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INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ELEVADOR

PARA VEHÍCULOS DE HASTA TRES TONELADAS A

PARTIR DE MATERIAL RECICLADO PROVISTO

POR LA EMPRESA PETROBELL INC. OPERADORA

EN EL CAMPO TIGÜINO”

AUTOR: EDWIN MORALES

DIRECTOR: ING. FÉLIX MANJARRÉS

CODIRECTOR: ING. RAMIRO SANTILLÁN.

ELEVADOR DE

VEHÍCULOS

FIABLE

ERGONÓMICO

VERSATIL

SEGURO

CASA DE LA CALIDAD

FICHA TÉCNICA

Empresa cliente:

Petrobell Inc Grantmining S.A.

Producto:

Elevador mecánico de

vehículos con una

capacidad de hasta 3.0

toneladas.

Fecha inicio:

2013-09-15

Página 1

ESPECIFICACIÓNES

Concepto Fecha Propone R/D Descripción

Función

2013

-09-1

5 C R

Elevar un vehículo

para realizar su

mantenimiento

C R

Incorporar un sistema

de seguridad manual

con trabas.

Dimensiones

2013-0

9-1

5

C+I

R Altura máxima de elevación

1800mm.

I

R

Distancia máxima entre ejes

3085mm.

C+I

R

Ancho máximo del vehículo

1760mm.

C+I

R

Distancia mínima entre ejes

2750mm.

C+I

R

Ancho mínimo del vehículo

1760mm.

Potencia

2013-0

9-1

5

I R Capacidad máxima de

elevación 3.0 toneladas.

Energía

2013-0

9-1

5

I R Banco de baterías, CC

12V/24V.

Control

2013

-09-1

5

I D Control ascenso/descenso.

I D Instalaciones eléctricas y de

carga.

Seguridad

2013-0

9-1

5

I R El factor de seguridad debe

ser igual o mayor a 1.

Ubicación

013

-09-1

5

C R Altura 8m, profundidad 10m,

ancho 4m.

ANALISIS FUNCIONAL

OPERACIÓN PRINCIPAL

OPERACIÓN PRINCIPAL OPERACIÓN PRINCIPAL

• Puesta en marcha del elevador

sin carga.

• Mantenimiento preventivo de

los componentes del elevador.

• Bloqueo del sistema principal

de potencia.

• Caídas de carga y posibles

impedimentos en el mecanismo

del elevador.

MODULACIÓN

SOLUCIÓN A LOS MÓDULOS

SELECCIÓN

Sistema de

Potencia. Mecánico.

Sistema

estructural.

Sistema de dos

columnas.

Sistema de

seguridad. Manual con trabas.

DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO

CAPACIDAD MÁXIMA DE ELEVACIÓN 3 Toneladas

CARRERA 1800 mm

DISTANCIA ENTRE EJES DEL VEHÍCULO 3085mm

ANCHO MÁXIMO DEL VEHÍCULO 1760mm

DISTANCIA MÍNIMA ENTRE RUEDAS. 1510mm

MODELACIÓN Y ANÁLISIS

PRELIMINAR

PROTOTIPOS

PROTOTIPOS

GENERACIÓN DE CARGAS

CONDICIONES DE EQUILIBRIO

• Distribución del peso vehicular.

𝑤𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 = 𝑚𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒ℎí𝑐𝑢𝑙𝑜 ∗ 𝑔

𝑤𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 = 2690 𝑘𝑔 9,81 𝑚𝑠2

𝑤𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 = 26,389 𝐾𝑁

• El peso vehicular se divide entre las dos columnas

principales de la estructura.

𝑤𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 = 𝑤𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟2

𝑤𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 = 26388,9 𝑁

2

𝑤𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 = 13,19 𝐾𝑁

• El peso que soporta cada columna se distribuye en el

sistema de polipasto entre el punto fijo y la polea

ubicada en la parte superior de la viga central.

𝑊𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑗𝑜 = 𝑊𝑝𝑜𝑙𝑒𝑎 =𝑤𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙

2

𝑊𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑗𝑜 =13194,45 𝑁

2

𝑊𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑗𝑜 = 6,6 𝐾𝑁

• Factor de carga porcentual del 20% (1,4 𝐾𝑁) ,

obteniendo un valor final para el análisis estructural de

8 𝐾𝑁.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

Componente Designación del

material

Grado,

producto o

geometría

Resistencia a la tensión Resistencia de fluencia

(ksi) (MPa) (Ksi) (MPa)

Estructura del elevador Tubing API Tubería grado

N80 100 690 80 552

Brazos y carro

deslizable Tubing API

Tubería grado

N80 100 690 80 552

Soportes de brazos,

placas base, soportes

de pastecas.

ASTM A36 Plancha 58 400 36 250

DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN CRÍTICA

Viga central

Columna principal

ANÁLISIS EN LA VIGA CENTRAL

VERIFICACIÓN DE RESULTADOS

Dimensiones Longitud Material Límite de

fluencia

Factor de

esbeltez

∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚

𝑒 = 6.35 𝑚𝑚

2600 𝑚𝑚 API-N80 552 MPa 87.237

VERIFICACIÓN DE RESULTADOS

Dimensiones Longitud Material Límite de fluencia Factor de

esbeltez

∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚

𝑒 = 6.35 𝑚𝑚

2600 𝑚𝑚 ASTM A-36 250 MPa 76.14

TABULACIÓN DE RESULTADOS

Material

existente en

la empresa.

Material

común en la

manufactura.

ANÁLISIS EN LA COLUMNA PRINCIPAL

VERIFICACIÓN DE RESULTADOS

Dimensiones Longitud Material Límite de

fluencia

Factor de

esbeltez

∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚

𝑒 = 6.35 𝑚𝑚

3400 𝑚𝑚 API-N80 552 MPa 114.079

ANÁLISIS EN LA VIGA DE APOYO

VERIFICACIÓN DE RESULTADOS

Dimensiones Longitud Material Límite de

fluencia

Factor de

esbeltez

∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚

𝑒 = 6.35 𝑚𝑚

3270 𝑚𝑚 API-N80 552 MPa 109.703

ANÁLISIS EN LA COLUMNA POSTERIOR

VERIFICACIÓN DE RESULTADOS

Dimensiones Longitud Material Límite de

fluencia

Factor de

esbeltez

∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚

𝑒 = 6.35 𝑚𝑚

3400 𝑚𝑚 API-N80 552 MPa 99.568

DESARROLLO DE ANÁLISIS POR

ELEMENTOS FINITOS

Parámetros de distribución Masa Peso

Masa bruta del Vehículo. 2690 kg 26388,9 N

Para una columna. 1345 kg 13194,45 N

Para un brazo frontal. 807 kg 7916,67 N

Para un brazo posterior. 538 kg 5277,78 N

DISTRIBUCIÓN DE MASA/PESO

BRAZO FRONTAL DEL ELEVADOR

• Longitud 800mm.

• (F) puntual aplicada de 7916 N

𝐹 = 𝑅𝑦 = 7916 𝑁

𝐹𝑦 = 0

𝑀 − 𝐹 ∗ 𝑑 = 0

𝑀 = 0

𝑀 = 6332.8 𝑁.𝑚

RESULTADO ANÁLISIS ESTÁTICO

Parámetro

Esfuerzo

principal

máximo

Deformación

Total

Factor de

seguridad

Mínimo -12,206 MPa 0. mm 1,86

Máximo 70,388 MPa 0.0889 mm 15

BRAZO POSTERIOR DEL ELEVADOR

• Longitud de extensión 1200mm.

• El valor de la fuerza (F) puntual aplicada es de 5277.78 N

𝐹𝑦 = 0 𝑀 = 0

𝐹 = 𝑅𝑦 = 5277,78 𝑁

𝑀 = 6333,34 𝑁.𝑚

𝑀 − 𝐹 ∗ 𝑑 = 0

RESULTADO ANÁLISIS ESTÁTICO

Parámetro

Esfuerzo

principal

máximo

Deformación

Total

Factor de

seguridad

Mínimo -8,6831 MPa 0. mm 2,43

Máximo 45,162 MPa 0,1047 mm 15

CONJUNTO CARRO-SOPORTE

DISTRIBUCIÓN DE CARGAS

UBICACIÓN FUERZA MOMENTO

Empotramiento

Brazo Frontal N/A 6332.8 N.m

Empotramiento

Brazo Posterior N/A 6333.34 N.m

Elemento de Izaje 13194.45 N N/A

RESULTADO ANÁLISIS ESTÁTICO

Parámetro

Esfuerzo

principal

máximo

Deformación

Total

Factor de

seguridad

Mínimo -5,6905 MPa 0. mm 1,17

Máximo 75,757 MPa 0,0617 mm 15

PLACA BASE

𝐹𝑦 = 36 𝑘𝑠𝑖 = 250 𝑀𝑝𝑎

𝑚 = 1345 𝑘𝑔

𝑓𝑐" = 3 𝑘𝑠𝑖 = 20,68 𝑀𝑝𝑎

𝑑 = 3.5 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 = 0,0889 𝑚

𝑏𝑓 = 3.5 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 = 0,0889 𝑚

𝑁 = 0,4 𝑚

𝐵 = 0,3 𝑚

CÁLCULO DE LOS FACTORES GEOMETRICOS

𝑚 = 𝑁 − 0,95𝑑

2 𝑚 = 0,16𝑚

𝑛 = 𝐵 − 0,8𝑏𝑓

2 𝑛 = 0,11 𝑚

𝑋 = 4 𝑑 𝑏𝑓

(𝑑 + 𝑏𝑓)2 𝑋 = 1 λ = 1

𝜆𝑛" = 1 𝑑𝑏𝑓

4

𝜆𝑛" = 0,0222 𝑚

𝓁 = 𝑚á𝑥 𝑚, 𝑛, 𝜆𝑛" 𝓁 = 0,16𝑚

𝑡 = 𝓁2𝑃𝑢

0.9 𝐹𝑦 𝐵 𝑁

𝑡 = 5,48 𝑚𝑚

𝑃𝑢 = 𝑚 ∗ 𝑔 = 15833,34 𝑁

Factor de carga 1.2 (1614 kg.)

PERNOS DE ANCLAJE

𝑅𝑥 = 𝐹 = −1.328 𝑘𝑁

𝑴 = 𝟎

Fsd ∗ 3,4m = FB ∗ 0,032 + FB ∗ 0,032 + FA ∗ 0,268 + FA ∗ 0,268 + FA ∗ 0,268

Fsd = 𝑛 ∗ 𝐹

Fsd = 7.968 𝑘𝑁

𝐹𝐴 = 33.038 𝑘𝑁

𝐹𝐴 = 4𝐹𝐵

Condiciones:

Remplazando:

𝜎 =𝑃

𝐴 𝐴 = 146.84 𝑚𝑚2

SAE 4.6 es M 16x2 para el cual 𝐴 = 157 𝑚𝑚2.

CÁLCULO DE SOLDADURA

𝐹 = 7916(𝑁)

𝑀𝑓 = 0

𝑀𝑓 = 𝐹 × 𝑑

𝑀𝑓 = 6332.8𝑁𝑚

𝜎 =1.414 × 𝑀𝑓

𝑏 × 𝑑 × ℎ

𝜎 =8954.5792𝑁𝑚

5.0185 × 10−5 𝑚3

𝜎 = 178.43𝑀𝑃𝑎 𝑛 = 2.3

𝑛 =414 𝑀𝑃𝑎

178 𝑀𝑃𝑎

• Electrodo E7018

CÁLCULO DEL MOTOR ELECTRICO

𝑎 = −9.81𝑚𝑠2

𝑚𝑒𝑗𝑒 × 𝑎 = 𝑚𝑣 𝑔 + 𝑎 +𝑚𝑣 𝑔 + 𝑎

𝑉𝑓2 = 𝑉𝑜 + 2 × 𝑎 × 𝑑

𝑉𝑓 = 5.7𝑚𝑠

𝑊 = ∆𝐸𝑐 + ∆𝐸𝑝

𝑊 =1

2×𝑚 × 𝑉2 +

1

2×𝑚 × 𝑉2 +𝑚 × 𝑔 × ℎ +𝑚 × 𝑔 × ℎ

𝑊 = 78791,445 𝐽

𝑃 =𝑇

𝑡 𝑃 = 4.22 𝐻𝑝

MOTOR ELECTRICO

ESPECIFICACIONES

Capacidad 9000lb (4090kg)

Motor 5.5 HP

Transmisión 3-Faces planetarios

Reducción 235:1

Peso 85 lb (38kg)

Funcionamiento 12 V

SELECCIONAMIENTO DEL CABLE DE ACERO

DISTRIBUCIÓN MASA PESO

En cada columna 1345 kg 13.19 kN

En cada línea de cable 672.5 kg 6.6 kN

𝜎max 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑒𝑛𝑡𝑒 = 2 𝑇

𝐴𝑟𝑜𝑝𝑒

𝐴𝑟𝑜𝑝𝑒 = 0,366 𝑑𝑟2

𝜎max 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑒𝑛𝑡𝑒 = 2 6597 𝑁

0,366 𝑑𝑟2

𝜎max 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝜎𝑑

𝜎𝑑 =1379

5= 275.8 𝑀𝑃𝑎

𝑑𝑟 = 2𝑇

275.8𝑥106 0.366

𝑑𝑟 = 11,43 𝑚𝑚

Cable requerido es de ½ pulgada en 8x19 WS IPS

2 6597

0,366 𝑑𝑟2= 275.8𝑥106

ACCESORIOS PARA EL CABLE DE ACERO

MANUFACTURA, ENSAMBLAJE

Y MONTAJE

CURSOGRAMAS

N.- DE

OPERACIÓN OPERACIONES

1 Medición y trazado

2 Corte del material: por oxicorte

3 Limpieza de rebabas: cincel, amoladora o lima

4 Esmerilado

5 Nivelado

6 Grateado

7 Unión de partes (Soldadura)

8 Montaje

9 Taladrado

10 Doblado

SÍMBOLO SIGNIFICADO

Operación tecnológica

Inspección

Traslado o transporte

Almacenamiento

Espera

Desarrollo del Brazo-Soporte Desarrollo de la columna

Desarrollo de la viga Desarrollo de la camisa

Soportes de brazos Soporte de la unidad de potencia.

Desarrollo de soporte de pasteca Desarrollo de soporte de pasteca

BASES DEL ELEVADOR DE VEHÍCULOS

SOLDADURA DE LAS COLUMNAS PROSEMO SMAW

CONJUNTO DEL SOPORTE

VISTA PRELIMINAR DEL SOPORTE

PRUEBAS

CONCLUCIONES

• El diseño del elevador tiene su principio en la forma

estructural de un elevador de dos columnas

adicionándole una tercera en su parte posterior,

obteniendo una estructura triangular rígida, segura y

funcional.

• Se diseñó y construyó el sistema de elevación

fusionando la forma estructural de tres columnas

descrita anteriormente y un sistema de elevación que es

muy utilizado para el mantenimiento de pozos en el

ámbito petrolero denominado Workover

• Al realizar la simulación estructural en el software RISA,

con las cargas establecidas para el diseño, genero

resultados, de la relación de esbeltez acordes a los

parámetros establecidos para columnas y vigas bajo

normas LRDF.

• Se puede utilizar como material alternativo de

manufactura en la estructura triangular del elevador, el

acero ASTM A-36 al encontrarse dentro de los

parámetros de diseño para vigas y columnas de las

normas LRDF.

• El uso del acero ASTM A-36 en la manufactura de los

brazos del elevador, está restringido ya que presenta

fallas en la simulación con el software y no cumple con

un factor de seguridad mayor a uno.

• El diseño de forma triangular que posee el elevador

ofrece ergonomía al operario para realizar cualquier tipo

de mantenimiento sin ningún problema, ya que se ha

considerado los parámetros funcionales y estéticos en el

diseño del equipo.

RECOMENDACIONES

• Utilizar un software de diseño para obtener dimensiones

y resultados de análisis con elevada precisión y rapidez,

pudiendo modificar y efectuar cambios con facilidad.

• Realizar un biselado en forma de media luna en los

extremos de la tubería para una buena junta entre los

elementos estructurales que conforman la máquina.

• La construcción del elevador de vehículos debe

realizarse en un lugar adecuado con suficiente

ventilación y usando elementos de seguridad

denominado es EPP tales como: guantes, gafas,

mascarilla para evitar lesiones.

• Equilibrar el peso total del vehículo en forma adecuada

sobre los brazos del elevador de vehículos, para realizar

las tareas de trabajo en forma segura.

• Leer las normas de seguridad para un correcto

funcionamiento del elevador de vehículos, antes de

proceder a su operación evitando accidentes de trabajo.

• Se debe tener en cuenta la capacidad máxima de carga,

para evitar fallos en el momento de operar la máquina y

garantizar su vida útil.

GRACIAS

INGENIERÍA AUTOMOTRIZ