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1

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO DE UNA MÁQUINA COMPACTADORA DE CHATARRA DE

ALUMINIO PARA PRODUCIR PACAS DE 65 KG.

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO

MECÁNICO

JAVIER PATRICIO JIMÉNEZ ROBALINO

([email protected])

OSCAR ALFREDO ROSAS LAVERDE

([email protected])

DIRECTOR: ING. JAIME VARGAS T.

([email protected])

Quito, Julio 2009

I

DECLARACIÓN

Nosotros JAVIER PATRICIO JIMÉNEZ ROBALINO y OSCAR ALFREDO ROSAS

LAVERDE declaramos bajo juramento que el presente Proyecto de Titulación es

de nuestra autoría, que no ha sido presentado previamente y que las referencias

bibliográficas aquí descritas han sido investigadas en su totalidad. De acuerdo a

la Ley de Propiedad Intelectual, cedemos nuestros derechos a la Escuela

Politécnica Nacional.

Javier Jiménez Robalino. Oscar Rosas Laverde.

II

CERTIFICACIÓN

Certificamos que el presente Proyecto de Titulación “Diseño de una Máquina

Compactadora de Chatarra de Aluminio para Producir Pacas de 65 Kg”, ha sido

realizado en su totalidad por los señores: JAVIER PATRICIO JIMÉNEZ

ROBALINO y OSCAR ALFREDO ROSAS LAVERDE, bajo nuestra dirección.

Ing. Jaime Vargas T.

DIRECTOR

Ing. Carlos Baldeón. Ph.D. Victor Manuel Cárdenas.

COLABORADOR COLABORADOR

III

AGRADECIMIENTOS

A Dios.

A mi papá y mamá.

A mi hermana.

A mi abuelita Leonor.

A mi tío Fernando.

A mi familia en general.

A mi enamorada Paulina.

A mis profesores de la Escuela Politécnica Nacional.

Al Ing. Jaime Vargas por su excelente colaboración en el desarrollo del Proyecto

de Titulación.

A mis compañeros de las aulas en la Facultad de Ingeniería Mecánica, y,

A todas las personas que aportaron para que se realice este Proyecto de

Titulación.

JAVIER JIMÉNEZ ROBALINO.

IV

AGRADECIMIENTOS

A mis Padres, Hermanas y Hermano.

Nayra Shadira Rosas Laverde

Jorge Alejandro Rosas Laverde

Nelly María Rosas Laverde

A mi Esposa e Hija.

Susana Catalina Naranjo Valverde

María Paula Rosas Naranjo

Gracias

Por su sacrifico en algún tiempo incomprendido, por su ejemplo de superación

incansable, por su comprensión y confianza, por su amor y amistad incondicional,

porque sin su apoyo no hubiera sido posible la culminación de mi carrera

profesional.

Por lo que ha sido y será……. Gracias.

Los amo con todo mi corazón.

OSCAR ALFREDO ROSAS LAVERDE

V

DEDICATORIA

A mis padres quienes desde pequeño me orientaron de la manera más correcta y

con su amor, esfuerzo, sacrificio, comprensión y apoyo han hecho de mi lo que

hoy soy, un hombre útil a la sociedad GRACIAS por educarme QUERIDOS

PADRES.

A mi hermana Paola por su apoyo incondicional.

A mi abuelito Benjamín que cuida mis pasos desde el cielo.

A mi abuelita Leonor que con sus oraciones y bendiciones me ha dado fuerza

para salir adelante en mis estudios.

A mi tío Fernando que ha sido como mi segundo padre gracias por los consejos y

enseñanzas impartidas nunca olvidaré todo lo que has hecho por mí ÑAÑO

QUERIDO.

A mis tíos: Teresa, Ana, José, Remigio, por su total y desinteresado apoyo

durante todos mis estudios.

Finalmente le dedico este Proyecto de Titulación a la persona que Dios puso en

mi camino y que ha compartido conmigo estos últimos pasos previo a obtener mi

Titulo de Ing. Mecánico. PAULY gracias por estar conmigo en los buenos y malos

momentos, GRACIAS por tu apoyo y el de toda tu familia, que este sea el inicio

del futuro que tanto queremos.

JAVIER JIMÉNEZ ROBALINO.

VI

DEDICATORIA A mi Madre, Nelly Leonor Laverde Andrade.

Mamita, hacedora de virtudes

y señaladora de caminos.

Aquella que como una estrella

entre todas la más bella

alumbra mi camino

con la luna de testigo.

Aquella que me enseña

a luchar por la vida

con todo su empeño

y de ella tomar su ejemplo.

Aquella que como la brisa

sus manos acaricia

al corazón equivocado

del hijo que se ha extraviado.

Aquella que conoce

mis debilidades

más íntimas y secretas.

La que no conforme

con darme la existencia,

me entrega entera su vida

en un acto callado

de abnegación y sacrificio.

“La madre es única,

como ella no hay ninguna,

aunque hayan a veces diferencias,

siempre buscamos su presencia”.

OSCAR ALFREDO ROSAS LAVERDE.

VII

CONTENIDO

CAPÍTULO 1…………. ................................... ........................................................ 1

1 GENERALIDADES ...................................................................................... 1

1.1 DEFINICIONES. .......................................................................................... 1

1.1.1 RECICLAJE. ................................................................................................ 1

1.1.2 RECICLABILIDAD. ...................................................................................... 2

1.1.3 MATERIALES RECICLABLES. ................................................................... 4

1.1.3.1 Procedencia de los materiales reciclables. .............................................. 4

1.1.3.2 Metales..................................................................................................... 4

1.1.3.2.1 Aluminio. ............................................................................................... 5

1.1.3.2.1.1 Hierro y Acero. ................................................................................... 5

1.1.3.2.2 Otros Materiales No Ferrosos. .............................................................. 6

1.1.3.3 Vidrio. ....................................................................................................... 6

1.1.3.4 Papel/Cartón. ........................................................................................... 6

1.1.4 ALUMINIO. .................................................................................................. 7

1.2 HISTORIA DEL ALUMINIO. ......................................................................... 7

1.3 IMPORTANCIA DEL USO DEL ALUMINIO. ................................................ 9

1.4 ESTUDIO BÁSICO DE LA EMPRESAS QUE SE DEDICAN AL

RECICLAJE EN EL ECUADOR. ................................................................ 12

1.4.1 RIMESA S.A. ............................................................................................. 12

1.4.2 RECYNTER. .............................................................................................. 13

CAPÍTULO 2…………… ...................................................................................... 14

2 MARCO TEÓRICO. ................................................................................... 14

2.1 DISPOSITIVOS CARACTERÍSTICOS DE UNA COMPACTADORA

DE CHATARRA. ........................................................................................ 14

2.1.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS ELEMENTOS

ESTRUCTURALES DE LA COMPACTADORA DE CHATARRA. ............. 14

2.1.1.1 Vigas. ..................................................................................................... 15

2.1.1.2 Columna. ................................................................................................ 15

2.1.1.3 Marco Rígido. ......................................................................................... 15

2.1.1.4 Retícula. ................................................................................................. 15

VIII

2.1.2 SISTEMA ESTRUCTURAL. ......................................................................... 15

2.1.2.1 Mesa Móvil de compactación. ................................................................ 16

2.1.2.2 Puerta..................................................................................................... 16

2.1.3 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA MOTRIZ. .................. 16

2.1.3.1 Sistema Hidráulico. ................................................................................ 16

2.1.3.1.1 Cilindro Hidráulico. .............................................................................. 16

2.1.3.1.2 Clasificación de los Cilindros. .............................................................. 17

2.1.3.1.2.1 Tipos de Cilindros. ........................................................................... 18

2.1.3.1.2.2 Cilindros de Simple Efecto. .............................................................. 19

2.1.3.1.2.3 Cilindros de Doble Efecto. ................................................................ 20

2.1.3.1.2.4 Cilindros Telescópicos. .................................................................... 21

2.1.3.1.3 Bomba. ................................................................................................ 21

2.1.3.1.3.1 Bomba de Paletas. ........................................................................... 22

2.1.3.1.3.2 Otros Tipos de Bombas.................................................................... 23

2.1.3.1.4 Depósitos. ........................................................................................... 23

2.1.3.1.5 Conducciones Flexibles. ..................................................................... 25

2.1.3.1.6 Manómetros. ....................................................................................... 26

2.1.3.1.7 Fluido Hidráulico. ................................................................................ 27

2.1.3.1.8 Motor. .................................................................................................. 27

2.1.3.1.8.1 Montaje Motor-Bomba. ..................................................................... 28

2.1.3.1.9 Botonera.............................................................................................. 28

2.1.3.2 Sistema Neumático ................................................................................ 28

2.1.3.2.1 Constitución de los Cilindros Neumáticos. .......................................... 29

2.1.3.2.2 Cilindros Neumáticos de Simple Efecto. ............................................. 30

2.1.3.2.3 Cilindros Neumáticos de Doble Efecto. ............................................... 30

CAPÍTULO 3…………….. ................................. ..................................................... 31

3 PREFACTIBILIDAD. .................................................................................... 31

3.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ......................................................... 31

3.2 FORMULACIÓN Y SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA. ........................ 31

3.3 ESTUDIO DEL MERCADO. ......................................................................... 32

3.3.1 RESULTADOS DE LA ENCUESTA. ............................................................ 32

3.3.2 CONCLUSIONES DE LA ENCUESTA. ....................................................... 44

IX

3.4 DETERMINACIÓN DE LA FUERZA DE COMPACTACIÓN. ..................... 45

3.4.1 SECUENCIA DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO. ............................ 46

3.4.1.1 Media aritmética de las fuerzas de compactación Fp determinadas

en la cámara de ensayo. ............................................................................ 51

3.4.1.2 Determinación de la fuerza Fr para el compactado a partir de fuerza

encontrada en los ensayos. ....................................................................... 51

3.4.1.3 Fuerza Fo requerida por el sistema compactador. ................................. 52

3.5 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS FUNCIONALES Y DE

DISEÑO DE LA COMPACTADORA DE CHATARRA DE ALUMINIO. ...... 54

3.5.1 DETERMINACIÓN DEL PESO PROMEDIO DE LAS PACAS. .................. 54

3.5.2 DIMENSIONES COMERCIALES DE LAS PACAS COMPACTADAS. ...... 55

3.5.3 VERIFICACIÓN POR CÁLCULO DE LAS PACAS. ................................... 55

CAPÍTULO 4………….. .................................. ...................................................... 58

4 FACTIBILIDAD. ......................................................................................... 58

4.1 ESTUDIO DE LAS ALTERNATIVAS. ........................................................ 58

4.1.1 ALTERNATIVA 1: COMPACTADORA HIDRÁULICA DE CHATARRA

DE ALUMINIO. .......................................................................................... 58

4.1.1.1 Ventajas de la Alternativa 1. ................................................................... 59

4.1.1.2 Desventajas de la Alternativa 1. ............................................................. 60

4.1.2 ALTERNATIVA 2: COMPACTADORA NEUMÁTICA DE CHATARRA

DE ALUMINIO. .......................................................................................... 60

4.1.2.1 Ventajas de la Alternativa 2. ................................................................... 61

4.1.2.2 Desventajas de la Alternativa 2. ............................................................. 61

4.2 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA. ........................................................ 62

4.2.1 PONDERACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS. .............................................. 63

4.3 PROTOCOLO DE PRUEBAS DE LA COMPACTADORA DE

CHATARRA DE ALUMINIO. ...................................................................... 64

CAPÍTULO 5…………… ...................................................................................... 66

5 DISEÑO DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA. .................................. 66

5.1 DISEÑO Y SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS NORMALIZADOS DE

LA COMPACTADORA DE CHATARRA DE ALUMINIO. ........................... 66

X

5.1.1 DETERMINACIÓN DE LAS DIMENSIONES DE LA CÁMARA DE

COMPACTACIÓN. ....................................................................................... 67

5.1.1.1 Determinación del ancho de cámara de compactación. ......................... 68

5.1.1.2 Determinación de la profundidad de la cámara de compactación

por maniobrabilidad de operación. ............................................................... 69

5.1.1.3 Verificación de la altura de la cámara de compactación. ....................... 69

5.1.1.4 Verificación de la altura de la cámara de compactación en función

de los nuevos valores de ancho y profundidad de la cámara. ..................... 69

5.1.2 DETERMINACIÓN DE LA FUERZA LINEAL DISTRIBUIDA Po. .................. 71

5.1.3 DETERMINACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE MOMENTO FLECTOR

UTILIZANDO EL PAQUETE INFORMÁTICO SAP 2000 v.11. .................... 74

5.1.3.1 Diagrama de momento flector del sistema estructural de la

compactadora de chatarra de aluminio. ....................................................... 75

5.1.3.2 Diagrama de momento flector de la mesa móvil y de la parte

superior de la estructura de la compactadora de chatarra de aluminio. ....... 76

5.1.3.3 Diagrama de momento flector de la puerta de la compactadora de

chatarra de aluminio. ................................................................................... 77

5.1.4 DISEÑO DEL SISTEMA ESTRUCTURAL. .................................................. 78

5.1.4.1 Selección del perfil para las columnas del sistema estructural. ............. 78

5.1.4.2 Selección del perfil para la estructura de la mesa móvil y parte

superior de la estructura de la compactadora de chatarra de aluminio. ....... 80

5.1.4.3 Selección del perfil para la estructura de puerta de la

compactadora de chatarra de aluminio. ....................................................... 81

5.1.5 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS MECÁNICOS DE LA

COMPACTADORA. ..................................................................................... 83

5.1.5.1 Diseño del diámetro interior y exterior del pasador de la bisagra de

la puerta. ...................................................................................................... 83

5.1.5.2 Dimensionamiento del espesor de la bisagra de la puerta. .................... 86

5.1.5.2.1 Cálculo del espesor de la bisagra utilizando la Teoría de la

Tensión Cortante Máxima (TTCM). .............................................................. 86

5.1.5.3 Diseño del espesor de la placa de la bisagra. ........................................ 90

5.1.5.4 Diseño del diámetro del eje del pasador del seguro de la puerta........... 93

5.1.5.5 Diseño del espesor de la placa del seguro de la puerta. ........................ 97

XI

5.1.6 DETERMINACIÓN DE LA CARRERA DEL PISTÓN. ................................ 99

5.2 DISEÑO Y VERIFICACIÓN DE LA SOLDADURA UTILIZADA EN LA

COMPACTADORA DE CHATARRA DE ALUMINIO. .............................. 101

5.2.1 DIFERENTES TIPOS DE UNIONES POR SOLDADURA. ...................... 101

5.2.2 VERIFICACIÓN DE LA SOLDADURA EN LA ESTRUCTURA DE LA

COMPACTADORA. ................................................................................. 102

5.2.3 VERIFICACIÓN DE LA SOLDADURA EN LA MESA MÓVIL Y PARTE

SUPERIOR DE LA ESTRUCTURA DE LA COMPACTADORA. ............. 110

5.2.4 VERIFICACIÓN DE LA SOLDADURA EN EL SEGURO DE LA

PUERTA DE LA COMPACTADORA. ...................................................... 111

5.2.4.1 Procedimiento para verificar la satisfactoriedad de la soldadura. ........ 113

5.2.4.1.1 Verificación de la soldadura utilizando el factor de seguridad. .......... 113

5.2.5 ELABORACIÓN Y CALIFICACIÓN DE WPS. ......................................... 117

5.2.6 REGISTRO DE CALIFICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE

SOLDADURA PQR. ................................................................................. 117

5.2.7 REGISTRO DE PRUEBAS DE CALIFICACIÓN DEL

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA WPQ. ........................................... 117

5.3 SISTEMA ELÉCTRICO. ........................................................................... 118

5.3.1 DESCRIPCIÓN. ....................................................................................... 118

5.4 SISTEMA HIDRÁULICO. ......................................................................... 121

5.4.1 SELECCIÓN DE LOS CILINDROS HIDRÁULICOS. ............................... 121

5.4.2 SELECCIÓN DE LA BOMBA. .................................................................. 123

5.4.3 SELECCIÓN DEL DEPÓSITO DE ACEITE. ............................................ 124

5.4.4 SELECCIÓN DE LOS DEMÁS ACCESORIOS DEL SISTEMA

HIDRÁULICO. .......................................................................................... 125

5.4.5 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO UTILIZADO. .................... 125

CAPÍTULO 6…………… .................................................................................... 129

6 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN, MONTAJE, PRUEBAS DE

CAMPO Y COSTOS DE LA COMPACTADORA. .................................... 129

6.1 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN DE LA COMPACTADORA DE

CHATARRA DE ALUMINIO. .................................................................... 129

6.1.1 GENERALIDADES. ................................................................................. 129

XII

6.1.2 RECURSOS HUMANOS. .......................................................................... 129

6.1.3 SECUENCIA DE CONSTRUCCIÓN. ......................................................... 130

6.1.3.1 Tecnología a Utilizarse. ........................................................................ 130

6.1.3.2 Operaciones. ........................................................................................ 131

6.2 MONTAJE DE LA COMPACTADORA DE CHATARRA DE ALUMINIO. ... 131

6.3 PRUEBAS DE CAMPO DEL PROTOTIPO ................................................ 132

6.4 COSTOS DEL PROTOTIPO. ..................................................................... 133

6.4.1 COSTOS DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE LA

COMPACTADORA. ................................................................................... 133

6.4.2 COSTOS DEL SISTEMA HIDRÁULICO. ................................................... 134

6.4.3 COSTOS DEL TABLERO DE CONTROL. ................................................. 135

6.4.4 COSTOS DE FABRICACIÓN. ................................................................... 136

6.4.5 COSTO DEL DISEÑO. .............................................................................. 136

6.4.6 COSTO TOTAL DE LA ESTRUCTURA. .................................................... 136

CAPITULO 7……….. ................................... ........................................................ 138

7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................. 138

7.1 CONCLUSIONES. ..................................................................................... 138

7.2 RECOMENDACIONES. ............................................................................. 138

BIBLIOGRAFÍA…………. ................................. ................................................... 140

ANEXOS…………….. .......................................................................................... 142

ANEXO 1. FORMATO DE LA ENCUESTA………………………………….143

ANEXO 2. FOTOS DEL ENSAYO PARA DETERMINAR LA FUERZA

NECESARIA DE COMPACTACIÓN……………………………144

ANEXO 3. FORMATO PARA EL PROTOCOLO DE PRUEBAS…………145

ANEXO 4. CATÁLOGO DE PRODUCTOS DE ACERO DIPAC………….146

ANEXO 5. FORMATO DE ESPECIFICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO

DE SOLDADURA (WPS)…………………………………………147

ANEXO 6. FORMATO DE REGISTRO DE CALIFICACIÓN DEL

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA (PQR)…….……………148

ANEXO 7. FORMATO DE REGISTRO DE PRUEBAS DE

XIII

CALIFICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE

SOLDADURA (WPQ)…………………………………….………149

ANEXO 8. CATÁLOGO TÉCNICO DE BOMBAS………………………….150

ANEXO 9. CATÁLOGO TÉCNICO DE MOTORES ELÉCTRICOS……...151

ANEXO 10. CATÁLOGO TÉCNICO DE MANÓMETROS……………..….152

ANEXO 11. CATÁLOGO TÉCNICO DE MANGUERAS HIDRÁULICAS..153

ANEXO 12. CATÁLOGO TÉCNICO DE VÁLVULAS DE FLUJO………...154

ANEXO 13. CATÁLOGO TÉCNICO DE CILINDROS HIDRÁULICOS…..155

ANEXO 14. PLANOS DE CONSTRUCCIÓN……………………………....156

XIV

CONTENIDO DE FIGURAS.

Figura 1.1: Precios de venta de los materiales ....................................................... 3

Figura 2.1: Esquema del pistón. ........................................................................... 17

Figura 2.2: Cilindro de simple efecto. ................................................................... 19

Figura 2.3: Cilindro de doble efecto. ..................................................................... 20

Figura 2.4: Cilindro telescópico. ........................................................................... 21

Figura 2.5: Bomba de paletas. ............................................................................. 22

Figura 2.6: Detalles en un depósito. ..................................................................... 24

Figura 2.7: Mangueras flexibles. .......................................................................... 25

Figura 2.8: Manómetros. ...................................................................................... 26

Figura 2.9: Formas de montaje del conjunto motor – bomba. .............................. 28

Figura 3.1: Resultados de la pregunta No 1. ........................................................ 33








Figura 3.9: Resultados de la pregunta No 10. ...................................................... 44

Figura 3.10: Dimensiones de la cámara de compactación en milímetros para

pruebas de laboratorio. ..................................................................... 46

Figura 4.1: Compactadora de chatarra de aluminio con sistema hidráulico. ....... 59

Figura 4.2: Compactadora de chatarra de aluminio con sistema neumático. ....... 61

Figura 5.1: Componentes de la compactadora de chatarra de aluminio. ............. 67

Figura 5.2: Disposición de salida de la paca de la compactadora de chatarra

de aluminio. ....................................................................................... 68

Figura 5.3: Área de los elementos de la cámara de compactación. ..................... 71

Figura 5.4: Fuerza lineal distribuida en la estructura de la Compactadora de

Chatarra de Aluminio. SAP 2000 v.11. .............................................. 74

XV

Figura 5.5: Momento Flector con sus respectivos resultados del sistema

estructural de la columna más crítica. ............................................... 75

Figura 5.6: Momento Flector con sus respectivos resultados del sistema

estructural de la viga más crítica de la mesa móvil y parte

superior de la estructura. ................................................................... 76

Figura 5.7: Momento flector con sus respectivos resultados de la viga más

crítica de la puerta. ............................................................................ 77

Figura 5.8: Perfil seleccionado para las columnas del sistemas estructural

según DIPAC. .................................................................................... 79

Figura 5.9: Perfil seleccionado para la mesa móvil y la parte superior de la

estructura según DIPAC. ................................................................... 81

Figura 5.10: Bisagra de sujeción de la puerta de la compactadora de

chatarra de aluminio. ......................................................................... 84

Figura 5.11: Puntos de reacción en la puerta ....................................................... 85

Figura 5.12: Fuerzas solicitadas en el punto de reacción G. Programa

SAP 2000 v.11. ................................................................................. 94

Figura 5.13: Diámetro del eje del pasador del seguro de la puerta. ..................... 95

Figura 5.14: Soldadura entre los perfiles de la estructura de la

compactadora. ................................................................................. 102

Figura 5.15: Diagrama de cuerpo libre del cordón de soldadura. ....................... 103

Figura 5.16: Esfuerzo cortante resultante en el punto A. ................................... 107

Figura 5.17: Esfuerzo cortante resultante en el punto B. ................................... 107

Figura 5.18: Esfuerzo cortante resultante en el punto C. ................................... 108

Figura 5.19: Esfuerzo cortante resultante en el punto D. ................................... 109

Figura 5.20: Garganta de la soldadura. .............................................................. 112

Figura 5.21: Garganta del filete de soldadura .................................................... 113

Figura 5.22: Simulación del Sistema de Control en el programa LOGO. ........... 120

Figura 5.23: Nomenclatura utilizada en el sistema de control. ........................... 120

Figura 5.24: Sistema hidráulico para a emplearse en la Compactadora de

Chatarra de Aluminio. ...................................................................... 126

Figura 6.1: Fases de la construcción de la Compactadora de Chatarra de

Aluminio........................................................................................... 132

XVI

CONTENIDO DE TABLAS

Tabla 2.1: Tipos de cilindros................................................................................. 18

Tabla 2.2: Tipos de bombas. ................................................................................ 23

Tabla 3.1: Resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio de la

compactación de chatarra de aluminio. ............................................. 49

Tabla 3.2: Resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio de la

compactación de chatarra de aluminio (continuación). ..................... 50

Tabla 3.3: Factores de seguridad. ........................................................................ 53

Tabla 3.4: Principales parámetros de diseño. ...................................................... 57

Tabla 4.1: Cuadro de ponderaciones de las alternativas propuestas. .................. 63

Tabla 5.1: Perfiles seleccionados. ........................................................................ 83

Tabla 5.2: Factor de seguridad para el diseño de la estructura de la

compactadora. ................................................................................. 110

Tabla 5.3: Factor de seguridad para el diseño de la mesa móvil de

compactación y la parte superior de la estructura de la

compactadora. ................................................................................. 110

Tabla 5.4: Valores límite de la garganta de una soldadura. ............................... 116

Tabla 5.5: Nomenclatura utilizada en el circuito hidráulico. ................................ 127

Tabla 5.6: Equipo hidráulico y tablero de control seleccionados ........................ 128

Tabla 6.1: Equipos a utilizarse. .......................................................................... 130

Tabla 6.2: Costos de los elementos estructurales de la Compactadora. ............ 134

Tabla 6.3: Costos del circuito y cilindro hidráulico de la Compactadora. ............ 135

Tabla 6.4: Costo del tablero de control automático. ........................................... 135

Tabla 6.5: Costos de fabricación de la Compactadora. ...................................... 136

Tabla 6.6: Costo total de la estructura. ............................................................... 137

XVII

PRESENTACIÓN

Existe la gran necesidad del desarrollo de un proyecto de reciclaje en ciudades y

países, motivo por el cual el presente Proyecto de Titulación prevé el diseño de

una Máquina Compactadora de Chatarra de Aluminio. En el Ecuador existen

distintas empresas que se encargan del reciclaje, pero no han desarrollado un

diseño ingenieril de este tipo de máquinas, por lo tanto es de vital importancia que

la Escuela Politécnica Nacional incursione en este campo.

Este proyecto nace de la necesidad que se tiene dentro de las pequeñas y

medianas empresas recicladoras, ya que se gana en la transportación de la

materia prima disminuyendo los costos de traslado y maximizando la cantidad

que se transporta a las empresas que requieren de este material (chatarra de

aluminio) generando un ahorro en la economía de las empresas.

Las Compactadoras de Chatarra de Aluminio que se fabrican en nuestro país, son

elaboradas con poca técnica y no poseen un respaldo de cálculos de diseño,

planos y tecnología acorde al trabajo que van a realizar, las personas encargadas

de la construcción de estos dispositivos utilizan criterios empíricos y por estas

razones existen sobredimensionamientos en las máquinas.

El objetivo primordial de este Proyecto es el de diseñar una Máquina

Compactadora de Chatarra de Aluminio para la Industria en el Ecuador, para lo

cual se realiza una investigación previa de las necesidades de la Industria

Nacional, además se estudia la viabilidad de este proyecto comparándolo con los

modelos ya existentes en el mercado, para así determinar los parámetros de

diseño más adecuados, los mismos que permiten obtener un sistema simple que

brinde seguridad, funcionalidad y economía.

XVIII

RESUMEN

El presente Proyecto de Titulación tiene por finalidad realizar el Diseño de un

Máquina Compactadora de Chatarra de Aluminio para Producir Pacas con un

Peso de 65 Kg, para contribuir con el reciclaje en las distintas ciudades del

Ecuador.

Este trabajo inicia con el estudio de campo de las plantas de recepción de

chatarra, se lo realiza con el fin de determinar los parámetros funcionales para el

diseño del prototipo.

Este Proyecto consta de 6 capítulos que a continuación se describen brevemente.

Capítulo 1. GENERALIDADES. Se realiza un estudio del aluminio, sus

aplicaciones, importancia en la industria, además se desarrolla un estudio básico

de las empresas que se dedican al reciclaje de chatarra de aluminio en el

Ecuador.

Capítulo 2. MARCO TEÓRICO. Se analizan los elementos que conforman la

Compactadora, también se presenta un estudio básico de los sistemas motrices

utilizados en distintas aplicaciones en el proceso de compactación de materiales.

Capítulo 3. PREFACTIBILIDAD. Se estudia y determina los parámetros

funcionales de la Máquina Compactadora a partir de un estudio de campo

realizado mediante el desarrollo de encuestas a las industrias que se dedican al

reciclaje y compactación de chatarra de aluminio. Se determina la fuerza

necesaria para producir la compactación de la chatarra.

Capítulo 4. FACTIBILIDAD. Estudia las posibles alternativas y selecciona la más

adecuada para el diseño del prototipo, diseño que se lo realiza mediante la

utilización del paquete informático SAP 2000 v.11.

XIX

Capítulo 5. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN, MONTAJE, PRUEBAS DE CAMPO

Y COSTOS DE LA COMPACTADORA DE CHATARRA DE ALUMINIO. En este

capítulo se determina los procesos de construcción y montaje de la

Compactadora, además una evaluación de los costos que implica el diseño

máquina.

Capítulo 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. El Proyecto de Titulación

culmina con las conclusiones y recomendaciones.

1

CAPÍTULO 1

1 GENERALIDADES

En la actualidad existen varias empresas que se están dedicando al reciclaje

debido al gran impacto en el desarrollo humano y en la conservación del medio

ambiente, por lo cual ha surgido la idea de compactar el aluminio para que brinde

un apoyo al desarrollo de las empresas que se dedican al reciclaje en el Ecuador.

Es necesario al comienzo del desarrollo de la investigación de este Proyecto de

Titulación definir los términos más relevantes que intervienen en el reciclaje de

materiales, como son: papel, cartón, vidrio, plástico y metales en especial el

aluminio la cual va a ser la materia prima que vamos a tratar en este proyecto.

1.1 DEFINICIONES.

Las tres “R” de la ecología son: Reducir, Reutilizar y Reciclar. Reducir al máximo

el consumo, seleccionando en la compra productos que tengan un menor impacto

ambiental y evitando generar basura innecesaria. Reutilizar empleando

repetidamente o de diversas formas distintos productos consumibles. Reciclar

utilizando los residuos como materia prima para la elaboración de un producto

que puede ser igual o distinto al inicial.1

1.1.1 RECICLAJE.

Para el público en general, reciclaje es el proceso mediante el cual productos de

desecho son nuevamente utilizados, como pueden ser: aluminio, vidrio, papel,

plástico y materia orgánica.

Una definición bastante acertada indica que reciclar es cualquier “proceso donde

materiales de desperdicio son recolectados y transformados en nuevos materiales

1 http://ecuador.acambiode.com/intercambio_reciclados.html

2

que pueden ser utilizados o vendidos como nuevos productos o materias

primas”2. Otra definición puede ser la siguiente: “Es un proceso que tiene por

objeto la recuperación, de forma directa o indirecta, de los componentes que

contienen los residuos urbanos”.

Los objetivos del reciclaje son los siguientes:

• Conservación o ahorro de energía.

• Conservación o ahorro de recursos naturales.

• Disminución del volumen de residuos que hay que eliminar.

• Protección del medio ambiente.

El reciclaje permite:

• Ahorrar recursos

• Disminuir la contaminación.

• Alargar la vida de los materiales aunque sea con diferentes usos.

• Ahorrar energía.

• Evitar la deforestación.

• Reducir el 80% del espacio que ocupan los desperdicios al convertirse en

basura.

• Ayudar a que sea más fácil la recolección de basura.

• Disminuir el pago de impuestos por concepto de recolección de basura.

• Vivir en un mundo más limpio.

1.1.2 RECICLABILIDAD.

La reciclabilidad está en función de algunas características importantes, entre

ellas: valor agregado de chatarra (valor de venta), economicidad del proceso de

reciclado y aplicabilidad de la materia prima obtenida, tecnología del proceso,

técnica de recolección y volumen a ser recuperado. Teniendo en cuenta las

2 http://www.ingenieroambiental.com/?pagina=874

3

características señaladas se debe hacer la siguiente consideración sobre la

reciclabilidad de estos materiales:

En términos de valor agregado que es un importantísimo factor para optimizar el

volumen a ser reciclado, la chatarra de aluminio tiene un valor de venta más

atrayente (USD 800/t), con una diferencia muy amplia con respecto a otros

materiales (en promedio USD 50/t), como puede verse en la Figura 1.1. La

reciclabilidad del vidrio se ve perjudicada por ese factor.3

Figura 1.1: Precios de venta de los materiales

Fuente: www.ingenieroambiental.com/?pagina=874

Elaboración: Propia.

3 http://www.ingenieroambiental.com/?pagina=874

USD/t vs. Materiales

Vidri

o

P

apel/

Cartó

n

Acer

oAlum

inio

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Materiales

USD/t

4

1.1.3 MATERIALES RECICLABLES.

Los materiales reciclables son aquellos que se pueden someter a un proceso para

que se pueda volver a utilizar4. Los materiales reciclables son:

• Aluminio (metales, no ferrosos).

• Papel/cartón.

• Hierro fundido /acero.

• Vidrio.

• Plástico.

1.1.3.1 Procedencia de los materiales reciclables.

Los materiales reciclables son generalmente los desechos sólidos no

biodegradables que se pueden reutilizar o transformar en otros productos.

Las principales fuentes de generación de estos materiales son:

• Los hogares.

• El comercio.

• Instituciones, hospitales y clínicas, establecimientos educativos, oficinas y

compañías.

• La industria.

1.1.3.2 Metales

De los metales que existen, la mayor parte pueden ser fundidos y volver a

procesarse para crear metales. De los desperdicios que se produce diariamente,

el 10% lo constituyen los metales.

Los metales reciclables son: tapas de metal, botones de metal, latas de cerveza y

de bebidas, bolsas interiores de las cajas de leche en polvo, latas de conservas,

4 Biblioteca de consulta Microsoft Encarta 2007; Microsoft Corporation; 1993-2006.

5

pasadores de pelo, alfileres, grapas, papel aluminio, alambre, ganchos de ropa,

latas de conservas, etc.

1.1.3.2.1 Aluminio.

Los productos más comunes de aluminio que se encuentran en la basura

domiciliaria son:

• Latas de bebidas (cerveza, limonada, colas, etc.)

• Ollas y sartenes usados.

• Folio de aluminio.

Además se recicla aluminio grueso, por ejemplo aluminio de construcción, como

perfiles de ventana, puertas, etc., muebles de aluminio, tubería o partes de

automóviles, camionetas o aviones. El aluminio es también uno de los materiales

que se pueden reciclar a un 100% sin disminuir su calidad. El reciclaje del

aluminio tiene tres ventajas importantes:

• Se reduce considerablemente la cantidad de materia prima. Para la

producción de una tonelada de aluminio se necesitan cuatro toneladas de

bauxita.

• Con el reciclaje, se reducen también los gastos ambientales y económicos

de transporte, energía, agua, etc., vinculados al procesamiento de la

bauxita.

La energía necesaria para el reciclaje del aluminio es solamente un 5% de la

energía necesaria para producir aluminio de la materia prima (bauxita).

1.1.3.2.1.1 Hierro y Acero.

El producto férreo más común en los desechos domiciliarios son las latas de

productos alimenticios. Estas son generalmente latas de atún, salsa de tomate,

conservas de frutas y vegetales.

6

Las latas de bebidas no son frecuentemente usadas. Además se encuentran ollas

enlozadas, productos usados de ferretería, partes de electrodomésticos y chatarra

con procedencia de talleres mecánicos. Los productos de hierro son 100%

recuperables y no pierden su calidad o sus características higiénicas con la

fundición.

1.1.3.2.2 Otros Materiales No Ferrosos.

Estos metales se encuentran raramente en la basura domiciliaria; aunque se

pueden vender a precios elevados, no contribuyen mucho a las ganancias de una

planta de reciclaje, debido al volumen bajo de recuperación.

1.1.3.3 Vidrio.

El vidrio se clasifica de acuerdo a su color, los más comunes son: verde, azul y

transparente. Una tonelada de vidrio (frascos) cuando es reutilizada varias veces

ahorra 117 barriles de petróleo. El vidrio nuevo es 100% reciclable. El uso de

botellas retornables o rellenables ayudan a reducir la contaminación en un 20%.

El reciclado de vidrio produce al país una serie de beneficios derivados de la no

extracción de materias primas, pues por cada tonelada de envases de vidrio

usado que se recicla se ahorran 1,2 toneladas de materia prima.

1.1.3.4 Papel/Cartón.

Dentro de los desperdicios se encuentra el papel y el cartón. Si las personas

contribuyen al reciclaje de papel y cartón se ahorraría el 33% de energía que se

necesita para producirlos. Típicamente son: hojas de papel, cuadernos,

desperdicios de papel, cajas de cartón, etiquetas de cartón, periódicos,

fotografías, envolturas de papel, revistas, papel celofán, tetra pack, invitaciones,

otros.

La recolección selectiva de papel no sólo puede ayudar a dar alimento a quienes

trabajan en su recolección, sino que además se aportan otra serie de beneficios

7

como son la conservación de recursos forestales: los casi 21 millones de

toneladas de papel y cartón usados que se han recuperado en los últimos 19

años, ha evitado unos 300 millones de árboles que ocupan medio millón de

hectáreas de monte.5

1.1.4 ALUMINIO.

El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata

de un metal no ferroso. Es el tercer elemento más común encontrado en la

corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la

tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de

los animales.6 En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos,

plagioclasas y micas). Como metal se extrae del mineral conocido con el nombre

de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a

continuación en aluminio mediante electrólisis.

Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en

ingeniería mecánica, tales como su baja densidad (2.700 kg/m3) y su alta

resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar

sensiblemente su resistencia mecánica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor

de la electricidad, se mecaniza con facilidad y es relativamente barato. Por todo

ello es el metal que más se utiliza después del acero.

Fue aislado por primera vez en 1825 por el físico danés H. C. Oersted. El principal

inconveniente para su obtención reside en la elevada cantidad de energía

eléctrica que requiere su producción. Este problema se compensa por su bajo

costo de reciclado, su dilatada vida útil y la estabilidad de su precio.

1.2 HISTORIA DEL ALUMINIO.

Tanto en Grecia como en la Antigua Roma se emplea el alumbre (del latín

alūmen, -ĭnis, alumbre), una sal doble de aluminio y potasio como mordiente en 5 htte://www.ded.org.ec. 6 Tecnología automotriz.Monografías.comJesús Guevara, Carabobo, Venezuela

8

tintorería y astringente en medicina, uso aún en vigor. Generalmente se reconoce

a Friedrich Wöhler el aislamiento del aluminio en 1827. Aun así, el metal se

obtiene, impuro, dos años antes por el físico y químico danés Hans Christian

Orsted.

En 1807, Humphrey Davy se propone el nombre aluminum para este metal aún no

descubierto, pero más tarde se decide cambiarlo por aluminium por coherencia

con la mayoría de los nombres de elementos, que usan el sufijo -ium. De éste se

derivan los nombres actuales en inglés y en otros idiomas; no obstante, en los EE.

UU. Con el tiempo se populariza el uso de la primera forma, hoy también admitida

por la IUPAC.7

Cuando es descubierto se encuentra que era extremadamente difícil su

separación de las rocas de las que formaba parte, por lo que durante un tiempo

fue considerado un metal precioso, más caro que el oro. Se exhiben barras de

aluminio junto con las joyas de la corona de Francia en la Exposición Universal de

1855.

En 1884 se selecciona el aluminio como material para realizar el vértice del

Monumento a Washington, en una época en que la onza (30 gramos) cuesta el

equivalente al sueldo diario de los obreros que intervienen en el proyecto8; en

esta época tiene el mismo valor que la plata.

Sin embargo, con las mejoras de los procesos los precios bajan continuamente

hasta colapsar en 1889 tras descubrir un método sencillo de extracción del metal

Aluminio.

La invención del proceso Hall-Héroult en 1886 abarata el proceso de extracción

del aluminio a partir del mineral, lo que permite, junto con el proceso Bayer

inventado por esas mismas fechas, que se extienda su uso hasta hacerse común

7 IUPAC (en inglés)Página web de International Union of Pure and Applied Chemistry 8 George J. Binczewski (1995). "The Point of a Monument: A History of the Aluminum Cap of the Washington Monument". JOM 47 (11): 20- 25.

9

en multitud de utilizaciones. Sus aplicaciones industriales son relativamente

recientes, y se produce a escala industrial desde finales del siglo XIX.

Ello posibilita que el aluminio pase a ser un metal común y familiar.9 Para 1895 su

uso como material de construcción se extiende hasta llegar a Sídney, Australia,

donde es utilizado en la cúpula del Edificio de la Secretaría.

Actualmente el proceso ordinario de obtención del metal consta de dos etapas, la

obtención de alúmina por el proceso Bayer a partir de la bauxita, y posterior

electrólisis del óxido para obtener el aluminio.

La recuperación del metal a partir de la chatarra (reciclado) es una práctica

conocida desde principios del siglo XX. Sin embargo, es a partir de los años 1960

cuando se generaliza, más por razones medioambientales que estrictamente

económicas.

1.3 IMPORTANCIA DEL USO DEL ALUMINIO.

Ya sea considerando la cantidad o el valor del metal empleado, el uso industrial

del aluminio excede al del cualquier otro metal exceptuando el hierro/acero. Es un

material importante en multitud de actividades económicas y ha sido considerado

un recurso estratégico en situaciones de conflicto.

a. Aluminio metálico.

El aluminio se utiliza rara vez 100% puro, casi siempre se usa aleado con otros

metales. El aluminio puro se emplea principalmente en la fabricación de espejos,

tanto para uso doméstico como para telescopios reflectores.

Los principales usos industriales de las aleaciones metálicas de aluminio son:

9 Varios autores (1984). Enciclopedia de Ciencia y Técnica. Tomo 1, Aluminio. Salvat Editores S.A. ISBN 84-345-4490-3.

10

• Transporte; como material estructural en aviones, automóviles, tanques,

superestructuras de buques y bicicletas.

• Estructuras portantes de aluminio en edificios.

• Embalaje de alimentos; papel de aluminio, latas, tetrabrikes, etc.

• Carpintería metálica; puertas, ventanas, cierres, armarios, etc.

• Bienes de uso doméstico; utensilios de cocina, herramientas, etc.

• Transmisión eléctrica. Aunque su conductividad eléctrica es tan sólo el

60% de la del cobre, su mayor ligereza disminuye el peso de los

conductores y permite una mayor separación de las torres de alta tensión,

disminuyendo los costos de la infraestructura.

• Recipientes criogénicos (hasta -200 °C), ya que co ntrariamente al acero no

presenta temperatura de transición dúctil a frágil. Por ello la tenacidad del

material es mejor a bajas temperaturas.

• Calderería.

Debido a su gran reactividad química, el aluminio se usa finamente pulverizado

como combustible sólido de cohetes espaciales y para aumentar la potencia de

los explosivos.

También se usa como ánodo de sacrificio y en procesos de aluminotermia

(termita) para la obtención y soldadura de metales.

b. Compuestos no metálicos de aluminio.

• El óxido de aluminio, también llamado alúmina, (Al2O3) es un producto

intermedio de la obtención de aluminio a partir de la bauxita. Se utiliza

como revestimiento de protección y como adsorbente para purificar

productos químicos. El óxido de aluminio cristalino se llama corindón y se

utiliza principalmente como abrasivo. El corindón transparente se llama rubí

cuando es rojo y zafiro en los otros casos, utilizándose en joyería y en los

11

emisores de rayos láser. El rubí y el zafiro también pueden ser producidos

artificialmente.10

• Los haluros de aluminio tienen características de ácido Lewis y son

utilizados como tales, es decir catalizadores o reactivos auxiliares. En

particular, el cloruro de aluminio (AlCl3) se emplea en la producción de

pinturas y caucho sintético así como en el refino de petróleo.

• Los aluminosilicatos son una clase importante de minerales. Forman parte

de las arcillas y son la base de muchas cerámicas y vidrios. En vidrios y

cerámicas también se utilizan óxidos de aluminio y el borato de aluminio

(Al2O3 · B2O3).

• El hidróxido de aluminio (Al(OH)3) se emplea como antiácido, como

mordiente, en tratamiento de aguas, en la producción de cerámica, vidrio y

en la impermeabilización de tejidos.

• Los hidruros complejos de aluminio son reductores valiosos en síntesis

orgánica.

• El sulfato de aluminio (Al2(SO4)3), el sulfato de amonio y aluminio

(Al(NH4)(SO4)2) se emplean como moliente en el tratamiento de aguas, en

la producción de papel, como aditivo alimentario y en el curtido del cuero.11

• El fosfato de aluminio (AlPO4) se utiliza, junto con otras materias, como

deshidratante a alta temperatura.

• El borohidruro de aluminio (Al (BH4)3) se añade como aditivo a los

combustibles de aviones a reacción.

• Las sales de aluminio de los ácidos grasos (por ejemplo el estearato de

aluminio) forman parte de la formulación del napalm.

• En muchas vacunas, ciertas sales de aluminio realizan la función de

adyuvante inmune para ayudar a la proteína de la vacuna a adquirir

suficiente potencia para estimular al sistema inmunológico.

• El Al (CH2CH3)3 arde violentamente al aire y destruye rápidamente los

tejidos.

10 Alúmina. Monografías.com Trabajo muy extenso y documentado sobre la alúmina realizado por Francisco Castro 11 Floculantes NTP690: Piscinas de uso público: Peligrosidad de los productos químicos. Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales España. Redactores Asunción Freixa Blanxart, Adoración Pascual Benés Xavier Guardino Solá

12

1.4 ESTUDIO BÁSICO DE LA EMPRESAS QUE SE DEDICAN AL

RECICLAJE EN EL ECUADOR.

Las actividades de la empresa se centran fundamentalmente en el reciclaje de

todo tipo de materiales, los cuales llegan a las instalaciones en forma de chatarra;

posteriormente se procede a la clasificación de materiales, limpieza de impurezas

y finalmente compactación del material. El producto de este proceso es finalmente

comercializado en el mercado Nacional y además exportado a diferentes países

del resto del mundo. Dentro de las empresas que se encargan del reciclaje en el

país tenemos:

1.4.1 RIMESA S.A.

A través de las actividades de reciclaje esta empresa impulsa la conservación del

medio ambiente, promueve el uso cauteloso de los recursos naturales y

contribuye al ahorro de energía evitando el incremento de la contaminación

ambiental.

a. No Ferrosos.

Comercializa en el mercado nacional e internacional un promedio de 5.000

toneladas mensuales.

b. Ferrosos.

Comercializa en el mercado nacional e internacional un promedio de 15.000

toneladas mensuales.

El reciclaje de metales conlleva un ahorro considerable de energía al disminuir su

extracción y procesamiento de origen. Por ejemplo, la producción de aluminio a

partir del material reciclable significa un ahorro considerable con respecto a la

energía que se necesita para obtener la misma cantidad de aluminio a partir de la

bauxita.

13

1.4.2 RECYNTER.

La empresa, se dedica a la recuperación de metales ferrosos y no ferrosos. Para

cumplir este propósito promueve una muy amplia red de miles de micro

empresarios en todo el país.

Los materiales reciclados por la empresa son metales ferrosos y no ferrosos

obtenidos de desechos de industrias petroleras, textiles, eléctricas, papeleras, así

como equipos que salen de uso por renovaciones industriales; barcos y aviones

en desuso, residuos metálicos domésticos.

Exporta los productos clasificados en ferrosos y no ferrosos. Sus diferentes

calidades, como aceros, aluminio, cobre, bronce, y la chatarra en general.

14

CAPÍTULO 2

2 MARCO TEÓRICO.

2.1 DISPOSITIVOS CARACTERÍSTICOS DE UNA

COMPACTADORA DE CHATARRA.

Una Compactadora de Chatarra es una prensa diseñada para obtener volúmenes

más pequeños de material reciclable de los que inicialmente se tiene en el punto

de operación, lo cual permite facilitar el traslado de una gran cantidad de material

en un menor volumen.

Es importante e indiscutible la descripción de los dispositivos característicos de

una Compactadora de Chatarra, para tener un mejor conocimiento de las partes

que conforman ésta.

2.1.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS ELEMENTOS

ESTRUCTURALES DE LA COMPACTADORA DE CHATARRA.

En el presente capítulo se estudian los elementos estructurales que conforman la

Compactadora de Chatarra y que además resultan ser de gran importancia para

el diseño de la máquina, los principales componentes de la compactadora son:

• Vigas.

• Columnas.

• Marco Rígido.

• Retícula de la puerta.

• Seguro fijo de la puerta.

• Bisagras.

• Seguro móvil de la puerta.

• Sistema Estructural.

• Sistema Motriz.

15

2.1.1.1 Vigas.

Las vigas son elementos longitudinales, que soportan las cargas constructivas y

las transmiten sensiblemente hacia los elementos verticales de sustentación. Las

solicitaciones típicas de las vigas son a flexión y a cortante, de modo que se

necesitan materiales que resistan bien los esfuerzos de tracción, como la madera

o el acero.12

2.1.1.2 Columna.

Las columnas son elementos mecánicos que se encuentran expuestos

exclusivamente a compresión axial.13

2.1.1.3 Marco Rígido.

El marco rígido es una estructura que posee juntas resistentes las que están

sujetas a momentos flexionantes, sus barras se encuentran unidas rígidamente en

sus extremos con la característica que ninguno de sus nodos se traslade, es decir

son elementos que se unen en su nodo y se puede girar en conjunto pero no se

puede mover uno respecto al otro.14

2.1.1.4 Retícula.

Es un elemento rigidizante que sirve para acortar las deformaciones que existen

en espacios grandes y además evita el pandeo de la zona solicitada.

2.1.2 SISTEMA ESTRUCTURAL.

El sistema estructural está constituido por perfiles de acero, estos perfiles dan la

suficiente rigidez y estabilidad a la estructura de la mesa móvil de compactación

así como también del sistema estructural de la compactadora.

12 Encarta 1993-2003 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos. 13 ALBÁN, TERÁN; Proyecto de titulación: Diseño de un Sistema Nodriza Acoplable a Cabezales de Transporte Pesado; EPN; 2004; Pág. 57 14 Mc CORMAC JACK C. Análisis Estructural, Editorial Harla, México 3ra edición, 1983, Pág. 2.

16

Las partes principales de la estructura son:

• Tubo estructural rectangular.

• Chapas de Acero.

2.1.2.1 Mesa Móvil de compactación.

Es la encargada de transmitir la fuerza que da el pistón hidráulico a los retazos de

aluminio ubicados en la cámara de la Compactadora.

2.1.2.2 Puerta.

Es aquella por donde se extrae la paca compactada, con las dimensiones y peso

requeridos. Tiene que ser diseñada de tal manera que no exista pandeo en sus

elementos estructurales ya que es uno de los elementos de la compactadora que

está sometido a esfuerzos por la presión que ejerce la chatarra en su superficie.

2.1.3 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA MOTRIZ.

2.1.3.1 Sistema Hidráulico.

2.1.3.1.1 Cilindro Hidráulico.

En los sistemas hidráulicos la energía es transmitida a través de tuberías. Esta

energía es función del caudal y presión del aire o aceite que circula en el sistema.

El cilindro es el dispositivo más comúnmente utilizado para la conversión en

energía mecánica.

La presión del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de

ese fluido es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo. La

combinación de fuerza y recorrido produce trabajo, y cuando éste es realizado en

un determinado tiempo produce potencia. Ocasionalmente a los cilindros se los

llama “motores lineales”.

17

En la Figura 2.1, se muestra un corte esquemático de un cilindro típico, al cual se

denomina de doble efecto porque realiza ambas carreras por la acción del fluido.

A. Brida de fijación.

B. Cilindro.

C. Disco de deslizamiento.

D. Pistón.

E. Anillo de tope.

F. Aro de contención.

G. Brida para sujeción de herramienta.

Figura 2.1: Esquema del pistón. 15

2.1.3.1.2 Clasificación de los Cilindros.

Los cilindros son los componentes de trabajo de los circuitos óleo hidráulicos que

se utilizan con mayor frecuencia en las máquinas o mecanismos.

15 http://www.scielo.org.pe/img/revistas/id/v8n1/a03fig12g.jpg

18

Mediante el caudal de aceite y la presión que proporcionan las bombas,

desarrollan el trabajo a través de un movimiento rectilíneo de avance y retroceso

que tiene lugar de forma repetitiva en las diferentes fases de un ciclo.

Aunque existen otros componentes para realizar trabajo, como los actuadores de

giro, los motores hidráulicos y las pinzas, los cilindros continúan siendo los

elementos que mejor se adaptan a las aplicaciones de transmisión energética16.

Por lo general los cilindros se dividen en:

• Cilindros de simple efecto.

• Cilindros de doble efecto.

2.1.3.1.2.1 Tipos de Cilindros.

En la actualidad son muy utilizados los cilindros que se muestran en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1: Tipos de cilindros.

TIPO SUB-TIPO(S) APLICACIONES

Simple efecto

Retorno por gravedad Elevación, gatos.

Retorno por fuerza exterior Asociado a aparatos elevadores

Retorno por muelle Normalmente trabajos ligeros

Doble efecto Vástago simple El más utilizado en aplicaciones generales

Vástago pasante Para mayor rigidez mecánica o apoyo del vástago

Telescópico Simple efecto Carreras largas Doble efecto Longitud mínima en retracción

Hidroneumático Combinación de cilindros hidráulicos y neumáticos

El cilindro confiere rigidez al movimiento de un cilindro neumático

Fuente: Óleo hidráulica.17


16 A. SERRANO NICOLÁS; Óleo hidráulica; Ed. McGRAW-HILL; Pág. 199, 2002. 17 A. SERRANO NICOLÁS; Óleo hidráulica; Ed. McGRAW-HILL; Pág. 199, 2002.

19

2.1.3.1.2.2 Cilindros de Simple Efecto.

Si el cilindro es de simple efecto, el movimiento de retorno puede ser por

gravedad, por un muelle interno o por una fuerza exterior. En el caso de un

cilindro de simple efecto con retorno por muelle, el esfuerzo en que se traduce la

presión hidráulica siempre resulta modificado por la resistencia del muelle.

Cuando es necesaria el empleo de fuerza en un solo sentido. El fluido es

aplicado en la cara delantera del cilindro y la opuesta conectada a la atmósfera

como en la Figura 2.2.

Figura 2.2: Cilindro de simple efecto. 18

18 http://automatastr.galeon.com/a-actu8.jpg

1. Camisa. 4. Vía

2. Émbolo. 5. Vástago

3. Fuga. 6. Muelle

20

2.1.3.1.2.3 Cilindros de Doble Efecto.

Estos cilindros son los más corrientes en aplicaciones generales. En cada

extremo hay lumbreras para el fluido que funcionan alternadamente como

admisión y como escape, y están mandadas por un selector.

La fuerza que se obtiene es algo menor que la que proporciona un cilindro de

simple efecto, porque cuando se aplica la presión del fluido a toda la superficie del

émbolo (carrera de salida o de extensión), existe una cierta contrapresión en el

lado del escape, y también porque se requerirá una junta de estanqueidad para el

vástago para evitar las fugas cuando se presione al émbolo en sentido opuesto,

con el consiguiente aumento de resistencia por frotamiento.

Las principales partes que constituyen un cilindro de doble efecto se muestran a

continuación en la Figura 2.3.

Figura 2.3: Cilindro de doble efecto. 19

19http://www.kalipedia.com/kalipediamedia/ingenieria/media/200708/21/informatica/20070821klpinginf_65.Ees.SCO.png

21

2.1.3.1.2.4 Cilindros Telescópicos.

Tienen dos o más buzos telescópicos y se construyen con un máximo de seis.

Usualmente son de simple efecto del tipo empuje como la Figura 2.4, o de doble

efecto. Los buzos se extienden en una secuencia establecida por el área, sale

primero el mayor y en forma subsiguiente los de menor diámetro.

Figura 2.4: Cilindro telescópico. 20

2.1.3.1.3 Bomba.

En la ejecución de cualquier proceso óleo hidráulico es relevante que exista una

gama de presiones que genere la energía necesaria para mover los vástagos de

los cilindros o los ejes de los actuadores rotativos de dichos componentes que

realizan el trabajo.

20 http://www.aguilarmexicana.com/images/foto-tubo-rectext.jpg

22

La solución más óptima para resolver este problema es la utilización de una

bomba, la cual es capaz de elevar la presión del fluido óleo hidráulico y enviar el

caudal solicitado a los diversos dispositivos consumidores.

En este trabajo se mencionan los principales tipos de bombas que se utilizan en

óleo hidráulica y que a su vez servirá de forma inherente para alguna manera

entender su funcionamiento y así poder seleccionar la bomba más adecuada

para el sistema requerido.

2.1.3.1.3.1 Bomba de Paletas.

Este tipo de bombas constan de un rotor excéntrico provisto de ranuras sobre las

cuales deslizan radialmente las paletas, que giran en el interior de una carcasa

que posee un alojamiento circular. Ver Figura 2.5.

Debido a los desequilibrios que se generan en el rotor por la presión, las

aplicaciones de esta bomba están limitadas a casos en las cuales las presiones

de trabajo no superan los 1015 psi. Los rendimientos globales de estas bombas

suelen rondar el 80%.

Figura 2.5: Bomba de paletas. 21

21 http://www.hidraulicapractica.com/videos/bombapiston_files/image380.jpg

23

2.1.3.1.3.2 Otros Tipos de Bombas.

Otros tipos de bombas utilizadas en las máquinas compactadoras que existen en

la industria son las indicadas en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2: Tipos de bombas.

BOMBAS

Engranajes Paletas Tornillo Hidráulica de Pistones Pistones Axiales Pistones Radiales

Fuente: Propia.


2.1.3.1.4 Depósitos.

El depósito o tanque es un elemento normal en la mayoría de los circuitos

hidráulicos y sirve para almacenar el fluido. (Figura 2.6)

También sirve para la función de llenado y actúa como cámara de expansión que

acepta los cambios de volumen del fluido en el circuito principal, debidos al

desequilibrio volumétrico de los cilindros y/o a la contracción o expansión térmicas

del fluido.

Otras funciones secundarias son:

• La eliminación del aire disuelto en el sistema

• La sedimentación de los contaminantes y la disipación de calor del fluido.

No obstante, estas funciones son incompletas, ya que el depósito, por sí solo, no

resulta totalmente eficaz en estas tareas secundarias.

24

1. Tapón.

2. Filtro.

3. Aceite.

4. Conducto de aspiración.

5. Tapa de depósito

6. Conducto de llenado de aceite.

7. Pared de chapa.

8. Conducto de retorno.

9. Fondo.

10. Indicador de nivel.

Figura 2.6: Detalles en un depósito.

Fuente: Propia


Los tipos de depósitos básicamente son dos:

• Abiertos, y

• Cerrados.

Los depósitos abiertos son simples tanques de almacenamiento, dando apertura

a la presión atmosférica. Los depósitos cerrados pueden ser de presión o sin ella.

25

2.1.3.1.5 Conducciones Flexibles.

Se emplean en circuitos cuyos vínculos son móviles, o para facilitar la conexión

o desconexión.

Son útiles para amortiguar vibraciones y choques, para absorber ruidos y para

infinidad de aplicaciones en las que unas conexiones rígidas presentarían

problemas de instalación o de funcionamiento.

Los tres tipos principales de tubería flexible son:

a. Tubos de elastómero reforzados con revestimiento textil.

b. Mangueras metálicas flexibles.

c. Tubos de nylon reforzados.

La Figura 2.7 muestra los diferentes tipos de mangueras flexibles utilizadas para

conducir un fluido hidráulico.

Figura 2.7: Mangueras flexibles. 22

22 http://www.cadenasybandas.com/images/mangueras.jpg

26

2.1.3.1.6 Manómetros.

Los manómetros son componentes óleo hidráulicos encargados de indicar la

presión de los puntos del circuito que se hallan instalados. Aunque en un circuito

pueden montarse varios, siempre es conveniente situar uno general a la salida del

conducto de presión de la centralita y lo más cerca posible de la válvula de

seguridad.

Los manómetros además de permitir el ajuste de la válvula de máxima presión,

hacen posible también el control de la fuerza que ejercen los cilindros durante la

etapa de trabajo.

En la Figura 2.8 se muestran algunos tipos de manómetros que existen y las

partes que lo conforman.

Figura 2.8: Manómetros. 23

23 http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/manometro-sanitario-26772.jpg

27

2.1.3.1.7 Fluido Hidráulico.

Un fluido hidráulico de base petróleo usado en un sistema hidráulico industrial

cumple muchas funciones críticas. Debe servir no sólo como un medio para la

transmisión de energía, sino como lubricante, sellante, y medio de transferencia

térmica.

El fluido también debe maximizar la potencia y eficiencia minimizando el desgaste

y la rotura del equipo. Pero las necesidades específicas de los sistemas

hidráulicos difieren.

Algunos requieren un fluido con mayor estabilidad térmica y a la oxidación, unos

necesitan mayor protección antidesgaste, algunos requieren estabilidad adicional

en el lubricante en ambientes de temperaturas extremas.

2.1.3.1.8 Motor.

Existe en el mercado una gran variedad de motores que pueden ser utilizados

como fuentes de potencia en los sistemas hidráulicos. Entre estos se puede

anotar:

• Motores eléctricos.

• Motores neumáticos.

• Motores de combustión.

• Motores de gas.

Pero de todos estos, el motor eléctrico de corriente continua o el de corriente

alterna con variación de frecuencia son los que tienen las mejores características

tanto técnicas como económicas.

28

2.1.3.1.8.1 Montaje Motor-Bomba.

En la Figura 2.9 se muestran disposiciones del montaje del grupo motor-bomba.

Figura 2.9: Formas de montaje del conjunto motor – bomba.

2.1.3.1.9 Botonera.

La botonera es un dispositivo de control eléctrico el cual sirve para direccionar el

movimiento de la mesa móvil de compactación en forma descendente y

ascendente. También presenta un sistema de “Auto-Stop” para detener la

operación en caso de emergencia.

2.1.3.2 Sistema Neumático

La energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un

movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos, en movimiento de

giro.

29

Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo (cilindros neumáticos). A

menudo, la generación de un movimiento rectilíneo con elementos mecánicos

combinados con accionamientos eléctricos supone un gasto considerable.

2.1.3.2.1 Constitución de los Cilindros Neumáticos.

El cilindro de émbolo se compone de: tubo, tapa posterior (fondo) y tapa anterior

con cojinete (manguito doble de copa), vástago, casquillo de cojinete y aro

rascador; además, de piezas de unión y juntas. El tubo cilindro se fabrica en la

mayoría de los casos de tubo de acero embutido sin costura. Para prolongar la

duración de las juntas, la superficie interior del tubo debe someterse a un

mecanizado de precisión (bruñido).

Para las tapas posterior fondo y anterior se emplea preferentemente material de

fundición (de aluminio o maleable). La fijación de ambas tapas en el tubo puede

realizarse mediante tirantes, roscas o bridas.

El vástago se fabrica preferentemente de acero bonificado. Este acero contiene

un determinado porcentaje de cromo que lo protege de la corrosión. A deseo el

émbolo se somete a un tratamiento de temple. Su superficie se comprime en un

proceso de rodad entre discos planos. La profundidad de asperezas del vástago

es de 1 mm. En general las roscas se laminan al objeto de prevenir el riesgo de

roturas.

En el caso de cilindros hidráulicos debe emplearse un vástago cromado (con

cromo duro) o templado.

Para normalizar el vástago se monta en la tapa anterior un collarín obturador. De

la guía de vástago se hace cargo un casquillo de cojinete, que puede ser de

bronce sinterizado o un casquillo metálico con revestimiento de plástico.

30

2.1.3.2.2 Cilindros Neumáticos de Simple Efecto.

Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar

trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de

traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una

fuerza externa.

En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita

la carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm.

Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar,

otros.

• Cilindro de émbolo:

a. Aplicación: frenos de camiones y trenes.

b. Ventajas: frenado instantáneo en cuanto falla la energía.

2.1.3.2.3 Cilindros Neumáticos de Doble Efecto.

La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble

efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de

una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno.

Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el

émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En

principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta

el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en este caso,

sirven de empaquetadura los labios y émbolo de las membranas.

31

CAPÍTULO 3.

3 PREFACTIBILIDAD.

3.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

El Proyecto de Titulación contempla el diseño de una máquina compactadora de

chatarra de aluminio para la Industria en el Ecuador. En la actualidad hay un gran

porcentaje de empresas que se encargan de reunir mucha materia como es el

aluminio para luego venderla a las empresas grandes que se desarrollan en el

país, pero este negocio es más rentable si se adiciona un proceso extra que es

para beneficio de la compañía que va a vender el aluminio.

Éste proceso consiste en compactar la chatarra de aluminio materia, ya que al ser

compactada la materia, se facilita el traslado de una gran cantidad de material en

un menor volumen, de esta manera se reducen los costos del transporte y se

obtiene mayores ingresos en este negocio haciéndolo más rentable.

3.2 FORMULACIÓN Y SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA.

Los costos por el envió de materia prima (aluminio) son muy elevados debido que

al no compactar la materia, ésta se abulta, ocupando un mayor volumen y con ello

se necesita realizar una inversión elevada e innecesaria en el contrato del

trasporte.

En el presente capítulo se realiza un estudio de mercado dentro del cual se

elabora una encuesta con el fin de obtener información sobre los parámetros que

intervienen en el diseño de la compactadora de chatarra de aluminio.

32

3.3 ESTUDIO DEL MERCADO.

3.3.1 RESULTADOS DE LA ENCUESTA.

Para el presente diseño de la compactadora de chatarra de aluminio se realiza

una encuesta (ver Anexo 1) la cual está dirigida a empresas para determinar los

distintos factores que intervienen en el diseño de compactadora, donde los

objetivos y resultados de cada pregunta se detallan a continuación.

• Pregunto No 1.

¿Conoce de alguna empresa que brinde el servicio de la entrega de aluminio

reciclado y comprimido?

SI

Nombre

No

Objetivo.

Determinar si las empresas que requieren de chatarra de aluminio como materia

prima conocen de algún tipo de empresa que se dedique al reciclaje y

compactación de chatarra de aluminio o si poseen su propia planta reciclaje y

compactación.

Resultados.

Figura 3 .

Fuente: Propia.


Conclusión

Existe un 67% de las empresas que utilizan chatarra de aluminio como materia

prima que conocen de empresas encargadas de la entrega de chatarra reciclada y

compactada y que además no poseen su propia

rentable este proyecto, ya que estas empresas se disponen a obtener una

máquina para la compactación de chatarra de aluminio.

• Pregunta No 2.

¿Conoce el proceso de compactación de chatarra de Aluminio?

Si

No

no

33%

.1: Resultados de la pregunta No 1.



compactada y que además no poseen su propia planta de reciclaje lo que hace


máquina para la compactación de chatarra de aluminio.

¿Conoce el proceso de compactación de chatarra de Aluminio?

si

67%

no

33%

si

no

33



planta de reciclaje lo que hace


Objetivo.

Determinar si las empresas consumidoras de este tipo de materia prima conocen

del proceso que se realiza para la compactación de la chatarra de aluminio.

Resultados.

Figura 3 .

Fuente: Propia.


Conclusión

La mayor parte de las empresas específicamente un 60% de las mismas, no

conocen el proceso que se realiza para la obtención de una paca compactada de

chatarra de aluminio, esto se debe a

su propia planta de reciclaje y la materia prima se compra a otras empresas

encargadas del reciclaje.

no

60%






chatarra de aluminio, esto se debe a que la mayoría de las empresas no poseen


si

40%

60% si

no

34





que la mayoría de las empresas no poseen


• Pregunta No 3.

¿Con qué tipo de materiales trabaja su empresa?

Acero

Aluminio

Cobre

Otros

Objetivo.

Conocer el tipo de material que utilizan las empresas para sus procesos,

determinar cuál es utilizado en mayor proporción.

Resultados.

Figura 3 .

Fuente: Propia.


Cu

13%

¿Con qué tipo de materiales trabaja su empresa?


determinar cuál es utilizado en mayor proporción.


Acero

27%

Al

53%

Cu

13%

Otros

7%

Acero

Al

Cu

Otros

35


36

Conclusión

Un 55% de las empresas utilizan como materia prima el aluminio siendo este el

material más utilizado para distintas aplicaciones que son solicitadas por los

consumidores finales.

El segundo material más utilizado en un 27% es el acero entre todas las

empresas a las que se realiza la encuesta.

• Pregunta No 4.

¿De cuál de estas fuentes proviene su materia prima?

Mineral

Chatarra Suelta

Chatarra Compactada

Lingotes

Objetivo.

Determinar la forma en que llega a las empresas el material a ser utilizado para

los distintos procesos de producción y así determinar si una compactadora de

chatarra es de gran utilidad para facilitar el transporte de la materia prima.

Resultados.

Figura 3 .

Fuente: Propia.


Conclusión.

Como resultado de la encuesta se observa que hay un gran porcentaje de

empresas que compra la materia prima como chatarra suelta, lo cual implica

mayores gastos en transportación.

• Pregunta No 5.

¿Qué dimensiones poseen las pacas de chatarra de aluminio

su empresa?

Pacas de 250 x 200 x 300 mm.

Pacas de 330 x 230 x 500 mm.

Pacas de 300 x 300 x 1000 mm.

Chatarra compactada

13%

Lingotes

33%




mayores gastos en transportación.

¿Qué dimensiones poseen las pacas de chatarra de aluminio con las que trabaja

Pacas de 250 x 200 x 300 mm.

Pacas de 330 x 230 x 500 mm.

Pacas de 300 x 300 x 1000 mm.

Chatarra suelta

54%

Chatarra compactada

Lingotes Chatarra suelta

Chatarra

compactada

Lingotes

37



con las que trabaja

Objetivo.

Conocer los requerimientos de las empresas consumidoras de chatarra de

aluminio en cuanto a dimensionas de las pacas de chatarra compactada, con lo

cual se determina las dimensiones de la cámara de compactación de la máquina

compactadora de chatarra de alu

Resultados.

Figura 3 .

Fuente: Propia.


Conclusión.

El 53% de las empresas donde se realiza la encuesta se inclinan por pacas con

dimensiones de 1000x300x300 mm, debido a que se obtiene una gran cantidad

de material en un volumen reducido lo que facilita su transporte.

53%

Conocer lo

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