diseÑo de un sistema semiautomÁtico para pintar …
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1
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
DEPARTAMENTO DE TÉRMICA Y ENERGÉTICA
DISEÑO DE UN SISTEMA SEMIAUTOMÁTICO PARA PINTAR
PAREDES Y TECHOS DE DIFÍCIL ACCESO
CORONADO DEIXON C.I: 19.588.399
TORRES JOHN C.I: 19.000.464
Valencia, Enero del 2013
2
3
4
Índice general
Pág.
ÍNDICE GENERAL i
ÍNDICE DE FIGURAS vii
ÍNDICE DE TABLAS
xv
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO 1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema 3
1.2 Objetivos 6
1.3.1 Objetivo General 6
1.3.2 Objetivos Específicos 6
1.3 Justificación 6
1.4 Alcance 6
1.5 Limitaciones 7
1.7 Antecedentes 7
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
9
5
2.1 Bases Teóricas
2.1.1 Introducción, clasificación y funcionamiento de una bomba de
desplazamiento positivo.
9
2.1.2. Ecuación de Bernoulli 18
2.1.3 Comportamiento de las bombas de desplazamiento positivo 20
2.1.4 Potencia de una bomba de desplazamiento positivo 21
2.1.5 Rendimiento de una bomba de desplazamiento positivo 23
2.1.6 Accesorios para la limpieza de superficies 25
2.1.6.1 Pistola hidráulica 25
2.1.6.2 Boquillas de flujo sólido 25
2.1.7 Introducción, funcionamiento y clasificación de un compresor
2.1.8 Potencia teórica del compresor
2.1.9 Rendimiento del compresor
27
29
30
2.1.10 Compresión en etapas 33
2.1.11 Clasificación de los compresores alternativos por el número de
etapas
34
2.1.12 Procedimiento para la selección del compresor y accesorios del
sistema para pintar superficies
38
2.1.13 Método de análisis de elementos finitos (M.E.F) 42
2.1.14 Factor de seguridad en piezas mecánicas 45
2.1.15 Fuerza de empuje 46
2.1.16 Elementos principales de una central olehidáulica 47
2.1.17 Cálculo de la fuerza del pistón oleohidráulico 48
2.1.18 Depósitos o tanques oleohidráulicos 50
2.1.19 Bombas oleohidráulicas de pistones axiales 53
6
2.1.20 Filtros oleohidráulicos 54
2.1.21 Cilindros oleohidráulicos 56
2.1.22 Fijación de cilindros y vástagos oleohidráulicos 57
2.1.23 Manómetros para sistemas oleohidráulicos
CAPÍTULO 3
MARCO METODOLÓGICO
60
3.1 Nivel de la investigación 60
3.2 Tipo de investigación 60
3.3 Diseño de la investigación 60
FASE 1: Documentación. 60
FASE 2: Determinación de los valores de presión y caudal
requeridos para la limpieza y pintado de superficies.
61
FASE 3: Diseño de un sistema semiautomático para acondicionar
superficies.
63
FASE 4: Diseño de un sistema semiautomático para aplicar la
pintura sobre la superficie.
64
FASE 5: Diseño de un sistema semiautomático de acceso a la
superficie a acondicionar y pintar
66
FASE 6: Estimación de costos de la implementación del sistema
semiautomático para pintar paredes y techos.
68
CAPÍTULO 4
DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN
4.1 Determinación de los parámetros requeridos para la limpieza y pintado
69
7
de superficies. 56
4.1.1 Valores de los parámetros de los equipos utilizados para la
limpieza de superficies especificados por el fabricante
70
4.1.2 Ensayo para la obtención de los valores de los parámetros para la
limpieza de superficies
73
4.1.3 Selección de los valores de los parámetros requeridos para la
limpieza de superficies
84
4.1.4 Valores de los parámetros requeridos para el pintado de
superficies
86
4.2 Propuesta de diseño de un sistema semiautomático para acondicionar
superficies
87
4.2.1 Cálculo de la disponibilidad y potencia para la selección de la
bomba
89
4.3 Selección de los equipos para la limpieza de superficies 91
4.3.1 Bomba de desplazamiento positivo triplex seleccionada 91
4.3.2 Motor de combustión interna seleccionado 93
4.3.3 Accesorios para el sistema semiautomático para la limpieza de
superficies
100
4.4 Diseño de un sistema semiautomático para el pintado de superficies 106
4.4.1 Datos del compresor reciprocante seleccionado 106
4.4.2 Longitud de manguera neumática para el funcionamiento del
sistema de pintado de superficies
108
4.4.3 Selección de la pistola neumática para pintar superficies 111
4.5 Diseño de un sistema semiautomático de acceso a la superficie a
acondicionar y pintar
117
4.5.1 Diseño obtenido para el sistema semiautomático de acceso a la
superficie
118
8
4.5.2 Parte superior del sistema semiautomático de acceso a la
superficie
121
4.5.3 Cálculo de la fuerza necesaria para elevar la estructura. 124
4.5.4 Selección del pistón oleohidráulico para elevar la estructura 132
4.5.5 Selección de la bomba hidráulica del sistema. 136
4.5.6 Selección del filtro de aceite del sistema oleohidráulico. 139
4.5.7 diseño del tanque de aceite del sistema. 139
4.5.8 Diámetro de tubería. 141
4.5.9 Válvula de control.
144
4.5.10 Circuito oleohidráulico. 146
4.6.11 Cálculo de la estabilidad física del sistema.
147
4.6 Instalación del sistema semiautomático para limpiar paredes y techos 152
4.7 Material de diseño para el sistema semiautomático de acceso a la
superficie a limpiar y pintar
154
4.8 Consideraciones de diseño del sistema semiautomático de acceso a la
superficie a limpiar y pintar.
154
4.9 Análisis de elementos finitos del diseño del sistema semiautomático de
acceso para limpiar paredes y techos
155
4.9.1 Análisis de elementos finitos en el porta pistola neumática. 158
4.9.2 Análisis de elementos finitos en el porta pesas (parte del
ensamble 3).
162
4.9.3 Análisis de elementos finitos del ensamble 2. 165
4.9.4 Análisis de elementos finitos del ensamble 1. 168
4.9.5 Análisis de elementos finitos del ensamble 3. 171
4.9.6 Análisis de elementos finitos de la horquilla (pieza 2) 174
4.9.7 Análisis de elementos finitos de la parte superior del trípode
(pieza 3)
177
9
4.9.8 Análisis de elementos finitos de la 2da
parte superior del trípode
(pieza 3)
180
4.9.9 Análisis de elementos finitos del paral del trípode (pieza 4). 183
4.9.10 Análisis de elementos finitos de la base del trípode (pieza 5) 186
4.9.11 Análisis de elementos finitos de la polea de apoyo (pieza 6). 189
4.11 Estimación de costos de la implementación del sistema
semiautomático para pintar paredes y techos diseñado.
189
Conclusiones 194
Recomendaciones 196
Bibliografía 198
Apéndices
Apéndice A: Planos del diseño del sistema semiautomático para
limpiar y pintar paredes de difícil acceso 200
Apéndice B: Cálculo del peso de las pesas a un extremo del sistema
semiautomático de acceso a la superficie a limpiar y pintar. 202
Apéndice C: Figuras de otras superficies de fácil acceso limpiadas en
el ensayo 205
Anexos 210
Anexo I: Pérdidas en mangueras plásticas de alta presión, accesorios
para la limpieza de superficies, eficiencia mecánica recomendada junto
a ecuaciones de variables involucradas en el comportamiento de la
bomba de desplazamiento positivo triplex. Fabricantes de bombas
Catpumps (2012)
211
Anexo II: Catálogo de fabricantes de bombas Hawk seleccionada,
parámetros para el cálculo de potencia de accionamiento para el acople
de un motor de combustión interna a la bomba.
215
Anexo III: Catálogo de fabricantes de motores de combustión interna
Honda (2007) 219
Anexo IV: Catálogo de fabricantes de acoples flexibles RW Couplings
(2012) 220
Anexo V: Catálogo de las características técnicas de los fabricantes de
compresores SCHULZ (s.f)
222
10
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Vista frontal de la situación problemática, Naguanagua, Edo Carabobo. 5
Figura 1.2 Vista lateral de la situación problemática, Naguanagua, Edo Carabobo. 5
Figura 2.1. Principio de desplazamiento positivo. Mataix, C. (1986). 11
Figura 2.2 Las bombas rotoestáticas. Mataix, C. (1986). 13
Figura 2.3 Bomba de desplazamiento positivo triplex. Fabricantes CatPump (2012). 16
Figura 2.5 Proceso de admisión de agua y partes de la bomba desplazamiento positivo
triplex. Fabricantes UracaPump (2012)
16
Figura 2.6 Proceso de descarga de agua y partes de la bomba desplazamiento positivo
triplex. Fabricantes UracaPump (2012)
17
Figura 2.7. Curva característica teórica de la bomba de desplazamiento positivo. Diez
(2002).
20
Figura 2.8 Curva características real de la bomba de desplazamiento positivo. Diez
(2002).
20
Figura 2.9 Pistola hidráulica de accionamiento manual. Fabricantes Hawk (2012) 25
Figura 2.10 Boquilla flujo sólido. Fabricante Hawk (1012) 26
Figura 2.11 Boquillas con ángulo constate de rociado de 0° a 65° de alto impacto.
Fabricante Hawk (1012).
26
Figura 2.12 Boquillas con ángulo regulable de rociado de 0° a 65° de alto impacto.
Fabricante Hawk (1012).
26
Figura 2.13 Ángulo de rociado de agua. Fabricante Hawk (2012). 27
Figura 2.14 Esquema del funcionamiento de un compresor alternativo. Mataix, C.
(1986).
28
Figura 2.15 Esquema del funcionamiento de un compresor alternativo. Mataix, C.
(1968).
28
Figura 2.16 Pistón de simple efecto, Diez (2000) 35
Figura 2.17 Pistón de doble efecto, Diez (2000) 36
Figura 2.18 Pistón de etapas múltiples, Diez (2000). 36
Figura 2.19 Pistón diferencial, Diez (2000). 37
Figura 2.20 Ábaco de pérdidas en mangueras neumáticas de poliuretano. González
(2009)
42
Figura 2.21 Discretización del dominio con diferentes dominios. Taylor (2000) 43
11
Figura 2.22 Proceso de obtención de la solución mediante análisis de elementos finitos.
Rodenas (2005)
45
Figura 2.23. Elementos principales de una central oliohidraulica, Roldán (2007) 47
Figura 2.24. movimiento del pistón para lograr el levantamiento del sistema 48
Figura 2.25. Variación de la longitud de arco (ds) para un cambio en el tiempo
infinitesimal.
50
Figura 2.26. Niveles de aceite y paredes de depósito. Serrano (2002) 51
Figura 2.27. Detalles constructivos del tanque. Serrano (2002) 52
Figura 2.28. Control del nivel de aceite. Serrano (2002) 52
Figura 2.29. Bombas de pistones axiales. Serrano (2002) 53
Figura 2.30. Curva característica de las bombas de pistón. Serrano (2002 54
Figura 2.31. Esquema de funcionamiento de un filtro. Serrano (2002) 55
Figura 2.32. Relación entre la eficiencia y el tamaño de las partículas. (Fabricante Vickers).
55
Figura 3.33. Funcionamiento de un pistón de doble. 56
Figura 2.34. Partes principales de un cilindro hidráulico de doble efecto.
(Serrano, 2002)
57
Figura 2.35. Fijaciones de cilindros. Serrano (2002). 58
Figura 2.36. Cabezas de vástagos. Serrano (2002 59
Figura 2.37 Manómetro Dewit. (Fabricantes de manómetros Dewit) 59
Figura 3.1. Esquema de disposición de los equipos utilizados en un sistema para limpiar
superficies.
64
Figura 3.2. Equipos utilizados en un sistema para pintar superficies. 65
Figura 4.1 Equipo con bomba de desplazamiento positivo ensayada. 70
Figura 4.2 Motor de combustión interna Honda GX270, 270 . 71
Figura 4.3 Boquilla intercambiable de 15°, color amarillo. 72
Figura 4.4 Boquilla intercambiable de 35°, color blanco. 73
Figura 4.5 Manómetro con glicerina ubicado en la descarga de la bomba de
desplazamiento positivo triplex.
75
Figura 4.6 Limpieza de superficie llena de moho. 75
Figura 4.7 Acelerador del motor de combustión interna. Catálogo de motores de
combustión interna Honda, 2007.
76
Figura 4.8 Comportamiento Presión Vs Tiempo de limpieza de la superficie utilizando la
boquilla de 15°.
77
Figura 4.9 Comportamiento Presión Vs Caudal del equipo utilizando la boquilla de 15°. 78
12
Figura 4.10 Comportamiento Presión Vs Tiempo de limpieza de la superficie utilizando
la boquilla de 35°.
79
Figura 4.11 Comportamiento Presión Vs Caudal del equipo utilizando la boquilla de 35° 80
Figura 4.12. Limpieza en la zona frontal de un techo. 81
Figura 4.13 Zona lateral de un techo en estado de deterioro. 82
Figura 4.14. Zona lateral del techo preparada para el proceso de pintado. 82
Figura 4.15. Zona frontal de un techo en visible estado de deterioro (Moho). 83
Figura 4.16. Zona frontal de un techo después de haber realizado la limpieza. 83
Figura 4.17 Esquema de disposición de los equipos utilizados en un sistema para limpiar
superficies.
88
Figura 4.18 Partes principales del tanque de reservorio ubicado en la succión de la
bomba. Fabricante CatPumps (2012)
89
Figura 4.19 Vista de perfil del arreglo de manguera para limpiar o superficies. 91
Figura 4.20 Bomba de desplazamiento positivo seleccionada. Fabricante Hawk
PS305GL (2012).
93
Figura 4.21 Motor de combustión interna seleccionado, Honda GX270. Fabricante de
motores de combustión Honda (2007).
PS305GL (2012).
95
Figura 4.22 Comportamiento del motor Honda GX270 bajo velocidad variable.
Fabricante Honda (2007).
96
Figura 4.23 Palanca del acelerador del motor Honda, modelo GX240. Catálogo de
Fabricante de motores de combustión interna Honda (2007).
98
Figura 4.24 Esquema de palancas del acelerador en el motor y el sistema de acceso a la
superficie.
99
Figura 4.25 Dimensiones de la palanca del acelerador del motor ubicada en el sistema
de acceso a la superficie.
100
Figura 4.26 Acople flexible seleccionado. Fabricante de acoples RW Couplings (2012). 101
Figura 4.27 Pistola de alta presión (250 bar). Fabricante de pistolas de spray Hawk
(2012).
102
Figura 4.28 Válvula reguladora de caudal seleccionada. Catálogo de fabricante Hawk
(s.f).
103
Figura 4.29 Manómetro de glicerina seleccionado. Fabricante Hawk (2012). 104
Figura 4.30 Manguera de alta presión. Fabricante Hawk (2012). 105
Figura 4.31 Compresor reciprocante seleccionado marca Schulz. Fabricante de 108
13
compresores Schulz (2012)
Figura 4.32 Esquema de disposición y longitud de la manguera para el pintado de
superficies.
109
Figura 4.33 Manguera neumática seleccionada. Fabricantes de pistolas aerográficas
DeVilbiss (s.f)
110
Figura 4.34 Obtención de pérdidas en mangueras neumáticas de poliuretano (González,
2009).
113
Figura 4.35 Pistola neumática para pintar. Fabricantes de pistolas aerográficas DeVilbiss
(2010)
115
Figura 4.36 Conjunto de pico, aguja y cabezal de aire HVPL. Fabricantes de pistolas
aerográficas DeVilbiss (s.f).
115
Figura 4.37 Cabezal de aire HVPL. Fabricantes de pistolas aerográficas DeVilbiss (s.f). 116
Figura 4.38 Efecto rebote producido por las pistolas neumáticas de pintura. Notas
básicas sobre pistolas de pintura, Catálogo de fabricantes Devilbiss. (2010)
117
Figura 4.39 Sistema totalmente retraído en posición inicial. 119
Figura 4.40 Sistema totalmente extendido en posición final con componentes. 120
Figura 4.41 Sistema semiautomático de acceso para la limpieza y pintado de
superficies.
120
Figura 4.42 Parte superior del sistema para limpiar y pintar superficies. 121
Figura 4.43 Porta pistola y porta lanza para el pintado y limpiado de superficies. 122
Figura 4.44 Accesorio para el porta pistola y porta lanza para el pintado de superficies. 122
Figura 4.45 Parte media del sistema, horquilla, porta pesas, parte superior del trípode de
apoyo y la unión entre la parte superior del trípode y la horquilla.
123
Figura 4.46 Partes y trayectoria barrida por el punto E (final del vástago). 125
Figura 4.47 Sistema totalmente extendido con altura de trabajo de 6,3 m. 126
Figura 4.48 Sistema de alcance a la superficie con dimensiones de posibles
movimientos.
126
Figura 4.49 Longitud de arco recorrida por el punto E cuando es iniciado el ascenso. 129
Figura 4.50 Centro de masa del sistema cuando está totalmente retraído. 130
Figura 4.51 Centro de masa del sistema cuando empieza el ascenso. 130
Figura 4.51 Vectores de fuerzas ejercidas por el pistón cuando es iniciado el ascenso. 131
Figura 4.52. Especificaciones del agarre del vástago hidráulico al sistema. Parker (2012) 135
Figura 4.53 Especificaciones del agarre del cilindro hidráulico al sistema. Parker (2012) 136
Figura 4.54 Especificaciones de bombas de pistón hidráulicas. Parker (2012) 137
Figura 4.55 Bomba de pistón hidráulico modelo P1 seleccionada. Parker (2012) 137
Figura 4.56 Dimensiones de la bomba seleccionada en mm (pulg). Parker (2012). 137
Figura 4.56 Comportamiento de la bomba de pistón hidráulico seleccionada a diferentes 138
14
presiones de trabajo. Fabricantes de bombas oleohidráulicas Parker.
Figura 4.57 Arreglo oleohidráulico realizado en la parte inferior del sistema. 141
Figura 4.58 Ábaco para calcular el diámetro de tubería para una cilindro en
función de la velocidad. Roldan (2009) 142
Figura 4.59. Ábaco para determinar las pérdidas de cargas en una tubería. Roldan
(2009)
143
Figura 4.5.60. Válvula de control seleccionada. Fabricante Enerpac (2012) 144
Figura 4.5.61 Dimensiones de la válvula de control. Fabricante Enerpac (2012). 1.5
Figura 6.5.62. Especificaciones de movimiento. 145
Figura 4.5.63 Arreglo esquemático oleohidráulico. 147
Figura 4.5.64 Vista frontal del sistema de acceso con la interacción de cargas. 149
Figura 4.65. Plano lateral del sistema de acceso. 151
Figura 4.66 Dimensiones del sistema de acceso hacia la superficie a limpiar y pintar. 152
Figura 4.67 Mallado realizado al porta pistola bajo cargas en la superficie superior. 159
Figura 4.63 Esfuerzos en el porta pistola bajo cargas en la superficie superior. 159
Figura 4.64 Desplazamientos en el porta pistola bajo cargas en la superficie superior. 160
Figura 4.65 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en la pieza porta pistola. 161
Figura 4.66 Mallado realizado al porta pesas bajo cargas distribuidas a lo largo del eje. 162
Figura 4.67 Esfuerzos en el porta pesas bajo cargas distribuidas a lo largo del eje 162
Figura 4.68 Desplazamientos en el porta pistola bajo cargas distribuidas a lo largo del
eje.
163
Figura 4.69 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en la pieza porta pesas 164
Figura 4.70 Mallado realizado al ensamble 2bajo cargas a un extremo. 165
Figura 4.71 Esfuerzos en el ensamble 2 bajo cargas en un extremo. 165
Figura 4.72 Desplazamientos en el ensamble 2 bajo cargas a un extremo. 166
Figura 4.73 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en el ensamble 2. 167
Figura 4.74 Mallado realizado al ensamble 1 bajo cargas a un extremo. 168
Figura 4.75 Esfuerzos en el ensamble 1 bajo cargas a un extremo. 168
Figura 4.76 Desplazamientos en el ensamble 1 bajo cargas a un extremo. 169
Figura 4.77 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en el ensamble 1 bajo
cargas a un extremo.
170
Figura 4.78 Mallado realizado al ensamble bajo cargas en ambos extremos y pivotada
en su centro.
171
Figura 4.79 Esfuerzos en el ensamble 3 bajo cargas en ambos extremos y pivotada en su
centro.
172
15
Figura 4.80 Desplazamientos en el ensamble 3 bajo cargas en ambos extremos y
pivotada en su centro.
172
Figura 4.81 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en el ensamble 3 bajo
cargas en ambos extremos y pivotando en su centro.
173
Figura 4.82 Mallado realizado a la horquilla bajo cargas en sus oricios pasantes y
empotrados en la superficie inferior.
174
Figura 4.83 Esfuerzos en la horquilla bajo cargas en sus oricios pasantes y empotrados
en la superficie inferior.
175
Figura 4.84 Desplazamientos en la horquilla bajo cargas en sus oricios pasantes y
empotrados en la superficie inferior.
175
Figura 4.85 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en la horquilla (pieza 2)
bajo cargas en sus oricios pasantes y empotrados en la superficie inferior.
176
Figura 4.86 Mallado realizado en el soporte central y conexión ubicada entre la base
superior del trípode y horquilla.
177
Figura 4.87 Esfuerzos en la pieza de soporte central y conexión entre la base superior
del trípode y horquilla.
178
Figura 4.88 Desplazamientos en el soporte central y conexión entre la base superior del
trípode y horquilla.
178
Figura 4.89 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en la pieza de soporte y
conexión entre la base superior del trípode y horquilla.
179
Figura 4.90 Mallado del soporte superior del trípode (pieza 3). 180
Figura 4.91 Esfuerzos del soporte superior del trípode (pieza 3). 181
Figura 4.92 Desplazamientos del soporte superior del trípode (pieza 3). 181
Figura 4.93 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en del soporte superior del
trípode (pieza 3).
182
Figura 4.94. Mallado del soporte superior del trípode (pieza 3). 183
Figura 4.95 Esfuerzos en el paral del trípode (pieza 4). 184
Figura 4.96 Desplazamientos en el paral del trípode (pieza 4). 184
Figura 4.97 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en el paral del trípode
(pieza 4).
185
Figura 4.98 Mallado de la base de trípode (pieza 5). 186
Figura 4.99 Esfuerzos sometidos en la base del trípode (pieza 5). 187
Figura 4.100 Desplazamientos de la base del trípode (pieza 5). 187
Figura 4.101 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos de la base del trípode 188
16
(pieza 5).
Figura B.1 Diagrama de cuerpo libre del sistema de acceso a la superficie a limpiar y
pintar.
203
Figura B.2 Masa de la barra del segmento D. 204
Figura C.1 Pared y piedra parcialmente llenos de moho producto de las lluvias. 206
Figura C.2 Pared y piedra posterior a la limpieza realizada. 206
Figura C.3 Pared y piedra parcialmente llenos de moho producto de las lluvias. 207
Figura C.4 Pared y piedra posterior a la limpieza realizada. 207
Figura C.5 Limpieza realizada en acera de concreto. 208
Figura C.6 Limpieza realizada en el caico. 208
Figura C.7 Tapa de hierro de un tanque llena de moho. 209
Figura C.8 Tapa de hierro de un tanque posterior a la limpieza. 209
17
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Valores aproximados de rendimientos de un compresor 33
Tabla 4.1 Características de la bomba de desplazamiento positivo ensayada. 57
Tabla 4.2 Características del motor de combustión interna acoplado a la bomba de
desplazamiento positivo triplex ensayada.
58
Tabla 4.3 Características de la boquilla de cambio rápido de 15°. 59
Tabla 4.4 Características de la boquilla de cambio rápido de 35°. 59
Tabla 4.5 Variables implicadas en el ensayo realizado al equipo, utilizando una
boquilla de 15º.
64
Tabla 4.6 Variables implicadas en el ensayo realizado al equipo, utilizando una
boquilla de 35º.
65
Tabla 4.7 Valores de los parámetros requeridos para el pintado de superficies. 73
Tabla 4.8 Características de la pistola para agua seleccionada. 85
Tabla 4.9 Características de la válvula reguladora de caudal seleccionada. 86
Tabla 4.10 Características del manómetro con glicerina seleccionado. 87
Tabla 4.11 Características de la manguera de alta presión seleccionada. 105
Tabla 4.12 muestra la masa de los componentes del sistema de acceso para llegar a la
superficie. 127
Tabla 4.13 muestra la masa de los componentes del sistema de acceso de ascenso
hacia la superficie.
Tabla 4.12 Partes del sistema semiautomático para el pintado y limpiado de
superficies.
105
Tabla 4.13 Peso de los elementos que conforman el sistema de limpiado. 107
Tabla 4.14 Diámetro mínimo sugerido del diámetro del vástago del pistón hidráulico
en pulgada. Parker (2012)
133
Tabla 4.15 Diámetro mínimo sugerido del diámetro del vástago del pistón hidráulico
en pulgadas. Parker (2012) 134
Tabla 4.16 Partes del sistema semiautomático para el pintado y limpiado de
superficies.
152
Tabla 4.17 Cargas involucradas en el diseño para el posterior análisis mediante
método de elementos finitos.
157
Tabla 4.18 Cargas involucradas en el diseño para el posterior análisis mediante 158
18
método de elementos finitos (continuación).
Tabla 4.19 Resultados numéricos para la pieza porta pistola. 160
Tabla 4.20 Resultados numéricos para la pieza porta pesas. 163
Tabla 4.21 Resultados numéricos para el ensamble 2. 166
Tabla 4.22 Resultados numéricos para el ensamble 1. 169
Tabla 4.23 Resultados numéricos en el ensamble 3 bajo cargas en ambos extremos y
pivotada en su centro
173
Tabla 4.24 Resultados numéricos para la horquilla estudiada. 176
Tabla 4.25 Resultados numéricos en la pieza de soporte central y conexión ubicada
entre la base superior del trípode y horquilla (pieza 3).
179
Tabla 4.26 Resultados numéricos en la pieza de soporte superior del trípode (pieza 3). 182
Tabla 4.27 Resultados numéricos en paral del trípode (pieza 4). 185
Tabla 4.28 Resultados numéricos para la pieza de la base del trípode (pieza 5) 188
Tabla 4.29 Costos de materiales y equipos involucrados en el diseño semiautomático
para pintar paredes y techos
190
Tabla 4.30 Costos de mano de obra y ensamblaje del mecanismo semiautomático
para pintar paredes y techos
192
Tabla 4.31 Costos totales de materiales, equipos, mano de obra y ensamblaje del
mecanismo semiautomático para pintar paredes y techos
193
19
Resumen
La investigación que se presenta tiene como propósito desarrollar el diseño de un
sistema semiautomático para pintar paredes y techos de difícil acceso. La selección de los
equipos para el limpiado y pintado de la superficie fue realizada bajo el esquema de
satisfacer los requerimientos obtenidos experimentalmente, estos equipos fueron tomados
en cuenta para el diseño del sistema de acceso a la superficie, posteriormente se diseña el
sistema de acceso considerando movimientos y alcances de diseño debido a la aplicación,
para luego evaluarlo mediante el método de elementos finitos. La simulación del conjunto
de acceso se realiza al colocarles distintas cargas puntuales para simular la presencia de
ciertas condiciones que pudieran presentarse a lo largo de la jornada de operación de dicho
sistema. Los resultados a partir del modelo analizado muestran el comportamiento
mecánico, tanto de esfuerzos como de desplazamientos, con lo que se verifica el diseño,
adicionado a esto, el uso de este programa ofrece una reducción del tiempo de ingeniería
para conseguir resultados eficientes. Los estados de las carga a los cuales estuvo sometido
el sistema de acceso fueron simulados y evaluados bajo el programa computacional
SolidWorks, donde se verificó el adecuado desempeño ya que en ningún caso las piezas
que conforman el sistema supera el límite elástico del material empleado, en este caso un
AISI 1020, teniendo como resultado ninguna deformación permanente en toda la estructura
diseñada. Como resultado de la investigación desarrollada se obtiene el diseño de un
sistema capaz de limpiar paredes y techos de difícil acceso a fin de prepararlas para luego
pintarlas.
20
INTRODUCCIÓN
El siguiente trabajo está centrado en una investigación para determinar el diseño del
sistema para pintar paredes y techos de difícil acceso, se describe la problemática existente
de la limpieza y pintado de superficies, entre las que se encuentran, edificaciones con
tejados, en las cuales se presenta la dificultad al momento de realizar actividades como las
antes mencionadas, generando así un ambiente de trabajo inseguro. El resultado de esta
investigación brindará un sistema que facilitará el acceso a ese tipo de superficies, como
también, realizar operaciones de limpieza y pintado.
El Capítulo 1, trata sobre el planteamiento del problema y antecedentes de problema.
Aquí se realiza la presentación y la formulación del problema, se señala el objetivo general
y los objetivos específicos, justificación, limitaciones y alcances de la investigación.
Además se describen diferentes mecanismos para pintar y escarificar superficies.
En el Capítulo 2 se habla de los fundamentos teóricos relacionados con la
investigación, entre ellos se encuentran, el funcionamiento de las bombas de
desplazamiento positivo y los compresores.
El Capítulo 3 describe la metodología utilizada para realizar los ensayos requeridos
para obtener los parámetros (Presión y Caudal) para cumplir con los objetivos trazados. Allí
se mencionan los equipos a utilizar para la limpieza y pintado de superficies, como
también, se plantea el diseño del sistema de acceso, el cual se someterá a estudios mediante
el método de elementos finitos, para verificar su comportamiento mediante el programa
SolidWorks.
El Capítulo 4 presenta los resultados y análisis del comportamiento de la bomba a
distintas velocidades de giro y caudal, en los ensayos que se llevaron a cabo para la
obtención de los parámetros recomendados (Presión y Caudal) en la limpieza, luego se
estimaron los parámetros para el pintado de superficies según investigaciones anteriormente
realizadas, se realiza la selección de los equipos que conformarán los sistemas para pintar y
limpiar, partiendo de los parámetros anteriormente mencionados, además, es presentado el
sistema de acceso, el cual es analizado baja una interacción de cargas en el programa
SolidWorks por el método de elementos finitos, comprobando así que el diseño se
21
comporte en la zona elástica, obteniendo así un mecanismo idóneo el cual facilite el
propósito de la investigación.
Luego se presentan las conclusiones del trabajo, las recomendaciones y expectativas
para futuras investigaciones el tema.
22
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Por su posición latitudinal, al norte de Sudamérica, Venezuela está bajo la
influencia de la hondonada intertropical de bajas presiones ecuatoriales, donde convergen
los vientos alisios del noreste y del sureste. Como consecuencia de la circulación general de
la atmósfera, de diciembre hasta abril la mayor parte del país está afectada por la zona del
alisio del noreste, donde se produce subsidencia de las masas de aire, que origina fuertes
inversiones de temperatura a alturas de 1500 a 2000 msnm. Por encima de esa altura, el aire
carece por completo de humedad, por lo que el proceso convectivo de formación de nubes
se ve muy limitado, produciendo así la temporada seca en Venezuela. La región norte del
país se ve afectada con relativa frecuencia por perturbaciones de origen tropical,
especialmente frentes fríos, entre enero y abril, que provocan precipitaciones dentro de la
temporada seca.
Desde mediados de Abril hasta Noviembre, debido al desplazamiento gradual
del sistema de presiones hacia al norte, el país está casi en su totalidad bajo la influencia de
la zona de convergencia intertropical, franja de muy intensa actividad convectiva
(formación de nubes), que determina la temporada lluviosa sobre Venezuela. La zona sur
del país, aproximadamente, está siempre bajo la influencia de la convergencia intertropical,
por lo que nunca se presenta un período seco.
Debido a estos constantes cambios que se producen en Venezuela, los exteriores de
las edificaciones se encuentran expuestos a las inclemencias de las condiciones
atmosféricas, lo cual trae como consecuencia filtraciones, moho, entre otros factores, que al
mismo tiempo, producen la escarificación de superficies, disminución en la coloración de la
pintura y otras imperfecciones no deseadas en dichas fachadas de los diferentes tipos de
edificaciones, reflejando el deterioro de la infraestructura, evidentemente, por ello se debe
tomar en cuenta el tipo de pintura que se debe aplicar, ya que ésta no solo sirve de
Capítulo 1
Planteamiento del problema
23
decoración, por otro lado, es un protector que previene la humedad, medios agresivos,
como también se utilizaría convenientemente para el descenso del intercambio térmico
entre el ambiente y la superficie a pintar. Cuando se dispone a realizar el acabado de las
paredes exteriores y techos de una vivienda, se podrá elegir entre una vasta gama de
pinturas para exteriores, cada una con cualidades diferentes.
Entre la gran gama de pinturas que se encuentran en el mercado se tiene:
IMPERMEABILIZANTES: Como su nombre indica, son pinturas especiales que no
deja pasar líquidos del exterior al interior, pero son transpirables hacia el exterior,
generalmente se suelen utilizar en techos, fachadas, paredes exteriores, entre otros.
ANTIHUMEDAD: Su principal función es prevenir la aparición de hongos, debido
a que éstas, llevan unos compuestos anti-moho y evitan que salgan manchas en las
paredes generalmente provenientes de la humedad, es ideal para lugares muy
húmedos porque tiene cualidades impermeables. Su aplicación es inmediata, no es
necesario esperar que la mancha se seque.
El proceso de pintado depende tanto de las necesidades, así como también del capital
que posea el cliente, en estos casos se toman en cuenta ciertos parámetros, como el lugar
que se desea pintar, con que se va aplicar la pintura, además del tiempo para realizar la
operación, entre otros. En el caso del lugar que se desea pintar surge la problemática en
cuanto al modo de acceder a las superficies que se desean pintar en la edificación, la altura,
como también otras estructuras que posea la edificación como tejados, lo que hace que el
acceso hacia estas superficies sea complicado y de alto riesgo para la persona que realice la
operación. En este sentido, se requiere el diseño de un sistema para pintar paredes y techos
de difícil acceso, el cual brinde las condiciones apropiadas de trabajo, en una gran
diversidad de situaciones, dando como resultado un ambiente de trabajo más seguro para la
persona que desee realizar la operación, permitiendo disminuir los tiempo de ejecución del
proceso de pintado, además de prevenir posibles accidentes laborales y que facilite el
acceso al pintado en dichas edificaciones afectadas, reduciendo los costos operacionales,
como también los costos por daños materiales sobre la superficie.
24
A continuación en la figura 1.1 y figura 1.2 se muestra la problemática planteada en
la superficie exterior de una edificación.
Figura 1.1. Vista frontal de la situación problemática, Naguanagua, Edo. Carabobo.
Figura 1.2. Vista lateral de la superficie afectada en Naguanagua, Edo. Carabobo.
25
1.2 OBJETIVOS.
1.2.1 Objetivo General del Trabajo:
Diseñar un sistema semiautomático para pintar paredes y techos de difícil acceso.
1.2.2 Objetivos Específicos:
1. Determinar los valores de los parámetros requeridos para la limpieza y pintado de la
superficie a pintar.
2. Diseñar un sistema semiautomático para acondicionar la superficie a pintar.
3. Diseñar un sistema semiautomático para aplicar la pintura sobre la superficie.
4. Diseñar un sistema semiautomático de acceso a la superficie a acondicionar y pintar.
5. Realizar una estimación de costos de la implementación del sistema semiautomático
para pintar paredes y techos diseñado.
1.3 JUSTIFICACIÓN.
En el desarrollo de la presente investigación se podrá ofrecer una alternativa que
facilite el proceso de adición de pintura en paredes y techos de edificaciones de difícil
acceso, contemplando la mejora de la eficiencia en el proceso de pintado de paredes,
también considerando la disminución del riesgo operacional que conlleva pintar dichas
edificaciones, además de disminuir los costos operacionales del pintado de dichas
superficies.
1.4 ALCANCE.
La investigación delimita al diseño en detalle de un sistema semiautomático para
pintar paredes y techos de difícil acceso en exteriores, la cual no contempla la fabricación
del mismo. El desarrollo de esta investigación proporcionará valores experimentales de
presión y caudal en la escarificación, la cual permitirá la limpieza y preparación de paredes
llenas de moho, pintura vieja, entre otros, el diseño del sistema semiautomático no
contemplará la adición y remoción de pasta profesional, cemento, yeso u otro complemento
26
superficial, el cual mejore el acabado de la pared, también se contempla un diseño que
tenga un alcance máximo para edificaciones de hasta dos pisos de altura.
1.5 LIMITACIONES.
Los obstáculos que se pueden ir presentando a lo largo del desarrollo de la investigación
pueden radicar en la disposición de equipos e instrumental necesario para realizar los
experimentos que permitan obtener los valores de presión y caudal necesarios para la
limpieza y pintado de las superficies afectadas. El sistema semiautomático a diseñar debe
contemplar siempre el aspecto económico, de manera de obtener un sistema lo más sencillo
posible, a fin de que pueda ser construido a futuro y sea realmente competitivo en
comparación con los costos que se generan para pintar paredes y techos de difícil acceso de
la manera en que actualmente se realiza.
1.6 ANTECEDENTES.
Stevens (1949) diseñó un dispositivo de difusión para aplicar pintura en paredes y
pisos, en el que verificó que utilizando rodillos como medio de aplicación para la pintura,
además de un mecanismo para adaptar el rodillo, conjunto de un depósito para suministrar
pintura se podía cubrir extensas superficies con una operación continua de pintura, como
también disminuir el tiempo que se toma en pintar la superficie. Este antecedente podría
contribuir al presente trabajo en el diseño del mecanismo que permite el pintado de
superficies extensas mediante el rociado, gracias a que incluye un depósito de pintura el
cual permite mayor capacidad de ésta, aumentando la eficiencia y disminuyendo el tiempo
de parada por recarga de pintura.
Ericson (1998), diseñó un dispositivo removible suspendido que remueve pintura,
tiene como objetivo pegarse a una pared, piso o superficie que se le asemeje, el cual se
adapte al tratamiento de pintura en superficies viejas, deterioradas por radiación de calor. El
27
dispositivo es caracterizado por un brazo horizontal que se pivota horizontalmente acoplado
sobre una barra, la cual es adaptada para ser montado verticalmente sobre una pared o
superficie que se le asemeje. Otra parte del brazo soporta uno o varios dispositivos de
remoción de pintura de una madera la cual se pueda controlar en todas las direcciones. Esta
investigación proporciona una idea del mecanismo, el cual permite el movimiento de un
brazo que se desplaza horizontalmente, cual se puede adaptar para la aplicación de pintura
por rociado en superficies.
Mount y Fredetle (2007) realizaron estudios para mejorar el proceso de lavado de una
pistola de pintura, ya que por lo general, tales pistolas son reusadas y por lo tanto requieren
de una limpieza con disolventes, realizaron observaciones y concluyeron que el método
manual de lavado era un proceso desordenado y realmente ineficiente por lo cual diseñaron
una estación de lavado de pistolas de pintura, muy similar a los lavavajillas, donde la
pistola es sometida a múltiples chorros de disolventes, para ser limpiada, en el que se
verificó que la operación de lavado consume menos tiempo, la cantidad de disolvente
utilizado es menor, además de que la pistola de pintura queda con un mejor acabado. Este
antecedente proporciona una idea al presente trabajo sobre el proceso de lavado de una
pistola de pintura reusable y establecieron una metodología de lavado usando disolventes,
mejorando el rociado de pintura.
Renner (2009) diseñó un dispositivo de aplicación de pintura a objetos y el método
para la limpieza del dispositivo, el cual consta de una manguera, una bomba peristáltica y
una unidad de aplicación de pintura. Utilizaron un rodillo como unidad de aplicación de
pintura y se comprobó que la bomba peristáltica es una de las más adecuadas para el
transporte de fluidos viscoso como la pintura, también logró un método para la limpieza del
dispositivo, mediante el cual se retira la manguera del contenedor de pintura y se conecta
con agua, además de retirar la unidad de aplicación de pintura y se verificó que utilizando
agua se eliminaron los residuos de pintura dentro de la manguera sin utilizar solvente. Esta
investigación proporciona una idea del limpiado de la manguera en la cual se transporta el
fluido, utilizando una bomba peristáltica logró eliminar los residuos de pintura dejados en
pintados previos.
28
Capítulo 2
Marco teórico
2.1 BASES TEÓRICAS.
A continuación se presentan los fundamentos necesarios para el desarrollo de la
investigación.
2.1.1 Introducción, clasificación y funcionamiento de una bomba de desplazamiento
positivo.
Las bombas son máquinas hidráulicas generadoras que transforman la energía
(generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido
incompresible que mueve. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su
velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli.
Existen muchos tipos de bombas y diferentes maneras de clasificarlas. La
clasificación más conocida es la que reúne a dos grupos principales de bombas: las bombas
dinámicas y las bombas de desplazamiento positivo.
En las bombas dinámicas la energía es suministrada debido al impulso a través de un
movimiento rápido de rotación. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes que giran
generando un campo de presiones en el fluido.
Las bombas de desplazamiento positivo guían al fluido que se desplaza a lo largo de
toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede
ser un émbolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro.
El movimiento del desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido
producto de la disminución del volumen de una cámara, ocasionando un incremento de la
presión hasta el valor requerido para moverse en la tubería de descarga.
29
Características generales y funcionamiento de bombas de desplazamiento positivo.
Principio del desplazamiento positivo:
El funcionamiento de las máquinas de desplazamiento positivo no se basa, como el
de las turbomáquinas, en la ecuación de Euler, sino en el principio del desplazamiento
positivo que se estudia a continuación. En el interior del cilindro de la figura 2.1 en que se
mueve un émbolo con movimiento uniforme y velocidad (v) hay un fluido a la presión (p).
Se supone que tanto el cilindro como el émbolo son rígidos o indeformables y que el fluido
es incompresible. El movimiento del émbolo se debe a la fuerza aplicada (F).
El émbolo al moverse desplaza al fluido a través del orificio de la figura 2.1. Si el
émbolo recorre una distancia (l) hacia la izquierda, el volumen ocupado por el líquido se
reducirá en un valor igual al obtenido por la ecuación 2.1, Ocampo (2006):
Dónde:
A : Área transversal del émbolo (m2).
l : Distancia que recorre el émbolo (m).
Como el fluido es incompresible, el volumen de fluido que sale por el orificio será
también (A x l). El tiempo (t) empleado en recorrer por el émbolo una distancia (l), viene
dado por la siguiente ecuación 2.2, Ocampo (2006).
Dónde:
v: Velocidad del fluido dentro de la cámara (m/s).
t: Tiempo en que tarda en realizar un desplazamiento l (s).
l: Distancia de recorrido del émbolo (m)
30
A continuación se explica el principio de desplazamiento positivo que se aprecia en
la figura 2.1. Al disminuir el volumen a la izquierda del émbolo el fluido se verá obligado a
salir sea cual fuera la presión, siempre que la fuerza F sea suficientemente grande y las
paredes del cilindro suficientemente robustas.
Figura 2.1. Principio de desplazamiento positivo. Mataix, C. (1986).
A continuación se observa la ecuación para el cálculo del caudal de descarga de la
bomba, a partir del área, longitud y tiempo, como se aprecia en la ecuación 2.3, según
Ocampo (2006).
Dónde:
Q: Caudal o flujo volumétrico manejado por la bomba (m3/s).
A: Área de la cámara (m2).
v: Velocidad del fluido dentro de la cámara (m/s).
l: Distancia de recorrido del émbolo (m).
t: Tiempo en que tarda en realizar un desplazamiento l (s).
Q P
v
F
A
l
31
Si no existe fuerza de rose, la potencia comunicada al fluido se puede calcular de la
siguiente forma, como lo indica la ecuación 2.4, Ocampo (2006).
2.4
Dónde:
F: Fuerza aplicada al émbolo (N).
Q: Caudal o flujo volumétrico manejado por la bomba (m3/s).
v: Velocidad del fluido dentro de la cámara (m/s).
l: Distancia de recorrido del émbolo (m).
t: Tiempo en que tarda en realizar un desplazamiento l (s).
: Presión del fluido en la cámara del émbolo (N/m2).
Clasificación de las máquinas de desplazamiento positivo.
El órgano principal de las máquinas de desplazamiento positivo, que se designa con
el nombre genérico de desplazador, tiene la misión de intercambiar energía con el líquido,
lo que implica un desplazamiento del mismo. Este órgano admite infinidad de diseños, y el
campo abierto a la imaginación del ingeniero proyectista es tan grande que constantemente
aparecen en el mercado nuevas formas constructivas.
Sin embargo, es fácil clasificar estos diseños atendiendo a dos criterios distintos:
1. Primer criterio:
Según el tipo de movimiento del desplazador las máquinas de desplazamiento positivo se
clasifican en:
Máquinas alternativas y máquinas rotativas.
32
El principio de desplazamiento positivo en las máquinas alternativas se explicó por medio
de la figura 2.1 y la figura 2.2 demuestra que el mismo principio se puede realizar en una
máquina rotativa. La figura a continuación representa una bomba de paletas deslizantes
que al girar el rotor excéntrico con relación a la carcasa en sentido de las agujas del reloj de
A a B aumenta el volumen, se crea una succión y entra el líquido por el conducto y la
lumbrera de admisión; de B a A el volumen entre el rotor y la carcasa disminuye y el
líquido es impulsado por la lumbrera y el conducto de salida: el principio de
funcionamiento de esta máquina es, pues, el mismo que el de una bomba de émbolo: un
volumen que aumenta y realiza la succión y luego disminuye realizando la impulsión : de
nuevo el principio de desplazamiento positivo.
Figura 2.2 Las bombas rotoestáticas. Mataix, C. (1986).
2. Segundo criterio:
Según la variabilidad del desplazamiento se clasifican en:
Máquinas de desplazamiento fijo.
Máquinas de desplazamiento variable.
Impulsión Aspiración
Paleta
deslizante
Cuerpo de la
bomba
Rotor
excéntrico
33
La variación del desplazamiento en una máquina alternativa es fácil: basta variar la
carrera del émbolo para poder observar resultados. En algunas máquinas rotativas también
es fácil. Por ejemplo, en la figura 2.2, para variar el desplazamiento basta variar la
excentricidad del rotor.
En resumen, atendiendo a los dos criterios enunciados, las máquinas de desplazamiento
positivo se clasifican en cuatro grupos:
1. Máquinas alternativas de desplazamiento fijo.
2. Máquinas alternativas de desplazamiento variable.
3. Máquinas rotativas de desplazamiento fijo.
4. Máquinas rotativas de desplazamiento variable.
Los grupos 1 y 2, o máquinas alternativas, tienen dos campos de aplicación distintos:
Primer campo de aplicación: bombeo de líquidos.
Segundo campo de aplicación: transmisiones y controles hidráulicos y neumáticos.
En el primer campo se utilizan mucho las bombas de émbolo de diferentes tipos que
se estudiarán en el presente trabajo, en este capítulo. En el segundo campo se
utilizan los cilindros hidráulicos y neumáticos.
Cabe acotar que las bombas de émbolo se adaptan más a grandes presiones y
pequeños caudales y las bombas rotodinámicas (centrífugas y axiales) a pequeñas presiones
y grandes caudales. Las bombas rotodinámicas son máquinas de mayor número específico
de revoluciones (más rápidas) que las bombas de émbolo.
Las bombas de émbolo se clasifican en simplex y múltiplex y estas últimas en
dúplex (de dos cilindros o de uno de doble efecto), triplex y cuádruplex. Las bombas
34
multiplex tienen la ventaja de aminorar las pulsaciones del caudal, así como aumentar el
caudal total de la bomba.
El caudal teórico de la bomba de desplazamiento positivo triplex, se puede
obtener a partir de la ecuación 2.5, Ocampo (2006).
Dónde:
A: Área del émbolo (m2).
a: Área del vástago (m2).
s: Carrera de émbolo (m).
rpm: Velocidad de giro del cigüeñal.
La bomba triplex consta de tres émbolos de simple efecto que tienen tubos de
aspiración y de impulsión comunes tal como se muestra en la figura 2.3. Los ángulos del
cigüeñal son de 120°. Dicha bomba de desplazamiento positivo triplex es caracterizada por
tener la capacidad de levantar altos valores de presión respecto a otros tipos de bomba a
bajos caudales, dicha bomba va acoplada normalmente por correas o acople directo a un
motor eléctrico, o en otros casos de motores de combustión interna.
En las figuras 2.4 y 2.5 se muestran las partes de la bomba triplex y la interacción
de las partes fundamentales en el proceso de admisión de agua dentro de ésta, cabe acotar
que la figura 2.5 sólo muestra uno de los tres pistones que conforman la bomba triplex, las
líneas azul claro dan a conocer como es el proceso de admisión y transporte de agua en el
interior de la bomba de desplazamiento positivo triplex.
35
Figura 2.3 Bomba de desplazamiento positivo triplex. CatPump (2012).
A continuación se muestra en la figura 2.4 las partes principales de una bomba de
desplazamiento positivo triplex.
Figura 2.4 Partes de una bomba de desplazamiento positivo triplex. UracaPump (2012)
Biela-Manivela
Cigüeñal Pistón Cámara
de compresión
36
Bajo el mismo esquema, en el proceso de admisión se encuentra una válvula que
bloquea la entrada del fluido a la cámara de compresión. La válvula es como una puerta con
goznes, que solo se abre hacia arriba, dejando subir, pero no bajar, el agua. Dentro del
pistón, hay una segunda válvula que funciona en la misma forma. Cuando se acciona la
manivela, el pistón se retrae, ocupándose la cámara de compresión con líquido. Cuando el
pistón se desplaza a su carrera máxima, se cierra la primera válvula y se abre la segunda,
esta acción continua mientras la bomba se encuentre en operación.
Figura 2.5 Proceso de admisión de agua y partes de la bomba desplazamiento positivo
triplex. UracaPump (2012)
En la figura 2.6 se muestra el proceso de descarga de agua previamente realizada la
compresión del fluido en la cámara del pistón, mostrando como pasa el flujo de agua con
líneas color azul claro al reducirse el volumen de la cámara antes mencionada. En la figura
2.5 y figura 2.6 se puede lograr apreciar la diferencia no sólo en cuanto a la posición de las
válvulas de admisión y descarga cuando el fluido pasa a través de ellas, sino además, del
volumen que ocupa el líquido, producto de encontrarse alongado o retraído el pistón,
debido a la naturaleza del sistema.
Pistón Cámara de
compresión Succión
Descarga
Válvula
de descarga
Válvula
de admisión
37
Figura 2.6 Proceso de descarga de agua y partes de la bomba desplazamiento positivo
triplex. UracaPump (2012)
2.1.2 Ecuación de Bernoulli.
La ecuación de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido bajo condiciones
variantes a lo largo de una línea de corriente y expresa que en un fluido ideal en régimen de
circulación por un conducto cerrado, la energía permanece constante a lo largo de su
recorrido. La energía de un fluido consta de tres componentes:
Energía de flujo (energía de presión): representa la cantidad de trabajo necesario para
mover el elemento de fluido a través de cierta sección en contra de la presión.
Energía cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.
Energía potencial: es la energía debido a la elevación del elemento de fluido con
respecto a un nivel de referencia.
Válvula
de descarga
Válvula
de admisión Cámara de
compresión Pistón
Descarga
Succión
38
La ecuación 2.6 es conocida como “ecuación de Bernoulli”.
Dónde:
V= velocidad del fluido (m/s).
P=presión del fluido (m).
Z=energía potencial del fluido (m).
g= aceleración de la gravedad (m/ s 2).
ɣ= peso específico del fluido (kN/ m 3).
En hidráulica es común expresar la energía en términos de altura útil, como a
continuación se muestra en la ecuación 2.7, Mataix, C (1986).
2.1.3 Comportamiento de las bombas de desplazamiento positivo
Como el suministro teórico de la bomba volumétrica no depende de la altura de
carga creada por ella, su curva característica teórica en un diagrama (H vs Q) para, n = Cte,
es una recta paralela al eje de ordenadas, como se puede apreciar en la figura 2.7.
39
Figura 2.7. Curva característica teórica de la bomba de desplazamiento positivo. Diez (2002).
En figura 2.8 se puede apreciar el comportamiento real de una bomba de
desplazamiento positivo en las que se puede generar pérdidas debido a pequeñas
filtraciones del líquido a través de holguras, deslizamiento, etc.
Figura 2.8 Curva características real de la bomba de desplazamiento positivo. Diez (2002).
2.1.4 Potencia de una bomba de desplazamiento positivo.
En las bombas de desplazamiento positivo se puede considerar diferentes tipos de
potencias, entre ellas se encuentran:
40
Potencia útil.
La potencia aprovechada totalmente en trabajo útil y se puede calcular con la
ecuación 2.8, según Mataix (1986)
Dónde:
.
= Peso específico del fluido (kN/m3).
= Caudal manejado por la bomba (m3/s).
= Altura de máquina (m.c.f)
Potencia de accionamiento.
Ésta es la potencia entregada por el equipo de accionamiento a la bomba, y se puede
obtener por medio de la ecuación 2.9, Mataix (1986):
Dónde:
por minuto del motor (rpm)
(Nm)
= Velocidad angular del eje de la bomba (rad/s)
El momento torsor se puede obtener mediante la ecuación 2.10, según el fabricante
Catpumps (2012).
41
(
)
Dónde:
M = Momento torsor en el eje de la bomba (N.m)
Q = Caudal (m3/s)
P = Presión de trabajo de la bomba (Pa).
w = Velocidad angular del eje de la bomba (rad/s).
Potencia interna.
Es la potencia suministrada al fluido sin tomar en cuenta las pérdidas mecánicas y viene
dada por la ecuación 2.11.
(2.11)
Donde:
pi: Presión en el interior del émbolo (N/m2).
s: Carrera del émbolo (m).
A: Área (m2).
n: Revoluciones por minutos del motor (rpm).
: Potencia interna (W)
: Eficiencia volumétrica (%)
42
2.1.5 Rendimiento una bomba de desplazamiento positivo.
Entre las eficiencias asociadas a las pérdidas externas e internas en las bombas de
desplazamiento positivo, se tiene:
Eficiencia mecánica:
Es la relación entre la potencia obtenida y la potencia teórica, según Diez (2000),
es decir, en una máquina según los cálculos es posible obtener cierta potencia, sin embargo
en la práctica, por diversas variables (fricción, cambios bruscos de dirección, tipo de
combustible) se pierde potencia y únicamente se tendrá un porcentaje de la potencia teórica,
tal como se muestra en la ecuación 2.12.
(2.12)
Dónde:
Potencia de accionamiento (W).
Eficiencia hidráulica:
Es la relación en la altura de máquina y la altura total, tal como se muestra en la
ecuación 2.13, según mataix (1986).
⁄ (2.13)
43
Dónde:
: Potencia interna (W).
H : Altura de máquina (m).
: Peso específico del fluido (kN/m3).
: Eficiencia hidráulica (%).
Eficiencia interna.
Tiene en cuenta todas las pérdidas internas, o sea, las hidráulicas y las volumétricas, y
engloba las eficiencias hidráulicas y volumétricas, como se aprecia en la ecuación 2.14,
Mataix (1986).
(2.14)
Donde:
Potencia útil (W).
: Potencia interna (W).
: Eficiencia interna (%).
Rendimiento total.
En estas se toman en cuenta todas las pérdidas de la bomba, tal como se muestra en la
ecuación 2.15, Mataix (1986)
(2.15)
44
Dónde:
: Rendimiento total (%)
: Eficiencia interna (%).
: Eficiencia mecánica (%)
Eficiencia hidráulica (%)
2.1.6 Accesorios para la limpieza de superficies.
2.1.6.1 Pistola hidráulicas:
Dispositivo neumático que permite el control del fluido mediante el accionamiento
manual, el movimiento del mismo define la zona a limpiar, ésta es conectada al sistema de
compresión mediante una manguera y es el elemento que permite la adición de boquillas y
extensiones, u otros accesorios que varían el proceso de rociado. A continuación en la
figura 2.9 se puede visualizar una pistola de accionamiento manual.
Figura 2.9 Pistola hidráulica de accionamiento manual. Hawk (2012)
45
2.1.6.2 Boquillas de flujo sólido:
La boquilla de flujo sólido es el elemento final del sistema, el cual define el ángulo de
rociado, en la figura 2.10 se puede reconocer el caso en el que el ángulo es igual a cero, este
tipo de accesorios van roscadas a la pistola y permiten un aumento de hasta un 50% la
presión de succión. En las figuras 2.11 y 2.12 se observa la diferencia física entre las
boquillas de ángulo constante y regulable respectivamente.
Figura 2.10 Boquilla flujo sólido. Hawk (1012)
Figura 2.11 Boquillas con ángulo constate de rociado de 0° a 65° de alto impacto. Hawk (1012).
46
Figura 2.12 Boquillas con ángulo regulable de rociado de 0° a 65° de alto impacto. Hawk (1012).
El ángulo de rociado es aquel ángulo formado en la descarga de la boquilla en el
que se define la parte superior e inferior de un flujo tal como se muestra en le figura 2.13.
Figura 2.13 Ángulo de rociado de agua. Hawk (2012).
β
47
2.1.7 Introducción, clasificación y funcionamiento de un compresor.
Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía a los
fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para hacerlos fluir
aumentando al mismo tiempo su presión. Un compresor admite gas o vapor a una presión
dada, descargándolo a una presión superior, como se aprecia en la figura 2.14. La
energía necesaria para efectuar este trabajo la proporciona un motor eléctrico o una turbina
de vapor.
Figura 2.14 Esquema del funcionamiento de un compresor alternativo. Mataix, C. (1986).
En la figura 2.15 se puede observar el funcionamiento de un compresor alternativo
Figura 2.15 Esquema del funcionamiento de un compresor alternativo. Mataix, C. (1968).
P1 P2
Cámara de compresión
Cámara de aspiración
Pistón
Biela
48
2.1.8 Potencia de un compresor.
Potencia teórica del compresor:
En un compresor alternativo de vapor ideal, el volumen Vd, ( /s) proveniente de la
línea de aspiración es succionado hacia el cilindro, el cual comprime y expulsa a la línea de
descarga, como se precisa en la ecuación 2.16, Diez (2000).
Siendo:
Potencia teórica del compresor (kW)
Vd : Desplazamiento absoluto del pistón, o volumen barrido por el pistón en su carrera
completa en función al tiempo (m3/s).
= Densidad del fluido (kg/ m3).
= Variación de la energía interna (kJ/kg).
Potencia real del compresor:
La potencia real Nr del compresor se puede obtener mediante la ecuación 2.17,
considerando el desplazamiento absoluto del pistón, Diez (2000)
Siendo:
: Potencia real del compresor (kW)
Va : Volumen de gas succionado proveniente de la línea de aspiración (m3/s).
: Densidad del fluido (kg/m3)
= Variación de la energía interna (kJ/kg).
49
2.1.9 Rendimiento de un compresor.
Rendimiento mecánico:
Se define el rendimiento mecánico del compresor como la relación entre el trabajo
absorbido y el transmitido, Diez (2000). Esta relación se puede apreciar en la ecuación
2.18.
Dónde:
= Trabajo absorbida por el compresor (kJ).
= Trabajo absorbido por el eje del motor (kJ).
= Rendimiento mecánico (%).
Este rendimiento es una medida de los rozamientos mecánicos del compresor,
pistón-cilindro, cabeza y pie de biela, etc. La mec depende de la velocidad de rotación. Para
una misma velocidad, será máximo cuando el compresor esté muy cargado.
Rendimiento eléctrico del motor:
Se define el rendimiento eléctrico del compresor como la relación que contabiliza las
pérdidas que se producen en el motor eléctrico, como se aprecia en la ecuación 2.19, Diez
(2000). El eléc depende de la potencia del motor (a mayor potencia, mayor rendimiento).
:
50
Dónde:
= Potencia mecánica absorbida por el eje del compresor (W).
= Potencia eléctrica (W).
= rendimiento eléctrico (%).
Rendimiento global:
Es el cociente entre la potencia absorbida por el compresor según el ciclo teórico y
la potencia real, como lo indica la ecuación 2.20, Diez (2000).
Donde:
Potencia teórica (kJ).
= Potencia real (kJ).
= Rendimiento global (%)
También se puede considerar como el producto de los rendimientos, interno,
mecánico y eléctrico, tal como se muestra en la ecuación 2.21, extraído de Diez (2000).
Dónde:
: Rendimiento global (%)
: Rendimiento interno (%)
: Rendimiento mecánico (%)
: Rendimiento eléctrico (%)
51
El i depende igualmente de la relación de compresión. Tiene el mismo orden de
magnitud que el rendimiento volumétrico.
La eficiencia de compresión es una medida de las pérdidas que resultan de la
divergencia entre el ciclo real o indicado y el ciclo teórico (isentrópico) de compresión.
Estas pérdidas son debidas a que tanto el fluido como el compresor, no son ideales
sino reales, es decir con imperfecciones y limitaciones tales como:
Rozamiento interno a causa de no ser el fluido un gas perfecto y a causa también de las turbulencias.
Retraso en la apertura de las válvulas de admisión y escape.
Efecto pared del cilindro.
Compresión politrópica.
Los factores que determinan el valor del rendimiento de la compresión y del
rendimiento volumétrico real del compresor, son los mismos.
Rendimiento volumétrico real:
El rendimiento volumétrico real v real se define como la relación entre lo accionado
por el compresor y lo teóricamente impulsado por éste, tal como se puede visualizar en la
ecuación 2.22, Diez (2000).
Dónde:
Va : Volumen de gas succionado proveniente de la línea de aspiración (m3/s).
Vd : Desplazamiento absoluto del pistón, o volumen barrido por el pistón en su carrera
completa en función al tiempo (m3/s).
52
: Rendimiento volumétrico real (%).
Rendimiento de un compresor:
Él depende principalmente de la relación de compresión y algo de la velocidad del
compresor, y se ha comprobado que compresores de las mismas características de diseño
tienen aproximadamente los mismos rendimientos volumétricos, independientemente del
tamaño de compresor que se trate.
Para una estimación aproximada existen tablas, como la que se muestra a
continuación, tabla 2.1, en la que se puede visualizar la magnitud de los rendimientos
partiendo de la relación de presión existente entre la succión y la descarga.
Tabla 2.1 Valores aproximados de rendimientos de un compresor. Diez, (2000).
2.1.10 Compresión en etapas.
El grado de compresión es el cociente entre la presión absoluta de descarga y la
presión absoluta de admisión o entrada . Puede tener cualquier valor pero en la práctica,
en compresores de una sola etapa no suele pasarse de relaciones de compresión de 3, 5¸ 4,
ya que relaciones de compresión más altas necesitan un compresor voluminoso que
encarece el equipo. Además como toda compresión lleva consigo un aumento de
temperatura de los gases que se procesan, existe el riesgo de que éstos salgan
excesivamente calientes, lo que perjudicaría tanto el equipo mecánico como la lubricación
de la máquina.
53
Cuando la relación de compresión es muy grande, se aconseja el empleo de
compresores de varias etapas escalonadas con o sin refrigeración intermedia.
Según sea el número de etapas, la relación de compresión en cada etapa se puede
obtener mediante la ecuación 2.23, Diez (2000).
√
Dónde:
= Presión absoluta del fluido en la descarga (kPa).
= Presión absoluta de fluido en la admisión (kPa).
= Número de etapas.
= Relación de compresión
2.1.11 Clasificación de los compresores alternativos por el número de etapas.
Los compresores se pueden clasificar, atendiendo al estilo de actuar la compresión,
de una o dos etapas.
Compresores de una etapa:
Se componen básicamente de un cárter con cigüeñal, pistón y cilindro. Para su
refrigeración llevan, en la parte exterior, aletas que evacúan el calor por radiación y
convección; se utilizan en aplicaciones en donde el caudal está limitado y en condiciones de
servicio intermitente, ya que son compresores de pequeñas potencias. En estos
compresores, la temperatura de salida del aire comprimido se sitúa alrededor de los 180ºC
con una posible variación de ± 20ºC, Diez (2000).
54
Compresores de dos etapas:
El aire se comprime en dos etapas; en la primera (de baja presión BP) se comprime
hasta una presión intermedia pi = 2 a 3 bar, y en la segunda (de alta presión AP), se
comprime hasta una presión de 8 bar. Estos compresores son los más empleados en la
industria cubriendo sus caudales una extensa gama de necesidades. Pueden ser refrigerados
por aire o por agua, es decir, el refrigerador intermedio (entre etapas) puede actuar a base
de un ventilador o una corriente de agua a través del mismo. El aire comprimido sale a unos
130ºC con una variación de ± 15ºC, según Diez (2000).
Por el modo de trabajar el pistón:
Cuando un pistón es de simple efecto, como se aprecia en la figura 2.16, trabaja sobre
una sóla cara del mismo, que está dirigida hacia la cabeza del cilindro. La cantidad de aire
desplazado es igual a la carrera por la sección del pistón.
Figura 2.16 Pistón de simple efecto, Diez (2000)
De doble efecto:
El pistón de doble efecto trabaja sobre sus dos caras y delimita dos cámaras de
compresión en el cilindro, como se aprecia en la figura 2.17. El volumen encerrado es igual
55
a dos veces el producto de la sección del pistón por la carrera. Hay que tener en cuenta el
vástago, que ocupa un espacio obviamente no disponible para el aire y, en consecuencia,
los volúmenes creados por las dos caras del pistón no son iguales.
Figura 2.17 Pistón de doble efecto, Diez (2000)
De etapas múltiples:
Un pistón es de etapas múltiples, si tiene elementos superpuestos de diámetros
diferentes, que se desplazan en cilindros concéntricos. El pistón de mayor diámetro puede
trabajar en simple o doble efecto, no así los otros pistones, que lo harán en simple efecto.
Esta disposición es muy utilizada por los compresores de alta presión, en la figura 2.18 se
puede observar su funcionamiento.
56
Figura 2.18 Pistón de etapas múltiples, Diez (2000).
De pistón diferencial:
El pistón diferencial es aquel que trabaja a doble efecto, pero con diámetros
diferentes, para conseguir la compresión en dos etapas, tal como se puede identificar en la
figura 2.19. Su utilidad viene limitada y dada la posición de los pistones está cayendo en
desuso.
Figura 2.19 Pistón diferencial, Diez (2000).
Por el número de disposición de los cilindros:
En los compresores de cilindros, o a pistón, los fabricantes acostumbran a utilizar
diversas formas de montaje para éstos, siendo las más frecuentes la disposición vertical, la
horizontal, en L o en ángulo a 90º, y de dos cilindros opuestos, debiendo también incluir la
colocación en V muy adoptada para los compresores pequeños.
Los compresores verticales sólo se utilizan para potencias pequeñas, ya que los
efectos de machaqueo, relativamente importantes producidos por esta disposición,
57
conducen al empleo de fundaciones pesadas y voluminosas, en contra posición de las
disposiciones horizontales o en ángulo, que presentan otras cualidades de equilibrio tales
que, el volumen de las fundaciones se reduce considerablemente. Para compresores
pequeños, la forma en V es la más empleada.
Para compresores grandes de doble efecto, se recurre al formato en L o en ángulo,
con el cilindro de baja presión vertical y el de alta presión horizontal. Estos compresores
deben trabajar a una presión comprendida entre 6 y 7 bar, inferior a la presión máxima
establecida del orden de (8 - 10) bar, que indica la presión límite a la que puede trabajar, no
siendo recomendable el que un compresor trabaje constantemente a su presión.
2.1.12 Procedimiento para la selección del compresor y accesorios del sistema para
pintar superficies.
A continuación se presenta el procedimiento para la selección de compresores y
accesorios del sistema para pintar superficies, según Compresores, bombas y servicios, s.a
(2002)
1. Verificación de la presión máxima necesaria para el sistema.
Este factor determinará si es necesario equipos de una o dos etapas.
Una etapa: se recomienda para una operación continua cuando la presión máxima
necesaria es menor de 551,58 kPa, si se está usando menos del 50% de la capacidad
del compresor.
Dos etapas: se recomienda para operación continua cuando la presión necesaria
excede de 551, 58 kPa o para operación intermitente cuando la presión excede
861,84 kPa.
58
2. Tipo de operación.
Este parámetro determinará la forma de trabajo del compresor según los requerimientos.
Operación continua: cuando la demanda de aire es constante, como es el caso de los
cilindros de aire de operación regular y herramientas neumáticas de producción en
serie y pistolas de pintar.
Operación intermitente: cuando la demanda de aire no es frecuente y por cortos
periodos de tiempo; como elevadores neumáticos, inflado de llantas y herramientas
de impacto.
3. Tipo de controles de aire.
Controles para velocidad constante: se recomiendan para operación continua, que
significa que todos o la mayoría de los requerimientos de aire de su equipo son de
naturaleza constante y su compresor de aire necesita correr por lo menos un 50% del
tiempo. Equipos tales como cilindros de aire y pistolas para pintar, caben en esta
categoría. Para este caso el equipo es relativamente económico en costo y consumo
de energía eléctrica, lo que contrarresta los costos de mantenimiento.
Controles de Arranque y Parada: se recomiendan para el compresor cuando todos
o la mayoría de los requerimientos de aire no son frecuentes y por un corto periodo
de tiempo. Elevadores neumáticos, inflador de llantas y herramientas de impacto
son ejemplos de operación intermitente.
Controles Duales: una combinación de controles para velocidad constante y de
arranque y parada, se recomienda para demandas variables y temporales.
59
4. Selección del compresor por tipo de operación.
Identificado la presión del sistema, para luego verificar si el equipo a seleccionar es
de una o dos etapas, si la presión se encuentra por debajo de 550 kPa se recomienda
un equipo de una etapa, si excede esta cantidad es recomendable una equipo de dos
etapa.
Seleccionar el compresor por el tipo de operación, que determinará la forma de
trabajo de éste, si es de operación continua o intermitente. En el caso de que se
requiera ambos tipos de operación (continua e intermitente), es necesario calcular la
potencia de cada compresor por separado, luego se suma las dos cifras para
determinar el tamaño del compresor que necesita.
Información recopilada de algunos autores, Merlín (2002) y Águeda (2009) indican
que para trabajos como pintar superficies domesticas (paredes y techos) es requerido un
compresor con una capacidad mínima de 1,1185 kW (1,5 hp), con un deposito con
capacidad entre (25- 50) litros. Siguiendo el procedimiento antes mencionado y teniendo en
cuenta la mínima capacidad que se requiere para este tipo de operación, se procede a entrar
en los catálogos y seleccionar el compresor adecuado a las necesidades del sistema.
5. Aspectos de importancia para el pintado con compresor y pistola neumática.
Antes de realizar la operación de pintado se deben tomar en cuenta ciertos aspectos,
que influyen en el resultado final de la operación, tales como:
Presión de trabajo: la presión de trabajo de las pistolas comerciales se encuentran entre
los (300- 400) kPa, de manera que para obtener un buen acabado en la superficie a
pintar, el compresor deberá garantizan el suministro de aire constante, este tipo de
pistolas como trabajan con presiones altas dentro de la gama de las pistolas, tienen la
60
desventaja de general una excesiva nube de pintura que se genera por la propia
pulverización y al rebotar la pintura de la superficie a pintar, si no se controla el caudal
de aire a la entrada y el suministro de pintura proveniente del depósito. Existe una serie
de pistolas que tienen la capacidad de trabajar con presiones menores a las
comerciales, disminuyendo la nube de pintura, con buenos resultados en cuanto al
acabado, éstas permiten ahorrar pintura al transferir más cantidad a la pieza y perder
menos en el rebote, Águeda (2009)
Distancia: entre 15 y 25 cm es la distancia con la cual se pueden obtener buenos
resultados para una pistola convencional, Merlín (2002), debido a que este aspecto
puede variar dependiendo de la presión, velocidad de pasada y apertura del abanico.
Tipo de pistola: por gravedad, debido a que las pinturas que se utilizan en las paredes
son pesadas, éstas tienen la ventaja de que llevan el depósito en la parte superior y en
este caso la pintura desciende por su propio peso.
Para calcular las pérdidas de cagas por tramo para mangueras neumáticas de
poliuretano, se emplea el ábaco que se muestra en la figura 2.20, según el manejo de
este ábaco, se parte de la presión necesaria y el caudal que transita por el interior de la
manguera, se traza una línea diagonal hasta que intercepte con la línea vertical del
diámetro nominal de la manguera, finalmente se traza una línea horizontal hasta leer
las pérdidas por cada 10 metros de manguera.
61
Figura 2.20 Ábaco de pérdidas en mangueras neumáticas de poliuretano. González (2009)
2.1.13 Método de análisis de elementos finitos (M.E.F).
El concepto básico de este método es el dividir el elemento continuo en un número
finito de elementos, es decir, lo que se conoce como discretizar y resolver, sobre cada uno
de los elementos, las ecuaciones del sistema para después ensamblar la solución total
(Huebner et al, 1995).
kgf/cm2
kgf/cm2
62
El libro de (Zienkiewicz et al, 1967) o (Taylor et al, 1994) presenta una
interpretación amplia del M.E.F y su aplicación a cualquier problema de campo. En él se
demuestra que las ecuaciones de los EF pueden obtenerse utilizando un método de
aproximación de pesos residuales, tal como el método de Galerkin o el de mínimos
cuadrados. Esta visión del problema difundió un gran interés entre los matemáticos para la
solución de ecuaciones diferenciales lineales y no lineales mediante el MEF, que ha
producido una gran cantidad de publicaciones hasta tal punto que hoy en día el MEF está
considerado como una de las herramientas más potentes y probadas para la solución de
problemas de ingeniería y ciencia aplicada.
Para construir un modelo numérico se define un número finito de puntos, los cuales
podrán estar unidos después por líneas para formar superficies o sólidos y de esta manera la
geometría a estudiar. Estos puntos son llamados nodos, éstos se encuentran en las fronteras
de los elementos generados por la discretización del continuo, además son los responsables
de mantener la continuidad al mantener unidos a los elementos. A continuación se muestra
en la figura 2.21 un ejemplo de elementos generados por la discretización.
Figura 2.21 Discretización del dominio. Taylor (2000).
Los desplazamientos de estos nodos serán las incógnitas fundamentales del
problema, tal como ocurre en el análisis simple de estructuras, luego se toma un conjunto
Nodo
Elemento
63
de funciones que definan de manera única el campo de desplazamiento dentro de cada
elemento finito en función de los desplazamientos nodales de dicho elemento.
Estas funciones de desplazamientos definirán entonces de manera única el estado de
deformación dentro del elemento en función de los desplazamientos nodales (Zienkiewicz y
Taylor, 2000).
En general, para obtener las soluciones de un problema mediante el método de
elementos finitos se sigue el siguiente procedimiento:
1. Generación de la geometría de la pieza de acuerdo a su propósito.
2. Discretización del sistema.
3. Selección del tipo de elemento y análisis.
4. Selección de las propiedades del material o materiales.
5. Definición de cargas, condiciones de posibles movimientos y sujeciones de la pieza
en estudio.
6. Solución del conjunto de ecuaciones, creación del mayado y simulación mediante
diagrama de colores de esfuerzos y deformaciones según la cantidad de nodos y elementos
estudiados en la pieza donde es analizada la solución.
De una manera esquemática en la figura 2.22 se puede observar como es el
procedimiento del método de análisis de elementos finitos.
64
Figura 2.22 Proceso de obtención de la solución mediante análisis de elementos finitos. Rodenas
(2005)
2.1.14 Factor de seguridad en piezas mecánicas.
El concepto de factor de seguridad nace de la necesidad tanto de proveer seguridad a
las obras, elementos diseñados y construidos, como de optimizar los mismos. En factor de
seguridad no es más que la capacidad máxima de un sistema entre el valor del
requerimiento esperado real a que se verá sometido y este viene dado por la ecuación 2.24,
Shigley (1999).
Dónde:
= resistencia del material (Pa).
= esfuerzo de fluencia (Pa).
= factor de seguridad (Adimensional).
65
Naturalmente, el factor de seguridad debe ser mayor que 1 para evitar falla.
Dependiendo de las circunstancias, los factores de seguridad varían desde un poco más que
1 hasta 10.
La incorporación de factores de seguridad en el diseño no es asunto sencillo, porque tanto
la resistencia como la falla tienen muchos significados distintos. La resistencia se puede
medir con la capacidad portante, o de carga, de una estructura o bien se puede medir por el
esfuerzo en el material. Falla puede equivaler a la fractura y el completo colapso de la
estructura o puede significar que las deformaciones se han vuelto tan grandes que la
estructura ya no puede realizar sus funciones. Esta última clase de falla, puede presentarse
con cargas muchos menores que las que causan el colapso real.
2.1.15 Fuerza de empuje.
Cuando se varia la magnitud o dirección de la velocidad de un cuerpo o fluido, se
requiere una fuerza que provoque dicho cambio, por ejemplo, en los problemas de
movimiento de fluidos se hace que un flujo continuo experimente la aceleración de un
punto a otro producto de la variación de la velocidades, debido al cambio de sección
transversal de la tubería, Mott (2006). Dicha fuerza de empuje se calcula considerando el
fluido de estudio, caudal y variación de velocidades entre dos puntos mediante la ecuación
2.25.
Dónde:
: Fuerza de empuje (N)
Densidad del fluido en estudio (kg/ m3).
Caudal presente en la tubería (m3/s).
Velocidad inicial del fluido (m/s).
Velocidad final del fluido (m/s).
66
2.1.16 Elementos principales de una central oleohidráulica.
En la figura 2.23 se puede apreciar las principales partes de una central oleohidráulica.
Figura 2.23. Elementos principales de una central oliohidráulica. Roldán (2007)
1. Recipiente que contiene el fluido hidráulico (tanque)
2. Nivel visual de fluido hidráulico en el tanque.
3. Respiradero del depósito con un filtro de 1µ para evitar la entrada de polvo.
4. Detector eléctrico de nivel.
5. Detector eléctrico de temperatura del fluido hidráulico.
6. Grupo motor y bomba.
7. Equipo de regulación compuesto por:
i. Válvula de seguridad, tarada a una determinada presión.
ii. Manómetro indicador de presión.
iii. Distribuidor de accionamiento manual.
8. Salida de presión hidráulica hacia el circuito de utilización.
9. Retorno del fluido hidráulico al depósito.
1
2
3 4 5
6
7
8
9
67
Por otra parte se sabe que las velocidades recomendadas en función de la presión
del fluido en las mangueras de aspiración, impulsión y retorno, tal como se muestra en la
tabla 2.2. (Roldan, 2007)
Tabla 2.2. Velocidades recomendadas en los tramos de impulsión, retorno y aspiración. Roldan
2007.
2.1.17 Calculo de la fuerza del cilindro oleohidráulico.
Se conoce que la energía potencial es la energía que tiene un sistema para realizar
un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Mas rigurosamente,
la energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de fuerzas.
Si se requiere llevar desde la posición inicial (retraída) la plataforma, hasta una
posición final (elongada), se puede plantear que:
(2.26)
Dónde:
= Variación energía potencial (J).
= Masa de los cuerpos a mover (kg).
= Gravedad (m/s2).
= Variación del centro de masa desde el punto inicia hasta el final (m).
En la figura 2.24, se puede observar la configuración de movimiento de una
plataforma elevadora.
68
Figura 2.24. Movimiento del pistón para lograr el levantamiento de una plataforma
elevadora.
Adicional también se conoce que el trabajo, es la energía que se necesita para
trasladar una partícula de un punto a otro, a lo largo de una trayectoria. Ahora se plantea
que F=Fr y sea dr un desplazamiento elemental (infinitesimal) experimentado por una
partícula durante un intervalo de tiempo dt. Se llama trabajo elemental dW, de la fuerza F
durante el desplazamiento elemental dr al producto escalar F.dr; tal como lo expresa la
ecuación 2.27.
Si se presenta por ds, la longitud de arco (medido sobre la trayectoria de la
partícula) en el desplazamiento elemental, esto es ds =IdrI, entonces el vector tangente a la
trayectoria viene dado por et =dr/ds y se puede escribir la expresión anterior como lo
refleja la ecuación 2.28.
69
Donde Ɵ representa el ángulo determinado por los vectores dF y et, Ftg es la
componente de la fuerza F en la dirección del desplazamiento elemental dr.
Para calcular la fuerza del pistón, el sistema se debe encontrar completamente
retraído, debido a que en ese punto se genera la fuerza máxima que debe vencer el pistón, a
medida que el sistema se esté elevando, la fuerza necesaria a vencer por el pistón ira
decreciendo.
Si se iguala la ecuación (2.27) con la ecuación (2.29), para un intervalo de tiempo
infinitesimal, se puede obtener la fuerza necesaria por el cilindro, para la elevación del
sistema, como lo presenta la ecuación 2.29.
De la cual se tiene solamente como incógnita Fs, ya que la variación del centro de
masa Δh se puede obtener mediante SolidWorks simulando el estado de reposo del sistema
y final del desplazamiento de la estructura hasta su elongación total, adicional a esto se
pudo observar en la figura 2.25 la trayectoria del desplazamiento del cilindro en el ascenso
de la plataforma elevadora.
2.1.18 Depósitos o tanques olehidráulicos.
Los tanques tienen como función principal almacenar el fluido de trabajo (aceite)
para alimentar los elementos de trabajo y garantizar una reserva mínima en el circuito.
Adicional a esto permite la disipación del calor producto del trabajo del sistema a través de
las paredes del tanque.
70
El volumen total de aceite a utilizar en el sistema puede ser variable dependiendo de
las condiciones de trabajo y del tipo de maquina con la que se esté trabajando, una
referencia utilizada, es que en función al caudal y las condiciones de trabajo del sistema, se
puede obtener un estimado de dicho volumen. Según Serrano, 2002, la mayoría de los
depósitos se recomienda una capacidad entre 2,5 y 3 veces el caudal de la bomba (l/ min),
conjuntamente a esto se debe garantizar que la temperatura del aceite en el depósito no
supere los 60 o 65 ºC debido al calor generado por la compresión generada en el aceite, esto
se logra evitar colocando una chapa metálica en el medio del tanque, la cual separa la
succión de la bomba con la descarga de aceite del sistema hacia el tanque, generando una
uniformidad de temperatura en la succión de la bomba, evitando posibles turbulencias en el
tanque.
Los depósitos suelen ser construidos con chapas de acero al carbono y un espesor no
menor a 2 mm, agregando también un cierto volumen de aire (1), que debe oscilar entre
20% y 30% del volumen total de aceite (a). Debido a las fluctuaciones en el nivel de aceite
que existen entre una y otra cámara del mismo. Estos depósitos se deben pintar de color
claro, para poder apreciar la suciedad del aceite, impurezas. En condiciones de
funcionamiento las paredes pueden ser lisas (b), pero también existen con múltiples
pliegues, a modo de aletas (c), esto se puede apreciar en la figura 2.25.
Figura 2.25. Niveles de aceite y paredes de depósito. Serrano (2002)
Niv
el m
ínim
o
Niv
el m
áxim
o
71
Existen algunos detalles constructivos que se deben tener en cuenta al diseñar el
tanque, en la figura 2.26, se puede apreciar una ligera pendiente (8), entre 5º y 8º,
aproximadamente entre ambos sentidos, con el objetivo de facilitar en vaciado del tanque a
través del conducto (1), llamado tapón. La aspiración (2) de la bomba se debe encontrar en
zona calmada de la masa del fluido, para su adecuado funcionamiento, esto se logra
colocando una chapa (7), abierta en la parte inferior, entre 20 y 30 mm, para el paso de
fluido y que permita la separación de la zona de aspiración y retorno (6), cabe destacar, que
el conducto de aspiración debe contar con un filtro (2), el cual debe estar separado 30 o 40
mm de la parte baja, Serrano (2002).
Figura 2.26. Detalles constructivos del tanque. Serrano (2002)
En cuanto al conducto de retorno, se debe proyectar el aceite hacia la pared del
depósito y en sentido contrario a la aspiración, una forma de conseguir este efecto es cortar
el final del tubo en un ángulo de 45º, como se muestra en la figura 2.26. En la parte
superior se debe colocar un amplio conducto de llenado de aceite con tapón (6), además de
tapón, este cumple la función de filtro de aceite en la operación de llenado.
El control de nivel de aceite se puede realizar a cabo mediante varios
procedimientos, los cuales se pueden observar en la figura 2.28. En (a) se puede observar
mediante dos niveles de aceite convencionales roscados al depósito. En (b) el nivel de
aceite se puede visualizar en un solo elemento el nivel máximo y mínimo, sobre un visor
72
alargado. En la figura 2.27(c) se representa un nivel similar al anterior, pero que incorpora
un termómetro para visualizar la temperatura del depósito.
Figura 2.27. Control del nivel de aceite. Serrano (2002)
2.1.19 Bombas oleohidráulica de paletas.
Las bombas de paleta como muestra la figura 2.28 constan esencialmente y en su
expresión más simple, de un rotor excéntrico (2) provisto de ranuras sobre las cuales
deslizar radialmente las paletas (4), que giran en el interior de una carcasa (3) que posee un
alojamiento circular. Con el sentido de giro indicado, la aspiración tiene lugar por el
conducto (1) y la salida de presión por el conducto (5).
Al girar el rotor, las paletas son mantenidas contra la pared del alojamiento debido a
la fuerza centrífuga de las mismas y la acción de resortes, o bien también de forma
hidráulica. El giro del rotor crea en primer lugar un aumento de volumen que produce
aspiración, y después una reducción del mismo que ocasiona un aumento de la presión que
impulsa el fluido hasta el conducto de salida. Estas bombas pueden llegar a alcanzar hasta
210 bar y caudales hasta 225 l/min en los casos de las bombas más sofisticadas. Se
caracterizan por ser más silenciosas que las de engranajes, en cambio el rendimiento total
es similar a las bombas de piñones.
Las temperaturas de funcionamiento están entre -10ºC y 70 ºC con viscosidades de
aceites entre 3ºE y 20ºE.
73
.
Figura 2.28. Bombas de paletas. Serrano (2002)
Los rendimientos totales son también bastantes elevados ya que llegan a alcanzar
hasta el 96%. El grafico de la figura 2.29, referido a bombas de paletas, puede considerase,
en general, valido también para estas bombas. El rendimiento depende en gran manera de la
velocidad de giro del eje.
74
Figura 2.29. Curva característica de las bombas de paletas. Serrano (2002.
2.1.20 Filtros oleohidráulicos.
Un filtro hidráulico es el componente principal del sistema de filtración de una
máquina hidráulica, de lubricación o de engrase. Estos sistemas se emplean para el control
de la contaminación por partículas sólidas de origen externo y las generadas internamente
por procesos de desgaste o de erosión de las superficies de la maquinaria, permitiendo
preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo como del fluido hidráulico, tal
funcionamiento se puede apreciar en la figura 2.30. En función de su situación, las
características de diseño y la naturaleza de cada filtro puede ser diferente a fin de responder
de forma eficiente a su función, de manera que se distinguen:
• Filtro de presión: situado en la línea de alta presión tras el grupo de impulsión o
bombeo, permite la protección de componentes sensibles como válvulas o actuadores.
• Filtro de retorno: en un circuito hidráulico cerrado, se emplaza sobre la conducción del
fluido de retorno al depósito a baja presión o en el caso de filtros semi-sumergidos o
sumergidos, en el mismo depósito. Actúan de control de las partículas originadas por la
fricción de los componentes móviles de la maquinaria.
• Filtro de recirculación: situados off-line, normalmente sobre la línea de refrigeración
que alimenta el intercambiador de calor, permiten retirar los sólidos acumulados en el
depósito hidráulico.
• Filtro de succión: llamados también strainers, se disponen inmediatamente antes del
grupo de impulsión de manera a proteger de la entrada de partículas el cuerpo de las
bombas.
Figura 2.30. Esquema de funcionamiento de un filtro. Serrano (2002)
El nivel de filtraje más conveniente depende del tipo de bomba y de la presión de
funcionamiento. El fabricante de la bomba en sus catálogos técnicos recomienda el grado
75
necesario de filtraje para un adecuado funcionamiento, en cuanto a las presiones se refiere.
En la figura 2.31, se puede observar un ejemplo donde se tiene 100.000 partículas de “x”
tamaño antes del filtro. Después del filtro, se cuentan las partículas de tamaño “x”. Si
tenemos 50.000, podemos decir que el “valor nominal” o “eficiencia” de este filtro para
partículas de “x” tamaño es 50%, o Beta 2.
Figura 2.31. Relación entre la eficiencia y el tamaño de las partículas. Vickers (2012).
2.1.21 Cilindros oleohidráulicos
La diferencia entre el cilindro de doble efecto mostrado en la figura 3.32 y el de
simple efecto, es que en los primeros, las dos carreras de vástago están directamente
influenciadas por la acción directa de la bomba.
76
Figura 3.32. Funcionamiento de un cilindro de doble efecto.
En la figura 3.32 se muestra un cilindro de doble efecto. El funcionamiento es de fácil
comprensión:
Cuando se dispone de la vía (6) con entrada de aceite y la vía (8) como escape o fuga,
el vástago (5) realiza la carrera de avance. Cuando se dispone de la vía (8) de entrada
de aceite y la vía (6) como escape o fuga, el vástago (5) realiza la carrera de retroceso.
La guía (10), se utiliza para evitar el movimiento llamado pandeo, es algo así como la
oscilación que puede sufrir el vástago en su desplazamiento. Las juntas (11) tienen dos
misiones, una la de evitar la fuga de aceite, y otra, la de evitar la entrada de suciedad en
la cámara anterior (9) por el retroceso del vástago
Los tamaños en los cilindros se encuentran normalizados en el mercado y componer
una amplia gama que, para el más corriente, oscilan entre los 25 mm y los 250 mm de
diámetro del pistón. Los vástagos también se han normalizado, pero para un diámetro
determinado de pistón se pueden encontrar, a partir de una cierta medida, hasta dos
vástagos diferentes, uno de ellos normal y el otro reforzado.
77
En lo que se refiere a carreras o recorrido máximo del vástago, también se encuentran
normalizados pero aquí, y en función de las necesidades, estas pueden variar y el proveedor
y el fabricante de los cilindros pueden suministrarles carreras diferentes con ligero recargo
en el precio. Aunque se construyen cilindros de hasta 8 m de longitud, habitualmente no
suelen utilizarse carreras mayores a 3 m. en la figura 2.33 se puede visualizar las partes de
un cilindro hidráulico de doble efecto.
Figura 2.33. Partes principales de un cilindro hidráulico de doble efecto. (Serrano, 2002)
2.1.22 Fijaciones de cilindros y vástagos oleohidráulicos.
Para cualquier caso la mayor parte de las necesidades industriales existen soluciones
suministradas y diseñadas por los diferentes fabricantes, las cuales habitualmente ya están
normalizadas para el tipo de aplicación y hacia las cuales debe orientar el proyectista sus
diseños. En la figura 2.34 se muestran las fijaciones más comunes de cilindros a los
soportes de apoyo.
En la figura 2.34 (a) se representa un cilindro de patas cuya fijación a la base de
apoyo se lleva a cabo a través de tornillos. Con el este se consiguen una unión rígida del
cilindro al soporte.
78
En la figura 2.34 (b) se muestra un cilindro cuya fijación se lleva a cabo mediante el
empleo de una brida delantera atornillada al soporte. Al igual al caso anterior, y en las
mismas condiciones para la fijación del vástago, este tipo de montaje es favorable a la hora
de disminuir el riesgo de pandeo.
En la figura 2.34 (c) se representa un cilindro con la fijación al soporte mediante
una brida trasera. En esta configuración tanto el cuerpo del cilindro como el vástago se
encuentran en voladizo, por lo que el riesgo de pandeo comparado con las alternativas antes
mencionadas es mayor.
Las figuras 2.34 (d) y 2.34 (e) articulas mediante una charleta trasera y bulones
sobre el mismo cuerpo del cilindro respectivamente, se adopta cuando es necesario un giro
en un determinado plano de todo el conjunto del cilindro, los riesgos de pandeo son
elevados sobre todo en el primer caso, en el cual la distancia entre el anclaje y la cabeza del
vástago es mayor.
Figura 2.34. Fijaciones de cilindros. Serrano (2002).
79
En la figura 2.35 se representan los tres tipos de cabezas que se utilizan con más
frecuencia: en (a) se muestra la cabeza tipo macho de uso más corriente; en (b) una tipo
hembra con dos orejetas y en (c) se representa una cabeza tipo macho con rotula
incorporada concebida para montajes donde se prevean ciertas desalineaciones del cilindro
durante el funcionamiento.
Figura 2.35. Cabezas de vástagos. Serrano (2002).
2.1.23 Manómetros para sistemas oleohidráulicos.
Los manómetros son los instrumentos utilizados para medir la presión de fluidos
(líquidos y gases). Lo común es que ellos determinan el valor de la presión relativa, aunque
pueden construirse también para medir presiones absolutas. Todos los manómetros tienen
un elemento que cambia alguna propiedad cuando son sometidos a la presión, este cambio
se manifiesta en una escala o pantalla calibrada directamente en las unidades de presión
correspondientes.
Los manómetros para uso hidráulico son manómetros diseñados para aplicaciones
en procesos donde se desee indicar la fuerza de un cilindro hidráulico y la presión
manométrica. Estos manómetros vienen graduados con doble escala, como por ejemplo,
MPa de presión y la correspondiente en toneladas métricas. Esta última puede variar su
80
rango de 15 hasta 60 Ton. En la figura 2.36 se visualiza un manómetro con rango desde 0
Ton hasta 40 Ton
Figura 2.36 Manómetro oleohidráulico. Dewit (2012)
2.1.24 Soldadura.
Se denomina Soldadura al proceso en el cual se realiza la unión de dos materiales,
generalmente metales o termoplásticos, usualmente obtenido a través de fusión, en la cual
los elementos son soldados derritiendo ambos y agregando un material de relleno derretido
(metal o plástico). Éste, al enfriarse, se convierte en un empalme fuerte.
La soldadura puede ser hecha en diferentes ámbitos: al aire libre, bajo el agua y en
el espacio. Existen aproximadamente cuarenta tipos distintos de soldaduras, para el
siguiente trabajo de investigación se tomara en cuenta la soldadura por arco manual con
electrodo revestido.
Soldadura por arco manual con electrodo revestido.
El proceso de la soldadura manual por arco eléctrico con electrodo revestido
(SMAW, del inglés Shielded Metal Arc Welding) comienza con el cebado o establecimiento
del arco entre el extremo del electrodo y la pieza a soldar.
Una vez conseguido el mantenimiento y estabilización del arco, el calor generado
funde el revestimiento y la varilla metálica del electrodo, a la vez que la combustión del
81
revestimiento sirve para originar una atmósfera protectora que impide la contaminación del
material fundido.
Así, las gotas de metal fundido procedentes de la varilla metálica del electrodo van a
depositarse en el baño de fusión rodeadas de escoria. Esta escoria, por efecto de la
viscosidad, flota en el baño protegiéndolo contra un enfriamiento rápido y de la
contaminación del aire circundante. Una vez frío el cordón, se procede a eliminar esta
escoria que queda como una especie de costra en la superficie del cordón.
Equipo de soldadura
Básicamente, el equipo de soldadura está compuesto por los siguientes elementos:
Una fuente de corriente continua o alterna;
Pinza porta-electrodo y pinza de masa;
Cables de conexión;
Electrodos revestidos.
Revestimiento.
Los revestimientos de los electrodos son mezclas muy complejas de materiales que
actúan durante el proceso de fusión del electrodo para cumplir las funciones que a
continuación se mencionan:
Función eléctrica: Mejorar el cebado del arco. Para ello al revestimiento se le dota de
silicatos, carbonatos y óxidos de Fe y Ti que lo favorecen.
Función física: Formación de escorias. La formación de escoria en el cordón permite
disminuir la velocidad de enfriamiento del baño, mejorando las propiedades mecánicas
y metalúrgicas del cordón resultante. Esto se consigue porque la escoria va a flotar en
la superficie del baño, quedando atrapada en su superficie.
82
Función Metalúrgica: Mejorar las características mecánicas. Mediante el revestimiento
se pueden mejorar ciertas características del cordón resultante mediante el empleo de
ciertos elementos en la composición del revestimiento y de la varilla que se incorpora
en el baño del cordón durante el proceso de soldadura.
Tipos de revestimiento
La composición química del revestimiento influye de manera decisiva en aspectos
de la soldadura, tales como, la estabilidad del arco, la profundidad de penetración, la
transferencia de material, la pureza del baño, etc. A continuación se indican los principales
tipos de revestimientos utilizados para los electrodos:
Revestimiento celulósico: Su composición química está formada básicamente por
celulosa integrada con aleaciones ferrosas (magnesio y silicio). La celulosa va a
desprender gran cantidad de gases en su combustión, lo que va a reducir la producción
de escorias en el cordón, a la vez que va a permitir ejecutar la soldadura en posición
vertical descendente.
Revestimiento ácido: Su composición química se basa principalmente en óxidos de
hierro, y en aleaciones ferrosas de manganeso y silicio. Va a generar un baño muy
fluido, lo que no va a permitir ejecutar la soldadura en determinadas posiciones. Por
otro lado, este tipo de revestimiento no va a dotar al flujo de un gran poder de limpieza
en el material base, por lo que puede generar grietas en el cordón. Su aplicación se
centra fundamentalmente en aceros de bajo contenido en carbono, azufre y fósforo. La
escoria que produce se elimina fácilmente y presenta una estructura esponjosa.
Revestimiento de rutilo: En su composición química predomina un mineral
denominado rutilo, compuesto en un 95% de bióxido de titanio, que ofrece mucha
estabilidad y garantiza una óptima estabilidad del arco y una elevada fluidez del baño,
lo que se traduce en un buen aspecto final del cordón de soldadura.
Revestimiento básico: La composición química de este revestimiento está formada
básicamente por óxidos de hierro, aleaciones ferrosas y por carbonatos de calcio y
83
magnesio a los cuales, añadiendo fluoruro de calcio se obtiene la fluorita, que es un
mineral muy apto para facilitar la fusión del baño.
Electrodos
El electrodo o varilla metálica suele ir recubierta por una combinación de materiales
diferentes según el empleo del mismo, según la American Welding Society (AWS), la
clasificación e identificación de los electrodos se realiza de la siguiente manera:
Para soldadura de aceros al carbono, se emplea la especificación AWS A5.1., que
trabaja con la siguiente designación para electrodos revestidos:
E XXYY 1 HZR
Dónde:
E: Indica electrodo para soldadura por arco, el cual por definición conduce la
corriente por arco;
XX: Dos dígitos que designan la mínima resistencia a la tensión del metal
depositado, en Ksi.
YY: Dos dígitos que designan las posiciones de soldadura en que puede trabajar el
electrodo, el tipo de revestimiento y el tipo de corriente adecuado para el electrodo. El
primer dígito indica la posición (1=todas, 2=plana y horizontal, 4 todas pero especialmente
para vertical descendente), la combinación de los dos dígitos indica las otras características.
Las designaciones después del guion son opcionales:
1: Designa que el electrodo cumple con los requisitos de impacto y de ductilidad
mejorada.
HZ: Indica que el electrodo cumple con los requisitos de la prueba de hidrógeno
difusible para niveles de "Z" de 4.8 o 16 ml de H2por 100gr de metal depositado (solo para
electrodos de bajo hidrógeno);
R: Indica que el electrodo cumple los requisitos de la prueba de absorción de
humedad a 80°F y 80% de humedad relativa (solo para electrodos de bajo hidrógeno).
84
Capítulo 3
Marco Metodológico
3.1 NIVEL DE INVESTIGACIÓN.
El presente trabajo de investigación es de nivel descriptivo ya que se estudiarán
fenómenos donde se obtiene el comportamiento de los equipos y variables implicadas en el
acondicionamiento y limpieza de superficies, como también, es de nivel explicativo ya que
se mantiene una relación causa- efecto en el comportamiento experimental de los equipos
ensayados, entre los cuales existe un análisis en las variables y características que presentan
y como se relacionan entre ellas, no obstante, se analizará el por qué ocurren dichos
comportamientos respecto a las variables manipuladas en el ensayo.
3.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN.
La investigación es de campo, debido a que el estudio se realizará en contacto
directo con los fenómenos estudiados, implicando la observación directa y registro de las
variables en estudio. La investigación está orientada hacia la descripción y exploración en
la recolección, procesamiento e interpretación de datos experimentales, haciendo un
análisis de los resultados obtenidos que permitan generar soluciones al problema planteado
y conclusiones al respecto, fundamentadas con bases teóricas y valores numéricos.
3.3 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN.
A continuación se presentan en orden cronológico las fases que se llevarán a cabo
para alcanzar los objetivos establecidos en la investigación.
FASE 1: Documentación.
Consiste en la revisión e investigación de bibliografía a través de libros de textos,
catálogos e Internet, de temas relacionados con el presente trabajo. Esta fase se desarrolló
en el capítulo 2, donde se documentó sobre los siguientes temas referente a la limpieza y
pintado de superficies:
85
Funcionamiento y equipos utilizados en los sistemas de limpiado y pintado de
superficies.
Compresores y bombas, partes principales, funcionamiento y ecuaciones que rigen
su funcionamiento.
Funcionamiento y parámetros recomendados en un sistema de bombeo de pintura.
Variables operacionales manipuladas en el limpiado y pintado de superficies.
Accesorios adicionales del sistema de limpieza de pintura, los cuales mejoren la
operación de limpiado de superficies.
Propiedades del fluido de operación como son: Temperatura, viscosidad, caudal,
presión, gravedad específica, entre otras.
Valores recomendados de caudal y presión en pistolas de rociado de pintura.
FASE 2: Determinación de los valores de presión y caudal requeridos para la limpieza y
pintado de superficies.
Limpieza de superficies:
Para el sistema de limpieza de superficies, de acuerdo a la información recopilada en
cuanto a los distintos métodos que se utilizan en la actualidad para dicha tarea, el agua es el
fluido que más se adapta a las necesidades en cuanto a:
Disponibilidad del fluido de trabajo en distintos lugares de operación.
Manejo de altas presiones de trabajo.
Pocos residuos en la limpieza de superficies, comparado con otros métodos de
limpieza, como por ejemplo el Sandblasting, limpieza con agregados químicos,
entre otros.
86
Amplia gama de accesorios para diferentes requerimientos de limpieza.
Es por ello que en este tipo de proceso de limpieza la determinación de los parámetros
requeridos tales como presión y caudal son fundamentales para el estudio de los fenómenos
ocurridos en dicha operación y éstos permitirán tener un conocimiento del comportamiento
de los equipos en función a dichas variables. Para la obtención de tales variables, el sistema
estará conformado por una bomba de desplazamiento positivo triplex ya que ésta es la que
genera altos valores de presión, adicionalmente de ensayará un equipo el cual cumpla con
las siguientes características:
Variación en la presión de descarga de la bomba de desplazamiento positivo
respecto a la velocidad de giro de la máquina.
Variación del flujo volumétrico respecto a la velocidad de giro de la máquina.
Tiempo de limpieza útil por unidad de área del equipo respecto a la presión de funcionamiento.
Comportamiento de los diferentes ángulos de boquilla en la limpieza de superficies
respecto al tiempo y efectividad.
Posteriormente se realizarán ensayos con la bomba de desplazamiento positivo para
obtener los valores de presión y caudal requeridos para la limpieza de superficies tomando
en cuenta:
Presión mínima de funcionamiento del equipo en la limpieza eficiente de superficies.
Flujo volumétrico manejado a la presión mínima de funcionamiento.
Tiempo de operación del sistema por unidad de área respecto a las diferentes
boquillas y ángulos de acción en la limpieza de superficies.
Selección de la boquilla de mejor rendimiento respecto al tiempo de funcionamiento.
Velocidad de giro y potencia útil consumida por la máquina bajo los parámetros requeridos anteriormente seleccionados.
87
Pintado de superficies:
Para el pintado de superficies se evaluaron distintos sistemas con diferentes equipos
de los cuales el que mejor se adaptó a la problemática planteada fue el sistema para pintar
con un compresor y pistola neumática, ya que:
Maneja presiones de trabajo necesarias para el pintado de superficies,
aproximadamente de (550 a 1.000) kPa.
Es el sistema semiautomático profesional más económico para el pintado de
superficies.
Posibilidad de variación en la apertura de rociado de pintura de la pistola neumática.
Adaptabilidad para distintas clases de pintura con diferentes viscosidades.
Mediante la metodología de explicada en el capítulo 2 para la selección del compresor,
además de la información extraída de “Pintar con pistola neumática” de Leroy Merlin
(2002) y la bibliografía “Embellecimiento de superficies” de Eduardo Águeda Casado
(2009), se obtendrán los valores de presión de trabajo de la pistola de pintura, distancia de
aplicación, longitud de la manguera utilizada, para la conexión entre el compresor y la
pistola de pintura, que servirán de guía para el posterior diseño del sistema de pintado de
superficies.
FASE 3: Diseño de un sistema semiautomático para acondicionar la superficie.
Para el diseño del sistema semiautomático para acondicionar la superficie a pintar es
necesario tomar en cuenta los posibles movimientos necesarios para limpiar, como también
el alcance que tendrá el dispositivo, adicionalmente se especificarán los equipos implicados
en este sistema, entre los cuales se encuentran:
Bomba de desplazamiento positivo.
88
Manguera de alta presión, lanza, pistola y boquillas de cambio rápido para agua.
Manómetro, válvula reguladora de caudal en la descarga de la bomba.
Las características de los equipos seleccionados serán producto del ensayo
anteriormente realizado, y éste estará en función de los valores requeridos para la limpieza
de superficies en los que se especificarán detalladamente los equipos y accesorios
implicados en el sistema, dicho sistema será accionado de manera remota, como se muestra
en la figura 3.1, debido a la distancia entre los equipos y el mecanismo en lugares de difícil
acceso. Debido a que el peso de los equipos no facilita el traslado de éstos hasta el lugar de
operación, dicho sistema remoto incluirá el encendido y apagado del motor de combustión
interna, éste posee la ventaja de no depende de la energía eléctrica, tiene amplio rango de
potencia y permite la variación a diferentes rpm de trabajo, ajustándose a diferentes campos
de operación. Acoplada a este último se encuentra una bomba triplex la cual es capaz de
manejar grandes valores de presión a bajos caudales, lo cual es necesario para el ahorro de
energía en el funcionamiento del sistema para limpiar, este sistema remoto de variación de
rpm estará situado en el mecanismo de acceso a la superficie.
Debido a la distancia entre los equipos y el mecanismo de acceso hacia la superficie se
debe diseñar un dispositivo que permita variar las rpm del motor sin necesidad de llegar a
él, además la pistola ubicada en el mecanismo de acceso a la superficie posee un gatillo que
permite el paso o no del fluido.
A continuación se muestra un esquema de los componentes del sistema de limpieza de
superficies, en el cual se observan sus partes o proporciona una idea de su operación y
accionamiento.
89
Figura 3.1. Esquema de disposición de los equipos utilizados en un sistema para limpiar
superficies.
FASE 4: Diseño de un sistema semiautomático para aplicar la pintura sobre la superficie.
Para el diseño del sistema semiautomático para aplicar la pintura es necesario tomar en
cuenta los posibles movimientos necesarios para pintar, como también el alcance que
tendrá el dispositivo, adicionalmente se especificarán los equipos implicados en este
sistema, entre los cuales se encuentran:
Compresor reciprocante.
Pistola neumática para el rociado de pintura.
Manguera neumática y accesorios.
Superficie a
limpiar y pintar
Operador
Controles del
cilindro hidráulico
Manguera neumática e
hidráulica
Mecanismo para
acceder a la superficie
Cilindro
hidráulico
Bomba de desplazamiento
positivo para limpiar
90
Las características de los equipos seleccionados serán producto de los valores
recomendados por Leroy Merlin y la bibliografía “Embellecimiento de superficies”
mediante la selección de equipos en catálogos, en los que se especificarán detalladamente
los equipos y accesorios implicados en el sistema. Dicho sistema será accionado de manera
remota debido a la distancia entre los equipos y el mecanismo en lugares de difícil acceso,
ya que el peso de los equipos no facilita el traslado de estos hasta el lugar de operación,
dicho sistema remoto incluirá el accionamiento de la pistola neumática, este sistema remoto
estará situado en el mecanismo de acceso a la superficie.
A continuación se muestra la figura 3.2 con los equipos a utilizar en el sistema de
pintado de superficies,
Figura 3.2. Equipos a utilizar en un sistema para pintar superficies.
91
FASE 5: Diseño de un sistema semiautomático de acceso a la superficie a acondicionar y
pintar.
De acuerdo a la evaluación de los posibles lugares de difícil acceso en los cuales
operará el sistema para acondicionar y pintar superficies, se tomará en cuenta los posibles
movimientos, alcance y accionamiento remoto de los diferentes equipos que permitirán el
funcionamiento del sistema, el diseño del mecanismo permitirá el desplazamiento a lo largo
de la superficie a limpiar y pintar, entre las cuales se mencionan las siguientes
consideraciones:
Alcance máximo de la edificación a acondicionar y pintar de 2 pisos, considerando
una altura por piso máxima de 3 metros de longitud.
Recorrido máximo de 12 metros de longitud con respecto a la superficie de trabajo.
Profundidad máxima de 4 metros de longitud desde la superficie a acondicionar
hasta el mecanismo que permitirá dicha tarea
.
Peso de accesorios tales como pistola para pintar, boquillas de limpiado y las
respectivas mangueras implicadas en el transporte del fluido.
Traslado y ensamble del mecanismo hasta el sitio de operación.
Restricciones de movimientos en el espacio de operación.
Bajo el mismo esquema, se procede a seleccionar el material que se va usar en el diseño
y análisis del modelo, de acuerdo a las ventajas y desventajas de los mismos, considerando
que el material elegido debe ser de comercialización nacional.
Luego de haber mencionado tales consideraciones, es necesario evaluar cada pieza
mediante el método de elementos finitos (MEF) con la ayuda del programa SolidWorks con
92
la finalidad de definir los esfuerzos y desplazamientos a los que estará sometido cada pieza
del mecanismo de acceso, esto se lleva a cabo haciendo uso del análisis del modelo que se
presentará a través de la programación modular, y ésta se llevará a cabo de la siguiente
manera:
Pre proceso: En este paso se define previamente la geometría de la pieza en el
programa SolidWorks, esto en concordancia a las demás piezas que conforman el
mecanismo, se genera el mallado del modelo, se establecen las condiciones de contorno y la
posterior asignación de propiedades a los materiales y cargas involucradas sobre la pieza.
Cálculo: Este proceso es llevado a cabo por el programa a través de la solución de
los sistemas de ecuaciones correspondientes a las condiciones de contorno establecidas
anteriormente.
Post proceso: En el paso anterior se obtienen valores de cierto conjunto de
funciones en los nodos de la malla que define la discretización. En este proceso se calculan
magnitudes derivadas de los valores obtenidos para cada nodo del elemento y se reportan
todos los diagramas en los cuales se pueden observar los esfuerzos y desplazamientos del
modelo evaluado.
Pasos para el análisis por el MEF.
A manera de determinar los esfuerzos y deformaciones a las cuales estará sometido
el sistema de acceso para limpiar y pintar en condiciones de trabajo, se procede a analizar el
modelo propuesto a partir del programa de análisis de elementos finitos (MEF). A
continuación se establecen los pasos básicos que deben realizarse para llevar acabo el
estudio.
1. Realizar el modelo del sistema que se desee estudiar.
2. Especificar el tipo de estudio que se desee realizar al sistema, ejemplo:
estático, dinámico, entre otros.
93
3. Se define y asigna el tipo de material correspondiente a cada uno de las
partes que compone el modelo, colocando las características necesarias para
realizar el estudio.
4. Aplicarle las condiciones de contorno del modelo, definiendo las
interacciones existentes entre cada una de sus partes.
5. Aplicación de las cargar exteriores (puntuales, lineales o superficiales)
dependiendo del estudio.
6. Se realiza el mallado de los componentes del sistema que definan su forma
correctamente.
FASE 6: Estimación de costos de la implementación del sistema semiautomático para
pintar paredes y techos.
Mediante el diseño del dispositivo para el acondicionamiento y pintado de
superficies se hará un listado de materiales y equipos que componen el sistema, el cual
servirá de guía para la exploración en el mercado nacional y realizar una estimación
monetaria de la implementación de dicho diseño, entre los cuales se tomará en cuenta la
mano de obra y ensamble de todos los componentes del sistema, incluyendo equipos y
piezas involucradas en dicho ensamble.
94
Capítulo 4
Desarrollo de la investigación
4.1 Determinación de los valores de los parámetros requeridos para la limpieza y
pintado de la superficie a pintar.
En esta fase se realizará un ensayo para obtener los requerimientos mínimos del
sistema (presión de trabajo y caudal), se utilizará un equipo el cual está conformado
principalmente por una bomba de desplazamiento positivo triplex y un motor de
combustión interna, además de distintos componentes para el transporte del fluido como
mangueras de alta presión, ubicadas desde la fuente de agua hasta la bomba y de la bomba
hasta la pistola. En la pistola se acopla la lanza, que a su vez se une al porta boquillas,
siendo éste el último componente en el transporte del fluido. El equipo cuenta con un
manómetro de glicerina ubicado en la descarga de la bomba, el cual servirá para llevar el
registro de esta variable en el ensayo, como también tiene la capacidad de variar las rpm del
motor, variando así la presión de descarga en la bomba, lo cual permite probar con varios
valores de presión con un sólo equipo, adicional a esto se medirá el caudal con un
recipiente de volumen conocido y un cronometro. El ensayo se realizará con boquillas
metálicas de 15° y 35° de cambio rápido, las cuales son las más comerciales y usadas en el
mercado por su desempeño, al concluir el ensayo se tendrá como resultado el
comportamiento de la presión y caudal del equipo a distintas velocidades de giro con ambas
boquillas.
Para realizar el ensayo es necesario que al instalar la manguera del equipo desde la
fuente de agua hacia la bomba, el fluido de desplace a través de la tubería de descarga la
bomba hasta llegar a la boquilla final, esto con la finalidad de garantizar el correcto
funcionamiento de la bomba de desplazamiento positivo triplex, y ésta logre elevar las
presiones a la cual fue diseñada, previniendo daños en los componentes internos de la
misma.
95
4.1.1 Valores de los parámetros de los equipos utilizados en el ensayo para la limpieza de
superficies especificados por el fabricante:
A continuación se mostrarán los distintos componentes del equipo y accesorios
utilizados en el ensayo.
En la tabla 4.1 se muestran las características de la bomba ensayada.
Tabla 4.1 Características de la bomba de desplazamiento positivo ensayada.
La
figura 4.1 (a) muestra la bomba de desplazamiento positivo triplex ensayada,
conjuntamente se observa en la figura 4.1 (b) un esquema de los componentes del equipo
ensayado.
Figura 4.1 Equipo con bomba de desplazamiento positivo ensayada (a) y esquema de partes del
equipo de limpieza de superficies.
La tabla 4.2 las características del motor de combustión interna, el cual se encuentra
acoplado y acciona la bomba ensayada.
Bomba de desplazamiento positivo triplex
Marca Cornet Modelo CW2645
9,83 l/min [2,6 gpm] Potencia Nominal 4,1 kW [5,5 hp]
220 bar [3.200 psi] Nº pistones 3
96
Tabla 4.2 Características del motor de combustión interna acoplado a la bomba de desplazamiento
positivo triplex ensayada.
En la figura 4.2, se aprecian imágenes del motor de combustión interna acoplado a
la bomba de desplazamiento positivo triplex.
Figura 4.2 Motor de combustión interna Honda GX270, 270 .
En la tabla 4.3 se observan las características principales de las boquillas metálicas
de cambio rápido de 15º y 35º respectivamente, las cuales fueron utilizadas en el ensayo.
Motor de combustión interna
Marca Honda Modelo GX270, 270
Combustible Gasolina Accionamiento Manual
Potencia 6,71 kW [9 hp] Nº pistones 1
97
Tabla 4.3 Características de la boquilla de cambio rápido de 15° y 35º
A continuación se muestra en la figura 4.3, el acople entre la boquilla de cambio
rápido de 15° (color amarillo) con la lanza de acero inoxidable
Figura 4.3 Boquilla intercambiable de 15°, color amarillo.
En la figura 4.4 se muestra el acople entre la boquilla de cambio rápido de 35°
(color blanco) con la lanza de acero inoxidable utilizados en el ensayo.
Boquilla de cambio rápido
Apertura 15º 35º
Material Acero Inoxidable Acero Inoxidable
Boquilla 15°
Acople rápido
de bronce
Lanza de acero
inoxidable
98
Figura 4.4 Boquilla intercambiable de 35°, color blanco.
4.1.2 Ensayo para la obtención de los valores de los parámetros requeridos para la
limpieza de superficies.
Para lograr la obtención de los valores de los parámetros para realizar la limpieza de
la superficie fue necesario plantear una serie de pasos:
1. Se detectó una superficie la cual presentaba daños en la pintura, la misma posee
moho y desprendimiento de la pintura producto de la humedad presente en la zona,
la pared se encuentra ubicada en el 2do
piso de la casa en el Municipio Naguanagua,
Edo Carabobo. El ensayo se realizó bajo las siguientes condiciones ambientales y
del fluido de trabajo:
Fluido de trabajo: Agua
2. Se ubicó una fuente de agua cercana a la zona a limpiar y se instalaron las
mangueras necesarias desde la fuente de agua hacia el equipo.
3. Se posicionó el equipo cerca del área a limpiar.
Boquilla 35°
Acople rápido
de bronce
Lanza de acero
inoxidable
99
4. Se conectaron las mangueras de alta presión desde la bomba hasta la pistola, y se
conectó la lanza y la boquilla de 15º.
5. Se comprobaron todas las conexiones para el encendido del equipo y se esperó que
calentara el motor de combustión interna.
6. Se midió con un tacómetro digital la velocidad de giro del motor de combustión
interna y la presión de descarga de la bomba de desplazamiento positivo triplex con
el manómetro con glicerina como se muestra en la figura 4.5, a las rpm
especificadas en la tabla 4.4. También se tomó en cuenta la medición del caudal
manejado con un recipiente de volumen conocido y un cronometro.
Tabla 4.4 Rpm utilizadas en el ensayo.
rpm
Boquilla de 15º Boquilla de 35º
1350 1350
1550 1550
1950 1950
2250 2250
2550 2550
2850 2850
3050 3050
--- 3600
100
Figura 4.5 Manómetro con glicerina ubicado en la descarga de la bomba de desplazamiento
positivo triplex.
7. Se realizó la limpieza de 1 m2 de superficie sucia manteniendo la pistola
aproximadamente 20 cm de la superficie a limpiar, se cronometró el tiempo en que
tardó en realizar dicha tarea utilizando sólo una pasada por la zona sucia, tal como
se muestra en la figura 4.6.
Figura 4.6 Limpieza de superficie llena de moho.
8. Se observaron los resultados en la limpieza de dicha superficie y se tomaron los
valores obtenidos en cuanto al tiempo de limpieza por metro cuadrado limpiado,
101
caudal, presión de trabajo y cuan efectiva fue la remoción de suciedad presente en
la superficie.
9. Se repitieron los pasos 6, 7 y 8 aumentando progresivamente las rpm del motor
mediante la palanca del acelerador, tal como se muestra en la figura 4.7, esto se hizo
hasta el valor máximo del rpm del motor. Se realizó la mayor cantidad de
mediciones de manera ascendente, para obtener una tendencia del comportamiento
de la presión de trabajo en función del tiempo de limpieza por metro cuadrado.
Figura 4.7 Acelerador del motor de combustión interna. Catálogo de motores de
combustión interna Honda, 2007.
10. Se cambió la boquilla de 15º utilizada por una de 35º y se repitieron los pasos 6,7 y
8.
11. Se repitió el paso 9 con la boquilla de 35º ya instalada.
A continuación se muestra el comportamiento de las variables medidas implicadas en el
ensayo realizado, cumpliendo con la metodología anteriormente mencionada.
Ensayo del equipo utilizando una boquilla de 15º.
A continuación en la tabla 4.5 se especifican las variables implicadas en el ensayo
utilizando las boquilla de 15 º, así mismo se representa el comportamiento de la presión en
función del tiempo de limpieza en la figura 4.8. Además en la figura 4.9 se relaciona la
presión en función del caudal de acuerdo a la boquilla utilizada.
Tabla 4.5 Variables implicadas en el ensayo realizado, utilizando la boquilla de 15º.
102
BOQUILLA 15°
rpm Tiempo (min/m2) PRESIÓN (bar) CAUDAL (m3/s) CAUDAL (l/min)
1350 1,127 62,05 0,000131578 7,8947
1550 1,127 80 0,000135135 8,1081
1950 1,106 110 0,000150375 9,0225
2250 0,963 140 0,000163933 9,836
2550 0,656 160 0,000181817 10,909
2850 0,46 170 0,000192307 11,5384
3050 0,2 180 0,00020223 12,0126
Figura 4.8 Comportamiento Presión Vs Tiempo de limpieza de la superficie utilizando la boquilla
de 15°.
La figura 4.9 relaciona la presión en función del caudal utilizando la boquilla de 15º.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Pre
si{o
n (
bar
)
Tiempo de limpieza
Presión Vs Tiempo de limpieza - Boquilla 15°
Presión VsTiempo delimpieza
103
Figura 4.9 Comportamiento Presión Vs Caudal del equipo utilizando la boquilla de 15°.
Ensayo del equipo utilizando una boquilla de 35º.
A continuación en la tabla 4.6 se especifican las variables presentes en el ensayo
utilizando las boquilla de 35º, así mismo se presenta en la figura 4.10 el
comportamiento de la presión en función del tiempo de limpieza. Además en la figura
4.11 se relaciona la presión en función del caudal de acuerdo a la boquilla utilizada.
Tabla 4.6 Variables implicadas en el ensayo realizado a la superficie con una boquilla de 35º.
BOQUILLA 35°
rpm Tiempo (min/m2) PRESION (bar) CAUDAL (m3/s) CAUDAL (l/min)
1350 3,025 62,05 0,000131578 7,8947
1550 2,782 80 0,000135135 8,1081
1950 2,501 110 0,000150375 9,0225
2250 2,325 140 0,000163933 9,836
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
7 8 9 10 11 12 13
Pre
si{o
n (
bar
)
Caudal (l/min)
Presión Vs Caudal - Boquilla 15°
Presión VsCaudal
104
Tabla 4.6 Variables implicadas en el ensayo realizado a la superficie con una boquilla de 35º
(continuación)
Figura 4.10 Comportamiento Presión Vs Tiempo de limpieza de la superficie utilizando la boquilla
de 35°.
En las figuras 4.8 y 4.10 se puede visualizar una tendencia decreciente en el
comportamiento de la presión de trabajo en función al tiempo de limpieza. En el caso de la
boquilla de 15º y tomando como referencia un área de 1 m2, la presión que se requiere para
limpiar en un tiempo de 1 min es de 13.500 kPa (135 bar), en cambio, el resultado obtenido
0
50
100
150
200
250
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Pre
si{o
n (
bar
)
Tiempo de limpieza
Presión Vs Tiempo de limpieza - Boquilla 35°
Presión VsTiempo delimpieza
BOQUILLA 35°
rpm Tiempo
(min/m2)
PRESION
(bar)
CAUDAL
(m3/s)
CAUDAL
(l/min)
2550 1,842 160 0,000181817 10,909
2850 1,256 170 0,000192307 11,5384
3050 0,892 180 0,00020021 12,0126
3600 0,405 206,8427 0,000209683 12,581
105
en el ensayo con una boquilla de 35º es de 17.500 kPa (175 bar); comparando estos
resultados se puede deducir que con un ángulo de 15º se requiere una menor presión de
trabajo, y en consecuencia, menor consumo energético (combustible) ya que el motor gira a
menores rpm y caudal de trabajo para el funcionamiento del equipo.
Figura 4.11 Comportamiento Presión Vs Caudal del equipo utilizando la boquilla de 35°.
La figura 4.9 denota el comportamiento entre la presión de trabajo en función del
caudal manejado por la bomba de desplazamiento positivo utilizando la boquilla de 15º, en
la que se observa un comportamiento ascendente del caudal con respecto a la presión de
trabajo, este comportamiento es similar al de la figura 4.11, en este caso utilizando la
boquilla de 35º, en las gráficas se refleja que utilizando la boquilla de 15º el caudal
requerido es menor (9,5 l/min), comparado a lo requerido por la boquilla de 35º (11,8
l/min), mostrando como resultado que la boquilla de 15º requiere un menor caudal para su
correcto funcionamiento.
0
50
100
150
200
250
7 8 9 10 11 12 13
Pre
si{o
n (
bar
)
Caudal (l/min)
Presión Vs Caudal - Boquilla 35°
Presión VsCaudal
106
Producto del ensayo descrito anteriormente se logró realizar una memoria
fotográfica de las diferentes superficies en las que se realizó la operación de limpieza y en
las cuales se puede observar el estado de las superficies previo a la limpieza y después de
ella.
A continuación se muestra la figura 4.12, en ésta se aprecia la zona frontal de un
techo, la cual fue limpiada en 50% de la superficie y se aprecia claramente la diferencia
entre la zona limpia y la superficie deteriorada.
Figura 4.12. Limpieza en la zona frontal de un techo.
Realizado el ensayo se pudo observar los resultados de la limpieza de superficies en
la figura 4.12, en la cual se logra apreciar la delimitación de la zona limpiada en
comparación a la zona sin limpiar, reflejándose así excelentes resultados de limpieza en la
preparación de superficies previo al pintado de éstas. Esta zona afectada fue la primera en
la cual se probó el sistema de limpieza de superficies, probándose en ella los dos tipos de
boquillas ensayados y descritos anteriormente, como resultado se puede decir que en dicha
superficie limpiada no se aprecian restos de moho, pintura desprendida y descaramiento de
pintura debido a la humedad. Basados en los ensayos descritos anteriormente se logró
obtener la boquilla de mayor eficacia para este tipo de situaciones de acuerdo a lo
observado en los ensayos.
Superficie posterior a
la limpieza Superficie previa
a la limpieza
107
A continuación se muestra la figura 4.13, en ésta se aprecia la zona lateral de un
techo antes de ser limpiada y en la figura 4.14 se muestra después de hacer la limpieza.
Figura 4.13 Zona lateral de un techo en estado de deterioro.
Figura 4.14. Zona lateral del techo preparada para el proceso de pintado.
Seguidamente se muestra la figura 4.15, en ésta se aprecia la zona frontal de un
techo, la cual se encuentra llena de moho, lo contrario es mostrado en la figura 4.16 donde
se observa el resultado de la limpieza realizada.
108
Figura 4.15. Zona frontal de un techo en visible estado de deterioro (Moho).
Figura 4.16. Zona frontal de un techo después de haber realizado la limpieza.
También se realizaron pruebas en otros tipos de superficies deterioradas, pero de
fácil acceso, dichos ensayos demostraron la eficacia de la limpieza bajo condiciones
superficiales diferentes a las que se pueden encontrar en paredes y techos, las imágenes de
dichas pruebas se encuentran en el apéndice C de esta investigación.
Con relación al ensayo realizado, se pudo observar la importancia de la variación de
las rpm y en consecuencia de la presión de trabajo utilizando boquillas de 15º y 35°. En las
condiciones en las que se encontraba la superficie a limpiar se puede mencionar que la
109
limpieza logró un desprendimiento de la pintura producto de la humedad y grandes
concentraciones de moho. También se observó cómo al concentrar la presión del fluido
(agua) en un área más pequeña utilizando una boquilla de 15º, el resultado es de mayor
calidad con respecto a la boquilla de 35º, este resultado se pudo mantener a los largo de la
variación de rpm, desde 1.350 hasta 3.600 rpm, el cual fue el rango de trabajo de la bomba
de desplazamiento positivo que fue utilizada en el ensayo.
Adicional a esto, se pudo constatar que con el ángulo de 35º las pasadas por metro
cuadrado de superficies a limpiar eran menores cubriendo una mayor superficie debido al
ángulo de trabajo, no obstante, se observaron resultados poco eficaces en lo que a limpieza
se refiere, es por ello que se vio la necesidad de realizar nuevas pasadas para obtener
resultados favorables, teniendo como consecuencia un mayor tiempo de operación eficaz
respecto a la boquilla de 15º, la cual al concentrar el fluido en un área de menor
proporción, se observan mejores resultados desde la primera pasada.
4.1.3 Selección de los valores de los parámetros requeridos para la limpieza de
superficies.
Debido a lo observado en los ensayos se pudo apreciar la relación que tiene la
presión de trabajo respecto al tiempo en que se tarde en limpiar una superficie dada,
mediante esto se logró obtener los valores de los parámetros requeridos para acondicionar
superficies.
Para una boquilla con un ángulo de 15°, la cual tuvo un mejor desempeño respecto a
la de 35°, se logró apreciar que la limpieza efectiva fue más rápida, aunque se cubra menos
área de limpieza respecto a la boquilla de 35°, en consecuencia, la profundidad de limpieza
con la boquilla de 15° es superior debido a la concentración y fuerza del chorro de agua en
la superficie por efecto de un menor ángulo de trabajo. Se sabe además que el tiempo de
limpieza para 1 m2 utilizando una boquilla de 15º es menor al tiempo que si se utilizara una
boquilla de 35º, este análisis es producto de la cantidad de pasadas que tiene que hacer en
una superficie para poder ser limpiada completamente, lo que concluye que utilizando una
boquilla de 35º para limpiar completamente 1 m2 de superficie se realizarán
110
aproximadamente el doble de pasadas que si se utilizaría una boquilla de 15º, debido a lo
anteriormente mencionado.
Trabajando con una boquilla de 15° y analizado el comportamiento del equipo, se
pudo observar que a partir de una presión de 13.500 kPa (135 bar) el limpiado de
superficies es bueno y la eficacia en el limpiado de superficies se incrementa al aumentar la
presión de trabajo, en consecuencia, el equipo manejará un caudal requerido de
0,000181817m3/s (10,909 l/min) a dicha presión.
1. Valores de los parámetros requeridos para la limpieza de superficies:
⁄
⁄
4.1.4 Valores de los parámetros requeridos para el pintado de superficies:
Definido el proceso que se utilizará para el pintado de superficies, el cual está basado en
la pulverización y propulsión de pintura, es necesario identificar los parámetros necesarios
para la realización de este proceso. Tomando en cuenta que para realizar el pintado con una
pistola aerográfica, son necesarios algunos elementos, entre los cuales se encuentran:
Compresor.
Pistola aerográfica.
Mangueras.
111
La presión mínima de diseño para el pintado de superficies es de 550 kPa (79,77 psi) y
caudal de 2,25 * 10-3
m3/ s (0,08 ft
3/ s), ésta es asociada a compresores con un potencia de
1,1 kW (1,5 hp) con un tanque de 25 litros de capacidad (Merlín, 2002). Actualmente se
realizan trabajos de pintado de superficies con compresores que generan una potencia de
2,24 kW (3 hp) y un tanque con capacidad de 100 litros, debido a que poseen un mayor
desempeño, lo cual conlleva a una mayor calidad de pintado y además, este permite la
realización de trabajos de carrocería, (Águeda, 2009).
La pistola aerográfica es otro de los aspectos importantes a tratar, debido a que esta
herramienta permitirá distribuir la pintura sobre la superficie, de los tres tipos existente, en
esta investigación se analizará las pistolas aerográficas por succión y las pistolas
aerográficas por gravedad, las cuales fueron explicadas en la sección 2.1.12 del capítulo 2.
Aunque las pistolas comerciales trabajen a una presión de 275,8 a 413,7 kPa (40 a 60
psi) se deberán seleccionar una con una presión de trabajo menor a 200 kPa (29 psi) e igual
rendimiento, éstas generan menor nube de pintura, además de ahorro de pintura, adicional
a esto, la pistola debe encontrase a una distancia aproximadamente entre 15 y 20 cm de la
superficie a pintar, (Águeda, 2009)
Finalmente se tiene que los valores de los parámetros requeridos para el pintado de
superficies son:
Tabla 4.7 Valores de los parámetros requeridos para el pintado de superficies.
Presión Mayor a 550 kPa (79,77 psi)
Capacidad del pulmón de aire Mayor a 25 litros.
Caudal 2,25 x10-3
m3/ s (0,08 ft
3/ s),
Potencia Mayor a 1,1 kW (1,5 hp)
Distancia Entre 15- 20 cm
Ángulo de rociado de la pintura A convenir por el operario y el sitio a
pintar
112
4.2 Propuesta de diseño de un sistema semiautomático para acondicionar superficies.
Inicialmente es necesario realizar una descripción de las partes, disposición y
equipos los cuales conforman el sistema semiautomático de acceso a la superficie, el
sistema inicialmente está conformado por una manguera, la cual comunica el paso de agua
desde la fuente hacia el tanque reservorio, como se observa en la figura 4.17,
posteriormente el tanque reservorio está conectado a la succión de la bomba de
desplazamiento positivo triplex que a su vez está acoplada al motor de combustión interna,
luego el paso de agua llega hacia una válvula de desvió, la cual tiene como función
direccionar el flujo hacia el tanque reservorio cuando la presión en la manguera sobrepasa
207 bar (3.000 psi), principalmente ocurre cuando la pistola se encuentra cerrada,
estrangulando por completo el flujo de agua y esto evita daños en los sellos de la bomba y
evitar la cavitación de la bomba debido al incremento de temperatura producto a la
recirculación interna de agua, por otra parte el tanque mostrado en la figura 4.18 cuenta con
un filtro de agua para proteger la bomba de posibles partículas que puedan dañar los
componentes internos de ella y un medidor de nivel para evitar el desbordamiento de agua.
El caudal manejado por el tanque debe ser de 6 a 10 veces el caudal que maneja la bomba
según los fabricantes de bombas CatPump (ver anexo I), luego el agua circula hacia la
pistola la cual estará bajo el mando del operario, el cual maniobra el dispositivo de acceso y
manipula la pistola de limpiado evitando desperdicios de agua y la pistola neumática de
pintado de superficies.
113
Figura 4.17 Esquema de disposición de los equipos utilizados en un sistema para limpiar
superficies.
En la figura 4.18 se muestra las partes y componentes del tanque reservorio ubicado en la
succión de la bomba.
Succión de la bomba
Filtro
Medidor de nivel
Bypass primario
Bypass secundario
Paredes internas del tanque
Mínimo nivel de líquido
114
Figura 4.18 Partes principales del tanque de reservorio ubicado en la succión de la bomba.
CatPumps (2012)
4.2.1 Cálculo de la disponibilidad y potencia para la selección de la bomba:
Sustituyendo valores en la ecuación 2.7 se obtuvo la disponibilidad de diseño en
la descarga de la bomba a la presión de diseño, de acuerdo a un
y al arreglo de la manguera para limpiar observado en la figura 4.19, se tiene que:
(
⁄
)
⁄
Ahora bien se sustituye la ecuación (2.10) en la ecuación (2.9) para obtener la
potencia de accionamiento de la bomba a la presión de diseño mediante la ecuación (4.1).
(
)
(
⁄
)
115
En la figura 4.19 muestra la vista de perfil de la disposición de la manguera para
limpiar superficies, y superficies a limpiar y pintar. Por otra parte se
sabe que la distancia de manguera neumática para pintar es el mismo arreglo e igual
longitud.
Debido a las altas presiones de trabajo de la bomba seleccionada, la literatura leída
de los fabricantes, longitud de manguera corta y la aplicación, no fueron consideradas las
pérdidas generadas por mangueras y accesorios del sistema.
Figura 4.19 Vista de perfil del arreglo de manguera para limpiar o superficies.
4.3 Selección de equipos para la limpieza de superficies
Mediante catálogos de bombas de desplazamiento positivo triplex, motores de
combustión interna y accesorios se seleccionaron los equipos que satisfagan los parámetros
de limpieza requeridos, anteriormente calculados y que a continuación se muestran:
4.3.1 Bomba de desplazamiento positivo triplex seleccionada:
Especificaciones técnicas de la bomba de desplazamiento positivo triplex seleccionada:
116
Marca: Hawk
Serie: PS
Modelo: PS305GL
Peso: 7,5 kg
⁄
⁄
⁄
⁄
El catálogo de la bomba seleccionada se muestra en el anexo II.
Cabe acotar que para la selección de la bomba de desplazamiento positivo se
seleccionó una, la cual tenga la capacidad de manejar valores de presión y caudal
mayores a los requeridos, obtenidos del ensayo para la limpieza de superficies, esto con
la finalidad de que el equipo pueda operar bajo condiciones de mayor exigencia.
Se sabe que la propulsión de dicha bomba de desplazamiento positivo se realizará
con un motor de combustión interna, debido a la posibilidad de trabajar sin depender de
la energía eléctrica, éste a su vez tendrá la capacidad de variar la velocidad de giro de
su eje, permitiendo así que la bomba de desplazamiento positivo pueda variar su presión
de trabajo. El acople entre la bomba de desplazamiento positivo y el motor de
combustión interna se hará mediante un acople flexible, sabiendo que el tamaño del eje
de la bomba es igual a 19,05 mm (3/4”) y el del motor de combustión interna es 25,4
mm (1”), como se puede observar en los anexos II y III respectivamente, permitiendo
que la velocidad de giro del motor de combustión interna sea igual a la de la bomba de
desplazamiento positivo.
117
En consecuencia se tendrá un equipo que trabajará a las exigencias requeridas por
el operario y condiciones superficiales del lugar a limpiar, teniendo así una amplia
gama de presiones de trabajo, con un tope en la presión igual a 207 bar (3.000 psi),
minimizando el consumo energético y de agua en el sistema, evitando así el malgasto
de energía.
A continuación en la figura 4.20 muestra la bomba de desplazamiento positivo
triplex seleccionada.
Figura 4.20 Bomba de desplazamiento positivo seleccionada. Hawk PS305GL (2012).
La presión de trabajo de esta bomba seleccionada es superior a la requerida para el
tipo de aplicación de esta investigación, esto con la finalidad de lograr propósitos
superiores a los ya estipulados en cuanto a limpieza de superficies se refiere, y, aprovechar
la capacidad que posee el motor de combustión interna de variar la velocidad de giro del
motor, y, en consecuencia, variar la velocidad de giro de la bomba de desplazamiento
positivo, logrando una disminución o aumento de la presión, y, pequeñas variaciones en el
caudal de trabajo en la bomba, llegando así a los valores requeridos del tipo de limpieza a
realizar.
4.3.2 Motor de combustión interna seleccionado:
118
Cumpliendo con los parámetros para la limpieza de superficies mencionados
anteriormente, y de acuerdo a las recomendaciones de los fabricantes de bombas Hawk
(2012) indicado en el anexo II, se sabe que la potencia del motor de combustión interna
debe sobrepasar mínimo un 30% de la potencia máxima de la bomba de desplazamiento
positivo seleccionada. Para la selección del motor de combustión interna se debe calcular la
potencia mínima requerida por el motor a través de la ecuación 4.2, que se especifica a
continuación.
(4.2)
Ahora bien sustituyendo en la ecuación (4.2) queda que la potencia requerida por el
motor de combustión interna es igual a:
De acuerdo al resultado obtenido, el motor de combustión interna seleccionado
posee las siguientes características:
Marca: Honda
Modelo: GX270
Longitud x Ancho x Alto: 380 x 429 x 422 mm
N° de pistones: 1
Peso en seco: 28 kg
Cilindrada: 270
Calibre del pistón x Carrera: 73,0 x 58,0 mm
Potencia neta: 6 kW (8,05 hp) @3600 rpm
Par motor neto: 17,7 (1,8 ) @2500 rpm
Capacidad de aceite del motor: 1
Capacidad de depósito de combustible: 5,3
Combustible: Gasolina 85 octanos o mayor
Sistema de enfriamiento: Aire forzado
Sistema de encendido: Magneto transistorizado (manual).
119
El motor de combustión interna seleccionado mostrado en la figura 4.21 cumple con la
potencia requerida por la bomba de desplazamiento positivo, además tiene la capacidad de
variar la velocidad de giro manualmente por medio de un sistema conformado por una
palanca del acelerador que rota desde el punto de menor velocidad de giro, al punto de
mayor velocidad de giro, tal como se muestra en la figura 4.22, cumpliendo así con la
ventaja de variar la velocidad de giro del motor y en consecuencia de presión de descarga
en la bomba de desplazamiento positivo triplex seleccionada.
Figura 4.21 Motor de combustión interna seleccionado, Honda GX270. Honda (2007).
En la figura 4.22 se muestra el comportamiento de la potencia neta y el torque en
función de la variación de la velocidad de giro en el motor de combustión interna,
evidenciando la disminución de la potencia a menor velocidad de giro.
120
Figura 4.22 Comportamiento del motor Honda GX270 bajo velocidad variable. Honda
(2007).
La variación de la velocidad de giro del motor seleccionado permite trabajar con
diferentes valores de presiones, permitiendo que el operador tenga la capacidad de trabajar
con la presión que requiera la superficie a limpiar, ahorrando el combustible y agua
utilizada por el equipo.
Cuando un motor de combustión interna es seleccionado para este tipo de bomba
siempre se busca que éste trabaje a bajas revoluciones debido a que la fricción entre sus
componentes disminuye, aumentando la vida útil del motor, pero es importante que dicha
reducción en la velocidad de giro en el motor no vaya a afectar el rendimiento de la bomba
triplex, es decir, el motor debe tener la capacidad de generar la potencia necesaria a baja a
baja velocidad de giro para impulsar la bomba triplex eficientemente, como se demuestra
mediante la figura 4.22.
121
Dicho motor fue seleccionado para satisfacer los requerimientos de la bomba de
desplazamiento positivo cumpliendo con una mayor potencia a la requerida por la bomba
de desplazamiento positivo triplex, esto producto de las recomendaciones que realiza el
fabricante de bombas de desplazamiento positivo Hawk (Ver anexo II) donde argumenta
que la potencia del motor de combustión interna debe ser al menos 30% superior a la
requerida por la bomba de desplazamiento positivo seleccionada, es decir, el motor debe
tener una potencia mayor a 4,81 kW (6,45 hp), razón por la cual el motor seleccionado es
de 6 kW (8,05 hp).
Diseño del dispositivo de aceleración a distancia del motor de combustión
interna:
En la figura 4.23 se observa el dispositivo de aceleración del motor de combustión
interna seleccionado y la perilla rota para variar la velocidad de giro del motor, esta última
está conformada por una guaya metálica de 2 mm y 24 metros de longitud desde la palanca
del motor de combustión hasta el sistema de acceso hacia la superficie a limpiar y pintar, la
guaya se ubica paralelamente y agarrada a la manguera de limpieza de superficies, el
resorte de retención estará normalmente retraído a las menores rpm del motor, la guaya
varia la velocidad de giro del motor de combustión interna mediante la rotación, la perilla
se fija a las diferentes rpm del motor mediante su rotación como se observa en la figura
4.24, el sistema estará acoplado al sistema de acceso para limpiar y pintar superficies,
permitiendo al operario poder variar la presión de trabajo sin tener que llegar al equipo, el
cual se encontrará distanciado del mecanismo de acceso hacia la superficie a limpiar y
pintar.
122
Figura 4.23 Dispositivo de aceleración a distancia del motor Honda, modelo GX270. Honda
(2007).
La rotación de la perilla de aceleración del motor de combustión interna ubicada en
el sistema de acceso a la superficie gira con la misma rotación a la palanca ubicada en el
motor de combustión interna, esto debido a que ambos poseen el mismo radio de giro
permitiendo al operario poder graduar la velocidad de giro a conveniencia con una simple
rotación manual de la perilla. La estructura base de la perilla es metálica y la parte superior
en donde es manipulada es plástica. En la figura 4.24 se muestran las dimensiones de la
perilla diseñada en isometría, posteriormente se muestra en la figura 4.25 con todas las
dimensiones de la perilla diseñada.
Figura 4.24 Dimensiones en pulgadas de la perilla diseñada.
123
Figura 4.25 Dimensiones en pulgadas de la perilla diseñada.
4.3.3 Accesorios para el sistema semiautomático para la limpieza de superficies:
Selección del acople entre el motor de combustión y la bomba de desplazamiento
positivo:
El acople entre el motor y la bomba se realiza mediante un acople flexible, la
bomba seleccionada viene diseñada con un eje de 19,05 mm (¾”), mientras que el tamaño
del eje del motor es igual a 25,4 mm (1”) para trabajar en conjunto es necesario realizar la
selección de un acople, el cual se especifica a continuación.
Acople flexible seleccionado:
124
1 Marca: R+W coupling technology
2 Serie: EK2 150
3 Tipo de elastómero entre acople: Tipo A , polímero estable, resistente al agua,
térmicamente estable y moldeable.
4 Material: Aluminio serie 800
5 Torque neto soportado: 160 N.m
6 = 19,05 mm (0,75”) Acople de bomba
7 = 25,4 mm (1”) Acople de motor de combustión
Para conocer las especificaciones completas del producto se recomienda consultar el
anexo IV, en la figura 4.26 se puede apreciar el acople flexible seleccionado.
Figura 4.26 Acople flexible seleccionado. Fabricante de acoples RW Couplings (2012).
De acuerdo al acople flexible seleccionado, puede decirse que cumple con los
diámetros de acople para ambos equipos, como también se sabe que el par torsor soportado
por el acople es igual a 160 N.m, superando los generados por el motor de combustión
interna igual a 17,7 N.m y la bomba de desplazamiento positivo calculada por medio de la
ecuación (2.10) igual a 10,85 N.m, corroborando el correcto funcionamiento.
Selección de la pistola para la limpieza de superficies:
La pistola de agua con gatillo es un dispositivo que facilita el accionamiento del
paso del fluido desde la bomba hasta la boquilla rociadora de agua, controlando así el paso
125
de agua mediante el gatillo y ésta se acciona manualmente tal como se muestra en la figura
4.27.
La tabla 4.8 presenta las características principales de la pistola hidráulica
seleccionada.
Tabla 4.8 Características de la pistola para agua marca Hawk seleccionada.
Figura 4.27 Pistola de alta presión (250 bar). Fabricante de pistolas de spray Hawk (2012).
Selección de la válvula de desvío y reguladora de caudal:
Después de encendido el motor de combustión interna y en consecuencia la bomba
de desplazamiento positivo, se iniciará el paso de fluido mediante las tuberías de descarga
de la bomba hasta llegar a la pistola, en este componente ocurre el accionamiento final de
descarga de agua mediante un gatillo que hace la similitud de una válvula de flujo, y es en
Pistola para agua de spray 250 bar
Marca Hawk Modelo
40 l/min [10,5 gpm] Entrada 9,19 mm ⁄
250 bar [3.625 psi] Salida 6,12 mm ⁄
126
donde se decide si es necesario el suministro de agua bajo decisión del operario, siendo ésta
la razón que hace que el sistema funcione de manera semiautomática y se ahorre agua en la
operación del sistema.
Seguidamente se muestran en la tabla 4.9 las características de la válvula reguladora
de caudal y desvío observada en la figura 4.28, la cual se ubica justo en la descarga de la
bomba de desplazamiento positivo, ésta tiene como función principal variar mediante una
perilla manual la cantidad de caudal proveniente de la bomba y desviar el agua hacia el
tanque reservorio cuando detecta mediante un resorte calibrado presiones mayores a 207
bar (3.000 psi), teniendo como consecuencia pequeñas variaciones en la presión de
descarga en la boquilla de la pistola.
Tabla 4.9 Características de la válvula reguladora de caudal seleccionada.
Figura 4.28 Válvula reguladora de caudal seleccionada. Catálogo de fabricante Hawk (s.f).
Selección del manómetro con glicerina en la descarga de la bomba:
Siempre es importante tener un manómetro con glicerina ubicado en la descarga de
la bomba de desplazamiento positivo triplex seleccionada, tal como el que se muestra en la
figura 4.29, éste indica la presión en la descarga de la bomba de desplazamiento triplex y da
Válvula reguladora de caudal
Marca Hawk Modelo VBR
25 l/min [6,6 gpm] Entrada 9,19 mm ⁄
207 bar [3.000 psi] Salida 9,19 mm ⁄
Salida de desvío 19, 05 cm ⁄ Material Cobre
127
una idea de cómo está trabajando el sistema. Para ello debe medir la presión de trabajo
igual a 200 bar aproximadamente, debe estar entre el segundo y tercer cuarto de la escala
total, es decir, que si dividimos la escala total del manómetro en 4 partes iguales la presión
de trabajo deberá estar entre la segunda y tercera sección, cuanto más cerca este la presión
de trabajo del valor medio de la escala, el manómetro reducirá la probabilidad de falla por
el tubo Bourdon. Debido a la aplicación no es necesaria una apreciación significativa y
deberá operar con agua a temperatura ambiente.
En la tabla 4.10 se muestran las características principales del manómetro con
glicerina seleccionado.
Tabla 4.10 Características del manómetro con glicerina seleccionado.
Figura 4.29 Manómetro con glicerina seleccionado. Catálogo de fabricante Hawk (2012).
Selección de la manguera de alta presión para la limpieza de superficies:
Para el transporte del fluido es indispesable utilizar para esta aplicación una
manguera de alta presion de malla de acero y goma, se usan éstos materiales para prevenir
fugas en el sistema y reforzada para que pueda soportar altas presiones. A continuación se
muestra en la tabla 4.11 las caracteristicas ténicas de la manguera seleccionada:
Manómetro con glicerina
Marca Hawk Modelo 243305
Apreciación 20 bar [290,1 psi] Entrada 6,35 mm (1/4”)
400 bar [5.800 psi] Conexión Roscada
128
Tabla 4.11 Características de la manguera de alta presión seleccionada.
En la figura 4.30 se muestra manguera de malla de acero recubierta de plástico
seleccionada.
Figura 4.30 Manguera de alta presión. Fabricante Hawk (2012).
4.4 Diseño del sistema semiautomático para el pintado de superficies:
Ya obtenidos los parámetros requeridos según Leroy Merlin, los cuales se utilizarán
como base para la selección de accesorios para el pintado de superficies. Este autor también
proporciona un indicio de la capacidad y potencia del compresor a seleccionar, de acuerdo
a esto se puede decir que el pintado se realizará mediante un compresor reciprocante de
operación continua ya que es el que mejor se adapta a la situación, debido a que la demanda
de aire es constante para este tipo de aplicación. En los compresores se encuentran varios
tipos de control de aire, entre los cuales se pueden mencionar los controles de arranque y
Manguera de alta presión
Marca Hidrojet Modelo MR2400
150°C [300° F] Diámetro 9,525 mm (3/8”)
400 bar [5.802 psi] Material Malla de acero y goma
Longitud 24 m Conexión roscada 9,525 mm (3/8”)
129
parada, los controles de velocidad constante y por último los controles duales, para este
caso el más recomendado es el continuo, ya que la mayor parte de los requerimientos de
aire por parte del sistema son constantes, agregado a esto, este tipo de sistemas posee la
ventaja de mayor tiempo de funcionamiento del equipo por ciclos en la jornada de trabajo,
lo cual es una desventaja de los compresores alternativos, debido que sus tiempos de parada
en las jornadas trabajo son mayores, el compresor será seleccionado mediante la
metodología planteada en la sección 2.1.12 del capítulo 2, cumpliendo con los parámetros
recomendados para esta aplicación, se tiene que el compresor seleccionado para dicha tarea
es el descrito en la sección 4.4.1.
4.4.1 Datos del compresor reciprocante seleccionado:
Marca: SCHULZ.
Línea: AIR PLUS.
Modelo: MSI 5,2 ML/50.
Presión máxima y mínima de operación del compresor: (830- 550) kPa.
Caudal teórico: 147,55 l/min.
Volumen del tanque: 50 litros.
Régimen de trabajo: continuo.
Ruido: 85 dB.
Peso neto: 35 kg.
Dimensiones (L x Al x An): (730-630-281)mm
Filtro y regulador de presión.
Operación continua y controles para velocidad constante.
Especificaciones del motor del compresor reciprocante seleccionado:
Frecuencia: 60 Hz.
Potencia: 1,47kW (2 hp).
130
Voltaje: (110/ 220) V en 60 Hz.
Tipo de motor: abierto.
rpm: 2275.
Número de pistón: 1.
Número de etapas: 1.
Número de polos: 2.
Seguidamente se muestra en la figura 4.31 el compresor seleccionado, cumpliendo con
los parámetros requeridos para el pintado de superficies anteriormente mencionados. Las
especificaciones detallas del compresor seleccionado se encuentran en el anexo V.
Figura 4.31 Compresor reciprocante seleccionado marca Schulz. Fabricante de compresores Schulz
(2012)
Se seleccionó el compresor con una capacidad de tanque de 50 litros, el cual tiene
la capacidad de trabajar con voltajes (110/ 220) V a una frecuencia 60 Hz, lo que permitirá
satisfacer los valores de los parámetros de presión y caudal para el pintado de superficies.
4.4.2 Longitud de manguera neumática para el funcionamiento del sistema de rociado de
pintura:
131
La longitud de la manguera neumática, por otro lado, es otro de los puntos importantes
a tratar, pues bien, ésta puede afectar el funcionamiento de la pistola aerográfica, debido a
las caídas de presión que se generan. En la figura 4.32 se logra apreciar la disposición
crítica de la manguera para el pintado de superficie, el cual es el de mayor longitud
considerando que el equipo estará situado en el mismo lugar durante toda la operación, esto
permite la amplia movilización en el lugar de operación y la situación más crítica para
calcular las pérdidas generadas, esto se tendrá en cuenta al momento de seleccionar la
pistola aerográfica, de lo contrario el sistema no trabajará de la mejor manera, ya que la
presión en la descarga de la pistola aerográfica puede disminuir si esto no es tomado en
cuenta.
Las consideraciones para la longitud de la manguera según la fase 5 de la sección 3.3
del capítulo 3 se tiene que, la longitud desde el equipo hasta los 2 pisos de altura son de
aproximadamente 7 m, considerando 3 m por piso más 1 m de holgura adicional debido a la
pendiente de los diferentes techos, la distancia desde el segundo piso a la superficie a
limpiar será de 4 m y el desplazamiento paralelo a la superficie es de 10 m. Mediante el
dibujo realizado en el programa computacional Autocad se pudo medir la longitud
aproximada de manguera, ésta es aproximadamente igual a 14 m, y el arreglo es como se
muestra la línea color rojo en la figura 4.32.
132
Figura 4.32 Esquema de disposición y longitud de la manguera (color rojo) para el pintado de
superficies.
De acuerdo a la figura 4.32, en la cual se observa la disposición de la manguera
neumática denotada con una línea color rojo, se logró obtener una longitud de ésta, y con
ella seleccionar una manguera haciendo uso de catálogos de fabricante para este tipo de
aplicación. Seguidamente se muestran las características de la manguera neumática
seleccionada:
Longitud = 14 m.
Diámetro interior = 6,125 mm (1/4”)
Diámetro exterior = 14,5 mm
Presión máxima de trabajo = 15 bar (1.500) kPa.
Conexión: Roscada 6,125 mm (1/4”)
Temperaturas de trabajo: ( -15 a + 60 ) ºC
Resistente a dobladuras y larga vida útil.
Material: Poliuretano.
133
La figura 4.33 muestra la manguera de poliuretano seleccionada, cumpliendo con los
parámetros requeridos para el pintado de superficies anteriormente mencionados.
Figura 4.33 Manguera neumática seleccionada. Fabricantes de pistolas aerográficas DeVilbiss (s.f)
4.4.3 Selección de la pistola neumática para pintar superficies:
Para realizar la selección de la pistola neumática para pintar es necesario realizar el
cálculo de las pérdidas generadas por la manguera desde la descarga del compresor
seleccionado hasta la pistola, determinando así si la presión final en dicha pistola, esto con
la finalidad de seleccionar la pistola de acuerdo a los parámetros requeridos para el pintado
de superficies considerando las pérdidas generadas en el trayecto, a partir de la ecuación
(2.6) y considerando las pérdidas generadas entre dos puntos en la manguera, tal como se
muestra en la ecuación (4.4).
(4.4)
Dónde:
: Presión de aire en la pistola neumática (kPa).
134
: Presión de aire en la descarga del pulmón del compresor (kPa).
: Pérdidas generadas en la manguera desde la descarga del compresor hasta
la pistola neumática (m.c.f).
: Altura de la pistola respecto al compresor (m).
: Altura de ubicación de referencia (m).
Peso específico del aire (kN/m3).
Antes de realizar el cálculo de la presión final en la pistola es necesario calcular las
pérdidas generadas en la manguera desde la descarga del compresor hasta la pistola
neumática, para ello se tiene la figura 4.34 la cual por medio de unas variables se logrará
saber el valor exacto de dichas pérdidas por cada 10 m de manguera, las variables y
procedimiento involucradas para la obtención de las pérdidas según el compresor
seleccionado y los accesorios son:
1. Trazar la línea vertical del caudal máximo manejado por el compresor según el
catálogo ubicado en el anexo Q = 147,55 l/min.
2. Trazar la línea horizontal de presión de trabajo máxima en la descarga del
compresor: 814,0856 kPa (8,3 kgf/cm2 ).
3. Trazar la línea vertical del diámetro nominal de manguera: 6,125 mm (1/4”).
4. Trazar una línea paralela a las inclinadas hasta cortar con la línea del diámetro de la
manguera realizada en el paso 3.
5. Trazar una línea horizontal hasta cortar con el eje de las pérdidas.
6. Leer las pérdidas en la manguera por cada 10 metros.
De acuerdo al procedimiento realizado para la obtención de las pérdidas generadas en la
manguera neumática seleccionada es necesario determinar cuánto es la caída de presión
total por los 14 m de manguera, por medio del uso de la ecuación 4.5 y la figura 4.34, se
tiene que:
135
(4.5)
En la figura 4.34 se muestra el ábaco para pérdidas en tuberías de aire para las
condiciones anteriormente dichas y el procedimiento se denota con líneas en color negro.
Figura 4.34 Obtención de pérdidas en mangueras neumáticas de poliuretano (González, 2009).
Obtenida las pérdidas generadas por la manguera es necesario realizar el cálculo de
la presión final en la pistola, despejando en la ecuación (4.4) generando así la
ecuación (4.6), se considera que las velocidades son iguales tanto en la descarga del pulmón
del compresor como en la succión de la pistola, la altura desde el compresor hasta la
l/min
kgf/cm2
kgf/cm2
136
superficie a pintar o pistola neumática de acuerdo con la figura 4.19 es igual a 6,5 m y
tomando en cuenta las pérdidas generada por la manguera se tiene que:
(
) (4.6)
(
)
De acuerdo a la presión en la pistola calculada anteriormente se realizará la
selección de ella. A continuación se muestran las especificaciones técnicas de dicha pistola
neumática:
Fabricante: Pistolas aerográficas DeVilbiss
Modelo: GFG-PRO
Presión máxima de entrada de aire: 12 bar (175) psi.
Tipo de vaciado de pintura: Por gravedad.
Presión regulable o no regulable: Regulable
Capacidad del depósito: 1 litro.
Casquillos o cabezal de aire: PROC-120-C2-K ,presión de trabajo recomendada:
(2,5 - 4) bar
Temperatura máxima de uso: 40 °C.
Peso de la pistola: 412 g.
Materiales de construcción:
Cuerpo de la pistola: aluminio anodizado.
Boquilla: acero inoxidable.
Aguja: acero inoxidable (1,2 mm).
Entrada de fluido/ conductos de fluido: aluminio anodizado.
Gatillo: acero niquelado.
137
En la figura 4.35 se muestra la pistola neumática seleccionada para el pintado de
superficies, donde se pueden observar sus componentes y el depósito superior de pintura.
Figura 4.35 Pistola neumática para pintar. Fabricantes de pistolas aerográficas DeVilbiss (2010)
En la figura 4.36 y la figura 4.37 se muestran diferentes accesorios de la pistola,
tales como agujas para impedir el taponamiento de pintura en el cabezal y cabezales de aire,
los cuales permite variar manualmente el ángulo de rociado de pintura sobre la superficie.
Figura 4.36 Conjunto de pico, aguja y cabezal de aire HVPL. Fabricantes de pistolas aerográficas
DeVilbiss (s.f).
138
En la figura 4.37 se muestra el cabezal de la pistola neumática seleccionada, este
dispositivo acoplado en la punta de la pistola permite variar el ángulo de rociado de pintura
de acuerdo a las necesidades de pintado.
Figura 4.37 Cabezal de aire PROC-120-C2-K. Fabricantes de pistolas aerográficas DeVilbiss
(s.f).
En cuanto a la selección de la pistola aerográfica, se seleccionó una pistola por
gravedad, con la capacidad de trabajar con presiones hasta 12 bar (175 psi). Se sabe que la
presión de trabajo en la pistola seleccionada se encuentra en el rango operacional a la
presión que finalmente llega a la pistola tomando en cuenta la presión de descarga del
compresor y las pérdidas generadas por la manguera.
Para este tipo de pistola se encuentra un cabezal de aire compatible, este tiene
características diferentes que se puede utilizar en situaciones en las cuales se requiera dejar
una huella de diferente tamaño, producto a esto se seleccionó la PROC-120-C2-K con una
presión de trabajo de 2,5 a 4 bar, estando en el rango operacional del sistema diseñado,
también se sabe que puede generar una huella máxima en la superficie a pintar de 40,2 cm
(15,8”), cabe destacar que al trabajar la pistola con una menor presión, se elimina el efecto
rebote y se ahorra gran cantidad de pintura como en efecto se puede apreciar en la figura
4.38.
139
Figura 4.38 Efecto rebote producido por las pistolas neumáticas de pintura. Notas básicas sobre
pistolas de pintura. Catálogo de fabricantes Devilbiss. (2010)
4.5 Diseño de un sistema semiautomático de acceso a la superficie a acondicionar
y pintar.
Para el diseño del sistema semiautomático para acondicionar superficies es necesario
tomar en cuenta las características de los elementos involucrados en el sistema de limpieza
y pintado de superficies, la instalación y partes que conforman el sistema, los posibles
movimientos involucrados en el espacio de trabajo y como es el funcionamiento en el lugar
de operación.
En el diseño del sistema es necesario cumplir con las consideraciones dichas en la
fase 5 del capítulo 3, es por ello que el dimensionamiento del dispositivo se realizará de
acuerdo al alcance, posición y posibles movimientos que permitan el limpiado y pintado de
superficies, como también la instalación del sistema en el sitio de operación y el
funcionamiento del sistema cuando está operando. Luego el diseño será analizado mediante
el programa computacional Solidworks utilizando el método análisis de elementos finitos
cumpliendo con la metodología planteada en la fase 5 del capítulo 3, se simulará y analizará
el comportamiento mecánico de cada pieza y por último se calculará el factor de seguridad
mediante la ecuación (2.20) descrita en el capítulo 2.
140
4.5.1 Diseño planteado para el sistema semiautomático de acceso a la superficie.
Para cumplir con la necesidad de acceder a la superficie se realizó un diseño
conformado principalmente por una plataforma superior, donde se ubicará el operario y
mecanismo para llegar a la superficie a trabajar, inferior a la plataforma se encuentra un
conjunto de 20 barras con un arreglo tipo tijeras, por ultimo tenemos la parte inferior en
donde se encuentran los equipos oleohidráulicos y funciona como soporte base de toda la
estructura superior a ella y se mueve mediante unas ruedas inferiores, el sistema es elevado
mediante un pistón hidráulico hasta llegar a una altura de trabajo deseada, el operario será
la persona quien decida el movimiento ascendente o descendente del sistema por medio de
un sistema de control. La parte superior donde se encuentra el mecanismo para llegar hasta
la superficie le brinda al operario la facilidad de rotar y moverse para una mejor
maniobrabilidad a la hora de limpiar y pintar. El traslado del sistema se realizará mediante
una grúa para carros debido a las dimensiones y peso de la estructura, en la figura 4.39 se
presenta el sistema con las ruedas para dicho traslado.
Las dimensiones de la estructura inferior son de 1,8 m de largo por 1 m de ancho,
con una altura de 0,5 m, las dimensiones de las barras de las tijeras fueron determinadas de
acuerdo a la altura y número de tijeras a utilizar, dando como resultado barras de 1,5 m de
longitud para un total de 5 tijeras unidas entre ellas para lograr una altura de trabajo de 7,2
m de altura. Las ruedas giratorias inferiores con freno total poseen soporte y pletina de
hierro fundido con una cabeza giratoria de rodamiento axial rígido la cual puede soportar
cargas de hasta 600 kg, el arreglo será de una rueda para cada esquina, para un total de 4
ruedas inferiores de la marca Tente, modelo 3642itp200p63flat la cual se puede detallar
mejor sus especificaciones en el anexo VII.
141
Figura 4.39 Sistema de ruedas de la parte inferior del diseño del sistema de elevación.
La figura 4.40 muestra la partes y cuando el sistema es elevado hasta la superficie,
alcanzando una altura de trabajo de 7,2 metros, posterior se explicará mejor el alcance de
dicho sistema.
El mecanismo de acceso a la superficie está conformando por un conjunto de barras,
tal como se muestra en la figura 4.41. Por otra parte el diseño se realizó utilizando perfiles
estructurales comerciales y de fácil adquisición los cuales se especificarán en detalle más
adelante.
142
Figura 4.40 Sistema de elevación totalmente extendido en posición final con componentes.
Figura 4.41 Mecanismo superior de acceso para la limpieza y pintado de superficies.
4.5.2 Mecanismo de acceso a la superficie a limpiar y pintar.
Perfil estructural Ensamble 2
Perfil estructural y porta pesas Ensamble 3
Horquilla Pieza 2
Soporte superior del trípode Pieza 3
Parales del trípode Pieza 4
Base del trípode Pieza 5
Porta pistola Pieza 1
Perfil estructural Ensamble 1
Barras con arreglo
de tijeras
Plataforma con
mecanismo para llegar
hasta la superficie a
trabajar
Estructura inferior donde
se ubican equipos
oleohidráulicos
143
El mecanismo mostrado en la figura 4.41 está compuesta principalmente por un
conjunto de 3 barras principales consecutivas con una longitud total de 6 metros acopladas
mediante pernos que a la vez son paralelas a 3 barras secundarias (paralelas y de menor
tamaño que las barras principales), dos de 2 metros y una de 1 metro, teniendo 5 metros de
longitud total, las cuales proporcionan al diseño un movimiento vertical, paralelo a la
superficie a pintar, pivotando desde la parte media del sistema, por otra parte se tiene un
porta pistola el cual sirve de soporte a la pistola neumática, tal como se muestra en la figura
4.41, ésta se encuentra ubicada en la punta de las barras anteriormente mencionadas,
siendo la parte más cercana a la superficie a pintar, su posición depende del movimiento
ascendente o descendente de las barras. Al extremo contrario del porta pistola se encuentra
el porta pesas, el cual sirve para equilibrar el conjunto de barras permitiendo que el sistema
realice movimientos suaves, beneficiando el acabo en el pintado y limpiado de superficies.
En la figura 4.42 se observa la parte superior del diseño, en donde se puede apreciar
que está compuesto principalmente por barras, porta pistola neumática y porta pesas.
Figura 4.42 Parte superior del mecanismo de acceso para limpiar y pintar superficies.
En la figura 4.43 se muestra el orificio de agarre del mango de la pistola neumática,
porta lanza que será sujetado mediante tornillos y porta pistola neumática acoplado al
conjunto de barras principales y secundarias.
Porta pesas
Conjunto de barras
primarias (10 x 5) cm
Porta pistola Porta lanza Conjunto de barras
secundarias (5 x 5)cm Pivote
144
Figura 4.43 Porta pistola y porta lanza para el pintado y limpiado de superficies.
Para el pintado de techos es necesario diseñar un accesorio como se muestra en la
figura 4.44, el cual permitirá posicionar la pistola de manera que quede perpendicular al
techo. El accesorio se acoplará al diseño original mediante tornillos, de la misma manera
que el mango de la pistola neumática se sujetará al accesorio.
Figura 4.44 Accesorio para el porta pistola y porta lanza para el pintado de superficies.
La sección media del mecanismo de acceso a la superficie mostrada en la figura
4.45 está compuesta principalmente por una horquilla, la cual sirve de soporte y pivote del
conjunto de barras y componentes superiores a ella, éste a su vez sirve como unión entre la
parte superior del conjunto de barras y la horquilla. Por debajo a la horquilla se encuentra la
Orificio para el mango
de la pistola
Accesorio para
posicionar la pistola
perpendicular al techo
Orificio para el
mango de la
pistola
Orificio para sujetar
el mango de la pistola
mediante tornjillos
Orificio para sujetar
mediante tornillos la
lanza para el limpiado de
superficies
145
unión entre el trípode y la horquilla la cual rota como muestra la flecha color rojo en la
figura 4.43, permitiendo que toda la parte superior del sistema pueda rotar respecto a la
inferior, esta última estará fija, por último se tiene la parte superior del trípode de forma
triangular, lugar donde se acopla y gira la unión entre la horquilla y trípode. Por último se
tiene el porta pesas, lugar en el cual van colocadas las pesas que equilibra el sistema,
proporcionando movimientos suaves en su operación.
Figura 4.45 Partes del mecanismo de acceso a la superficie.
La parte inferior del mecanismo de acceso mostrada en la figura 4.44 está
compuesta por un trípode, el cual sirve de soporte de toda la estructura, éste a su vez se
conforma por tres barras, una base inferior y superior, la base inferior está acoplada a bases
planas, las cuales restringen el movimiento sobre la plataforma de elevación.
4.5.3 Cálculo de la fuerza necesaria para elevar la estructura.
De acuerdo al sistema mostrado en la figura 4.46 se realizará el estudio para determinar
la carga necesaria para elevar completamente la estructura, para ello se deben tomar
algunas consideraciones, entre las cuales se encuentran:
Horquilla
Unión entre el
trípode y horquilla
Parte superior del
trípode de apoyo
Porta pesas
Perfil estructural 10 x 5 cm
146
El cálculo de la carga de elevación se realizará cuando el sistema está totalmente
retraído, ya que en este punto es cuando el pistón hidráulico le costará más vencer la
inercia producida por la estructura debido al peso de los componentes.
El perno “M” solo se puede desplazar horizontalmente y sirve como pivote de la
barra B de la estructura.
El perno “O” sirve como pivote de la barra A, la cual está unida y gira mediante
otro perno respecto a la barra B.
El pistón hidráulico en color azul se sujeta a la estructura de tijeras mediante una
barra en color rojo que une la barra A con una barra A’, la cual posee las mismas
condiciones de movimiento que la barra A.
El pistón hidráulico pivota desde el punto A y es sujetado a la estructura principal
inferior mediante un conjunto de orejas con un eje pasante.
La cesta o estructura superior la cual servirá de lugar para que esté el mecanismo
que permita llegar a la superficie, el operador y los controles del sistema de
elevación
La plataforma pivota respecto al mecanismo de tijeras mediante el perno B y
desliza con una corredera en el extremo opuesto con el rodamiento apernado C.
147
Figura 4.46 Partes y trayectoria barrida por el punto E (final del vástago).
La figura 4.47 muestra el sistema de elevación cuando está totalmente elongado,
llegando a alcanzar una altura de trabajo de 6,3 m desde el suelo, más una altura adicional
proporcionada por el mecanismo para llegar a la superficie, ya que este pivota y logra
sumar 0,7 m aproximadamente variando solo 5 cm desde su posición inicial horizontal
como muestra la figura 4.48, logrando una altura de trabajo total de 7 m.
148
Figura 4.47 Sistema de elevación totalmente extendido con altura de trabajo de 7,2 m.
Figura 4.48 Mecanismo de acceso a la superficie con dimensiones de posibles movimientos.
Dichas las consideraciones, se realiza la traslación del conjunto de barras, obteniendo la
trayectoria de elevación de la estructura desde el punto E hasta el E’ como se muestra en
color rojo en la figura 4.49. Se estudiará el menor recorrido posible ya que en esa fase
inicial de elevación de la estructura es donde es necesario realizar una mayor fuerza
ejercida por el pistón. Para el cálculo de esta fuerza se empleará y sustituirá en la ecuación
2.28, en la cual se representa el trabajo ejercido por el pistón para elevar toda la masa
presente en la estructura en la fase inicial de ascenso en dirección tangente a la trayectoria
ascendente desde E hasta E`.
149
Para estimar la masa de toda la estructura se mostraran las tablas 4.12 y 4.13 donde se
presenta todas las partes involucradas en el sistema para posteriormente realizar una suma
algebraica de la masa de los elementos involucrados en la elevación de la estructura.
La tabla 4.12 muestra la masa de los componentes del mecanismo de acceso para llegar a la
superficie.
Tabla 4.12 Masa de los elementos del mecanismo de acceso hacia la superficie.
Pieza Cantidad de piezas Masa (kg) Masa total (kg)
Base de trípode 1 24,3 24,3
Barras del trípode 3 3,85 11,55
Pasador principal 1 0,125 0,125
Perfil 10x5 cm 3 12,13 36,39
Perfil 5x5 cm 3 7,81 23,43
Horquilla 1 1,33 1,33
Apoyos inferiores 1 24,308 24,308
Casquilos 4 0,201 0,602
Soporte central de
barras 1 0,5 0,5
Total 122,535
La tabla 4.13 muestra la masa de los componentes del sistema de ascenso hacia la
superficie.
Tabla 4.12 Masa de los elementos del sistema de ascenso hacia la superficie.
Pieza Cantidad de piezas Masa (kg) Masa total (kg)
Cesta o parte
superior 1 214,55 214,55
Perfil 10 x 8 cm
e=3mm (tijeras) 20 12,22 244,4
Eje de conexión
entre dijeras D=2 cm 17 2,73 46,41
Estructura inferior,
perfil estructural
10x8 cm e=3mm
1 147,289 147,289
Total (kg) 652,649
150
Para el cálculo de la masa involucrada en el ascenso de la estructura se utilizaron las
tablas 4.12 y 4.13, se sumaran algebraicamente las masas que serán elevadas sustituyendo
en la ecuación 4.7
∑
∑
Ahora bien, a partir de la figura 4.49, la cual muestra el trayecto recorrido en color
rojo por el punto “E” en la elevación, se determinará mediante el programa Autocad la
longitud de arco recorrida cuando la estructura empieza a ser elevada deslizando el punto
“M” 1 cm hacia la izquierda.
Figura 4.49 Longitud de arco recorrida por el punto E cuando es iniciado el ascenso.
Vista la figura 4.49 se sabe que la longitud de arco recorrida desde el punto E es
igual a 0,021 m de longitud, medida que se utilizará como la longitud de arco “ds”
posteriormente.
151
Luego es necesario calcular el centro de masas cuando el sistema inicia el ascenso y
posteriormente cuando el punto “E” se eleva 0,021m producto del desplazamiento de “M”.
Seguido a esto se utiliza el programa SolidWorks, el cual calcula dicho centro de masa para
ambas posiciones, como se observa en la figura 4.50. En las figuras 4.50 y 4.51 se observa
la pequeña variación del centro de masas (color rosado) en la dirección de ascenso de la
estructura desde la posición inicial a la final respectivamente. El programa computacional
Solidworks es capaz de calcular dicho centro de masas a partir de un origen predispuesto
por el usuario, en éste el sistema de referencia fue situado a uno de los extremos de la
estructura inferior, como se denota en la figura 4.50 de color azul “sistema de
coordenadas1”. Para la posición E si registro una medida de 0,81 m, mientras que en la
posición E’ fue de 0,87m.
Figura 4.50 Centro de masa del sistema cuando está totalmente retraído.
152
Figura 4.51 Centro de masa del sistema cuando empieza el ascenso.
Finalmente para obtener la fuerza tangencial Ftg en la trayectoria de ascenso del
punto E a E’ denominada “ds” como se muestra en la figura 4.52 es necesario sustituir
valores en la ecuación 2.29 y despejar tal fuerza.
Figura 4.52 Vectores de fuerzas ejercidas por el cilindro hidráulico cuando es iniciado el ascenso.
153
∑
Ahora es necesario calcular la componente de la fuerza en la dirección del cilindro
“F”, dicho cálculo se realizará mediante la ecuación 4.8 utilizando trigonometría, ya que se
conoce el ángulo formado entre Ftg y F como se muestra en la figura 4.52.
Dónde:
: Ángulo formado entre la fuerza tangencial al movimiento y la fuerza en la dirección
del pistón ( )
: Fuerza tangencial a la trayectoria del punto “E”(N).
: Fuerza absoluta ejercida por el pistón para elevar toda la masa de la estructura (N).
Sustituyendo en la ecuación 4.8 se calcula la fuerza absoluta ejercida por el pistón
para elevar toda la masa de la estructura.
4.5.4 Selección del cilindro oleohidráulico para elevar la estructura.
154
Obtenida la fuerza necesaria para elevar la estructura es necesario seleccionar el tipo
de pistón hidráulico requerido por el sistema, para ello se utiliza una metodología
planteada por los fabricantes de pistones hidráulicos Parker.
Lo primero que se hace es calcular el diámetro mínimo en pulgadas que debe tener
el vástago en función de la masa a levantar igual 7.486,62 kg (16.505,16 lb) y la longitud
expuesta del vástago, para ello se tiene la tabla 4.14. Se escoge una presión inmediata
superior, que es este caso son 15.000 lb, luego se conoce la longitud expuesta de 0,55 m
extraído de los planos realizados.
Tabla 4.14 Diámetro mínimo sugerido del vástago del cilindro hidráulico en pulgadas. Parker
(2012)
Longitud expuesta del vástago del pistón (pulg) Carga
(lb)
155
Luego se obtiene el diámetro y área del pistón suponiendo una presión de trabajo
estándar del pistón de 17.236,89 kPa (2500 psi) mediante la tabla 4.15 verificando que sea
mayor que 3,65 cm (1 7/16”) de acuerdo al paso anteriormente mencionado.
Tabla 4.15 Diámetro mínimo sugerido del diámetro del vástago del pistón hidráulico en pulgadas.
Parker (2012)
De acuerdo a lo anteriormente calculado el pistón operará a 17.236,89 kPa (2.500
psi) con un diámetro del pistón de 10,16 cm (4”). Se sabe que con diámetros de 7,62 cm
(3”) en adelante cumple con la carga estipulada, pero el ascenso de la estructura se haría en
un tiempo de 25 segundos aproximadamente, trabajando con una bomba de 6,1 l/min a
17.236,89 kPa (2.500 psi), lo cual sería un tiempo muy corto y un ascenso inestable para la
estructura, razón por la cual se escoge un cilindro de mayor diámetro. La carrera necesaria
para el funcionamiento de elevación de la plataforma es de 0,55 m, pero lo recomendable es
que el cilindro no se elonge hasta tu carrera máxima para evitar pandeos del vástago, es por
ello que se realizará una selección con 0,6 m de carrera.
Especificaciones del cilindro hidráulico de construcción estándar seleccionado:
Marca: Parker
Serie: WMD Doble efecto
Fuerza del cilindro (lb) a varias presiones (psi) Diámetro del pistón (pulg)
Área del pistón
(pulg2)
156
Código: 40
Carrera: 0,6 m
Diámetro del pistón: 10,16 cm (4”).
Presión de trabajo: 17.236,89 kPa (2.500 psi)
Rango estándar de temperatura de operación: -23º C (-10ºF) hasta +74º C (+165º F)
Material de la camisa del pistón: Acero de alta resistencia ASTM 513 con un esfuerzo de
fluencia igual a 517.106,8 kPa (75.000 psi).
Material del vástago: Acero de medio carbono con un esfuerzo de fluencia igual a
689.475,7 kPa (100.000 psi), endurecido hasta un mínimo de 50 Rockwell C
Prensaestopas: Construido con hierro dúctil de alta Resistencia, diseño extra fuerte.
Pistón: Una sola pieza firmemente pilotada de hierro dúctil, asegurada con el vástago
mediante una tuerca de seguridad.
Sellos: Uretano de alto grado
Sello del vástago: Poliuretano de algo grado.
Rodamientos: Rodamientos de desgaste de banda proporcionan protección lateral de carga.
Posee lubricación interna, estabilizador de calor.
Selección del agarre del vástago del pistón hidráulico:
Por medio del catálogo Parker y el dimensionamiento del diseño se seleccionará el
agarre del vástago que más se adapte al pistón seleccionado mediante la figura 4.52.
157
Figura 4.52. Especificaciones del agarre del vástago hidráulico al sistema. Parker (2012)
El código del agarre del cilindro Parker al sistema es D275020 con las
especificaciones mostradas en la figura 4.52.
Selección del agarre del cuerpo del cilindro hidráulico a la estructura inferior:
Por medio del catálogo Parker y el dimensionamiento del diseño se seleccionará el
agarre del vástago del cilindro hidráulico que más se adapte al pistón seleccionado
mediante la figura 4.53.
Punto de referencia
Diámetro
de vástago
Código del
vástago
Código de agarre
del vástago
Tamaño
nominal CK EM CA ER WF
158
Figura 4.53 Especificaciones del agarre del cilindro hidráulico al sistema. Parker (2012)
El código del agarre del vástago del cilindro Parker al sistema es D154712 con las
especificaciones mostradas en la figura 4.53.
4.5.5 Selección de la bomba hidráulica del sistema.
Para el continuo desplazamiento del fluido por el sistema es necesario seleccionar
una bomba de paletas, ya que esta proporciona altos valores de presiones requeridas por el
pistón a operación continua a un bajo caudal, son compactas y de eficiente control, amplio
rango de temperatura de operación, bajo ruido por los bajos caudales y opera de manera
horizontal. Es necesario que la bomba pueda alcanzar la presión de trabajo del pistón
igual a 17.236,89 kPa (2.500 psi) es por ello que se selecciona la siguiente bomba con las
especificaciones mostradas en la figura 4.54.
Punto de referencia
Código
del
vástago
Código de
agarre del
vástago
Tamaño
nominal
CD UB L MR Diámetro
del
pistón
159
Figura 4.54 Especificaciones de la bomba hidráulica de paleta seleccionada. Parker (2012)
Seguidamente se muestra en la figuras 4.55 la bomba marca Parker seleccionada.
Figura 4.55 Bomba de paleta SDV10-1`1 seleccionada. Parker (2012)
En la figura 4.56 se muestra las dimensiones físicas de la bomba seleccionada.
Figura 4.56 Dimensiones de la bomba de paletas seleccionada en (mm). Parker (2012).
160
Se seleccionó una bomba marca Parker, modelo SDV10- 1* 1 capaz de manejar una
presión de 17.236,89 kPa (2.500 psi) a un caudal de 6,1 l/min (1,6 gpm) y una potencia de
2,2 kW (2,89 hp) a 1800 rpm, considerando una temperatura de succión de 50ºC utilizando
un aceite con viscosidad ISO 32.
El cilindro hidráulico contiene un volumen de aceite igual a 4,864 l, considerando
una carrera de 60 cm y diámetro del cilindro igual a 10,16 cm (4”), esta bomba
seleccionada podrá extender en su totalidad el vástago del cilindro en aproximadamente 50
segundos, siempre y cuando se maneje un caudal de 6,1 l/min. Dicho tiempo está por
encima en 15 segundos de sistemas de elevación semejantes.
La figura 4.56 muestra el comportamiento de potencia y caudal función de la
presión de descarga de la bomba seleccionada.
Modelo Caudal (l/min) Caudal (gpm) Potencia de entrada
(kW)
Potencia de entrada
(hp)
Figura 4.56 Comportamiento de la bomba de pistón hidráulico seleccionada a diferentes presiones
de trabajo. Parker (2012).
Selección del motor eléctrico para el accionamiento de la bomba hidráulica.
Para la puesta en funcionamiento del sistema oleohidráulico es necesario acoplar un
motor eléctrico de bajo voltaje de jaula de ardilla, marca Siemmens, modelo RGZZESD
EPACT, Nema trifásico con carcaza de hierro, 4 polos, 3 hp a 1800 rpm, trabando con una
frecuencia de 60 Hz.
161
4.5.6 Selección del filtro de aceite del sistema oleohidráulico.
Para mantener el sistema libre de impurezas y aumentar la vida útil del aceite
protegiendo la bomba de pistones y demás componentes que conforman el sistema es
necesario seleccionar un filtro situado en la succión de la bomba el cual pueda manejar un
caudal de 6,1 l/min (1,6 gpm) o superior, las conexiones deberán ser de 2.54 cm (1”) y
manejar presiones mayores a 5 bar, según las recomendaciones de fabricantes de filtros
Parker para este tipo de aplicación.
Para cumplir con los parámetros anteriormente dichos se seleccionó un filtro de los
fabricantes Parker, modelo 12AT, con una presión de trabajo de 10,3 bar (150 psi) a
rango de caudal de 0 a 57 l/min, compatible con todos los aceites a base de petróleo y
aceites sintéticos, posee una temperatura de trabajo de -30ºC a 121ºC, está hecho de
aluminio, las dimensiones y demás especificaciones se encuentran en el anexo VI.
4.5.7 Diseño del tanque de aceite del sistema.
Según los fabricantes de bombas de pistón Parker se recomienda que el tanque para
el almacenamiento del aceite posea de 2,5 a 3 veces el caudal manejado por la bomba,
conociendo el caudal de la bomba igual a 6,1 l/min (1,6 gpm) se procederá a dimensionar el
tanque, por otra parte se sabe que la parte inferior del tanque debe poseer una pendiente
para cuando el tanque es vaciado desde el tapón inferior. Generalmente se utilizan chapas
de acero al carbono que posean un espesor mayor de 2mm, el tanque debe poseer una tapa
roscada, medidor de nivel y una placa separando la succión de la descarga, esto debido a
estabilizar la temperatura y estado físico del aceite contenido en el tanque. Debido a que el
sistema estará situado en la estructura inferior del sistema de elevación se seleccionará un
factor de 2,5, esto producto de la pequeña distancia entre los componentes. La ecuación 4.9
permitirá el cálculo del volumen de aceite que debe contener el tanque en función del
caudal descargado por la bomba, en base a este volumen se dimensionará el tanque.
162
Dónde:
: Volumen de aceite contenido en el tanque (l)
: Caudal de descarga de la bomba seleccionada (l/min)
: Tiempo que tarda el volumen de aceite por la descargada de la bomba (min)
Sustituyendo en la ecuación 4.9 se conoce el volumen de aceite contenido en el tanque.
( ⁄ )
Considerando que el tanque ocupará la estructura base de la plataforma del diseño y
que además se colocará en el extremo contrario donde está la mayoría de peso,
contribuyendo a la estabilidad del sistema, se considerará un tanque cúbico, ahora bien se
procede a calcular la dimensiones del tanque sustituyendo valores en la ecuación 4.10. Por
otra parte se considera un aumento del 30% volumen ya calculado debido al aire y espuma
que se pueda generar en la parte superior del tanque, quedando un volumen de aceite igual
a 0,019825 m3.
Dónde:
: Volumen de aceite contenido en el tanque (l)
: Lados del tanque de aceite (m)
Despejando y sustituyendo valores en la ecuación (4.10) queda que:
√ √
Ya obtenida las dimensiones del tanque es necesario ilustrar el arreglo
oleohidráulico en la parte inferior del diseño, este queda como muestra la figura 5.57.
163
Figura 4.57 Arreglo oleohidráulico realizado en la parte inferior del sistema.
4.5.8. Diámetro de tubería.
Para determinar el diámetro mínimo de manguera requerido por el sistema, se deben
conocer como dato el caudal de trabajo del sistema, además de las características del fluido
de trabajo, que es este caso es aceite con una viscosidad de 40 cSt, con estos datos, además
de tener una noción de las velocidades en la cual circula el flujo a través de los conductos
de aspiración, retorno e impulsión, producto de la tabla 2.2, del capítulo 2, se procederá a
obtener el diámetro del tubería para el sistema.
Con el caudal igual a Q = 6,1 l/min (1,6 gpm) se procede a entrar al ábaco, tal como
se muestra en la figura 4.58 y se obtienen los diámetros de tuberías. Este diámetro se
obtiene a partir de tomar una regla y colocarla de la columna de caudal hasta la columna de
velocidad. El diámetro interno de manguera recomendado se observa en el punto donde la
línea atraviesa la columna de diámetro interno de la manguera. Si la línea atraviesa la
Filtro
Bomba
V
164
columna de diámetro interno entre dos medias, se recomienda utilizar un diámetro mayor.
Se debe tener en cuenta, que a menos que el fluido hidráulico sea intermitente u ocasional,
las velocidades recomendadas no deben ser excedidas.
Figura 4.58. Ábaco para calcular el diámetro mínimo de manguera para un sistema hidráulico en
función de la velocidad. Roldan (2009)
En la manguera de impulsión, para una P = 172,3689 bar y una velocidad de flujo de
5,7 m/s (18,7 ft/s). de acuerdo con el ábaco el diámetro interior es de 4,76 mm (3/16”).
En la manguera de retorno, con una velocidad de flujo de 2 m/s (6,5 ft/s). de
acuerdo con el ábaco el diámetro interior es de 7,93 mm (5/16”).
165
Para manguera de aspiración, con una velocidad de flujo de 1,23 m/s (4 ft/s), con
una viscosidad en cSt 40. de acuerdo con el ábaco el diámetro interior es de 9,52 mm
(3/8”).
El cálculo de las pérdidas en las mangueras se realizar por medio del ábaco de la figura
4.59, dando como resultado las pérdidas de presión por metro para los siguientes diámetros:
Para un diámetro de 5 mm, las pérdidas de cargas por metro de tubería es
2 bar/m.
Para un diámetro de 8 mm, las pérdidas de cargas por metro de tubería
es 0,25 bar/m.
Para un diámetro de 10 mm, las pérdidas de cargas por metro de tubería es
0,1 bar/m.
166
Figura 4.59. Ábaco para determinar las pérdidas de cargas en una manguera. Roldan (2009).
4.5.9 Válvula de control oleohidráulico.
A continuación se muestra la válvula de control seleccionada para mediante
catálogos, dicha válvula permitirá las operaciones elevar, retener y retraer la plataforma de
tijeras, cuando se esté realizando para operación de acondicionamiento y pintado de
superficies.
167
Para la selección de la válvula se toma en cuenta el caudal que maneja el sistema,
que en este caso es de 6,1 l/min (1,6 gpm) y la presión del sistema 17,236 MPa (2500 psi).
La válvula de control seleccionada será una 4 vías y 3 posiciones (4/3) marca Enerpac,
modelo VP-11, trabaja a 24 VCC a 60Hz, presión de trabajo de 500 a 5.000 psi, caudal
máximo de 7 l/min a 5000 psi, conexiones roscadas de ¼” estas son altamente usadas en
sistemas con cilindros de simple y doble acción, en la figura 4.60, se aprecia las
características de la válvula. Adicional a esto esta válvula de control posee centro cerrado,
para que en casos de fugas, no permita la salida del fluido hidráulico, no se retraiga de
manera brusca el elevador de tijeras, poniendo en peligro la salud del operario. Por otra
parte la figura 4.60 ilustra los sentidos de flujo de aceite en las diferentes posibles
posiciones.
Figura 4.60 Válvula de control seleccionada. Fabricante Enerpac (2012).
En la figura 4.61 se aprecia las dimensiones de la válvula control hidráulica
seleccionada.
168
Figura 4.61 Dimensiones de la válvula de control. Fabricante Enerpac (2012).
4.5.10 Circuito oleohidráulico
A continuación en la figura 4.62 se muestra el accionamiento del circuito
hidráulico de una plataforma elevadora articulada. La disposición de las barras y de la
corredera inferior, permite que la plataforma se eleve siempre permaneciendo horizontal y
sin giro. Tal y como se puede apreciar, para producir ese efecto se emplea un cilindro
hidráulico (1) de doble efecto que tiende a separar dos barras cualesquiera cuando el
vástago avanza. En este caso el ascenso y el descenso de la plataforma se realizan mediante
una bomba accionada por un motor eléctrico.
Para bloquear el vástago del cilindro en ambos sentidos y según se muestra en (a),
se utilizan dos válvulas antirretorno (2) y (3), pivotadas desde la cámara opuesta y que
permite la inmovilización de la plataforma en las fases de reposo. El distribuidor (4) es de
accionamiento por palanca, de tres posiciones y con el centro comunicado con sus cuatro
vías, con lo cual en reposo no se generan presiones, ya que el aceite se descarga libremente
al depósito. El manómetro (5) permite en este caso, valorar de una forma indirecta la
magnitud de la carga sobre la plataforma, además de servir para tarar la válvula limitadora
de presión (6).
169
Accionado manualmente la válvula 4/3 vías se logra ascender o descender la carga
situándola en cualquiera de las tres posiciones. En este caso la corredera de la válvula se
debe desplazar de forma voluntaria a la posición central, igual que para desplazar a
cualquier extrema.
Figura 4.62 Arreglo del sistema oleohidráulico.
4.5.10 Sistema de seguridad de la plataforma de elevación.
Para asegurar el sistema contra posibles fallas del sistema hidráulico es necesario
diseñar un mecanismo el cual proporcione seguridad y confiabilidad al operario, es por ello
que se ve en la necesidad de acoplar dos cremalleras a los lados del cilindro hidráulico
como se puede observar en la figura 4.63, dichas cremalleras principales realizarán los
mismos movimientos del cilindro hidráulico, por otra parte se tiene otro juego de
cremalleras las cuales pivotan del eje en la conexión del vástago al juego de tijeras, dichas
cremalleras secundarias están acopladas a un cilindro neumático el cual es accionado en el
descenso de la plataforma, despegando la cremallera segundaria de la primaria haciendo
posible el descenso de la plataforma. Como se puede ver en la figura 4.63, las cremalleras
170
están posicionadas de tal forma que solo se pueden trancar en el descenso de la plataforma,
objeto por el cual sirve como mecanismo de seguridad ante cualquier falla del sistema
hidráulico.
Figura 4.63 Partes del sistema de seguridad de la plataforma de elevación.
El cilindro neumático posee en el extremo del vástago una especie de rueda que
permite su deslizamiento en el descenso de la superficie sobre el cilindro hidráulico, en la
figura 4.64 se mostrará la vista trasera del arreglo del cilindro hidráulico con las
cremalleras.
Eje de conexión del
vástago hacia las tijeras
de la plataforma de
elevación
Eje de conexión del
cilindro hacia la
estructura inferior
Cremalleras
primarias
Cremallera
secundaria
Cilindro
oleohidráulico
Cilindro neumático
Vástago
171
Figura 4.64 Detalle del cilindro neumático sobre el cilindro hidráulico (A), propiedades físicas de
la cremallera secundaria (B).
En la figura 4.64 (B) se muestra la masa igual a 18,595 kg de la cremallera
secundaria extraída con la ayuda del programa SoldWorks, la cual servirá para seleccionar
el cilindro neumático que elevará dicha cremallera.
Selección del cilindro neumático.
Ahora bien para la selección del cilindro neumático utilizado para el sistema de
seguridad, se tomará en cuenta una presión de trabajo de 600 kPa (6 bar) y de acuerdo a la
(A)
(B)
172
configuración del sistema de seguridad, se requiere que el cilindro realice un recorrido de
25 mm, esto permitirá que la uña de seguridad no esté en contacto con la cremallera y se
puede retraer la plataforma de tijera, para este tipo de caso, el cilindro que mejor se adapta
en el de simple efecto. La figura 4.65, muestra el cilindro seleccionado según catálogos. De
acuerdo a la presión de trabajo y el área del émbolo se puede calcular la masa que puede
elevar dicho cilindro el cual deberá ser mayor que la sumatoria de masas en la cremallera
secundaria.
Figura 4.65 Cilindro neumático de simple afecto. Parker (2012).
En la figura 4.66 se muestra el cilindro neumático de simple efecto marca Parker,
código P1A- S025SS-0025 cuenta con una presión máxima de trabajo igual a 1.000 kPa
(10 bar), temperatura de trabajo entre (-20 a 80) °C, diámetro de 25 mm, carrera de 25 mm.
Dicho cilindro neumático seleccionado tiene la capacidad de elevar una carga de 25 kg
trabajando a una presión de 500 kPa, presión menor a la de trabajo, cumpliendo con la
elevación de la cremallera secundaria del diseño del sistema de seguridad con una masa
igual a 18,595 kg.
Figura 4.66 Código cilindro neumático seleccionado. Parker (2012).
Electroválvula de control neumático.
173
Para que el elevador de tijeras pueda retraerse, debe desactivarse el sistema de
seguridad, este se debe realizar desde el mando de control en la plataforma, por lo tanto se
requiere de una electro-válvula que permita el accionamiento eléctrico para mandos con
distancias extremamente largas y cortos tiempos de conexión.
Con la presión de trabajo 600 kPa (6 bar) y el caudal que maneja el compresor
147 l/min, con la ayuda de catálogos se selecciona una electro-válvula 3/2 vías con
accionamiento y reposición electro-neumática monoestable, marca Camozzi, modelo 435-
015-22, con rango de trabajo entre 200 y 1000 kPa (2 a 10) bar, con un caudal de trabajo de
650 l/min como se muestra en la figura 4.67.
Figura 4.67 Datos de la electroválvula seleccionada. Camozzi (2012).
Circuito neumático e hidráulico
En la figura 4.68 muestra el esquema del circuito electro-neumático con el sistema
electrohidráulico, garantizando la seguridad del operario en la plataforma elevadora. Cabe
acotar que los mandos combinados a base de electrónica en la neumática e hidráulica
poseen gran ventaja en la rapidez de paso de la señal, además que permite enlazar
elementos de mando pertenecientes a un mismo equipo incluso con grandes separaciones
entre ellos.
174
El sistema se compone principalmente por dos cilindros, el oleohidráulico de doble
efecto el cual garantiza el ascenso y descenso de la estructura, y, el neumático de simple
efecto, que proporciona seguridad en el descenso de la estructura en caso de fallas del
sistema olehidráulico, entre otros componentes se encuentran una válvula neumática
monoestable de 3 vías con dos posiciones (3/2) vías, válvula oleohidráulica de 4 vías y 3
posiciones monoestable (4/3), normalmente cerrada en su centro, válvula reguladora de
caudal para el cilindro del sistema neumático, la cual disminuye el efecto rebote en la
retracción del émbolo neumático, por otra parte se observan diferentes componentes, entre
los cuales está el filtro olehidráulico, manómetro olehidráulico, bomba oloehidráulica,
válvula sheck en la succión de la bomba, la cual permite mantener una columna de aceite
proveniente del tanque, unidad de mantenimiento neumática, dos pulsadores manuales,
relés, sensores inductivos en el final de carrera de ambos cilindros, diseñados para detectar
objetos ferrosos o no ferrosos, cables, entre otros. El sensor inductivo de final de carrera de
cilindro hidráulico fue estipulado para una distancia de 0,55 m de longitud de carrera,
considerando que la carrera máxima es igual a 0,6 m, esto debido a que no se recomienda la
extensión máxima en la carrera del cilindro olehidráulico ya que se pueden generar
problemas de pandeo y deformación del vástago, entre otros daños.
1.0 2.0
1.01
1.1
2.1
0.1
175
Figura 4.68 Circuito eléctrico para el funcionamiento del sistema neumático y olehidráulico.
Selección del sensor inductivo
Para el censado de final de carrera tanto para el cilindro neumático como el
oleohidráulico es necesario selección un sensor inductivo, ya que este tiene la capacidad de
detectar diferente tipo de metales, el arreglo de cableado será PNP, cuando existe la
presencia de metal el sensor emite una señal de 24 V DC y de o DC de caso contrario, este
posee un factor de corrección para el rango de censado de metales de 1. Las
especificaciones técnicas se muestran a continuación:
Marca: Rockwell automation, modelo 871TM
Distancia de detección : 5-60 mm
Diámetro: 18 mm, roscado.
Tipo de corriente: (5-60) AC/DC de 2 o 3 cables.
Resistente a la abrasión e impacto.
Luces led indicativas de sensado.
176
Selección de la unidad de mantenimiento
La unidad de mantenimiento filtra, regula y lubrica y esta se selecciona en función al
caudal de aire a manejar, calidad de filtrado y otras características de lubricación las cuales
permite un mejor funcionamiento del sistema neumático. Mediante catálogos de los
fabricantes de unidades de mantenimiento Festo se seleccionó el modelo MS9 con las
siguientes características:
Tamaño de conexión: ¾ de pulgadas.
Caudal : 6.000-16.000 l/s
Presión primaria admisible: 20 bar
Deposito del filtro: Funda metálica con protección
Filtrado de aire a presión: filtro de 40 µm, 5 µm LF
Combinación de reglas de filtrado: Unidad de filtro y regulador LF
Relés del sistema eléctrico.
El relé funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que,
por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos
que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes como los mostrados en
el esquema eléctrico del sistema neumático e hidráulico. Se seleccionará un relé de
propósito general, marca Rockwell, modelo 700 FS, de 1 o 2 contactos simples, pilotaje
Nema B300, con un voltaje de trabajo de 10 a 24 V.
4.6.11 Cálculo de la estabilidad física del sistema.
Plano frontal:
Para garantizar la estabilidad del sistema se tiene cumplir, que la fuerza (P) ejercida
por el peso de la pistola aerografica, el porta pistola y la lanza para acondicionar superficie,
en el extremo del sistema para pintar, debe ser menor a la ejercida por el sistema de acceso,
177
entre los cuales se encuentra la fuerza producidas por el masa de plataforma (T), del
sistema para llegar a la superficie (U) y la masa de la persona que operará el sistema (W),
adicionando la fuerza ejercida por la masa de las tijeras (K), como también, la ejercida por
el carro-base de la plataforma.
Haciendo sumatoria de momento en la estrella roja en la figura 4.69, se podrá
despejar la fuerza (P) necesaria para hacer que el sistema no sea estable en el plano frontal,
lo cual se puede observar mediante la siguiente ecuación 4.11.
∑ (4.11)
Donde se conoce:
U = 92,91 kg. / Brazo de acción = 0,4200 m.
T = 224,541 kg. / Brazo de acción = 0,8486 m.
W = 90 kg. / Brazo de acción = 1,1300 m.
K = 12,220 kg. / Brazo de acción = 0,9500 m.
E = 144,635 kg. / Brazo de acción = 0,6600 m.
+
178
Figura 4.69. Vista frontal del sistema de acceso con la interacción de cargas.
Sustituyendo los valores en la ecuación 4.11, queda:
(-4,5m)(P) + (0,42 m*92,91 kg* 9,81 m/s2) + (0,8496 m*214,541 kg*9,81 m/s
2) + (1,13 m*
90 kg* 9,81 m/s2) + (0,95 m* 12.22 kg* 20* 9,81 m/s
2) + (0,66 m* 144,635 kg*9,81 m/s
2)
= 0
Despejando P, nos queda:
P = 6.382,7326 Nm/ 4,5 m =1.418,3850 N
Comparando la fuerza (P) producto del momento, con la fuerza real (Pr) producidas
por el peso de los accesorios para pintar y limpiar, se obtiene:
Pr = m*g = 5 kg * 9,81 m/s2 = 49,05 N.
49,05 N < 1.418,3850 N
W
T
U
P
K
E
179
Se compuerta que el sistema es estable en el plano frontal
Plano lateral:
Se realiza el mismo procedimiento que en el plano frontal, para garantizar la
estabilidad del sistema. La fuerza (P) en el extremo del mecanismo de acceso es ejercida
por el peso de la pistola aerográfica, el porta pistola y la lanza para acondicionar
superficies, dicha fuerza debe ser menor a la ejercida por el sistema de acceso, entre los
cuales se encuentra la fuerza producidas por el masa de plataforma (T), del sistema para
llegar a la superficie (U) y la masa de la persona que operará el sistema (W), adicionando la
fuerza ejercida por la masa de las tijeras (K), como también, la ejercida por el carro-base de
la plataforma.
Haciendo sumatoria de momento en el punto donde está situada una cruzroja en la
figura 4.70, se podrá despejar la fuerza (P) necesaria para hacer que el sistema no sea
estable en el plano frontal, lo cual se puede observar mediante la siguiente ecuación (4.12).
∑ (4.12)
Donde se conoce:
U = 92.91 kg. / Brazo de acción = 0,4200 m.
T = 224.541 kg. / Brazo de acción = 0,8486 m.
W = 90 kg. / Brazo de acción = 1,1300 m.
K = 12.220 kg. / Brazo de acción = 0,9500 m.
E = 144.635 kg. / Brazo de acción = 0,6600 m.
+
180
Figura 4.70. Plano lateral del sistema de acceso.
Sustituyendo en la ecuación 4.12 se determina el valor de (P):
(-4,5 m)*P + [0,5 m* (92,91+90+214,541) kg* 9,81 m/s2] + (0,5 m* 12,22*20*9,81 m/s
2) +
(0,5 m* 144,635 kg* 9,81 m/s2) = 0
P = 3.857,7138 Nm/ 4.5m = 857,2697 N
Comparando la fuerza (P) producto del momento, con la fuerza real (Pr) producidas
por el peso de los accesorios para pintar y limpiar, se obtiene:
Pr = m*g = 5 kg * 9,81 m/s2 = 49,05 N.
49,05 N < 857,2697 N
Se comprueba que el sistema es estable en el plano lateral.
4.6.12 Selección del electrodo para el proceso de soldadura.
181
Para el desarrollo del elevador de tijeras y el sistema para pintar y limpiar se
emplean tubos estructurales de acero 1020 y electrodos 6013. La fabricación se puede
realizar en un taller convencional de herrería.
Propiedades mecánicas del electrodo 6013:
Resistencia a la tracción: (500 a 550) N/mm2.
Elongación en 50 mm: 17%.
Dureza Brinell: 160.
Limite elástico: 330,8483 N/mm2.
Composición típica del material depositado:
Carbono: 0,09%.
Manganeso: 0,41%.
Silicio: 0,40%.
Azufre: 0,005%.
Fósforo: 0,02%.
Selección de tamaño y amperaje del electrodo.
A partir del espesor del metal base se puede obtener el diámetro del electrodo y el
amperaje necesario para el proceso de soldadura, en la figura 4.71 se puede obtener el
diámetro del electrodo para el espesor mínimo utilizado en la estructura el cual es de 3 mm,
en este caso 3 mm no se encuentra en la tabla y se tomara un valor por encima 3,4 mm.
182
Figura 4.71 Selección del tamaño y amperaje del electrodo.
Como resultado se obtuvo un electrodo de diámetro 4 mm (5732 in) para un amperaje
de trajo entre 120 y 175 A.
Este tipo de electrodos tiene la característica de poder trabajar en todas la posiciones,
principalmente en vertical descendente, utiliza corriente alterna (CA) o corriente continua
(CD) tanto con la polaridad directa (PD) o polaridad invertida (PI), pocos generación de
chispas y penetración ligera.
Este electrodo es generalmente utilizado en reparaciones de equipos y maquinarias de
acero de bajo carbono, posee fácil aplicación sobre laminas delgadas, adicional a esto, es un
electrodo muy comercial y de costo monetario bajo.
4.6.13 Instalación del sistema semiautomático para limpiar y pintar superficies.
Antes de explicar la instalación del dispositivo es necesario colocar la tabla 4.16 con
las partes que conforman el sistema visto en la figura 4.72, entre las cuales se encuentran:
Tabla 4.16 Partes del sistema semiautomático para el pintado y limpiado de superficies.
Parte Cantidad (pieza) Longitud (m) Longitud Total (m)
Barras primarias 3 2 6
Barras secundarias 2 2 4
Barra secundaria 1 1 1
Porta lanza 1 - 1
Porta pistola 1 - -
183
Porta pesas 1 - -
Horquilla 1 - -
Acople entre horquilla y
trípode 1 - -
Trípode 1 1, 08 3,24
Base de trípode 3 0,5 1,5
Poleas 3 - -
Tubo para el
desplazamiento del
dispositivo
2 3 6
En la figura 4.72 muestra las dimensiones de las partes que conforman el sistema de
acceso a la superficie a limpiar y pintar
Figura 4.72 Dimensiones del sistema de acceso hacia la superficie a limpiar y pintar.
De acuerdo a las dimensiones de cada parte del dispositivo se tiene que el ensamble
del dispositivo será de forma manual mediante pernos pasantes, además se sabe que el
acople de mayor longitud pertenece al sistema primario de 3 barras, las cuales serán
ensambladas mediante pernos en sitio al igual que las demás piezas, la metodología a seguir
para el ensamble del sistema para limpiar y pintar superficies es:
1. Ubicación de todas las partes del sistema de acceso a la superficie a pintar y limpiar.
2. Ensamble consecutivo mediante pernos de los 3 perfiles 10 x 5 cm (4” x 2”).
3. Ensamble consecutivo mediante pernos de los 3 perfiles 5 x 5 cm (2” x 2”).
4. Acople del porta pesas y porta pistola a el sistema de barras 10 x 5 cm (4” x
2”).
2 2
1
2
1
0,5
184
5. Sujeción paralela del sistema de barras anteriormente mencionadas con pernos
pasantes a los perfiles 10 x 5 cm (4” x 2”) y 5 x 5 cm (2” x 2”).
6. Acoplar el sistema de barras a la horquilla, por medio de un eje pasante a los perfiles
y a la horquilla.
7. Acoplar la horquilla a la unión entre la horquilla y el trípode.
8. Colocar el trípode en posición de operación.
9. Colocar la tubería circular paralelo a la superficie a pintar y por encima de la
superficie de apoyo (techos, tejados, entre otros).
10. Probar todas las partes y movimientos del dispositivo.
De acuerdo a lo anteriormente mencionado se sabe que el traslado de las partes se
realizará mediante un vehículo el cual pueda cumplir con el almacenamiento de la
dimensión máxima de la viga principal, la cual es igual 2 m de longitud como se puede
mostrar en la figura 4.72.
4.7 Material de diseño del sistema semiautomático de acceso a la superficie a limpiar y
pintar.
De acuerdo a las partes seleccionadas para el diseño del dispositivo, tales como perfiles
huecos estructurales se tiene que el acero usado para dicha aplicación es un AISI 1020 con
una resistencia a la fluencia de 210 MPa (Shigley ,1999), debido a la ductilidad y
comportamiento mecánico bajos cargas y factibilidad del soldado entre sus partes.
4.8 Consideraciones de diseño del sistema semiautomático de acceso a la superficie a
limpiar y pintar.
En el diseño mostrado en la figura 4.39 se usaron perfiles estructurales comerciales
usados en el mercado nacional, esto con la finalidad de realizar un diseño lo más cercano a
185
la realidad y utilizando piezas como pasadores, tornillos, poleas y ejes que se pueden
adquirir fácilmente. Ya obtenido el diseño del sistema descrito anteriormente es necesario
realizar un estudio estático de cada pieza, considerando que el comportamiento de cada
pieza permanezca en la zona elástica del material, evitando deformaciones permanentes
debido a las cargas aplicadas, por otra parte existen dos posibles condiciones de diseño del
sistema, una de ellas es cuando el sistema es utilizado para pintar superficies y la otra
condición es cuando se realice el limpiado de las superficies, el análisis y condicionamiento
de cargas involucradas se realizará cuando el sistema es usado para limpiar superficies,
debido a que en esta operación se genera una fuerza adicional de empuje hacia el sistema
cuando el agua es expulsada por la boquilla a presión.
4.9 Análisis de elementos finitos del diseño del sistema semiautomático de acceso para
limpiar paredes y techos.
En el método de análisis de elementos finito se utilizó como material la aleación de
acero AISI 1020 para los perfiles estructurales de 50 x 50 mm (2” x 2”) y 100 x 50 mm (4”
x 2”) y demás piezas tales como tornillos, tuercas, ruedas de apoyo y pasadores.
Las cargas involucradas en el análisis de elementos finitos fueron sustraídas de la
tabla 4.12, asumiendo el peso de cada elemento involucrado en la operación del
mecanismo, tales como la pistola de pintado y limpiado de superficies, lanza de limpieza de
superficies y mangueras para agua y aire, también se tomará en cuenta una fuerza de
empuje contraria al flujo que se ejerce en el porta pistola de rociado de agua del sistema de
limpieza de superficies, la cual será calculada mediante la ecuación (2.21), para ello será
necesario realizar el cálculo de las velocidades iniciales en la lanza y final en la boquilla,
siendo el diámetro de la lanza igual a 9,525x10-3
m (3/8”) y el de la boquilla 1x10-3
m,
ahora bien, el caudal utilizado será el de la bomba seleccionada 1,583x10-4
m3/s y densidad
del agua 1.000 kg/m3. Sustituyendo en la ecuación (2.21) se tiene que la fuerza de empuje
absorbida por el sistema para limpiar y pintar superficies es:
186
(
)
Ya obtenida la carga de empuje generada por la tubería y la lanza para el limpiado
de superficies, la cual se tomará en cuenta para el porta pistola, se generarán tablas para las
diferentes piezas donde se indiquen los esfuerzos de Von Mises y los desplazamientos
máximos obtenidos a partir del programa SolidWorks del diseño ya realizado y según el
número de elementos que componen la malla analizada. Adicionalmente se indica el error
porcentual entre cada par de esfuerzo y desplazamientos simultáneos producto del mallado,
y dicho error porcentual vienen dados a continuación por la ecuación (4.6).
(4.6)
Dónde:
: Esfuerzo máximo equivalente Von Mises o desplazamiento para la malla n.
: Esfuerzo máximo equivalente Von Mises o desplazamiento para la malla n-1.
Para el estudio de convergencia de los valores obtenidos producto del mallado en el
programa se considera como criterio un error porcentual entre discretizaciones menores al 1
% (Zienkiewicz, 1989). En este estudio se buscarán los resultados en donde los esfuerzos y
desplazamientos se estabilizan, aproximándose a la convergencia del sistema para dicho
parámetro.
187
En la figura 4.74 y 4.75 se muestra el comportamiento del esfuerzo y
desplazamiento respectivamente del porta pistola (pieza 1) cuando es sometido a cargas
distribuidas, tal como se muestra en las flechas color morado en la figura 4.73, dichas
cargas debido al peso de la pistola será calculada sustituyendo valores en la continuación
(2.22).
A partir de la sustitución de valores en la ecuación (2.22), se obtienen las cargas
mostradas en la tabla 4.14, donde se puede observar las cargas producto de piezas
acopladas a éstas, fuerzas de empuje, pesas, entre otras cargas involucradas en el diseño.
Tabla 4.17 Cargas involucradas en el diseño del sistema semiautomático de acceso a la
superficie a limpiar y pintar para el posterior análisis mediante método de elementos finitos.
Pieza Motivo Carga (N) Carga Total (N)
Porta pistola -Peso de la pistola con pintura 20 20
Porta pistola -Fuerza de empuje 309,6 309,6
Porta pesas -Peso de las pesas para equilibrar el
sistema de barras desde el pivote 146 146
Perfil 10 x 5
cm (4” x 2”)
-Peso del perfil por metro, e=1 mm 75 N/m -
Perfil 5 x 5
cm (2” x 2”)
-Peso del perfil por metro, e= 1mm 60 N/m -
Ensamble 1 -Porta pistola
-Pistola
30
20 50
Ensamble 2 -Peso producto de los componentes del
ensamble 1:
1 perfil 10 x 5 cm (4” x 2”) - 2 metros
1 perfil 5 x 5 cm (2” x 2”) - 2 metros
Porta pistola
150+120+50 320
Ensamble 3 -Peso debido a los ensambles 1 y 2
más el porta pesas
- Peso producto de las pesas que
equilibra el sistema desde el pivote
50+320=370
146 516
Horquilla -Peso producto del ensamble 1, 2 y 3
más el porta pistola con la pistola y el
20+146+320
+516 1.002
188
porta pesas
Soporte
superior del
trípode
-Peso soportado por la horquilla el
peso propio de la horquilla 1.002 + 20 1.022
Tabla 4.18 Cargas involucradas en el diseño del sistema semiautomático de acceso a la
superficie a limpiar y pintar para el posterior análisis mediante método de elementos finitos
(continuación).
Pieza Motivo Carga (N) Carga Total (N)
Paral del
trípode
(3 piezas)
-Peso absorbido por el soporte superior
del trípode
-Peso propio del soporte superior del
trípode
1.022 / 3
piezas = 341 /
pza. + 20
1.042
Base de
trípode
-Peso soportado por los parales del
trípode más el peso propio de los
parales
1.042 + 90 1.132
Ruedas de
apoyo ( 3
piezas)
-Peso soportado por las base del
trípode
- Peso de la base del trípode
1.132 / 3
piezas =377
20
1.152
4.9.1 Análisis de elementos finitos en el porta pistola neumática.
La figura 4.73 muestra el mallado realizado al porta pistola, seguidamente se
muestra el comportamiento del esfuerzo en la figura 4.74 y en la figura 4.75 el
desplazamiento del porta pistola cuando es sometido a cargas distribuida a lo largo de sus
superficie superior igual a 20 N producto del peso de la pistola con pintura, más una fuerza
de empuje igual a 309,6 N, tal como se muestra en las flechas color morado. También se
puede mencionar la condición de sujeción al perfil estructural por medio de las flechas
verdes mostradas en el mallado de la pieza en la figura 4.73.
189
En la figura 4.73 se muestra el porta pistola neumática sometido a cargas estáticas a
lo largo de su superficie superior, observando el mallado realizado en toda la pieza.
Figura 4.73 Mallado realizado al porta pistola bajo cargas en la superficie superior.
En la figura 4.74 se muestra el porta pistola sometido a cargas estáticas a lo largo de
su parte superior, observándose la diferencia de colores siendo el color rojo la zona mayor
esforzada.
Figura 4.74 Esfuerzos en el porta pistola bajo cargas en la superficie superior.
190
En la figura 4.75 se muestra el porta pistola sometido a cargas estáticas a lo largo de
su superficie superior, observándose la diferencia de colores siendo el color rojo la zona de
mayor desplazamiento.
Figura 4.75 Desplazamientos en el porta pistola bajo cargas en la superficie superior.
En la tabla 4.15 se muestran los resultados numéricos obtenidos a partir del análisis
de elementos finitos con el programa computacional Solidworks a la pieza 1.
Tabla 4.19 Resultados numéricos para la pieza porta pistola.
En la figura 4.76 se muestra el análisis de convergencia para esfuerzos y
desplazamientos en la pieza porta pistola, utilizando Solidworks 2012.
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 17653 7508 5,397 0,019530 - -
2 20601 8097 5,541971 0,019650 2,686140448 0,614439324
3 24083 13956 5,651289 0,019700 1,972547312 0,254452926
4 31701 19789 5,791983 0,019790 2,489591313 0,456852792
5 43311 26955 5,948573 0,019890 2,703564565 0,50530571
6 68872 36159 6,35799 0,019910 6,882608653 0,100553042
7 79453 41374 6,398044 0,019980 0,629978971 0,35158212
8 66338 57807 6,408888 0,019990 0,1694893 0,05005005
9 71917 79266 6,426981 0,020000 0,282311066 0,050025013
Pieza:1 - Porta pistola
191
Figura 4.76 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en la pieza porta pistola.
Según en conjunto de cargas aplicadas al porta pistola (pieza 1) iguales a 20 N, más
una fuerza de empuje igual a 309,6 N se pudo representar el análisis de las condiciones
críticas en cuanto a esfuerzos y desplazamientos se refiere, lo cual se puede apreciar en la
figura 4.74 y 4.75 respectivamente. En cuanto a los esfuerzos de Von Mises obtenidos y
cumpliendo con el criterio de convergencia del error porcentual en la pieza se tiene que el
valor que registró el programa fue igual a 6,4088 MPa, estando éste muy por debajo del
esfuerzo de fluencia para dicho material igual a 210 MPa, impidiendo así la deformación
plástica de la pieza analizada con un factor de seguridad igual a 32. De otro modo se logró
obtener que el desplazamiento máximo para el material anteriormente mencionado fue
igual a 0,02 mm, lo que indica que la pieza no es deformada plásticamente.
4.9.2 Análisis de elementos finitos al porta pesas (parte del ensamble 3).
En la figura 4.77 se muestra el mallado realizado al porta pesas, seguidamente se
muestra el comportamiento del esfuerzo en la figura 4.78 y el desplazamiento en la figura
4.79 del porta pesas (parte del ensamble 3) cuando es sometido a cargas distribuidas a lo
0
1
2
3
4
5
6
7
0,000000
0,005000
0,010000
0,015000
0,020000
0,025000
5000 15000 25000 35000 45000 55000
De
spla
zam
ien
to (
mm
)
Esfu
erzo
(M
Pa)
N° de Elementos
Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos para la pieza 1
Desplazamiento
Esfuerzo
192
largo del eje igual a 314 N (calculada en apéndice B), tal como se muestra en las flechas
color morado, dichas cargas producto de las pesas. También se puede mencionar la
condición de sujeción al perfil estructural por medio de las flechas verdes mostradas en la
figura 4.77.
Figura 4.77 Mallado realizado al porta pesas bajo cargas distribuidas a lo largo del eje.
En la figura 4.78 se muestra la diferencia de colores siendo el color rojo la zona
mayor esforzada.
Figura 4.78 Esfuerzos en el porta pesas bajo cargas distribuidas a lo largo del eje.
La figura 4.79 muestra el porta pesas sometido a cargas estáticas a lo largo de su
eje, observándose la diferencia de colores siendo el color rojo la zona de mayor
desplazamiento.
193
Figura 4.79 Desplazamientos en el porta pistola bajo cargas distribuidas a lo largo del eje.
En la tabla 4.16 se puede observar los resultados numéricos a partir del análisis por
el método de elementos finitos utilizando el programa computacional Solidworks en el
porta pesas.
Tabla 4.20 Resultados numéricos para la pieza porta pesas.
La figura 4.80 muestra el análisis de convergencia del porta pesas estudiado
mediante el programa computacional Solidworks 2012.
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 24495 12428 8,822052 0,016550 - -
2 30132 15454 8,823278 0,016560 0,013896994 0,060422961
3 32367 16638 8,829939 0,016560 0,075493484 0
4 35406 18354 9,187861 0,016570 4,053504786 0,060386473
5 40277 21208 9,356589 0,016620 1,83642308 0,301750151
6 47168 38962 9,645739 0,016630 3,090335591 0,060168472
7 51111 53996 9,649339 0,016630 0,037322179 0
8 58979 76542 9,650336 0,016770 0,010332314 0,841852075
9 76998 98653 9,650405 0,016790 0,000715001 0,119260584
Pieza: Porta pesas
194
Figura 4.80 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en la pieza porta pesas.
De acuerdo al conjunto de cargas aplicadas al porta pesas (parte del ensamble 3)
iguales a 314 N se pudo representar el análisis de las condiciones críticas en cuanto a
esfuerzos y desplazamientos se refiere, lo cual se puede apreciar en la figura 4.78 y 4.79
respectivamente. En cuanto a los esfuerzos de Von Mises obtenidos y cumpliendo con el
criterio de convergencia del error en la pieza se tiene que el valor que registro el programa
fue igual a 9,650336 MPa, estando éste muy por debajo del esfuerzo de fluencia para dicho
material igual a 210 MPa, impidiendo así la deformación plástica de la pieza analizada con
un factor de seguridad igual a 21. De otro modo se logró obtener que el desplazamiento
máximo para el material anteriormente mencionado fue igual a 0,01677 mm.
4.9.3 Análisis de elementos finitos del ensamble 2.
La figura 4.81 muestra el mallado realizado al ensamble 2, seguidamente se muestra
el comportamiento del esfuerzo en la figura 4.82 y desplazamiento en la figura 4.83, éste es
sometido a cargas en un extremo iguales a 320 N, tal como se muestra en las flechas color
morado en el mallado realizado y visualizado en la figura 4.81 dichas cargas producto del
peso ejercido por el ensamble 1. También se puede ver la condición de sujeción por un
0,000000
0,005000
0,010000
0,015000
0,020000
0
2
4
6
8
10
12
5000 25000 45000 65000 85000 105000
Des
pla
zam
ien
to (
mm
)
Esfu
erz
o (
MP
a)
N° de Elementos
Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos del Porta pesas
Esfuerzo
Desplazamiento
195
extremo del perfil estructural 100 x 50 mm (4”x2”) por medio de las flechas verdes
mostradas en la figura 4.81.
Figura 4.81 Mallado realizado al ensamble 2 bajo cargas a un extremo.
En la figura 4.82 se observa el comportamiento del esfuerzo en el ensamble 2,
siendo el color rojo la zona de mayor esfuerzo aplicado.
Figura 4.82 Esfuerzos en el ensamble 2 bajo cargas en un extremo.
En la figura 4.83 se observa el comportamiento del desplazamiento en el ensamble
2, siendo el color rojo la zona de mayor desplazamiento.
196
Figura 4.83 Desplazamientos en el ensamble 2 bajo cargas a un extremo.
En la tabla 4.17 se logra observar los resultados numéricos obtenidos a partir del
método de elementos finitos utilizando el programa computacional Solidworks al ensamble
2.
Tabla 4.21 Resultados numéricos para el ensamble 2.
En la figura 4.84 se muestra el análisis de convergencia para esfuerzos y
desplazamientos en el ensamble 2 utilizando Solidworks 2012.
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 14857 7355 11,339932 0,87600000 - -
2 17865 10526 11,343564 0,87810000 0,032028411 0,239726027
3 21375 15963 11,452291 0,87820000 0,958490647 0,011388225
4 23003 35632 11,498667 0,88150000 0,404949542 0,375768618
5 28019 82639 11,523183 0,88151000 0,213207322 0,00113443
6 30434 141032 11,526911 0,88153000 0,032352172 0,002268834
Pieza: Perfiles estructurales del ensamble 2
197
Figura 4.84 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en el ensamble 2.
De acuerdo al conjunto de cargas aplicadas al ensamble 2 iguales a 320 N se pudo
representar el análisis de las condiciones críticas en cuanto a esfuerzos y desplazamientos
se refiere, lo cual se puede apreciar en la figura 4.82 y 4.83 respectivamente. En cuanto a
los esfuerzos de Von Mises obtenidos y cumpliendo con el criterio de convergencia de error
en la pieza se tiene que el esfuerzo fue igual a 11,516911 MPa, estando éste muy por
debajo del esfuerzo de fluencia para dicho material igual a 210 MPa, impidiendo así la
deformación plástica de la pieza analizada con un factor de seguridad igual a 18,22. De
otro modo se logró obtener que el desplazamiento máximo para el material anteriormente
mencionado fue igual a 0,08814 mm.
4.10.4 Análisis de elementos finitos del ensamble 1.
La figura 4.85 muestra el mallado realizado al ensamble 2 y posteriormente se
observa el comportamiento del esfuerzo en la figura 4.86 y desplazamiento en la figura 4.86
del ensamble 1, éste es sometido a cargas en un extremo iguales a 50 N, tal como se
0,00000000
0,20000000
0,40000000
0,60000000
0,80000000
1,00000000
0
2
4
6
8
10
12
14
5000 25000 45000 65000 85000 105000 125000 145000 165000
Des
pla
zam
ien
to (
mm
)
Esfu
erz
o (
MP
a)
N° de Elementos
Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos de los perfiles estructurales del ensamble 2
Esfuerzo
Desplazamiento
198
muestra en las flechas color morado en el mallado realizado figura 4.85, dichas cargas
producto del peso ejercido por el porta pistola. También se puede ver la condición de
sujeción por un extremo del perfil estructural (100 x 50) mm 4”x2” por medio de las
flechas verdes mostradas en la figura 4.85.
Figura 4.85 Mallado realizado al ensamble 1 bajo cargas a un extremo.
En la figura 4.86 se logra apreciar el comportamiento del esfuerzo bajo cargas
estáticas en el ensamble 1, siendo la zona roja la de mayores esfuerzos.
Figura 4.86 Esfuerzos en el ensamble 1 bajo cargas a un extremo.
En la figura 4.87 se logra apreciar el comportamiento del desplazamiento bajo
cargas estáticas en el ensamble 1, siendo la zona roja la de mayor desplazamiento.
199
Figura 4.87 Desplazamientos en el ensamble 1 bajo cargas a un extremo.
En la tabla 4.18 se logra observar los resultados numéricos obtenidos a partir del
método de elementos finitos utilizando el programa computacional Solidworks al ensamble
1.
Tabla 4.22 Resultados numéricos para el ensamble 1.
En la figura 4.88 se muestra el análisis de convergencia para esfuerzos y
desplazamientos en el ensamble 1 más el porta pistola, el cual ya fue analizado
individualmente utilizando Solidworks 2012.
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 17653 5164 0,8648294 0,002582 - -
2 20601 6227 0,8712366 0,002585 0,74086288 0,116189001
3 24083 12437 0,842695 0,002515 -3,275987258 -2,707930368
4 31701 20838 0,845669 0,002611 0,352915349 3,817097416
5 43311 24802 0,850269 0,002667 0,543948046 2,144772118
6 68872 28065 0,854396 0,002669 0,485375805 0,074990626
7 79453 45207 0,8579862 0,002671 0,420203278 0,074934432
8 66338 60699 0,8599755 0,002672 0,231856876 0,037439161
9 71917 98355 0,860243 0,002672 0,031105537 0
Pieza: Perfiles estructurales del ensamble 1 mas el porta pistola
200
Figura 4.88 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en el ensamble 1 bajo cargas a un
extremo.
De acuerdo al conjunto de cargas aplicadas al ensamble 1 más el porta pistola
iguales a 50 N se pudo representar el análisis de las condiciones críticas en cuanto a
esfuerzos y desplazamientos se refiere, lo cual se puede apreciar en la figura 4.86 y 4.87
respectivamente. En cuanto a los esfuerzos de Von Mises obtenidos y cumpliendo con el
criterio de convergencia de error en la pieza se tiene que el valor que registro el programa
fue igual a 0,860243 MPa, estando éste muy por debajo del esfuerzo de fluencia para dicho
material igual a 210 MPa, impidiendo así la deformación plástica de la pieza analizada. De
otro modo se logró obtener que el desplazamiento máximo para el material anteriormente
mencionado fue igual a 0,003411 mm.
4.10.5 Análisis de elementos finitos del ensamble 3.
En la figura 4.89 muestra el mallado realizado al ensamble 2, posteriormente se
muestra en la figura 4.90 el comportamiento del esfuerzo y desplazamiento en la figura
4.91, éste es sometido a cargas en un extremo iguales a 370 N (A) y de 314 N (B) en el
0,000000
0,000500
0,001000
0,001500
0,002000
0,002500
0,003000
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
5000 25000 45000 65000 85000 105000
Des
pla
zam
ien
to (
mm
)
Esfu
erzo
(M
Pa)
N° de Elementos
Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos de los perfiles estructurales del ensamble 1 mas el porta pistola
Esfuerzo
Desplazamiento
201
extremo donde están las pesas que equilibrará el sistema (ver apéndice B para el cálculo de
dicha carga), tal como se muestra en las flechas color morado en el mallado realizado en la
figura 4.89. También se puede ver la condición de sujeción que pivota en el eje ubicado en
la pieza 2 del perfil estructural (100 x 50) mm 4”x2” por medio de las flechas verdes
mostradas en la figura 4.89.
Figura 4.89 Mallado realizado al ensamble bajo cargas en ambos extremos y pivotada en
su centro.
En la figura 4.90 se logra apreciar el comportamiento del esfuerzo bajo cargas
estáticas en el ensamble 3, siendo la zona roja la de mayores esfuerzos.
A
B
202
Figura 4.90 Esfuerzos en el ensamble 3 bajo cargas en ambos extremos y pivotada en su centro.
En la figura 4.91 se logra apreciar el comportamiento del desplazamiento bajo
cargas estáticas en el ensamble 3, siendo la zona roja la de mayor desplazamiento.
Figura 4.91 Desplazamientos en el ensamble 3 bajo cargas en ambos extremos y pivotada en su
centro.
En la tabla 4.19 se logra observar los resultados numéricos obtenidos a partir del
método de elementos finitos utilizando el programa computacional Solidworks al ensamble
3.
203
Tabla 4.23 Resultados numéricos en el ensamble 3 bajo cargas en ambos extremos y pivotados en
su centro.
En la figura 4.92 se muestra el análisis de convergencia para esfuerzos y
desplazamientos en el ensamble 3 utilizando Solidworks 2012.
Figura 4.92 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en el ensamble 3 bajo cargas en
ambos extremos y pivotando en su centro.
De acuerdo al conjunto de cargas aplicadas al ensamble 3 iguales a 370 N y 314 N
se pudo representar el análisis de las condiciones críticas en cuanto a esfuerzos y
desplazamientos se refiere, lo cual se puede apreciar en la figura 4.90 y 4.91
respectivamente. En cuanto a los esfuerzos de Von Mises obtenidos y cumpliendo con el
criterio de convergencia de error en la pieza se tiene que el valor registrado por el programa
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 24729 5164 22,679864 0,06440000 - -
2 26151 12439 22,687128 0,06518000 0,032028411 1,211180124
3 29549 24802 22,904582 0,06775000 0,958490647 3,942927278
4 32292 45208 22,997334 0,06786000 0,404949542 0,162361624
5 38428 60522 23,046366 0,06794000 0,213207322 0,117889773
6 45804 99365 23,053822 0,06801000 0,032352172 0,103032087
Pieza: Perfiles estructurales del ensamble 3
0,00000000
0,01000000
0,02000000
0,03000000
0,04000000
0,05000000
0,06000000
0,07000000
0,08000000
0
5
10
15
20
25
5000 25000 45000 65000 85000 105000
Des
pla
zam
ien
to (
mm
)
Esfu
erzo
(M
Pa)
N° de Elementos
Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos de los perfiles estructurales del ensamble 3
Esfuerzo
Desplazamiento
204
fue igual a 23,053822 MPa, estando éste muy por debajo del esfuerzo de fluencia para
dicho material igual a 210 MPa, impidiendo así la deformación plástica de la pieza
analizada con un factor de seguridad igual a 9,2. De otro modo se logró obtener que el
desplazamiento máximo para el material anteriormente mencionado fue igual a 0,068920
mm.
4.10.6 Análisis de elementos finitos de la horquilla (pieza 2)
La figura 4.93 muestra el mallado realizado a la pieza 3, seguidamente se muestra el
comportamiento de los esfuerzos en la figura 4.94 y desplazamientos en la figura 4.95 de la
horquilla (pieza 2) cuando es sometida a cargas distribuidas entre los orificios centrales de
1002 N y empotrado en la superficie inferior como se muestra en la figura 4.93.
Figura 4.93 Mallado realizado a la horquilla bajo cargas en sus oricios pasantes y empotrados en la
superficie inferior.
En la figura 4.94 se logra apreciar el comportamiento del esfuerzo bajo cargas
estáticas en la horquilla, siendo la zona roja la de mayores esfuerzos.
205
Figura 4.94 Esfuerzos en la horquilla bajo cargas en sus oricios pasantes y empotrados en la
superficie inferior.
En la figura 4.95 se logra apreciar el comportamiento del desplazamiento bajo
cargas estáticas en la horquilla, siendo la zona roja la de mayor desplazamiento.
Figura 4.95 Desplazamientos en la horquilla bajo cargas en sus oricios pasantes y empotrados en la
superficie inferior.
En la tabla 4.20 se logra observar los resultados numéricos obtenidos a partir del
método de elementos finitos utilizando el programa computacional Solidworks.
Tabla 4.24 Resultados numéricos para la horquilla estudiada.
206
En la figura 4.96 se muestra el análisis de convergencia para esfuerzos y
desplazamientos en la horquilla (pieza 2) utilizando Solidworks 2012.
Figura 4.96 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en la horquilla (pieza 2) bajo cargas
en sus oricios pasantes y empotrados en la superficie inferior.
De acuerdo al conjunto de cargas aplicadas en la horquilla iguales a 1.002 N se
pudo representar el análisis de las condiciones críticas en cuanto a esfuerzos y
desplazamientos se refiere, lo cual se puede apreciar en la figura 4.94 y 4.95
respectivamente. En cuanto a los esfuerzos de Von Mises obtenidos y cumpliendo con el
criterio de convergencia de error en la pieza se tiene que el valor que registro el programa
fue igual a 2,176731 MPa, estando éste muy por debajo del esfuerzo de fluencia para dicho
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 15179 7298 1,963144 0,00004834 - -
2 23314 24975 2,160454 0,00004866 10,05071457 0,661977658
3 49786 50269 2,165866 0,00004899 0,250502904 0,678175092
4 66418 72396 2,175642 0,00004905 0,451366797 0,122473974
5 99004 97852 2,176734 0,00004911 0,050192081 0,122324159
Pieza: 2 - Horquilla
0
0,00001
0,00002
0,00003
0,00004
0,00005
0,00006
0
0,5
1
1,5
2
2,5
5000 25000 45000 65000 85000 105000
Des
pla
zam
ien
to (
mm
)
Esfu
erz
o (
MP
a)
N° de Elementos
Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos de la horquilla - pieza 2
Esfuerzo
Desplazamiento
207
material igual a 210 MPa, impidiendo así la deformación plástica de la pieza analizada con
un factor de seguridad igual a 95. De otro modo se logró obtener que el desplazamiento
máximo para el material anteriormente mencionado igual a 0,00005 mm.
4.9.7 Análisis de elementos finitos de la parte superior del trípode (pieza 3)
En la figura 4.97 se muestra el mallado realizado a la parte superior del trípode, por
otra parte su observa el comportamiento del esfuerzo en la figura 4.98 y desplazamiento en
la figura 4.99 de la parte superior del trípode (pieza 3) cuando es sometido a cargas
distribuidas de 1.022 N en la superficies superior, tal como muestran las flechas color
morado en el mallado realizado y observado en la figura 4.97, también se encuentra
empotrado en la superficie inferior y funciona como bisagra en las superficies cilíndricas
denotadas con flechas color verde observadas en la figura 4.97.
Figura 4.97 Mallado realizado en el soporte central y conexión ubicada entre la base superior del
trípode y horquilla.
En la figura 4.98 se logra apreciar el comportamiento del esfuerzo bajo cargas
estáticas en la parte superior del trípode (pieza 3), siendo la zona roja la de mayores
esfuerzos.
208
Figura 4.98 Esfuerzos en la pieza de soporte central y conexión entre la base superior del trípode y
horquilla.
En la figura 4.99 se logra apreciar el comportamiento de los desplazamientos bajo
cargas estáticas en la parte superior del trípode (pieza 3), siendo la zona roja la de mayores
desplazamientos.
Figura 4.99 Desplazamientos en el soporte central y conexión entre la base superior del trípode y
horquilla.
En la tabla 4.21 se logra observar los resultados numéricos obtenidos a partir del
método de elementos finitos utilizando el programa computacional Solidworks.
Tabla 4.25 Resultados numéricos en la pieza de soporte central y conexión entre la base superior
del trípode y horquilla (pieza 3).
209
En la figura 4.100 se muestra el análisis de convergencia para esfuerzos y
desplazamientos en la parte superior del trípode (pieza 3) utilizando Solidworks 2012.
Figura 4.100 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en la pieza de soporte y conexión
entre la base superior del trípode y horquilla.
De acuerdo al conjunto de cargas aplicadas en el soporte superior del trípode
(pieza3) iguales a 1022 N se pudo representar el análisis de las condiciones críticas en
cuanto a esfuerzos y desplazamientos se refiere, lo cual se puede apreciar en la figura 4.98
y 4.99 respectivamente. En cuanto a los esfuerzos de Von Mises obtenidos y cumpliendo
con el criterio de convergencia de error en la pieza se tiene que el valor que registro el
programa fue igual a 90,138993 MPa, estando éste muy por debajo del esfuerzo de fluencia
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 24495 12528 38,18693091 0,111300 - -
2 30132 15536 38,22608 0,111600 0,102519605 0,269541779
3 32367 18263 38,57561909 0,111600 0,914399517 0
4 35406 26856 38,84648727 0,111600 0,702174555 0
5 40277 40523 40,91617318 0,111800 5,32785859 0,17921147
6 47168 52693 40,95094909 0,111900 0,084993064 0,089445438
7 51111 74589 40,97226955 0,111900 0,052063395 0
8 58979 94526 40,97305455 0,111900 0,00191593 0
9 76998 103565 40,97361955 0,111900 0,001378955 0
Pieza: Soporte central (pieza 3)
0,111000
0,111500
0,112000
0,112500
0,113000
38
38,5
39
39,5
40
40,5
41
41,5
5000 25000 45000 65000 85000 105000 125000D
esp
laza
mie
nto
(m
m)
Esfu
erzo
(M
Pa)
N° de Elementos
Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos de la horquilla - Soporte central
Esfuerzo
Desplazamiento
210
para dicho material igual a 210 MPa, impidiendo así la deformación plástica de la pieza
analizada con un factor de seguridad igual a 2,33. De otro modo se logró obtener que el
desplazamiento máximo para el material anteriormente mencionado fue igual a 0,119 mm.
4.9.8 Análisis de elementos finitos de la 2da
parte superior del trípode (pieza 3)
La figura 4.101 muestra el mallado realizado a la parte superior del trípode,
seguidamente se muestra el comportamiento del esfuerzo en la figura 4.102 y
desplazamiento en la figura 4.103 en el soporte superior del trípode (pieza 3) cuando es
sometido a cargas distribuidas de 1.022 N en la superficies superior, tal como muestran las
flechas color amarillo en el mallado realizado en la figura 4.101, también se encuentra
empotrado en los orificios inferiores y funciona como bisagra en las superficies cilíndricas
denotadas con flechas color verde las cuales acoplan a los parales del trípode.
Figura 4.101 Mallado del soporte superior del trípode (pieza 3).
La figura 4.102 se aprecia el comportamiento del esfuerzo bajo cargas estáticas en
la parte superior del trípode (pieza 3), siendo la zona roja la de mayores esfuerzos.
211
Figura 4.102 Esfuerzos del soporte superior del trípode (pieza 3).
La figura 4.103 se aprecia el comportamiento de los desplazamientos bajo cargas
estáticas en la parte superior del trípode (pieza 3), siendo la zona roja la de mayores
desplazamientos.
Figura 4.103 Desplazamientos del soporte superior del trípode (pieza 3).
En la tabla 4.22 se logra observar los resultados numéricos obtenidos a partir del
método de elementos finitos utilizando el programa computacional Solidworks.
Tabla 4.26 Resultados numéricos en la pieza de soporte superior del trípode (pieza 3).
212
En la figura 4.104 se muestra el análisis de convergencia para esfuerzos y
desplazamientos en la parte superior del trípode (pieza 3) utilizando Solidworks 2012.
Figura 4.104 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en del soporte superior del trípode
(pieza 3).
De acuerdo al conjunto de cargas aplicadas en el soporte superior del trípode
(pieza3) iguales a 1022 N se pudo representar el análisis de las condiciones críticas en
cuanto a esfuerzos y desplazamientos se refiere, lo cual se puede apreciar en la figura 4.102
y 4.103 respectivamente. En cuanto a los esfuerzos de Von Mises obtenidos y cumpliendo
con el criterio de convergencia en la pieza se tiene que el valor que registro el programa fue
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 24495 12528 38,18693091 0,111300 - -
2 30132 15536 38,22608 0,111600 0,102519605 0,269541779
3 32367 18263 38,57561909 0,111600 0,914399517 0
4 35406 26856 38,84648727 0,111600 0,702174555 0
5 40277 40523 40,91617318 0,111800 5,32785859 0,17921147
6 47168 52693 40,95094909 0,111900 0,084993064 0,089445438
7 51111 74589 40,97226955 0,111900 0,052063395 0
8 58979 94526 40,97305455 0,111900 0,00191593 0
9 76998 103565 40,97361955 0,111900 0,001378955 0
Pieza: Soporte superior del trípode (pieza 3)
0,000000
0,020000
0,040000
0,060000
0,080000
0,100000
0
10
20
30
40
50
5000 25000 45000 65000 85000 105000 125000
Des
pla
zam
ien
to (
mm
)
Esfu
erzo
(M
Pa)
N° de Elementos
Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos de la horquilla - Soporte central
Esfuerzo
Desplazamiento
213
igual a 40,9722 MPa, estando éste muy por debajo del esfuerzo de fluencia para dicho
material igual a 210 MPa, impidiendo así la deformación plástica de la pieza analizada con
un factor de seguridad igual a 5,12. De otro modo se logró obtener que el desplazamiento
máximo para el material anteriormente mencionado fue igual a 0.119 mm.
4.9.9 Análisis de elementos finitos del paral del trípode (pieza 4).
La figura 4.105 muestra el mallado realizado a uno de los tres parales,
posteriormente se muestra el comportamiento del esfuerzo en la figura 4.106 y
desplazamientos en la figura 4.107 en el paral del trípode (pieza 4), éste es sometido a
cargas en un extremo iguales a 347 N, tal como se muestra en las flechas color amarillo,
dichas cargas producto del peso ejercido por el soporte central y todas las piezas
subsiguientes a ésta. También se puede ver la condición de sujeción y bisagra por un
extremo del perfil estructural (50 x 50) mm 2”x2” por medio de las flechas verdes
mostradas en la figura 4.105.
Figura 4.105 Mallado realizado en paral del trípode (pieza 4).
En la figura 4.106 se logra apreciar el comportamiento del esfuerzo bajo cargas
estáticas en uno de los parales del trípode (pieza 4), siendo la zona roja la de mayores
esfuerzos.
214
Figura 4.106 Esfuerzos en el paral del trípode (pieza 4).
En la figura 4.107 se logra apreciar el comportamiento de los desplazamientos bajo
cargas estáticas en uno de los parales del trípode (pieza 4), siendo la zona roja la de
mayores desplazamientos.
Figura 4.107 Desplazamientos en el paral del trípode (pieza 4).
En la tabla 4.23 se logra observar los resultados numéricos obtenidos a partir del
método de elementos finitos utilizando el programa computacional Solidworks en el paral
del trípode (pieza 4).
Tabla 4.27 Resultados numéricos en el paral del trípode (pieza 4).
215
En la figura 4.108 esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en uno de los
parales del trípode (pieza 4) utilizando Solidworks 2012.
Figura 4.108 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en el paral del trípode (pieza 4).
De acuerdo al conjunto de cargas aplicadas en el paral del trípode (pieza 4) iguales a
3347 N/paral se pudo representar el análisis de las condiciones críticas en cuanto a
esfuerzos y desplazamientos se refiere, lo cual se puede apreciar en la figura 4.106 y 4.107
respectivamente. En cuanto a los esfuerzos de Von Mises obtenidos y cumpliendo con el
criterio de convergencia en la pieza se tiene que el valor que registro el programa fue igual
a 4,114748 MPa, estando éste muy por debajo del esfuerzo de fluencia para dicho material
igual a 210 MPa, impidiendo así la deformación plástica de la pieza analizada con un factor
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 14857 7355 4,041027 0,00005553 - -
2 17865 12658 4,06087 0,00005623 0,49103854 1,25697821
3 21375 25369 4,073226 0,00005645 0,304269775 0,394821086
4 23003 45962 4,097989 0,00005668 0,607945643 0,407440213
5 28019 72302 4,114748 0,00005671 0,408956686 0,052928723
6 30434 98632 4,249091 0,00005682 3,264914401 0,193969318
Pieza: Paral de tripode
0,00000000
0,00002000
0,00004000
0,00006000
0,00008000
0,00010000
2
3
4
6000 26000 46000 66000 86000 106000D
esp
laza
mie
nto
(m
m)
Esfu
erz
o (
MP
a)
N° de Elementos
Gráfica Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos en paral de tripode
Esfuerzo (Mpa)
Desplazamiento (mm)
216
de seguridad igual a 50. De otro modo se logró obtener que el desplazamiento máximo para
el material anteriormente mencionado fue igual a 0,00005671 mm.
4.10.10 Análisis de elementos finitos de la base del trípode (pieza 5)
La figura 4.109 muestra el mallado realizado en la base del trípode, posteriormente
se muestra el comportamiento del esfuerzo en la figura 4.110 y desplazamiento en la figura
4.111, éste es sometido a carga igual 1132 N distribuidas entre sus orificios, tal como se
muestra en las flechas color morado, dichas cargas son producto del peso de toda la
estructura. También se puede ver la condición de sujeción y bisagra por los orificios donde
irán los ejes de las ruedas mostradas con flechas color verde en la figura 4.109.
Figura 4.109 Mallado de la base de trípode (pieza 5).
En la figura 4.110 se logra apreciar el comportamiento del esfuerzo bajo cargas
estáticas en uno de los parales del trípode (pieza 5), siendo la zona roja la de mayores
esfuerzos.
217
Figura 4.110 Esfuerzos sometidos en la base del trípode (pieza 5).
En la figura 4.111 se logra apreciar el comportamiento de los desplazamientos bajo
cargas estáticas en la base del trípode (pieza 5), siendo la zona roja la de mayores
desplazamientos.
Figura 4.111 Desplazamientos de la base del trípode (pieza 5).
En la tabla 4.24 se logra observar los resultados numéricos obtenidos a partir del
método de elementos finitos utilizando el programa computacional Solidworks para la base
del trípode.
218
Tabla 4.28 Resultados numéricos para la pieza de la base del trípode (pieza 5)
En la figura 4.112 esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos en uno de la
base del trípode (pieza 5) utilizando Solidworks 2012.
Figura 4.112 Esfuerzos y desplazamientos Vs Nº de elementos de la base del trípode (pieza 5).
De acuerdo al conjunto de cargas aplicadas en la base del trípode (pieza 5) iguales a
1132 N se pudo representar el análisis de las condiciones críticas en cuanto a esfuerzos y
desplazamientos se refiere, lo cual se puede apreciar en la figura 4.110 y 4.111
respectivamente. En cuanto a los esfuerzos de Von Mises obtenidos y cumpliendo con el
criterio de convergencia en la pieza se tiene que el valor que registro el programa fue igual
a 3,252875 MPa, estando éste muy por debajo del esfuerzo de fluencia para dicho material
Malla N° de NodosN° de
Elementos
Esfuerzo Von
Mises (MPa)
Desplazamiento
(mm) Error (%) Error (%)
1 20728 11249 3,202551 0,00004441 - -
2 22699 19326 3,243523 0,00004443 1,279355114 0,045034902
3 24965 27562 3,245292 0,00004457 0,054539462 0,315102408
4 30260 37562 3,252283 0,00004463 0,215419753 0,134619699
5 36776 45951 3,252717 0,00004466 0,013344472 0,067219359
6 42525 59682 3,252875 0,00004474 0,004857478 0,179131214
7 54188 75321 3,462971 0,00004481 6,458778773 0,156459544
8 76420 99654 3,547635 0,00004498 2,444837107 0,379379603
Pieza: Base del tripode
0,00000000
0,00002000
0,00004000
0,00006000
0,00008000
0,00010000
0
1
2
3
4
10000 30000 50000 70000 90000 110000
Des
pla
zam
ien
to (
mm
)
Esfu
erz
o (
MP
a)
N° de Elementos
Gráfica Esfuerzo-Desplazamiento Vs Nº de Elementos en base del tripode
Esfuerzo (Mpa)
Desplazamiento (mm)
219
igual a 210 MPa, impidiendo así la deformación plástica de la pieza analizada con un factor
de seguridad igual a 65. De otro modo se logró obtener que el desplazamiento máximo para
el material anteriormente mencionado fue igual a 0.00004474 mm.
4.11 Estimación de costos de la implementación del sistema semiautomático para
pintar paredes y techos diseñado.
Para la estimación de costos es necesario realizar un estudio en el mercado nacional
de la disponibilidad del material usado para el mecanismo, los equipos y herramientas, las
cuales permitirán el cortado, soldado y ensamble de las diferentes partes del diseño, como
también de la mano de obra que se usará para ensamblar todas las partes del sistema
semiautomático para el limpiado de paredes y techos.
En el diseño del sistema se usaron perfiles estructurales comerciales en el mercado
nacional, esto con la finalidad de aumentar la factibilidad de que el diseño propuesto sea
realmente posible y que brinde al usuario ventajas desde el punto de vista operacional al
realizar el limpiado y pintado de superficies.
A continuación se muestra en la tabla 4.26 el costo de materiales y equipos a utilizar
en dicho diseño, los precios están basados en cotizaciones hechas por diferentes empresas
de suministros y servicios a nivel nacional.
Tabla 4.29 Costos de materiales y equipos involucrados en el diseño semiautomático para pintar
paredes y techos
Costos de Materiales y Equipos
Item Cantidad Costo (Bs) Proveedor
220
Bomba de desplazamiento positivo triplex,
marca Hawk modelo PS305GL, P= 3000 psi,
Pot=5 hp @3400 rpm, acople directo al motor
de combustión interna a gasolina marca Honda,
modelo GX240, Pot=7,9 hp @2600 rpm, 270
cm3, 5,3 litros capacidad de depósito, incluye
juego de boquillas intercambiable y manguera
de 10 m, succión y descarga de 3/4"
1 28.816 Ferpres C.A, Valencia,
Edo Carabobo
Manguera de poliuretano, presión de trabajo
4500 psi, 15 metros con conexiones en ambas
puntas roscadas de ¾”
1 86,5 Ferpres C.A, Valencia,
Edo Carabobo
Compresor marca Incco 110 V- 60 Hz,
Velocidad 2850 rpm, tanque 50 L (13,2 Gal). P=
(830- 550) kPa. Incluye 10 metros de manguera
de poliuretano de 6 mm de diámetro interno, 8
mm diámetro externo
1 3.560 Ferretotal, Metropolis,
Valencia, Edo Carabobo
Manguera neumática de poliuretano, presión
máxima de 3000 psi, 14 metros 1 64
Ferretotal, Metropolis,
Valencia, Edo Carabobo
Pistola aerográfica marca tooluxe Consumo de
aire medio: 2.4CFM
Capacidad de envase: 200cc
Tamaño de boquilla: 0.5mm
Entrada de aire: 1/4"NPT
Fluido de salida en distancia: 40mm
Presión de aire: 3.0-4.0bar
1 195 Ferretotal, Metropolis,
Valencia, Edo Carabobo
Perfil estructural 100 x 50 mm (4"x 2") de hierro
negro, 12 m 5 9.625
Suministros industriales
Sumimse, Valencia, Edo
Carabobo
Perfil estructural 50 x 50 mm (2"x2") de hierro
negro, 12 m 2 1.123
Suministros industriales
Sumimse, Valencia, Edo
Carabobo
Pasador 1", Largo= 16 cm 28 6 EPA, Naguanagua, Edo
Carabobo
Tornillos de 1/2" de hierro negro , largo = 5 cm
(incluye tornillo) 8 10
EPA, Naguanagua, Edo
Carabobo
Tabla 4.29 Costos de materiales y equipos involucrados en el diseño semiautomático para pintar
paredes y techos (continuación).
Costos de Materiales y Equipos
Item Cantidad Costo (Bs) Proveedor
Guaya metálica de 2 mm 24 m 125 EPA, Naguanagua, Edo
Carabobo
221
Base 30 x 30 cm, calibre 22, hierro negro 3 223 c/u Sumimse, Valencia, Edo
Carabobo
Ruedas metálicos, diámetro=3", incluye pasadores y
orejas de acople a estructura 4 350 c/u
Epa, Valencia, Edo
Carabobo
Tubo circular de hierro negro de D=3", e = 2mm , 12
metros 2 178 c/u
Suministros industriales
Sumimse, Valencia, Edo
Carabobo
Porta pesas, incluye: lámina de hierro negro calibre
22 con perforación y ejes laterales por separado 2 336 c/u
Suministros industriales
Sumimse, Valencia, Edo
Carabobo
Pesas 7 1/2" Kg 4 70 c/u
Perfiles estructural de 100 x 80 mm 40 39.980
Suministros industriales
Sumimse, Valencia, Edo
Carabobo
Cilindro hidráulico. 0,6 m de carrea, 4” de embolo,
doble efecto, pivotado en sus extremos 1 13.689
Hidráulica prado, La
Victoria, Edo Aragua
Bomba de paletas Parker, 6,1 l/min 2500 psi 1 9.652 Hidranaven, Valencia
Manómetro Parker, 5000 psi, ¾”, conexión roscada 1 2.602 Hidranaven, Valencia
Válvula Sheck para aceite, 1”, hierro fundido,
conexión roscada 1 230 Hidranaven, Valencia
Servoválvula 4/3 hidráulica 6,1 l/min 2500 psi,
Parker 1 2.390 Hidranaven, Valencia
Servoválvula neumática (3/2) simple efecto, ¾”,
festo 1 3.560 Delta Electric, Valencia
Unidad de mantenimiento FRL, festo modelo MS9 1 2.350 Delta Electric, Valencia
Válvula de estrangulamiento y antiretorno, ¾”, Festo
MPQ1233 1 230 Delta Electric, Valencia
Motor eléctrico de jaula de ardilla, siemmens, 3 hp, 4
polos, 1800 rpm, carcaza de hierro. 1 7.280 Hidranaven, Valencia
Relé, 2 contactos, conexión simple, 24V DC,
Schenider 3 1.790 Delta Electric, Valencia
Tabla 4.29 Costos de materiales y equipos involucrados en el diseño semiautomático para pintar
paredes y techos (continuación).
Pulsador On- Off, conexión simple, genérico,
normalmente abierto. 2 126 Delta Electric, Valencia
Sensor de proximidad capacitivo, 24V DC, 30 mm de
diámetro, roscado, Rockwell 2 6.280 Delta Electric, Valencia
Fuente de alimentación, 24 V DC, genérico 1 1.920 Delta Electric, Valencia
Interruptores 24V DC 8 1.120 Delta Electric, Valencia
Cable para motores eléctricos, THW9, rollo 1 720 Delta Electric, Valencia
Cable para partes eléctricas, THW6, rollo 1 555 Delta Electric, Valencia
Filtro oleohidráulico, 1” 1 463 Hidranaven, Valencia
222
Costo total por materiales y equipos (Bs) 146.716,5
Posteriormente se muestra en la tabla 4.27 el costo de mano de obra y ensamble del
mecanismo producto del diseño, los precios están basados en cotizaciones hechas por
diferentes empresas de suministros y servicios a nivel nacional.
Tabla 4.30 Costos de mano de obra y ensamblaje del mecanismo semiautomático para pintar
paredes y techos
Costos de mano de obra y ensamblaje del mecanismo
Ítem Cantidad Costo (Bs) Proveedor
Mano de obra total por corte, soldado y ensamble de
perfiles estructurales de 2"x4" y 2"x2", 24 m de perfiles,
inserción del acople interno del perfil, perforación para
placas metálicas y perforaciones de pasadores y tornillos
de placas metálicas
1 3.500
Taller Metalmecánico
Asdrubal, Naguanagua,
Edo Carabobo
Corte de placas metálicas de 30x30 cm, incluye perforado
de pasadores 1 450
Taller Metalmecánico
Asdrubal, Naguanagua,
Edo Carabobo
Tabla 4.30 Costos de mano de obra y ensamblaje del mecanismo semiautomático para pintar
paredes y techos (continuación)
Instalación de rodamientos inferiores a trípode
compuesto de perfil estructural 50 x 50 mm (2"x2"). 1 340
Taller Metalmecánico Asdrubal,
Naguanagua, Edo Carabobo
Pintado de todo el mecanismo, pintura blanca a base de
aceite 1 76
Taller Metalmecánico Asdrubal,
Naguanagua, Edo Carabobo
Costo total de mano de Obra y ensamblaje de mecanismo (Bs) 4.366
Finalmente se tiene que el costo total para lograr por completo el ensamble de todos
los componentes que conforman el sistema semiautomático para limpiar paredes y techos
223
de difícil acceso es necesario sumar algebraicamente los montos totales de materiales y
equipos, más la mano de obra y ensamblaje del mecanismo tal como se muestra en la tabla
4.28.
Tabla 4.31 Costos totales de materiales, equipos, mano de obra y ensamblaje del mecanismo
semiautomático para pintar paredes y techos
Costo total por materiales y equipos (Bs) 146.716,5
Costo total de mano de Obra y ensamblaje de
mecanismo (Bs) 4.366
Gran Total de implementación del sistema de
limpieza y pintado de superficies en lugares de
difícil acceso (Bs)
151.082,5
De acuerdo al análisis de costo de la implementación de la propuesta se tiene que
los más elevados son los de los equipos, tales como bombas de desplazamiento triplex,
motores de combustión interna, compresores, bombas y partes hidráulicas debido a que son
importados al país, aumentando su costo sustancialmente, también se tiene que los
productos de comercialización nacional representan un porcentaje pequeño en cuanto al
costo total, para la implementación del sistema semiautomático de acceso a la superficie es
necesario realizar una inversión de 151.082,5 Bs.
224
CONSLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En función a lo desarrollado en el presente trabajo de investigación se realizarán las
conclusiones y recomendaciones pertinentes, cumpliendo en totalidad los objetivos
planteados y realizados.
CONCLUSIONES.
De acuerdo al ensayo realizado experimentalmente con la bomba de
desplazamiento positivo triplex se pudo obtener los valores de los parámetros requeridos de
presión y caudal para la limpieza de superficies con moho, pintura desprendida y sucio,
para los cuales se requiere trabajar con presiones mayores o iguales a 13.500 kPa (135 bar)
con un caudal de 1,58 x 10-4
m3/s (9,5 l/min) y con una boquilla de 15° debido al menor
tiempo de operación, además se debe tomar en cuenta mantener una distancia aproximada
de 20 cm al área a limpiar. En cuanto al pintado de superficies, según Leroy Merlin, se
pudo obtener lo valores requeridos de potencia, capacidad y presión de trabajo del
compresor para el pintado de superficies, entre los cuales se estima, un compresor con una
potencia mínima de 1,5 hp y capacidad mínima del pulmón de aire del compresor igual a 25
litros, la distancia de aplicación de la pintura a la superficie oscila entre 15-20 cm
utilizando una pistola con una presión de trabajo menor a 400 kPa.
Producto de los valores de los parámetros requeridos para la limpieza de superficies
anteriormente obtenidos se seleccionó los equipos y accesorios necesarios para cumplir
dicha tarea, los cuales fueron: una bomba de desplazamiento positivo triplex marca Hawk,
modelo PS305GL, de 206,8 bar (3.000 psi) a 3400 rpm con 9,5 l/min, la cual es la que más
se adapta a este tipo de aplicación ya que genera altos valores de presión a bajo caudal y
cumple con lo estipulado en esta investigación y posibles trabajos de mayores exigencias, al
225
mismo tiempo ésta se acopla a un motor de combustión interna marca Honda, modelo
GX270, con una potencia de 6 kW (8,05 hp) @3.600 rpm, con posibilidad de variar las rpm
en un rango de 2000 a 3600, manguera para agua de alta presión, pistola, lanza, válvula de
desvío y reguladora de caudal, manómetro con glicerina y boquillas. Éstos fueron
fundamentales para realizar el sistema semiautomático que acondicione la superficie a
pintar, el cual se basó en utilizar la palanca del motor de combustión interna, adaptándole
un resorte, y unido a éste una guaya que llega a una palanca graduable ubicada en el
sistema de acceso hacia dicha superficie, permitiendo al operador la variación de presión de
trabajo sin tener que llegar al equipo ya que se encuentra distanciado de ellos.
En cuanto al diseño del sistema semiautomático para aplicar la pintura sobre la
superficie se seleccionó un compresor reciprocante marca Schulz, modelo MSI 5,2 ML/50,
con una potencia de 1,47 kW (2 hp), un caudal teórico de 147,55 l/min, pulmón de aire con
una capacidad de 50 litros y presión de trabajo que oscila entre 830-550 kPa, este rango
permite el encendido y apagado del equipo de manera automática mediante un presostato,
sin afectar la pulverización de la pintura en el cabezal de la pistola neumática y por ende
obteniendo un pintando de calidad.
Se realizó el diseño del sistema semiautomático de acceso a la superficie a
acondicionar y pintar, el cual cumple con los alcances y posibles movimientos estipulados
en la investigación, donde se comprobó mediante el análisis de elementos finitos con el
programa computacional Solidworks, el buen funcionamiento del dispositivo bajo un
estado de cargas estáticas estimadas, comportándose este en zona elástica, es decir, no
ocurren deformaciones plásticas en ninguna de sus partes.
Los costos de los materiales y ensamble del dispositivo tiene un costo aproximado
de 10.625 Bs, sin incluir los equipos, los cuales son el más costoso e indispensable para el
correcto funcionamiento del sistema, para la puesta en funcionamiento del sistema
completo se tendrá que hacer una inversión de 41.186,5 Bs aproximadamente. Todas las
226
partes y equipos contemplados en el diseño del sistema son accesibles en el mercado
nacional.
RECOMENDACIONES
Se recomienda que antes de usar una bomba de desplazamiento positivo triplex se
verifiquen el estado de las conexiones de succión, descarga y accesorios, con la finalidad de
corregir posibles fugas del sistema, evitando pérdidas de presión debido a la fuga de agua.
Como también se debería llevar un control en el mantenimiento preventivo de la bomba,
utilizando los manuales de los fabricantes, chequeando el nivel de aceite y sellos
hidráulicos de la bomba.
Para la puesta en marcha del motor de combustión interna es necesario que el
equipo trabaje de manera horizontal en suelo firme, debido a que los niveles de aceite y
combustible deberán permanecer lubricando y suministrando combustible al sistema, se
debe tomar en cuenta la posición del interruptor de encendido del motor, ya que es el
principal control para el apagado y encendido del equipo.
Se recomienda realizar un estudio dinámico del sistema, donde se consideren las
mismas cargas involucradas en esta investigación, incluyendo el uso de distintos materiales
para las piezas, con el objetivo de optimizar el diseño actual.
En la limpieza de superficies se recomienda utilizar boquillas de cambio rápido, ya
que facilita y disminuye el tiempo de cambios de boquillas y el operario tiene la opción de
escoger con que boquilla el trabajo es más eficiente la limpieza de superficies.
Para que la bomba funcione correctamente es necesario que al conectar la fuente de
agua (manguera) a la bomba, el agua siga su recorrido hasta la descarga final en la boquilla,
si esto no ocurre la bomba no tendrá la capacidad de levantar las presiones a la cual fue
diseñada por lo que se recomienda utilizar un recipiente de al menos 20 litros en la succión
de la bomba, el cual pueda cumplir con la demanda de agua al sistema.
227
Para garantizar la seguridad del operario cuando esté realizando trabajos en altura es
necesario que utilice arnés con cabo de vida, lentes de seguridad, guantes y botas de
seguridad, ya que en la operación se desprenden partículas de la superficie que puede
ocasionar daños a la vista.
228
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230
APÉNDICES
231
APÉNDICE A
Planos del diseño del sistema semiautomático para limpiar y pintar paredes de difícil acceso
232
APÉNDICE B
Cálculo del peso de las pesas a un extremo del sistema semiautomático de acceso a la
superficie a limpiar y pintar.
233
B.1 Cálculo del peso de las pesas a un extremo del sistema semiautomático de acceso a
la superficie a limpiar y pintar.
Para realizar el cálculo de las pesas (PP) al extremo izquierdo del sistema de acceso
a la superficie a pintar y limpiar mostrado en la figura B.1 es necesario realizar un diagrama
de cuerpo libre, posteriormente se realiza una sumatoria de fuerzas en el eje Y y finalmente
se despeja el peso de las pesas (PP).
Figura B.1 Diagrama de cuerpo libre del sistema de acceso a la superficie a limpiar y pintar.
Sumatoria de Momento respecto del punto (o).
∑
Dónde:
PP: Peso de las pesas que equilibran el sistema(N)
PA: Peso del segmento D (N)
PB: Peso del segmento E (N)
PC: Peso de los componentes del porta pistola (N)
Del cual se obtiene:
PP
PA
PB
PC
y (+)
x (+)
D
E
o
234
(-2,5 m)*(PB) – (5 m)* (PC) + (0.5m)*(PA) + (1m)* (PP) = 0
Mediante este procedimiento se calculó la masa de todos los componentes del sistema para
luego despejar el peso de las pesas (PP) sustituyendo valores en la ecuación (B.1).
PP = [(2,5 m)*(PB) + (5 m)* (PC) - (0,5m)*(PA)]/ 1m = [(2,5 m)*(34,5) + (5 m)* (3,2) -
(0,5m)*(6,26)]/ 1m = 972,3672 N
En la figura B.2 se muestra la masa igual a 12,13 kg de la barra del segmento D con
la ayuda del programa SolidWorks, con un material AISI 1020.
Figura B.2 Masa de la barra del segmento D.
D
235
APÉNDICE C
Figuras de otras superficies de fácil acceso limpiadas en el ensayo
236
En la figura C.1 se puede apreciar la pared y parte de la piedra de un matero lleno de
moho, producto de la humedad, posterior a la limpieza en la figura C.2 se observa como fue
removido completamente el sucio de la pared y piedra, dejando las superficies mas limpias
y visualmente mas agradables.
Figura C.1 Pared y piedra parcialmente llenos de moho producto de las lluvias.
Figura C.2 Pared y piedra posterior a la limpieza realizada.
En la figura C.3 se puede apreciar la pared y parte de la piedra de un matero lleno de
moho, producto de la humedad, posterior a la limpieza en la figura C.4 se observa como fue
237
removido completamente el sucio de la pared y piedra, dejando las superficies mas limpias
y visualmente mas agradables.
Figura C.3 Pared y piedra parcialmente llenos de moho producto de las lluvias.
Figura C.4 Pared y piedra posterior a la limpieza realizada.
En la figura C.5 se logra apreciar la diferencia entre la acera previo y posterior a la
limpieza, eliminando el moho y otro tipo de sucio incrustado en el concreto.
238
Figura C.5 Limpieza realizada en acera de concreto.
En la figura C.6 se logra apreciar la diferencia en el caico previo y posterior a la
limpieza, eliminando el moho y otro tipo de sucio incrustado en el concreto.
Figura C.6 Limpieza realizada en el caico.
La figura C.7 muestra la tapa de hierro de un tanque lleno de moho, producto de la
humedad, posterior a la limpieza en la figura C.8 se observa como fue removido
completamente el sucio de la tapa de hierro, dejando la superficie mas limpias y
visualmente mas agradables.
Acera limpiada
Acera sin limpiar
Caico sucio
Caico limpiado
239
Figura C.7 Tapa de hierro de un tanque llena de moho.
Figura C.8 Tapa de hierro de un tanque posterior a la limpieza.
240
ANEXOS
241
ANEXO I
Pérdidas en mangueras plásticas de alta presión, accesorios para la limpieza de superficies,
eficiencia mecánica recomendada junto a ecuaciones de variables involucradas en el
comportamiento de la bomba de desplazamiento positivo triplex. Fabricantes de bombas
Catpumps (2012)
242
243
Perdidas en tuberias de diferente material
244
245
ANEXO II
Catálogo de fabricantes de bombas Hawk seleccionada, parámetros para el cálculo de
potencia de accionamiento para el acople de un motor de combustión interna a la bomba.
246
247
248
ANEXO III
Catálogo de fabricantes de motores de combustión interna Honda (2007)
249
250
ANEXO IV
Catálogo de fabricantes de acoples flexibles RW Couplings (2012)
251
252
ANEXO V
Catálogo de las características técnicas de los fabricantes de compresores SCHULZ (s.f)
253
254
ANEXO VI
Catálogo de filtros oleohidráulicos Parker (2012)
255
256
257
ANEXO VII
Catálogo de ruedas giratorias Tente (2012)
258
259