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Universidad autónoma de santo domingo (UASD)

Facultad de ingeniería y arquitectura

Escuela de electromecánica

Diseño de una

máquina de

compactación

hidráulica de cartón Proyecto de la asignatura:

Diseño de instalaciones mecánicas

Presenta:

Juan C. Román

Reymun A. Valdez Bocio

Santo Domingo, República Dominicana Abril 2012

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Resumen

Una compactadora es un equipo utilizado para el reciclaje de diferentes materiales o para el

mejor manejo de ese como el caso de compactadora de basura, dentro de los materiales a reciclar

tenemos papel ó cartón, plástico, latas de aluminio, chatarra, etc.. Existe dos tipos, están las de

axión hidráulica y de avión neumática asonadas por acción de un líquido y un gas

respectivamente.

Se ha diseñado una compactadora hidráulica con el fin de reciclar cartón, las especificaciones

para esto es que la paca llegue a pesar 400lbs y tenga un área de 30x48pulg, sometiéndose a una

presión de 3000psi, para esto se recurrió a la obtención de datos representativos del

comportamiento del cartón al ser comprimido. Se utilizó el software SolidWorks 2011 para hacer

un sólido o maqueta electrónica de la compactadora y analizarla en busca de fallas.

El resultado es una compactadora que cumple con las demandas establecidas y se seleccionó el

sistema hidráulico de forma que se pudiera compactar de 200 a 400lb.

El presente proyecto se estructuro tomando como guía la metodóloga propuesta en el texto el

proceso mecánico escrito por David G. Ullman

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Contenido

Resumen

1.0 Marco teórico

1.1 Principio de pascal

1.2 prensa hidráulica

1.3 Teoría de fallos

1.3.1 Teoría de la tensión tangencial máxima (Criterio de Tresca)

1.3.2 Teoría de la máxima energía de distorsión (Criterio de Von Mises)

1.3.3 Teoría del máximo esfuerzo normal

1.3.4 Criterio de falla de Mohr

2.0 Problema de diseño

2.1 planteamiento del problema

2.2 Definición de la necesidad

3.0 Objetivos

3.1 objetivo general

3.2 objetivos específicos

4.0 planificación del proyecto

4.1 Diagrama de GANTT

5.0 Definición y alcance del proyecto

5.1 Definición del proyecto

5.2 Alcance del proyecto

6.0 Detalles del proyecto

6.1 Funcionamiento del sistema

6.2 Prototipo y dimensionamiento

7.0 Desarrollo del proyecto

7.1 Materiales

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7.2 Procesos de manufactura a utilizar

8.0 Detalle de la documentación de diseño

8.1 comportamiento del cartón

8.2 Selección del cilindro hidráulico

8.3 Sistema hidráulico

8.3.1 Velocidad y caudal del aceite

8.3.2 Potencia del motor eléctrico

8.3.3 Tanque

8.4 factor de seguridad (FOS) de la compactadora

8.5 Análisis de cargas

8.5.1 carga sobre el piso de la cámara de compactación

8.5.2 Carga sobre las paredes laterales

8.5.3 Cargas sobre la prensa

8.5.4 cargas sobre la puerta

8.5.5 cargas sobre la base de la compactadora

8.5.6 resumen de cargas y distribución del FOS

9.0 costos

9.1 Lista de materiales

Conclusión

Anexos

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1.0 Marco teórico

1.1 Principio de pascal

En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático

francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: la presión ejercida por un fluido

incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con

igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.1

El principio de Pascal puede ser interpretado como una consecuencia de la ecuación fundamental

de la hidrostática y del carácter altamente incompresible de los líquidos. En esta clase

de fluidos la densidad es prácticamente constante, de modo que de acuerdo con la ecuación:

Donde:

, presión total a la profundidad.

, presión sobre la superficie libre del fluido.

, densidad del fluido.

, aceleración de la gravedad.

h, Altura, medida en Metros.

La presión se define como la fuerza ejercida sobre unidad de área p = F/A. De este modo

obtenemos la ecuación: F1/A1 = F2/A2, entendiéndose a F1 como la fuerza en el primer pistón y

A1 como el área de este último. Realizando despejes sobre esta ecuación básica podemos obtener

los resultados deseados en la resolución de un problema de física de este orden.

Si se aumenta la presión sobre la superficie libre, por ejemplo, la presión total en el fondo ha de

aumentar en la misma medida, ya que el término ρgh no varía al no hacerlo la presión total. Si el

fluido no fuera incompresible, su densidad respondería a los cambios de presión y el principio de

Pascal no podría cumplirse. Por otra parte, si las paredes del recipiente no fuesen indeformables,

las variaciones en la presión en el seno del líquido no podrían transmitirse siguiendo este

principio.

1.2 prensa hidráulica

La prensa hidráulica es una máquina compleja que permite amplificar la intensidad de las fuerzas

y constituye el fundamento de elevadores, prensas, frenos y muchos otros dispositivos

hidráulicos de maquinaria industrial.

La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un

dispositivo que permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de

diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido

que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en

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cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el

émbolo de menor sección S1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en

contacto con él se transmite íntegramente y de forma casi instantánea a todo el resto del líquido.

Por el principio de Pascal esta presión será igual a la presión p2 que ejerce el fluido en la

secciónS2, es decir:

con lo que las fuerzas serán, siendo, S1 < S2 :

y por tanto, la relación entre la fuerza resultante en el émbolo grande cuando se aplica una fuerza

menor en el émbolo pequeño será tanto mayor cuanto mayor sea la relación entre las secciones:

1.3 Teorías de fallo

Se conocen como teorías de fallo/a o criterios de fallo/a a los criterios usados para determinar los

esfuerzos estáticos permisibles en estructuras o componentes de máquinas. Se utilizan diversas

formulaciones, dependiendo del tipo de material que se utiliza.

1.3.1 Teoría de la tensión tangencial máxima (Criterio de Tresca)

Esta teoría para materiales dúctiles fue propuesta por Henri Tresca, bajo este criterio una pieza

resistente o elemento estructural falla cuando en alguno de sus puntos sucede que:

Siendo:

, la tensión de límite elástico del material de la pieza.

, la tensión cortante máxima del punto considerado.

, la mayor y la menor tensión principal en el punto considerado.

1.3.2 Teoría de la máxima energía de distorsión (Criterio de Von Mises)

Este criterio puede considerarse un refinamiento del criterio de Tresca. El criterio de la máxima

energía de distorsión fue formulado primeramente por Maxwell en 18651 y más tarde también

mencionado por Huber2 (1904). Sin embargo, fue con el trabajo de Richard Edler von

Mises (1913) que el criterio alcanzó notoriedad, a veces se conoce a esta teoría de fallo elástico

basada en la tensión de Von Mises como teoría de Maxwell-Huber-Hencky-von Mises. La

expresión propuesta por Von Mises y Hencky, de acuerdo con este criterio una pieza resistente o

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elemento estructural falla cuando en alguno de sus puntos la energía de distorsión por unidad de

volumen rebasa un cierto umbral:

En términos de tensiones este criterio puede escribirse sencillamente en términos de la

llamada tensión de von Mises como:

Donde:

, son las tensiones principales en el punto considerado.

1.3.3 Teoría del máximo esfuerzo normal

Propuesta por Rankine, bajo este criterio un material frágil fallará si en alguno de sus puntos

sucede que:

1.3.4 Criterio de falla de Mohr

En laboratorio una muestra del material se conforma como una viga en rotación a la cual se

aplica un momento flector puro, de forma que el esfuerzo varía de tensión máxima a compresión

máxima.

2.0 Problema de diseño

2.1 planteamiento del problema

El reciclaje es un fenómeno que cada vez percibimos mas importante, por la ayuda que esta le

hace al medio ambiente, ya que existen productos creados por el hombre que la naturaleza es

incapaz de degradar, en el caso de una botella plástica esta puede durar hasta 5 siglos

contaminando el ambiente antes de desintegrarse, la humanidad mediante el reciclaje puede

reutilizar estos productos, en el caso del cartón puede utilizarse para hacer papel.

2.2 Definición de la necesidad

Se necesita compactar cartón para obtener pacas de 200 a 400 lbs, de forma que manejar el

cartón y papel durante el reciclado sea más fácil y eficiente.

8 Objetivos

3.1 objetivo general

8

Diseñar una maquina compactadora hidráulica para cartón la cual pueda empacar 400lbs de

cartón a una presión de 3000psi.

3.2 objetivos específicos

Elaborar una maqueta electrónica de la compactadora

Determinar un intervalo de peso a compactar

Explicar el origen de las cargas que actúan sobre una compactadora.

4.0 planificación del proyecto

Para llevar a cabo este proyecto se optó por el uso del diagrama de Gantt el cual ofrece un

método práctico al momento de desarrollar cualquier proyecto.

4.1 Diagrama de GANTT

Diagrama de Gantt PROYECTO Compactadora hidráulica de cartón

UNIDAD DE TIEMPO DIAS

FECHA DE INICIO 4/6/2012

ACTIVIDAD NOMBRE DURACIÓN

ACTIVIDAD

PRECEDENTE INICIO FINALIZACIÓN

A Diseño 7 4/6/2012 4/12/2012

B Materiales 4 A 4/13/2012 4/16/2012

C Corte 2 B 4/17/2012 4/18/2012

D Soldadura 3 C 4/19/2012 4/21/2012

E Pintura 2 D 4/22/2012 4/23/2012

F Controles 2 B 4/17/2012 4/18/2012

G Ensamble 1 F 4/19/2012 4/19/2012

H Calidad 3 G 4/20/2012 4/22/2012

I Informe 1 H 4/23/2012 4/23/2012

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5.0 Definición y alcance del proyecto

5.1 Definición del proyecto

Una compactadora hidráulica se diseña a partir de las dimensiones de la paca y el material de

esta, para esto se requiere de la recolección de datos sobre el comportamiento ante una

compresión del material a ser compactado, en base a estos valores se obtienen parámetros que

acotan el diseño estructurar, luego se tiene la selección de los componentes hidráulicos( pistones,

mangueras, bomba, fluido, etc..) , una vez en este punto se requiere de la automatización de la

compactadora y por último determinar los costos de esta.

5.2 Alcance del proyecto

En un país en vías del desarrollo que cada vez se hace más consiente del daño asía el medio

ambiente es necesario este tipo de máquinas de reciclada que es una labor que bien podría

desarrollarse en cualquier parte del país.

2.0 Detalles del proyecto

6.1 Funcionamiento del sistema

El proceso es de llenar la compactadora hasta el retiro de la paca, este se muestra en el siguiente

diagrama.

inicia

Se cierra la puerta

Se inserta el cartón hasta el nivel de la

prensa

Se acciona el pistón

Punto inferior

200lbs Comprime

Se posiciona la cuerda

No

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Apagar motor

Se ata la paca

Se ata la cadena a la base de la recamara

El motor es accionado y sube el pistón

Punto

superior

Comprimir

más cartón

Se desactiva el motor

Termina el

proceso

Si

Si

No

Si

No

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6.2 Prototipo y dimensionamiento

Para el diseño se recurrió a la recopilación de fotos e imágenes del internet y se decidió por un

diseño compacto y efectivo, la mayoría de las compactadoras tienen un pistón colocado encima

de la cámara de compactación lo cual dificulta el transporte de la máquina y la bomba y el tanque

de aceite se encuentran a parte de la compactadora, una vez más se dificulta el traslado de esta.

En las figuras siguientes se muestra el prototipo, se podrá observar como el piso de la recámara

se levanta, las aperturas para amarrar la paca, los dientes en la puerta para impedir que se

deforme la paca y donde se colocan la bomba y el tanque.

7.0 Desarrollo del proyecto

7.1 Materiales

Se empleara el acero A42-27ES por sus características como son la dureza, soldabilidad además

de la disponibilidad en el mercado y el precio de este, en la tabla 1 se muestran las propiedades

mecánicas de este acero.

Tabla 7. 1

7.2 Procesos de manufactura a utilizar

En la tabla 8.1 se muestran los procesos utilizados junto con los instrumentos.

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Tabla 7.2

El alambre de aportación será indura 70s-6 de 1.2mm debido a le aporta resistencia a la

soldadura por su contenido de Mn.

8.0 Detalle de la documentación de diseño

8.1 comportamiento del cartón

El objetivo principal es compactar cartón, para saber cuánto se comprime el cartón necesitamos

conocer la reacción del cartón ante la compresión, se obtuvieron estos datos del trabajo calculo y

selección del equipo hidráulico para máquina de compactación de material reciclado del instituto

politécnico nacional de la escuela superior de ingeniería mecánica y eléctrica de México, los

datos arrojados se muestran en la tabla 8.1 junto con su equivalencia para 400lbs.

Cartón cantidad

Probeta kg 0.035 1

Fuerza max probeta N 32.373 1

Material compactado 180.1801802 5148.0051

Fuerza max compresión N 166656.3707 5148.0051

Fuerza max compresión

lbf 37464.35212

Volumen i m3 0.0009506 1

Volumen i m3 4.893693694 5148.0051

Volumen f m3 0.00028 1

Volumen f m3 1.441441441 5148.0051

Tabla 8.1

8.2 Selección del cilindro hidráulico

Por medio de la ecuación P=F/A obtendremos el área efectiva del cilindro del pistón, siendo P la

presión de diseño de 3000psi (20. 68 Mpa), en la tabla 8.2 se muestran los datos obtenidos;

Piston

Carrera max mm 1000

D mm 101.2851592

Area m2 0.008057151

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presión de la bomba psi 3000

presión de la bomba N/m2 20684280

Fuerza del piston N 166656.3707

Tabla8.2

Se supone que la carrera del pistón se determine restando la altura de la compactadora de la

altura de la paca pesada sin embargo esto no permite obtener pacas de 200 lbs por poner un

ejemplo, para esto se determinara una paca de peso mínimo de 200 lbs, un volumen final de

0.72mt2, y una área A igual al 30*48pulg (76.2x122cm) la altura será H=V/A,H=0.9m y a partir

de esta obtendremos la carrera del pistón con la ecuación;

Hc=Ht-H

Donde Ht; Altura de la compactadora

Hc=2mt-0.9mt=1.1mt

Se optó por seleccionar el cilindro DE30-50/1000 las especificaciones se muestran en el anexo

A, este es un cilindro de doble efecto. También se desidio el uso de dos pistones ambos con un

diámetro de 50 mm, de forma que la altura de la estructura sea la menor posible.

8.3 Sistema hidráulico

8.3.1 Velocidad y caudal del aceite

Para determinar la velocidad se estableció que en 15 segundos se compactaría una paca, siendo

esta Hc/t igual a 1m/min, esta velocidad es la misma que la velocidad del aceite bombeado por la

bomba cuyo caudal se obtiene de multiplicar la velocidad por el área efectiva del cilindro;

Q=VelxA

=4 mt3/min x 0.01mt2

= 0.04mt3/min=8 gpm

8.3.2 Potencia del motor eléctrico

Con este caudal se puede determinar la potencia del motor eléctrico, siendo esta;

P=0.0007xQxp

=0.0007x8gpmx3000psi

= 16.8 Hp

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En el anexo B se muestra un sistema estándar para la automatización de una compactadora.

8.3.3 Tanque

El volumen del tanque deberá ser tal que pueda suministrase tres veces el flujo demandado;

Vt= 3xQ

=3x8gpm

=24gpm

8.4 factor de seguridad (FOS) de la compactadora

Al analizar una compactadora lo primero que se percibe es que la presión debe ir sobre el piso de

la cámara de compactación, las paredes laterales de la cámara de compactación, la prensa y la

puerta, todo esto sobre una estructura donde también se apoyan los pistones. El factor de

seguridad se basó en la relación del esfuerzo de Von Mises y el límite de fluencia del acero fruto

del análisis de carga de los diferentes componentes.

8.5 Análisis de cargas

8.5.1 carga sobre el piso de la cámara de compactación

El cartón se apoya en esta ejerciendo una presión, luego la prensa la compacta, a medida que

esta se comprime la fuerza ejercida por los pistones es transferida al piso de la recamara, sin

embargo el peso de la prensa es soportada por la base de los pistones.

8.5.2 Carga sobre las paredes laterales

Debido a que el cartón es un sólido más aun cuando se está compactando se tiene que las

presiones sobre estas paredes son igual a la mitad de la presión sobre el piso de la cámara de

compactación, es decir la suma de las fuerzas entre el área de recepción del cartón.

8.5.3 Cargas sobre la prensa

La prense estará sometida a las mismas condiciones de carga que el piso de la compactadora, en

esta las cargas actúan sobre las paredes en contacto con el cartón, se toman como iguales las

cargas porque en el momento de que la paca termina de ser compactada es tan densa que las

presiones son las mismas.

8.5.4 cargas sobre la puerta

Esta estará sometida a la misma presión que las paredes laterales, y estará apoyada por un lado

de dos bisagras y del otro lado por un cierre de seguridad que la mantendrá cerrada.

8.5.5 cargas sobre la base de la compactadora

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Esta soporta toda la carga junto con el peso de los componentes.

8.5.6 resumen de cargas y distribución del FOS

En la tabla 8.3 se muestran las cargas en cada componente.

Cargas Magnitud

Peso del cartón kg 180.1801802

Fuerza del pistón N 166656.3707

Área de recepción m2 0.71904

Presión cartón-piso N/m2 164.9071405

Presión pistón-piso N/m2 234234.449

Presión Paredes laterales N/m2 117117.2245

Presión sobre la prensa N/m2 234234.449

Tabla 8.3

Se decidió mostrar la distribución del factor de seguridad debido a que resulta más

representativo, se obtuvo un FOS 1.67 como límite inferior, en el caso de la base se presentó un

FOS de 0.57 cuando la prensa se compacta hasta el límite pero es algo que se supera un

reforzamiento de las vigas. La distribución se muestra en el anexo C, las figuras 8.1 y 8.2

muestran la compactadora, aquí se puede ver la distribución de las vigas.

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Figura 8.1

Figura 8.2

En la figura 8.3, 8.4, 8.5 se muestran los dibujos de los componentes con las anotaciones de las

vigas.

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Figura 8.3

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Figura 8.4

Figura 8.5

La tabla 8.4 muestra las áreas de las láminas metálicas utilizadas en la compactadora.

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Área de las planchas metálicas mm2

Espesores pulg 1/4 ½ cantidad

Puerta 1050x1136 1

Paredes laterales 1830x365 4

Pared trasera 1775x252 4

Piso 1235x872 1

Piso base 1235x873 1

Compuerta 240x749 4

Compuerta base 1590x763 1

Gusset 315x196 6

Pedestal 1580x804 1

total mt^2 7.4629 5.202405

Tabla 8.4

9.0 Costos

9.1 Lista de materiales

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ANEXOS

ANEXO A

21

ANEXO B

22

ANEXO C

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