la válvula de presurización (7) y el sistema de corte de alimentación (8). El material contenido en la cámara, fluye uniformemente hacia el interior del saco. Poco antes de alcanzar el peso prefijado, el sistema de corte de alimentación (8) reduce el paso de producto para completar en alimentación fina el ciclo de pesada. Una vez alcanzado el peso requerido, el mecanismo (8) corta la alimentación, finalizando así la fase de pesada. Para limpiar restos de producto en la boquilla se inyecta aire a través de la válvula (9) durante un corto tiempo. A continuación el saco es liberado quedando la máquina dispuesta para un nuevo ciclo.

2.3. Empacado por Hélices En el empacado por hélice o también conocido como turbinas, es un elemento mecánico formado por un conjunto de sub-elementos llamados palas, que se encuentran incrustados de forma concéntrica alrededor de un eje y que giran alrededor de éste en un mismo plano. Su función es transmitir a través de las palas

su propia energía cinética (que adquiere al girar) a un fluido, basándose en este principio, el ensacado por hélice tiene como esencialidad la velocidad y durabilidad de las palas en que se hace la hélice.

ILUSTRACIÓN 3 HÉLICE TIPO VERTICAL En la Ilustración 4 Funcionamiento empacado por hélice, se ve un modelo completo donde el material está representado por un color magenta y describe todo el o que tiene con los elementos mecánicos, entre los cuales se encuentra en la parte inferior, la hélice de tipo vertical que se encargara de impulsar el material hacia la bolsa valvulada ubicada al final de la boquilla de salida.

ILUSTRACIÓN 4 FUNCIONAMIENTO EMPACADO POR HÉLICE

2.4. Empacado por Tornillo Sinfín Mecanismo basado en el tornillo de Arquímedes. ”Si una línea recta permanece fija en un extremo, y se hace girar en el plano con una velocidad constante, hasta hacerla volver de nuevo a la posición de la que ha partido, y junto con la recta que gira, se mueve un punto sobre la recta, también a velocidad constante iniciando su movimiento desde el extremo fijo, el punto describe en el plano una espiral.” Este mecanismo es común en el ámbito nacional y extranjero, es empleada en diferentes industrias, como en la industria alimenticia, cementera, de plásticos entre otros.

ILUSTRACIÓN 5 TORNILLO SINFÍN Para el caso del tornillo sinfín, el material se introducirá por una apertura pasando así a la camisa o artesa, donde allí el tornillo sinfín transportador helicoidal, estará en constante giro haciendo que se ejerza una fuerza entre las hélices del tornillo y el material a dosificar, empujándolo constantemente a la salida de la artesa. Existe una gran variedad de tornillos sinfín para el transporte de materiales a granel y demás, los cuales varían en tamaño, espiras, material de construcción, inclinación, artesas de soporte y demás, los diseños de este tipo de tornillos están basados en el paso y la geometría de sus espiras; a continuación se enumeran algunos de los más utilizados a nivel empresarial.

2.4.1. Clasificación del Tornillo Sinfín Esta clasificación se hace según el paso y geometría de las espiras, que denota de manera significativa las dimensiones de un tornillo a otro. Principalmente existen 5 clases de pasos para el diseño de un tornillo transportador, como lo son: de paso estándar ver (Ilustración 6.a), que hace relación igualitaria entre el diámetro del tornillo y su paso, de paso corto (Ilustración 6.b), que relaciona el diámetro del tornillo a 2/3 de su paso. De paso medio (Ilustración 6.c), que relaciona el diámetro del tornillo en ½ de su paso. De paso largo (Ilustración 11.d), que lleva hasta 1 ½ el paso del tornillo con respecto a su diámetro y de paso variable (Ilustración 6.e), que consiste en un diseño especial en el cual las condiciones del material así lo dispongan, y consiste en hacer a lo largo del transporte diferentes pasos en el tornillo.

ILUSTRACIÓN 6 TORNILLOS SINFÍN SEGÚN SU PASO

Las geometrías variables de las espiras de un tornillo sinfín, denotan que el material que están transportando requiere un tratamiento adicional, al de solo ser llevado de un lado a otro. Comúnmente se observan 6 tipos de geometrías en las espiras de un tornillo, algunas son: Tornillos transportadores con espiras de tipo estándar (Ilustración 7.a), son utilizados comúnmente en todas las aplicaciones convencionales de transporte de material. Tornillos trasportadores con espiras recortadas (Ilustración 7. b), cuyo fin es el de transportar y destruir terrones que se puedan formar en el material por aglomeraciones no deseadas. Tornillos trasportadores con espiras recortadas y dobladas (Ilustración 7.c), se utilizan más para mezclar el material con el fin de corregir aglomeraciones, adicionalmente calentar o enfriar el material transportado si es necesario. Tornillos trasportadores con espiras tipo cinta o ribbon (Ilustración 7.d), son tornillos para materiales viscosos y pegajosos, ya que no permiten que haya acumulación de material haciendo que estos tengan mayor movimiento en el interior de la artesa, estos tornillos también se utilizan con el fin de mezclar dos o más materiales.

ILUSTRACIÓN 7 TORNILLOS SINFÍN SEGÚN GEOMETRÍA DE SUS ESPIRAS

2.5. Silos y Tolvas Un silo o tolva es un elemento mecánico rígido que tiene como principal función el almacenamiento de materiales. Para el almacenamiento de materiales granulados normalmente es una estructura que consiste en un cuerpo rectangular o cilíndrico, conectada en la parte inferior a una sección prismática o cónica que formará parte de la salida de la tolva.

2.5.1. Dimensiones y geometría La tolva de almacenamiento es el punto de partida donde se inicia el proceso, es el elemento mecánico que recibe la materia prima y la almacena, para a su vez ser empleada en otra de etapa del proceso.

Existen varias geometrías a emplear en el diseño de este tipo de elementos, de los cuales dependen varios factores tales como el material a ensilar, el tipo de flujo, el volumen requerido, el costo de construcción, el espacio requerido en su instalación, entre otros; en la siguiente ilustración se observa los tipos de estructuras comúnmente empleadas.

ILUSTRACIÓN 8 GEOMETRÍAS DE SILOS Y TOLVAS

2.5.2.

Esfuerzos en Silos y Tolvas El análisis de los esfuerzos en los silos y tolvas busca determinar posibles fallos en la construcción mecánica de los mismos, estos esfuerzos ejercidos por los materiales almacenados empezaron a ser tenidos en cuenta debido al resultado de varios estudios experimentales.

Distribución de Esfuerzos y Presiones en silos y tolvas. Los elementos mecánicos conocidos como tolvas y silos están sometidos a una variación de esfuerzos en sus paredes, estos esfuerzos cantidades vectoriales, se pueden clasificar de la siguiente manera, Esfuerzo horizontal 𝜎ℎ , Esfuerzo vertical 𝜎𝑣 , Esfuerzo normal 𝜎𝑛 .

ILUSTRACIÓN 9 DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS EN SILOS Y TOLVAS

De la Ilustración 9 distribución de esfuerzos en silos y tolvas, se puede observar los diferentes esfuerzos a los cuales se ve sometida las paredes del silo y posteriormente la tolva. El esfuerzo vertical, es la presión ejercida por el material de manera paralela a las paredes del silo, esta presión se ve atenuada por la fricción ejercida entre las placas del silo y el material. Es posible hallar estas presiones con la siguiente fórmula planteada en el Eurocódigo (1) sección 4: 𝑃𝑣 =

𝜇∗𝑈 𝛿 ∗ 𝐴𝑡 (−ℎ∗𝑘𝑗 ) 𝐴𝑡 ] [1 − 𝑒 𝑈 ∗ 𝜇 ∗ 𝑘𝑗

Donde: 𝐴𝑡 = Es el área se la sección transversal de la pared vertical. 𝑈= Es el perímetro interior de la paredes. 𝜇= Es el coeficiente de rozamiento sobre las paredes. 𝑘𝑗 = Es la relación entre las presiones verticales y horizontales, (constante de Janssen). El esfuerzo horizontal, es igual a la presión ejercida de manera perpendicular a las paredes del silo y es posible hallarla en cualquier altura del mismo en dependencia de las presiones verticales, según el Eurocódigo (1) sección 4, se puede obtener a través de la siguiente expresión: 𝑃ℎ = 𝑘𝑗 ∗ 𝑃𝑣 De esta manera, si no se encuentra ningún ángulo de inclinación actuando sobre la salida del material solo existen estas presiones, pero dado que es necesario sectorizar el flujo de material inclinando a la salida del silo mediante una tolva ya sea prismática o cónica, existe un esfuerzo aplicable de manera normal a la pared inclinada de la tolva, formando un ángulo recto entre su magnitud y la superficie, esta magnitud es conocida como presión normal. Ángulo de inclinación menor a 20 º en silos esbeltos el esfuerzo normal en el fondo del silo es constante y se determina así: 𝜎𝑛 = 𝜎𝑦𝑚𝑎𝑥 ∗ 1.2 Donde: 𝜎𝑛 = Esfuerzo normal. 𝜎𝑦𝑚𝑎𝑥 = Esfuerzo vertical máximo. Ángulo de inclinación mayor a 20 º las paredes de la tolva están sometidas a una presión normal y a una fuerza de fricción, ya que las paredes soportan todo el peso del material, el Eurocódigo ha adoptado fórmulas halladas empíricamente mediante el estudio del flujo del material en tolvas piramidales, para el cálculo de estos esfuerzos normal y fricción, se plantea lo siguiente:

𝑃𝑛 = 𝑃𝑛𝛿 + 𝑃𝑛2 + (𝑃𝑛1 − 𝑃𝑛2 ∗

𝑥 ) 𝑙ℎ

Donde: 𝑥= Es una longitud entre 0.𝑌𝑙ℎ 𝑃𝑛1 = 𝑃𝑣0 (1.2 ∗ cos(𝛼)2 + 1.5 ∗ sin(𝛼)2 ) 𝑃𝑣0 = Es la presión vertical que actúa en la transición silo tolva. Para este caso la presión en la transición no se debe hallar, debido a que no hay transición en el paso de material por lo tanto se asume: 𝑃𝑣0 = 𝑃𝑣 𝑃𝑛2 = 1.2 ∗ 𝑃𝑣 ∗ cos(𝛼)2 𝑃𝑛3 = 3.0 ∗

𝐴𝑡 ∗ 𝛿 ∗ 𝑘𝑗 𝑈 ∗ √𝜇

Y el valor de la presión de fricción en la pared 𝑃𝑡 está dado por: 𝑃𝑡 = 𝑃𝑛 ∗ 𝜇

ILUSTRACIÓN 10 DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES EN PAREDES INCLINADAS

2.6. Cemento Mortero “Un cemento mortero se considera a un mezclado de cemento, arena y un éter de celulosa, donde este último le da la propiedad de retener agua al mortero evitando el humectar previamente el utensilio cerámico por varias horas”2 esta pre mezcla es utilizada por el sector de la construcción para la instalación de cerámica y porcelanato entre otras piezas cerámicas.

2

Pulido, Wilson, Evaluación a escala semi industrial de pego perfecto, porcelánico interiores - gris. Informe junta técnica Nº. /. (junio 2007)

TABLA 1 CARACTERÍSTICAS DEL MORTERO

2.6.1. Densidad Es la magnitud física que se refiere a la cantidad de unidad de masa contenida en la unidad de medida volumétrica. La densidad aparente como su nombre lo indica da un presunto valor de esta, debido a la adherencia de aire entre las partículas del 𝑘𝑔

material. Densidad de la arena de sílice: 1500 𝑚3 .

2.6.2. Ángulo de Rozamiento Determinar el ángulo de rozamiento entre el producto y las paredes del almacenamiento es un proceso netamente experimental, y determina el tipo de flujo que se producirá durante el vaciado; este ángulo de rozamiento depende de dos factores importantes.  

Las propiedades físicas del producto. La rugosidad del material en el cual está construido la tolva o silo.

Para el caso de la arena de sílice componente que conforma el cemento mortero, el ángulo de rozamiento junto a las láminas de acero está en un intervalo de (27°38°).

2.6.3. Ángulo de rozamiento interno El ángulo de rozamiento interno de un material es el ángulo que se tiene en las partículas de ese mismo material para romper la cohesión entre sí. El ángulo de rozamiento interno del material utilizado en la empresa es en promedio de 30°.

2.6.4. Granulometría La granulometría es una medida en la distribución de los tamaños de las partículas en una cantidad de muestras del material a medir, esta distribución y medición está determinada por una serie de tamices reglamentados por la norma ASTM. Esta medida está determinada por el tamaño de la abertura de los lazos de alambre que constituyen el tamiz. La arena de sílice es seleccionada por su granulometría así: Arena de sílice seca, a un máximo de humedad del 0.5 %, y entre (-) mallas 40 A.S.T.M.E-11, (+) mallas 120 A.S.T.M.E-11.

2.6.5. Coeficiente de Rozamiento El coeficiente de rozamiento es una cantidad adimensional que se utiliza para determinar la oposición de movimiento de un material con respecto a una superficie del mismo o de otro material. Este valor del coeficiente de rozamiento es característico de cada pareja de materiales en o, no es una propiedad intrínseca de un solo material, depende además de muchos factores externos como lo son: Temperatura, acabado entre las superficies, velocidad relativa entre los

materiales, etc. En la Tabla 2 Propiedades de materiales granulados se ven algunos materiales y su coeficiente de rozamiento. TABLA 2 PROPIEDADES DE MATERIALES GRANULADOS

3. Diseño Preliminar 3.1. Necesidad del mercado Se requiere una máquina empacadora de cemento mortero que me asegure el empaquetamiento completo o con un error mínimo para evitar así pérdidas a una empresa empacadora de este material.

3.2. Función del producto Un equipo destinado al empaquetamiento en bolsas de cemento mortero que es ingresado y almacenado previamente en una tolva, donde previamente fue limpiado.

3.3. Diseño de la bolsa empacadora La bolsa utilizada para el empaque regularmente dependerá de una empresa o del cliente que fuese a utilizar la máquina, para este caso se utilizarán medidas asumidas por el diseñador. Cabe recalcar que el tamaño de la bolsa será un limitante para el diseño de la máquina.

ILUSTRACIÓN 11 ESQUEMA BOLSA EMPAQUE

TABLA 3 DIMENSIONES DE BOLSA VALVULADA

3.4. Estructura funcional En este caso se despliega el nivel 2 de los diagramas de flujo ya que en el mismo el despliegue es mayor y permite determinar soluciones más exactas. Cemento mortero

Manual

Limpieza del cemento

manual

Cemento Limpio Manual

eléctrico

manual

Seleccionar Peso

eléctrico

Llenar Llenartolva la tolva

Posicionar la bolsa

220V

Encendido máquina

Proceso de empaquetamiento

FIGURA 1 ESTRUCTURA FUNCIONAL DE LA MÁQUINA

Se pueden diferenciar aquí 3 tipos de módulos, pues tenemos uno de limpieza exclusivamente para así asegurarnos que el material que ingrese sea exclusivamente cemento mortero; el siguiente módulo se encentra entre tolva y salida, donde está presente el paso del material hacia el tornillo sinfín; el siguiente módulo es el módulo de transporte, por parte del tornillo sinfín que se encarga de llevar el material ingresado, hacia la bolsa que se encuentra al final de la boquilla; y el módulo final que se encuentra

en la zona de pesado donde se posiciona de forma adecuada la bolsa y se procede a llenarla.

3.5. Alternativas de diseño Una vez consultadas las opciones de diseño de máquinas empacadoras de cemento y presentadas en el capítulo anterior, en los puntos 2.2, 2.3, 2.4. Por lo tanto las alternativas a analizar serán:   

Empacado por Fluidificación. Empacado por Hélice. Empacado por Tornillo sinfín.

3.6. Evaluación y selección de la mejor alternativa Para la selección de la mejor alternativa se presenta una ponderación de selección para los diferentes tipos de empacado utilizados en este tipo de material; donde cabe rescatar los aspectos a tomar en cuenta para la selección ya que son de vital importancia en el empacado de material estos aspectos son: 







Exactitud. Este concepto es de importancia alta, ya que en el proceso de calidad de la bolsa valvulada se tiene como factor a cuantificar el desperdicio de material en el empaque, ahora, si la ensacadora genera un error de pesaje no isible no contribuirá al mejoramiento en la calidad, por lo contrario generara un inconveniente adicional en la medición; por tal motivo se expresa que este valor es de importancia alta en la máquina. Velocidad. Este factor a considerar es esencial en las ensacadoras cuales quiera que sea, es el valor por el cual se mide la productividad de la máquina, ya que para una empresa productora entre más producto sea empacado mayor es su eficiencia. Montaje. Basado básicamente en la complejidad de las partes del empacador este factor tiene una importancia media, considerando tecnologías que describen un montaje y condiciones de operación especificas; ya que una empresa requeriría una máquina de fácil traslado y funcionamiento simple pero eficaz. Costo. Un aspecto no menos importante que los mencionados, aclarando que quien lo cree y desee reproducir esta pieza correrá con los costos necesarios para el diseño, compra de elementos, y montaje de la máquina.

TABLA 4 EVALUACIÓN PESO ESPECÍFICO DE CADA CRITERIO Criterio Exactitud Velocidad Montaje Costo Ʃ+1 Ponderación Exactitud 1 0,5 1 2,5 0,416666667 Velocidad 0 0 0,5 0,5 0,083333333 Montaje 0,5 1 0,5 2 0,333333333 Costo 0 0,5 0,5 1 0,166666667 6 1 TABLA 5 EVALUACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO DE EXACTITUD Exactitud

Fluidificación Hélice

Tornillo

Ʃ+1 Ponderación

Fluidificación Hélice Tornillo

0,5 0,5 1

0,5

0 0,5 0,166666667 0,5 1 0,333333333 1,5 0,5 3 1

TABLA 6 EVALUACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO DE VELOCIDAD Velocidad Fluidificación Hélice Fluidificación Hélice 1 Tornillo 0,5

Tornillo Ʃ+1 Ponderación 0 0,5 0,5 0,166666667 1 2 0,666666667 0 0,5 0,166666667 3 1

TABLA 7 EVALUACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO DE MONTAJE Montaje Fluidificación Hélice Tornillo Ʃ+1 Ponderación Fluidificación 0,5 0 0,5 0,166666667 Hélice 0,5 0,5 1 0,333333333 Tornillo 1 0,5 1,5 0,5 3 1 TABLA 8 EVALUACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO DE COSTO Costo Fluidificación Hélice Tornillo Ʃ+1 Ponderación Fluidificación 0,5 0 0,5 0,166666667 Hélice 0,5 0 0,5 0,166666667 Tornillo 1 1 2 0,666666667 3 1

TABLA 9 CONCLUSIONES PARA SELECCIÓN DE ALTERNATIVA Conclusión Fluidificación Hélice Tornillo

Exactitud 0,069444444 0,138888889 0,208333333

Velocidad 0,0138889 0,0555556 0,0138889

Montaje 0,05556 0,11111 0,16667

Costo Ʃ Prioridad 0,027778 0,166666667 3 0,027778 0,333333333 2 0,111111 0,5 1

Teniendo en cuenta los anteriores criterios ponderados se puede concluir que para el empacado del material a considerar es más eficiente y una mejor alternativa el empacado por tornillo.

4. Diseño de la máquina En base a los requerimientos de diseño se presenta un prototipo el cual durante todo el proceso de llenado abarca los lineamientos establecidos previamente. Se muestra en la Ilustración 12Pre diseño de ensacadora, un diseño de la ensacadora que estará en la capacidad de cumplir con un almacenamiento de material mínimo, una velocidad de trabajo, un pesaje del producto y la dosificación de material en bolsas valvuladas.

ILUSTRACIÓN 12PRE DISEÑO DE ENSACADORA

4.1. Descripción del proceso El proceso de llenado en la ensacadora mostrada en la Ilustración 12Pre diseño de ensacadora inicia con el almacenamiento manual del material en la tolva de almacenamiento cuya capacidad máxima es de 300 kg, una vez el material este almacenado en la tolva (1), este deslizara por acción de gravedad a una salida prismática donde se acoge un tornillo sinfín transportador helicoidal (2), a través de la transmisión de potencia (3) y por medio de una botonera de control se dará comienzo al llenado de la bolsa, llenado que estará condicionado a la velocidad de giro del motor (4), una vez el material este en movimiento por la acción del transportador se llevara al interior de la bolsa a través de una boquilla de llenado (5), allí el operario de forma manual deberá ubicar la bolsa valvulada con anterioridad; el material caerá al interior de la bolsa ejerciendo una fuerza sobre la plataforma de pesaje que censará electrónicamente el cambio de peso a lo largo de la dosificación hasta que cumpla con el peso acordado.

4.2. Diseño de componentes mecánicos y estructura A continuación se detallan los cálculos matemáticos a considerar para el diseño mecánico y estructural de la máquina, de los elementos tales como: Tolva de almacenamiento y salida prismática, boquilla de llenado, tornillo sinfín, trasmisión, y estructura.

4.2.1. Diseño de la Tolva Para el diseñador es vital dar comienzo al diseño ingenieril por el punto de partida inicial del proceso, ya que esto le puede asegurar el control y conocimiento de variables que van a ser esenciales en el diseño de elementos posteriores; en este

caso, el estudio y diseño de la tolva de almacenamiento dará como resultado el cálculo de presiones, esfuerzos y momentos, causados por el peso del material y la geometría de la tolva, esto con el fin de determinar el material de construcción para la tolva, las dimensiones, y espesor para su elaboración. Adicionalmente estos cálculos servirán como punto de partida para el diseño del tornillo sinfín, también contribuirá en el diseño final del soporte que constituirá la estructura mecánica de la máquina.

4.2.1.1.

Dimensiones de la Tolva La tolva cumplirá con la necesidad de almacenar cemento mortero de una densidad aparente de 1300

𝑘𝑔 𝑚3

. Además el volumen que tendrá este elemento

mecánico debería provenir por sugerencia de una empresa, suponiendo que será el necesario para almacenar en promedio 300 kilogramos de este producto; la tolva cumplirá con las condiciones de fácil traslado, económica, resistente, y de no ser engorrosa en su almacenamiento. 𝛿=

𝑚 𝑚 ;→ 𝑣 = 𝑣 𝛿

Entonces: 𝑣=

300 𝑘𝑔 = 0,230769 𝑚3 𝑘𝑔 1300 3 𝑚

Se escoge una geometría en forma piramidal truncada invertida, porque aunque es cierto que los silos y tolvas de forma cilíndrica son más eficientes que los de tipo prismático en cuanto su flujo estos son más frágiles, su elaboración es más engorrosa, y su costo es más elevado, en comparación a uno prismático para estos volúmenes. Para una pirámide truncada invertida, la ecuación de volumen almacenado esta descrita por: 𝑣=

ℎ ∗ (𝐴1 + 𝐴2 + √𝐴1 ∗ 𝐴2 ) 3

Para asegurar que la tolva sea de fácil traslado, las medidas se tomarán 1 m y 0,5 m respectivamente. Con lo cual: 𝐴1 = 0,5 ∗ 1 = 0,5 𝑚2 𝐴2 = 0,24 ∗ 0,15 = 0,036 𝑚2

ILUSTRACIÓN 13 VOLUMEN PIRÁMIDE TRUNCADA INVERTIDA Con estos datos se puede determinar la altura h necesaria para el volumen requerido. 0,230769 𝑚3 =

ℎ ∗ (0,5 𝑚2 + 0,036 𝑚2 + √0,5 ∗ 0,036) 3 ℎ =1𝑚

ILUSTRACIÓN 14 DIMENSIONES DE LA TOLVA

TABLA 10 DIMENSIONES DE LA TOLVA

4.2.1.2.

Cálculos de presiones en la tolva Para el cálculo de presiones se utiliza datos suministrados como parte del marco teórico, más valores consultados. 𝑘𝑔

Densidad aparente: 1500 𝑚3 Dimensiones de la tolva. Ángulo de rozamiento 𝜃𝑤 = (27𝑜 − 38𝑜 ) Ángulo de rozamiento interno 𝜃𝑖 = 30𝑜

Coef. De rozamiento 𝜇: 0,4 Se procede a determinar la constante de Janssen para determinar los esfuerzos en las paredes de la tolva. 𝑘𝑗 = 𝑘𝑗1 =

1 − sin(𝜃𝑖 ) tan(𝜃𝑤 ) 1 + sin(𝜃𝑖 )

1 − sin(30) 1 − sin(30) tan(27) ; 𝑘𝑗2 = tan(38) 1 + sin(30) 1 + sin(30) 𝑘𝑗1 = 0,1698 ; 𝑘𝑗2 = 0,2604

Presiones Verticales:

𝑃𝑣 = 10,93

𝑘𝑁 𝑚2

Presión horizontal:

𝑃ℎ = 2,8463

𝑘𝑁 𝑚2

Presión normal: Para efectos de los cálculos tomaremos paredes de mayor área debido a la sección rectangular de la tolva.

ILUSTRACIÓN 15 DIMENSIONES TOMADAS

4.2.1.3.

Material de la tolva El material para la construcción de la tolva debe ser un material resistente, económico, asequible para dar fiabilidad en el proceso.

El material seleccionado es una Lámina HR (Hot Rolled) - ASTM – A36, cuyas propiedades se pueden observar en el Anexo 1 Propiedades del acero A36, cualidades que describen los esfuerzos últimos, resistencias y composición en general.

4.2.1.4.

Espesor de las paredes de la tolva Para el cálculo del espesor de la lámina se hallan los momentos generados por el peso del material sobre las paredes, y junto a las características del acero seleccionado se calcula un espesor mínimo necesario para soportar dichas fuerzas. Es necesario conocer el momento flector máximo al cual se ven sometidas las placas de la tolva, en este caso la placa de mayor dimensión en donde se presentara el mayor momento.

Donde: 𝑎𝑒𝑞 , 𝑏𝑒𝑞 : Son las dimensiones más corta y más larga de la pared de la tolva respectivamente. 𝑝: presión normal media 𝜑: Es la relación de lados tabulados experimentalmente (ver Tabla 11 Relación de los lados da las paredes de la tolva con bordes fijos TABLA 11 RELACIÓN DE LOS LADOS DA LAS PAREDES DE LA TOLVA CON BORDES FIJOS

ILUSTRACIÓN 16 IDEALIZACIÓN DE PARTES TRAPEZOIDALES

Entonces:

Se halla entonces el momento:

El cálculo del espesor de las láminas de la tolva estará dado por la lámina de mayor dimensión, dado que los esfuerzos están condicionados por el área en el que se aplica la fuerza, ahora de los datos anteriores conocemos el momento ejercido sobre las láminas del acero escogido para su construcción. El espesor estará dado por:

Entonces el espesor calculado es:

Por tanto se escoge una lámina de espesor 1/8 “= 3.175 mm; ya que es una lámina económica y muy comercial, además con el resultado anterior se está asegurando que no va sufrir debido a los esfuerzos ejercidos por el material.

ILUSTRACIÓN 17 ESQUEMÁTICO DE LA TOLVA

4.2.2. Salida prismática Esta salida además de conformar una extensión de la tolva de almacenamiento, es la transición entre el almacenamiento y el transporte del material hacia la boquilla de salida, se construirá en el mismo material de la tolva de almacenamiento, ya que sus dimensiones (mm) son pequeñas en comparación del anterior, y no sufrirá sobrepresiones. La construcción de esta, se hace con el fin de acoplar una boquilla de dosificación para la bolsa valvulada.

ILUSTRACIÓN 18 SALIDA PRISMÁTICA

4.2.2.1.

Cálculo del peso de la tolva y salida prismática En la Ilustración 14 Dimensiones de la tolva, se puede observar las dimensiones de la tolva de recepción del material. Donde:

𝐴𝑙𝑎𝑑𝑜 1 = lado de mayor extensión en las paredes de la tolva 𝐴𝑙𝑎𝑑𝑜 2 = lado de menor extensión en las paredes de la tolva

Entonces:

Se sabe que:

Bridas:

En la Ilustración 18 Salida prismática, se puede observar las dimensiones de la salida prismática donde: 𝐴𝑙𝑎𝑑𝑜 1,3 = lado izquierdo y derecho rectangular 𝐴𝑙𝑎𝑑𝑜 2 = lado frontal rectangular 𝐴𝑙𝑎𝑑𝑜 4 = lado tracero rectangular 𝐴𝑙𝑎𝑑𝑜 5,6 = lado inferior izquierdo y derecho rectangular

𝐴𝑙𝑎𝑑𝑜 7 = lado transversal del cilindro

Por tanto el peso en conjunto de la tolva y salida prismática: 53,59 kg

4.2.3. Boquilla de dosificación Este es el elemento por el cual el material sale de la máquina hacia el empaque (bolsa valvulada), el operario de manera manual pondrá la bolsa de tal manera que la boquilla se introduzca entre la bolsa logrando así, que el material se dosifique por cada giro del tornillo sinfín; adicionalmente este elemento sirve de protección para el operario, ya que evitara que este tenga o directo con el sinfín y se produzca un accidente.

4.2.3.1.

Cálculos del espesor de boquilla Del requerimiento en la sección Diseño de la bolsa empacadora el diámetro máximo de la boquilla no debe superar los 0.075 m, y la longitud mínima de boquilla debe ser 0.15 m; se tienen en cuenta los esfuerzos involucrados para determinar un mínimo de espesor.

ILUSTRACIÓN 19 ESQUEMA BOQUILLA DE SALIDA Donde:

Donde: L= Longitud total de la salida prismática más la boquilla de dosificación.

Sabiendo la cantidad de masa que este podrá abarcar en su interior se puede determinar la carga distribuida ejercida en las paredes.

Esta es la carga ejercida a través de los 0,4 m de distancia de la boquilla. Para efectos de cálculos en flexión, cortante y desgaste consideramos la artesa como una viga uniforme sobre la cual actúan las siguientes fuerzas:

ILUSTRACIÓN 20 DIAGRAMA DE FUERZAS BOQUILLA Considerando en cuerpo libre de la viga bajo carga distribuida w se determina las reacciones correspondientes en A, B:

De acuerdo a la fuente Mecánica de Materiales, Ferdinand P Beer, con el diagrama de momento combinado se tiene: 𝐵

(𝑡𝐵/𝐴 ) = ∫ 𝐴

Se resuelve:

𝑀 𝑑𝑥 𝐸𝐼

Con los datos obtenidos se produce a dibujar los diagramas de fuerza cortante y momento flector. Por cortante se tiene:

Donde:

El esfuerzo cortante máximo permisible está dado por:

Donde:

Para este caso se tendrá en cuenta el Acero estructural A36. Donde:

Por lo tanto:

Reemplazando:

ILUSTRACIÓN 21 DIAGRAMA FUERZA CORTANTE

ILUSTRACIÓN 22 DIAGRAMA MOMENTO FLECTOR Por flexión:

El esfuerzo máximo de flexión permisible está dado por:

Entonces:

Donde:

Por desgaste:

Donde:

Se sugiere un tiempo de vida útil de aproximadamente 10000 horas por tanto:

Donde:

Entonces:

Reemplazando:

Debido a este espesor mínimo calculado, el espesor sugerido será de:

Debido a que este elemento estará en o permanente con el operario, se escoge un tubo en acero inoxidable de 2 ½” de diámetro nominal.

4.2.4. Diseño del tornillo sinfín Este diseño está basado en la información suministrada por esta asociación, editada y distribuida a través del catálogo de Martin Screw Conveyor Sección H. El buen diseño de este elemento establecerá un buen funcionamiento de la ensacadora ya que se podría decir que el tornillo es el corazón de la máquina, debido a que de este diseño no solo surgen los elementos necesarios para su elaboración sino adicionalmente se determina la potencia requerida en el motor, la transmisión y las dimensiones de eje, entre otros: estos datos se utilizarán para la selección y elaboración de elementos posteriores.

4.2.4.1.

Selección de espiras y paso del transportador Esta selección se hace de acuerdo a las propiedades intrínsecas del material como los son; densidad, granulometría, abrasividad, fluidez entre otros. Para hacer más fácil la selección del tipo de espiras del tornillo que se utilizara según sea el caso; el CEMA clasificó y codificó estas características de algunos materiales, donde el código para el material a es B6-35Q.

ILUSTRACIÓN 23 EJEMPLO CÓDIGO CEMA La Ilustración 23 Ejemplo código CEMA indica la manera de leer el código CEMA (Conveyor Equipment Manofacture Association). De acuerdo a lo anterior el material se describe como un material de fluidez media, abrasivo y con un tamaño de partículas finas, que para el transporte de este tipo de materiales es conveniente utilizar un tornillo sinfín de espiras tipo estándar y paso largo.

ILUSTRACIÓN 24 TORNILLO SELECCIONADO

4.2.4.2.

Diámetro del tornillo sinfín En este caso un limitante es la boquilla de dosificación, se seleccionó y calculó las medidas para este elemento, ya que el tornillo estará acogido por la boquilla este debe tener un diámetro menor a 67 mm, por lo cual se escoge un diámetro de tornillo de 62 mm dando así un margen de trabajo de más o menos 5 mm para efectos de flexión o choques entre con las paredes de la artesa.

ILUSTRACIÓN 25 ESQUEMA DEL TORNILLO

4.2.4.3.

Cálculo de velocidad del sinfín El cálculo de velocidad se hace a través de los parámetros requeridos en este caso se hace un estimado del parámetro descrito donde se plantea una rata de llenado entre [10 s -30 s]; siendo 10 s el caso más extremo; por lo tanto:

En una hora de trabajo sin interrupciones, se describe una capacidad máxima de:

Entonces de la siguiente expresión se tiene:

Donde:

Paso del transportador

Reemplazo:

Para el caso de inclinación como no será material transportado con ángulo de inclinación este factor lo tomamos como 1. Se resuelve:

Se despeja la incógnita, velocidad requerida:

Es el valor de la velocidad mínima para transportar la capacidad máxima requerida; el aproximado en valores comerciales es de 1200 rpm.

4.2.4.4.

Potencia total requerida La potencia total para el transporte del material encontrado en la tolva de almacenamiento hasta la bolsa valvulada se hace a través de la suma de otras potencias previstas tales como: potencia al vacío, potencia en inclinación y potencia requerida en superficies planas. Para saber con certeza el trabajo por unidad de tiempo necesario se necesitan tener en cuenta otros factores adicionales como se muestran a continuación:

Entonces:

Donde:

Para el cálculo de estas potencias en necesario saber los factores requeridos y tabulados en la sección H del catálogo de Martin Screw Conveyor.

Convenciones al sistema de unidades inglés:

Ahora para determinar el factor de sobrecarga sugerido para motores debajo de 4,5 Hp este caso, se halla el factor de sobre carga. Entonces:

La potencia requerida para transportar esa capacidad de material desde de la tolva de almacenamiento a la boquilla de salida y con ese rata de llenado, es de 1.0123 Hp. Para determinar el torque empleado: Se sabe que:

Conversión:

4.2.5. Transmisión de potencia Se realiza el cálculo necesario para la transmisión de potencia, con el fin de generar en el tornillo la fuerza necesaria para poder trasportar el material a la boquilla de dosificación. Se emplea una transmisión por polea y banda. La polea es uno de los transmisores de potencias más conocidos por la gran facilidad de montaje, economía, y gran implementación en el campo industrial, adicionalmente su eficiencia para tales efectos es buena ya que no se requiere una transmisión de gran envergadura.

4.2.5.1.

Cálculo y selección de poleas y bandas El objetivo de calcular la trasmisión por bandas y poleas es la obtención de los parámetros geométricos básicos como: diámetros de las poleas, distancias entre centros de poleas, longitudes normalizadas de la banda, tipos de sección y cantidad de bandas a emplear. Se presenta la necesidad de utilizar un motor de condiciones mayores a las requeridas, los cálculos expresados para la selección de las bandas se hará con este valor así garantizando un desempeño mayor de ser necesario.   

Motor electrico, trifasico de corriente alterna. Potencia requerida, 2 HP a 1800 rpm. Aplicacion: Transportar material cemento mortero a través de una boquilla.

𝑖𝑛

Relación de reducción 𝑈 𝑜𝑢𝑡, debe ser 1.5

ILUSTRACIÓN 26 ESQUEMA POLEA POR TRANSMISIÓN ABIERTA

Para el diseño y escogencia de las bandas se prevé un factor de servicio donde se describe el tipo de carga que se va a mover Ligera, Normal, pesada, muy pesada con relación a la máquina en cantidad de horas de trabajo/ día. El factor de servicio previsto para un motor síncrono trifásico, a una relación de trabajo máxima de 8 horas de trabajo / día, y una carga de operación ligera es de 1.0. Un diámetro mínimo en la polea trasportadora no debe ser inferior a ≈ 76 𝑚𝑚 La relación existente entre los diámetros de las poleas está dada por la siguiente expresión:

Donde:

Reemplazando:

La velocidad máxima de la banda está dada por la siguiente expresión:

Donde:

La distancia entre centros de las poleas debe ser planteada tal que no sea ni muy corta ni muy larga para que existan choques entre sí. Estas consideraciones están planteadas en la norma alemana DIN 7753, que recomienda:

Donde:

Entonces se establece una distancia tentativa de 0.4 m que por dimensiones de trabajo en la maquina parece ser una buena distancia.

Una vez elegida la distancia tentativa entre centros (0.4 m), puede ser calculada la longitud de banda correspondiente a través de la siguiente expresión:

El perímetro interior de la banda es igual a la siguiente expresión:

El aumento de longitud de banda se plantea en la Tabla 12 Aumento de longitud de banda TABLA 12 AUMENTO DE LONGITUD DE BANDA

En la Tabla 13 Tamaño estandarizado para cada sección correspondiente se selecciona el tamaño inmediatamente menor al que nos indicó el cálculo; indicando que comercialmente es una banda trapezoidal de sección A 42.

TABLA 13 TAMAÑO ESTANDARIZADO PARA CADA SECCIÓN CORRESPONDIENTE

Para la potencia nominal en las bandas:

Donde los coeficientes c1, c2, c3, c4 los obtenemos de la Tabla 14 Factores cálculo de potencia

TABLA 14 FACTORES CÁLCULO DE POTENCIA

La potencia real vendrá dada por:

En resumen, los datos para las poleas y bandas son:

TABLA 15 CÁLCULOS BANDAS Y POLEAS

4.2.5.2.

Diseño de ejes Se diseña este elemento con el fin de prever posibles daños en el transportador por sobrecarga de trabajo; este diseño se basa en el análisis de fallos por carga estática y por fatiga, así dando un estimado del diámetro mínimo que debe considerarse para la construcción de este.

ILUSTRACIÓN 27 DIAGRAMA DE FUERZAS EN EL PLANO XY

ILUSTRACIÓN 28 DIAGRAMA FUERZA CORTANTE XY

ILUSTRACIÓN 29 DIAGRAMA MOMENTOS XY

ILUSTRACIÓN 30 DIAGRAMA FUERZAS PLANO XZ La fuerza ejercida por el peso del material contenido:

Fuerza ejercida por la presión vertical:

ILUSTRACIÓN 31 DIAGRAMA CORTANTE XZ

ILUSTRACIÓN 32 DIAGRAMA MOMENTO XZ Para analizar los valores por carga estática.

Para un acero AISI 1040 se tiene:

Torque máximo de entrega al sistema:

Donde:

ILUSTRACIÓN 33 ESQUEMA DIÁMETROS REQUERIDOS

4.2.6. Selección de rodamientos y soportes Para la selección de los rodamientos se tienen en cuenta los esfuerzos sufridos por causa de las fuerzas axiales y radiales en cada uno de los rodamientos. Del catálogo de SKF para selección de rodamientos, se toman los parámetros de verificación para rodamientos. Se debe tomar en cuenta tanto la fuerza axial como la fuerza radial en los rodamientos 1 y 2.

Vida útil de trabajo de trabajo; se diseña el cambio de total de rodamientos para la ensacadora en un tiempo de 5 años a 8 horas diarias de trabajo

Donde:

La obtención de este resultado se calculó mediante la ayuda de graficas descritas por los fabricantes, donde se establece la duración nominal de trabajo en horas y las rpm de operación. Por medio de una interpolación lineal se halla el valor correspondiente a 14400 en 1200 rpm.

Donde: Entonces para el rodamiento 1:

Se escoge un factor de seguridad 𝑆𝑜 = 2,5 Entonces:

Como Fax debe ser <0.5Co entonces se procede ya que dio paso a la continuidad a la selección.

Se halla el índice de rodamiento por medio de tabla con la relación TABLA 16 TABLA DE RODAMIENTOS

𝐹𝑎𝑥 𝐶𝑜

De la Tabla 16 Tabla de rodamientos escogemos los factores axiales y radiales del rodamiento;

Entonces:

La carga dinámica equivalente del rodamiento está dada por:

Entonces para rodamiento 1:

Entonces para rodamiento 2:

ILUSTRACIÓN 34 RODAMIENTOS SKF Del diseño anterior se concluye que los rodamientos tienen una carga radial y axial baja y por ello se pueden utilizar rodamientos rígidos de bolas a una hilera, un limitante para este tipo de selección es el ambiente donde se va efectuar el trabajo del rodamiento, para el caso del cemento mortero se considera un ambiente de trabajo abrasivo, el proveedor recomienda mejorar el diseño con una selección del soporte del rodamiento. Para la selección del soporte del rodamiento se tienen los parámetros a considerar: 

Protección a la abrasividad.

  

Soporte Rígido horizontal. Acogimiento completo del rodamiento, Fácil instalación y mantenimiento.

4.2.7. Soporte estructura Es el elemento mecánico en el cual se van a soportar los componentes rígidos y móviles de la máquina, con el fin de consolidar en un solo elemento los componentes de la misma.

4.2.7.1.

Dimensiones de la estructura La estructura se dimensiono a partir del potencial de trabajo que tiene una persona según la posición y lugar de trabajo; en base en esta consideración las dimensiones correspondientes a la estructura tienen el fin de brindar un mejor desempeño en el operario que pondrá y retirará la bolsa llena de 25 kilogramos de producto. El rango de operación adecuado para una persona de estatura promedio, es de [700mm a 900mm]; donde se puede ejercer desde levantamiento de elementos pesados, hasta realizar movimientos de rapidez y gran amplitud. La mesa soporte de la ensacadora tendrá las siguientes dimensiones:

ILUSTRACIÓN 35 DIMENSIONES DE LA ESTRUCTURA

4.2.7.2.

Cálculo de perfiles para la estructura Para la construcción de la estructura es necesario saber qué tipo de perfil y material se va a utilizar, estos deberán soportar las cargas estáticas ejercidas por

los pesos de los componentes, por consiguiente se debe evaluar la flexión ejercida por las cargas estáticas y así determinar el grado de deflexión en los perfiles ofrecidos; corroborando la aceptación rechazo de dichos materiales. La aceptación de estos materiales se hace con respecto a la carga crítica que deberá soportar. Soporte de la tolva y salida prismática Esta estructura estará soportada en cuatro perfiles; la empresa ofrece el perfil de acero estructural ASTM- A36, a continuación se hará la verificación para determinar si es avalado en el punto más crítico que corresponde al centro de longitud dada, en este punto se analizara la deflexión generada por el peso del conjunto de la tolva, salida prismática, y capacidad máxima de trabajo (peso del material 300 kg).

ILUSTRACIÓN 36 FUERZAS Y DIMENSIONES DEL PERFIL Para lo cual las reacciones de los puntos A y B son iguales:

Por lo que se podría suponer que:

ILUSTRACIÓN 37 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE VIGA SOPORTE

Donde P es la fuerza aplicada. Entonces se plantea la ecuación de curva elástica de la siguiente manera donde se integra dos veces con respecto a x:

Se halla las constantes de integración cuando:

La viga en el punto más crítico y con la mayor carga posible tiene una deflexión de 0.91 mm deflexión permisible para esta aplicación los resultados para el material en calidad de soporte vertical demuestra que el límite de carga para que llegase a ver un pandeo en este material por el método de pandeo de Euler, es igual a 218.9 kN carga mucho mayor a la soportada en la operación estructural de la mesa de la ensacadora.

4.3. Motor El motor es el elemento encargado de la generación motriz, cumpliendo la función de girar el tornillo sinfín a través del eje transmisor, así transportando el material para su dosificación en la bolsa valvulada La potencia mínima necesaria para transportar el material es de 1.0123 HP ≈754.87 watts; a una velocidad mínima de 1174,17 rpm. Se adquiriere un motor de mayor capacidad, comprando así un motor de las siguientes condiciones:   

Motor Trifasico Alimentacion electrica de 220 v a 60 Hz. 2 Hp de potencia.

 

A 1750 rpm. Marca Nord. Anexo 2 Características del motor

Dicho motor cumple con las especificaciones mínimas de diseño para el funcionamiento del tornillo sinfín.

ILUSTRACIÓN 38 MOTOR

5. Operación de la Máquina. La ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada tiene como inicio en su operación de llenado el acopio de material en la tolva de almacenamiento labor que debe hacer el operario siguiendo los requerimiento de seguridad pertinentes, entre las cuales se denota el no introducir ningún elemento ajeno al del producto almacenar, adicionalmente si en el interior de la tolva se encuentra algún elemento extraño se debe retirar; una vez que el operario halla almacenado el material a trabajar procede a dar inicio con el encendido de la máquina, recordando que se tiene dos elementos a verificar el totalizador, y el selector de encendido y apagado de la máquina, con la máquina encendida se selecciona manualmente el peso previsto para el empaque por medio del selector de peso, ahora ya seleccionado el peso, el operario deberá posicionar la bolsa valvulada en la boquilla de dosificación sobre la canoa de peso y de manera tal que la boquilla se introduzca en la válvula de la bolsa, asegurando que la bolsa se encuentra en posición para el llenado se procede a dar inicio al proceso por medio del pulsador de inicio, este proceso de llenado y paro de la máquina se hace de manera autónoma dando finalizando en el momento en que el peso del material empacado en la bolsa llegue al peso establecido con anterioridad en el mando; una vez que la máquina llegue al peso pre establecido se detendrá y el operario deberá retirar la bolsa llena del producto, para una nueva rutina se deberá colocar una bolsa nueva para un posterior llenado.

ILUSTRACIÓN 39 SECUENCIA DE PASOS PARA OPERAR EMPACADORA

6. Conclusiones y Recomendaciones 









Aunque en el diseño de los elementos mecánicos se toman en cuenta todos los cálculos necesarios, normas y códigos establecidos; al momento de la construcción y llevar a cabo la puesta en marcha del proyecto, las medidas de las distintas piezas variarán para acoplarse al correcto funcionamiento de la máquina. La parte más difícil de la realización de un proyecto se encuentra en la parte de diseño ya que intervienen una gran cantidad de factores que intervienen como un limitante a las posibilidades de dar solución a algún problema en especial. Para poder completar la realización de este proyecto, es necesaria la implementación de la parte eléctrica del mismo, pues requiere de un motor que cumpla con las características entregadas o solicitadas. Las máquinas empacadoras son una gran solución al empacado de distintos materiales u objetos para una empresa, y el diseño propio de una, genera un posible ahorro para dicha empresa, pues se enfoca directamente en su propio producto a fabricar, así como también las limitaciones impuestas por sí mismos. La utilización de una bolsa valvulada se convierte en una gran ventaja sobre las bolsas comunes pues esta está constituida de manera eficiente para que el llenado sea más rápido debido a su válvula de apertura y un mejor y eficiente





estibado del producto empacado; adicionalmente la elaboración en este tipo de materiales da una mejor presentación del producto empacado. La realización de este proyecto demuestra la importancia y concatenación que tienen las materias previamente vistas durante la carrera, pues la resistencia de materiales se aplica principalmente en los criterios de diseño para asegurarse que las piezas trabajen adecuadamente al inicio y a lo largo de sus funciones. Esta máquina podría mejorarse aún más para un futuro proyecto, al tratar de automatizarle y eliminar así la necesidad de un operario que se encuentre rellenando la tolva y realizando el limpiado de agentes externos al cemento mortero.

7. Bibliografía    

    

BEER, Ferdinand, JOHNSTON, Russell. Mecánica de materiales. cuarta edición, Mc Graw Hill. México, 2007 BUDYNAS, Richard, NISBETT, j. keith Diseño en ingeniería mecánica de shigley. Octava edición. 2006 CHARLES, Lipson PH. D. Importancia del desgaste en el diseño, Facultad de ingeniería mecánica, Universidad de Michigan, EEUU GONZÁLEZ REY, Gonzalo. Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Edición elaborada para la asignatura Componentes Mecánicos de la maestría de diseño mecánico, Facultad de ingeniería Mecánica, (ISPJAE) Instituto Superior técnico, José A Echeverría, La Habana Cuba, 1999. MANUAL OF STEEL CONSTRUCTION, LOAD AN RESISTANCE FACTOR DESING. Volumen 1. segunda edición. EEUU, 1994 MOTT, Robert L. Diseño de Elementos de Máquinas. Cuarta edición, México, 2006. PYTEL, Andrew, SINGER, Ferdinand. Resistencia de materiales, traducción de la cuarta edición en inglés. México, 1994 SCREW, Martin conveyor, Stock y MTO Screw Conveyor Components, Catálogo 1, Secion H. SHIGLEY, Joseph. Diseño en ingeniería mecánica. Cuarta edición. Mexico, 1985.

8. Anexos

ANEXO 1 PROPIEDADES DEL ACERO A36

ANEXO 2 CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR

ANEXO 3 PARTES DE LA MÁQUINA

ANEXO 4 DIMENSIONES ESTÁNDAR DE UN MOTOR

ANEXO 5 DIÁMETROS EN TUBERÍA DE ACERO INOXIDABLE

ANEXO 6 PROPIEDADES DE ALGUNOS MATERIALES