ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

ESCUELA DE FORMACION TECNOLOGICA

CONSTRUCCIN DE UNA PRENSA HIDRULICA MANUAL PARA EL MONTAJE Y DESMONTAJE DE RODAMIENTOS RGIDOS DE BOLAS CON DIMETRO INTERIOR DESDE 20mm HASTA 30mm.

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE TECNLOGO EN PROCESOS DE PRODUCIN MECNICA

SHUGUL PAREDES CRISTHIAN JAVIER

DIRECTOR: Ing. VICENTE TOAPANTA

Quito, 1 de Junio 2006.

II

DECLARACIN

Yo, Shugul Paredes Cristhian Javier, declaro bajo juramento que el trabajo aqu descrito es de mi autora; que no ha sido previamente presentada por ningn grado o calificacin profesional; y que he consultado las referencias bibliogrficas que se incluyen en este documento.

A travs de la presente declaracin cedo mis derechos de propiedad, intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politcnica Nacional, segn lo establecido por la ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por normativa institucional vigente.

_________________________

Shugul Paredes C. Javier

III

CERTIFICACIN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por el Sr. Shugul Paredes Cristhian Javier, bajo mi supervisin.

________________________

Ing. Vicente Toapanta DIRECTOR DE PROYECTO

IV

AGRADECIMIENTOS

A DIOS por permitirme vivir estos momentos de tanta dicha y alegra.

A mis queridos padres por estar siempre junto a m, por sus consejos, su apoyo, y sobretodo por su incondicional amor.

A mi hermana Gladis, mi cuado Jos, y mi sobrinito Eric, por su cario.

A mis amigos de toda la vida los JB por los momentos inolvidables.

A mis grandiosos compaeros los FACH que me apoyaron a seguir adelante.

A mis profesores por sus enseanzas, y consejos.

Al Ing. Vicente Toapanta por su confianza, y direccin para el desarrollo del presente proyecto.

A la carrera ms extraordinaria PROCESOS DE PRODUCCIN MECNICA por formarme como profesional.

V

DEDICATORIA

A Oswaldo Shugul y Silvia Paredes mis queridos padres. A Gladis, Jos, y Eric, mi familia.

A Pal y Mauricio mis hermanos. A mis amigos y compaeros.

VI

CONTENIDO

SIMBOLOGA................ GLOSARIO. RESUMEN.. PRESENTACIN...........

CAPTULO I ESTUDIO INTRODUCTORIO

1.1 GENERALIDADES... 1.2 TIPOS DE MONTAJE

1.2.1 MONTAJE MECNICO 1.2.2 MONTAJE POR INDUCCIN DE CALOR. 1.2.3 MONTAJE BAJO PRESIN O HIDRULICO. 1.3 LA PRENSA...

1.3.1 RESEA HISTRICA.. 1.3.1.1 Prensa de Balancn..

1.3.1.2 Prensa Hidrulica

1.3.1.3 Prensa de Friccin...

1.3.1.4 Prensa de Excntrica

1.4 CLASIFICACIN DE LAS PRENSAS 1.4.1 PRENSAS MECNICAS... 1.4.2 PRENSAS HIDRULICAS

CAPTULO I FUNDAMENTOS TERICOS

2.1 ESTRUCTURAS METLICAS.... 2.1.1 TIPOS DE ESTRUCTURAS...

X

XII

XIV

XVI

1

3 5 6 8

9 10 11

12

13 14

14

15 16

19 20

VII

2.1.1.1 Estructura Isosttica

2.1.1.2 Estructura Hiposttica.

2.1.1.3 Estructura Hiperesttica

2.1.2 APOYOS.

2.1.3 VIGAS.

2.1.2.1 Vigas de Alma Llena

2.1.2.2 Vigas en Celosa..

2.2 ETAPAS DEL DISEO ESTRUCTURAL 2.2.1 ETAPA DE ESTRUCTURACIN... 2.2.2 ESTIMACIN DE LAS SOLICITACIONES O ACCIONES... 2.2.3 ANLISIS ESTRUCTURAL.. 2.2.3.1 Idealizacin de la Estructura..

2.2.3.2 Determinacin de las Acciones de Diseo...

2.2.3.3 Dimensionamiento..

2.3 CLCULO ESTRUCTURAL 2.3.1 PIEZAS SOMETIDAS A FLEXIN 2.3.1.1 Clculo de Vigas.

2.3.2 PIEZAS SIMPLES SOLICITADAS A COMPRESIN AXIAL 2.3.2.1 Carga Crtica..

2.4 TORNILLERA.. 2.4.1 CLASES DE TORNILLOS.

2.4.1.1 Tornillos Ordinarios.

2.4.1.2 Tornillos Calibrados.

2.4.1.3 Tornillos de Alta Resistencia.

2.4.2 CLCULO DE TORNILLOS A CORTADURA 2.4.2.1 Dimetro del Tornillo...

2.4.2.2 Carga Mxima Resistente a la Rotura.

2.4.2.3 Clculo del Nmero de Tornillos.......

20 21

21

22

23 23 23 25 25 25 26 26 27

27

27

28 30

32 34 36 37

37 38 38 39 39 39 40

VIII

2.4.3 DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS DE TORNILLOS...

2.4.3.1 Clculo de la Distancia entre Agujeros 2.4.3.2 Distancia entre Centros de agujeros y Bordes de las chapas 2.5 RESORTES................. 2.5.1 RESORTES DE EXTENSIN..................................................... 2.5.2 CLCULO DE RESORTES CON SECCIN CIRCULAR.. 2.6 SISTEMAS HIDRULICOS. 2.6.1 COMPONENTES BSICOS... 2.6.2 BOMBAS HIDRULICAS. 2.6.2.1 Seleccin de una Bomba Hidrulica...

2.6.3 CILINDROS O BOTELLAS...

2.6.3.1 Tipos de Cilindros Hidrulicos..

2.6.3.2 Seleccin de un Cilindro Hidrulico...

2.6.4 LAS VLVULAS.. 2.6.5 ACUMULADORES HIDRULICOS... 2.6.6 FILTROS HIDRULICOS. 2.6.7 TUBERAS... 2.7 PRESIN.... 2.7.1 FUERZA PARA EL MONTAJE DEL RODAMIENTO...

CAPTULO III DIMENSIONAMIENTO

3.1 SELECCIN DEL TIPO DE SISTEMA HIDRULICO.. 3.1.1 ALTERNATIVA N 1: CONJUNTO BOMBA Y CILINDRO..

3.1.1.1 Ventajas. 3.1.1.2 Desventajas 3.1.2 ALTERNATIVA N 2: GATO HIDRULICO TIPO BOTELLA.. 3.1.2.1 Ventajas.

40 41

41

41

42

43 44

44

45 47

47

48

49 50 51 52 52 53 54

56 57 58 58 58 59

IX

3.1.2.2 Desventajas 3.1.3 SELECCIN DE LA ALTERNATIVA. 3.1.4 ADECUACIONES DEL GATO HIDRULICO. 3.1.4.1 Ajuste de Posicin... 3.1.4.2 Instalacin del Manmetro

3.2 ESQUEMA GENERAL DE LA PRENSA HIDRULICA... 3.2.1 DETERMINACIN DE FUERZAS Y REACCIONES 3.2.1.1 Cargas en la Platina de Montaje y Desmontaje 3.2.1.1.1 Diseo de la Platina..

3.2.1.2 Cargas en la Mesa de Prensado..

3.2.1.2.1 Diseo de la Viga..

3.2.1.3 Cargas en el Pasador

3.2.1.3.1 Diseo del Pasador...

3.2.1.4 Cargas en la Tapa Superior...

3.2.1.4.1 Diseo de la Tapa Superior

3.2.1.5 Cargas en la Columna..

3.2.1.5.1 Diseo de la Columna...

3.2.1.6 Seleccin de los Tornillos para la Tapa Superior...

3.2.1.7 Seleccin del Resorte para el Retorno del mbolo 3.3 HOJAS DE PROCESOS. 3.4 PLANOS DE CONSTRUCCIN... 3.5 SISTEMA DE PRUEBAS DE LA MQUINA.

CAPTULO IV GUA PARA EL MONTAJE Y DESMONTAJE

4.1 MONTAJE RODAMIENTO-EJE.. 4.1.1 HOJAS DE TRABAJO ESTANDARIZADO (HTE-1).

59 59 60 60 61 63 65 65 66 68 68 71

71

73 73 76 77

79 80 82 82

82

84 85

X

4.2 MONTAJE EJE-RODAMIENTO.. 4.2.1 HOJAS DE TRABAJO ESTANDARIZADO (HTE-2). 4.3 DESMONTAJE DEL RODAMIENTO.. 4.3.1 HOJAS DE TRABAJO ESTANDARIZADO (HTE-3).

CAPTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 CONCLUSIONES.. 5.2 RESOMENDACIONES.

BIBLIOGRAFA...

ANEXOS

DAOS EN LOS RODAMIENTOS

MTODOS DE MONTAJE Y DESMONTAJE SEGN EL TIPO DE RODAMIENTOS

TABLA COMPLEMENTARIAS PARA EL ESTUDIO DE PIEZAS SOMETIDAS A FLEXIN, Y PANDEO

TABLAS PARA TORNILLOS ORDINARIOS, CALIBRADOS, Y DE ALTA RESISTENCIA

CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS

GRFICOS DEL CORTANTE Y MOMENTO FLECTOR DE LOS COMPONENTES SOMETIDOS A FLEXIN

HOJAS DE PROCESOS DE LOS COMPONENTES DE LA PRENSA HIDRULICA

PLANOS DE CONSTRUCCIN

92 93

100 101

104 105

107

ANEXO 1

ANEXO 2

ANEXO 3

ANEXO 4

ANEXO 5

ANEXO 6

ANEXO 7

ANEXO 8

XI

NDICE DE CUADROS Y TABLAS Cuadro 1.1 Tipos de Montaje......... Cuadro 1.2 Tipos de Prensas..................

Cuadro 2.1 Producto Laminado..

Tabla 2.1 Valores mximos de la relacin Flecha-Luz.........

Tabla 2.2 Valores del coeficiente ..

Tabla 2.3 Valores y aplicacin para n y ..

Tabla 2.4 Relacin entre las unidades de presin

Tabla 2.5 Factor de fuerza..

Tabla 3.1 Rgimen de pruebas para la Prensa Hidrulica.

SIMBOLOGA SMBOLO SIGNIFICADO

L Longitud Cmx Cortante mxima Mmx Momento flector mximo W Momento resistente

Tensin de trabajo f Flecha, flexin lK Longitud de pandeo Pki Carga de pandeo i Radio de giro, valor de interferencia A rea, anexo Esbeltez mecnica R Resistencia lmite prctica (limite de fluencia)

4

15

24

29 32 35 54 55

82

XII

Im Momento de inercia n Factor de seguridad T Tornillo Ordinario TC Tornillo calibrado TR Tornillo de alta resistencia d Dimetro, dimetro del hilo de seccin redonda e Espesor Pmx Carga mxima resistente a la rotura K Coeficiente adimensional m Nmero de secciones F Seccin resistente del tornillo

t, Sy Limite de fluencia

Nc Nmero de tornillos N* Cortante (carga) P Carga Rc Tensin de trabajo admisible G Mdulo de elasticidad transversal r Radio del centro de gravedad Kg Kilogramo fuerza Psi Libra fuerza por pulgada cuadrada F Fuerza de montaje del rodamiento D Dimetro de la pieza a oprimir Pf Factor de fuerza sup. Dimetro superior inf. Dimetro inferior Pf sup. Factor de fuerza superior HTE Hoja de trabajo estandarizado

XIII

GLOSARIO

Acciones o Cargas: Es una fuerza que causa un efecto sobre un cuerpo, provocando que este experimente cambios de posicin, o forma.

Alineamiento: Colocar en forma paralela dos o ms objetos.

Casquillo: Anillo o abrazadera de metal, que sirve para reforzad el extremo de una pieza.

Celosa: Enrejado de pequeos listones de madera o de hierro, que se pone en las ventanas de los edificios.

Columna: Soporte vertical de gran altura respecto a su seccin transversal.

mbolo: Pieza que se mueve alternativamente en el interior de un cuerpo de bomba o del cilindro de una mquina para enrarecer o comprimir un fluido o recibir de l movimiento.

Empotramiento: sujetar algo en la pared o en el suelo, generalmente asegurndolo con concreto, o tornillos.

Flecha: Longitud que se deforma un elemento por la accin de una carga, medida desde su eje neutro

Flexin: Encorvamiento transitorio que experimenta un slido por la accin de una fuerza que lo deforma elsticamente.

Induccin: Accin de un campo magntico sobre un conductor por el que circula corriente elctrica.

Indentacin: Introducir un objeto en una superficie lisa y dura (sinnimo de incrustar).

XIV

Micra: Unidad de longitud, submltiplo del metro ( 1 = m10 6 ).

Placa de obturacin: Elementos plsticos que se colocan entre el anillo interior y exterior de los rodamientos para proteger los elementos rodantes, y mantener en buen estado el lubricante.

Pandeo: Flexin de una viga, provocada por una compresin lateral.

Perfil: Barra metlica obtenida por laminacin, forja, estampacin o estirado cuya seccin transversal tiene diversas formas, tales como simples, dobles, cuadradas, redondas, rectangulares, triangulares, etc.

Potencia: Energa que absorbe o sede un dispositivo en la unida de tiempo.

Viga: barras que estn sometidas a fuerzas o momentos situados en un plano que contiene a su eje longitudinal.

XV

RESUMEN

El presente proyecto se realiz con la finalidad de tecnificar cada vez ms los procesos de trabajo en los pequeos talleres de la ciudad (Quito), en donde se realizan operaciones de montaje y desmontaje de rodamientos rgidos de bolas a travs de un mtodo no tan confiable como es el mecnico.

Para esto basados en el mtodo Hidrulico, el segundo ms recomendado por los fabricantes de rodamientos para evitar posibles daos que se dan por un mal ensamblaje, se construy una prensa hidrulica manual de 12 Tm cuyo diseo se trata en el captulo III, dispositivos de montaje y desmontaje, y adems se implant en el proceso una ecuacin que permite calcular la presin de trabajo que se requiere, para instalar piezas de forma circular en funcin del ajuste de interferencia con que cuente.

XVI

PRESENTACIN

La exigencia de productos y servicios de alta calidad a bajo precio, son factores muy importantes para ser competitivos en el mercado, es por esto que en hoy en da es indispensable que los propietarios de las industrias se preocupen por el ente ms importante dentro de la misma que es el trabajador, proporcionndole una capacitacin continua para hacer de ellos un personal calificado, y maquinaria junto con otros implementos que faciliten la vida del operario dentro de las empresas.

El problema es que en el Ecuador, la gran mayora de mquinas en las que se incluyen las prensas hidrulicas y sus accesorios, son importadas por lo cual sus precios son considerablemente altos, siendo este el principal motivo para que los pequeos empresarios de nuestro pas, no implanten tecnologa en sus lugares de trabajo que les permita realizar sus actividades de manera ms sencilla, segura, y garantizada.

El presente proyecto pretende a travs de la investigacin y aplicacin de los conocimientos adquiridos a lo largo de la Carrera de PORCESOS DE PRODUCCIN MECNICA, disear y construir una prensa hidrulica junto con otros dispositivos, que permitan el montaje y desmontaje de rodamientos en forma segura, garantizada, y que tenga una un bajo costo de adquisicin.

_________________________

1 www.nachi-fujikoshi.co.jp/

1

CAPTULO I ESTUDIO INTRODUCTORIO

1.1 GENERALIDADES

En el Ecuador tenemos la presencia de una gran cantidad de pequeos talleres mecnicos automotrices e industriales, sitios en los que las actividades ms comunes que se realizan son el mantenimiento y la reparacin; principalmente de automviles, equipos de construccin, mquinas herramientas, motores, maquinaria pesada y equipos grandes, en los cuales es comn el uso de rodamientos rgidos de bolas, elementos que por su continuo funcionamiento y las condiciones de trabajo a las que son expuestos, sufren dao y desgastes.

Para el mantenimiento, los rodamientos defectuosos son retirados del mecanismo y luego se instalan los repuestos, para lo cual es necesaria una determinada presin que depende del tipo de ajuste con el que deben ser acoplados.

Los rodamientos tienen que ser tratados con sumo cuidado antes y durante el acoplamiento, de esto depender su correcto desempeo, y el tiempo de vida til del mismo, ya que son elementos mecnicos de precisin, y las partes que lo conforman como los aros, exterior e interior, y los elementos rodantes estn construidos con una calidad superficial medida en unidades de 1/1,000 mm (1 micra) 1. Ver fig. 1.1

Fig. 1.1 Partes del rodamiento Rgido de bolas.

2

En la actualidad las pequeas microempresas optan por realizar esta clase de trabajos de mantenimiento o reparacin, mediante mtodos nada tcnicos, que ponen en riesgo la integridad fsica del trabajador y que ocasionan alrededor del 16% de todos los fallos prematuros en los rodamientos durante su acoplamiento, segn la SKF.

Estos son causados por montajes deficientes o inadecuados, normalmente por el uso de un incorrecto casquillo de impacto, un defectuoso proceso de trabajo que casi nunca cuenta con una secuencia lgica de operaciones, y la falta de cumplimento a las recomendaciones del fabricante que se fundamentan en tres bsicamente:

Suciedad.- El factor ms importante que hay que considerar al trabajar con rodamientos es la limpieza del entorno de trabajo.

Cualquier partcula de suciedad o arenilla, por pequea que sea, puede daar los componentes internos del rodamiento y acortar su vida til, lo que a su vez puede causar costosos daos por mal funcionamiento, y afectar a otras partes que comprendan el sistema.

Herramientas adecuadas.- El segundo factor ms importante que hay que considerar es el tipo de herramienta que se utiliza para montar y desmontar los rodamientos.

La adquisicin de las herramientas adecuadas puede ser una de las mejores inversiones que el taller pueda hacer, ya que dichas herramientas le permitirn hacer el trabajo mejor y ms rpido.

Procedimientos de montaje.- El tercer factor por orden de importancia consiste en seguir un procedimiento de montaje adecuado, apoyndose para esto en los manuales de taller del fabricante.

3

En la gran mayora de los talleres, no se toman en cuenta ninguna de las tres recomendaciones mencionadas anteriormente, en general estas operaciones se ejecutan mediante el mtodo Mecnico ya que el costo en herramental es muy bajo e incluso a veces son fabricados en los mismos talleres, olvidando que las instalaciones pueden requerir mtodos mecnicos hidrulicos y/o de induccin de calor para el correcto montaje o desmontaje, lo que hace ver a estas operaciones como no confiables y que adems pueden ser las causantes de diferentes tipos de daos, (Ver Anexo 1)

1.2 TIPOS DE MONTAJE

En el cuadro 1.1 estn representadas 17 formas o mtodos para el montaje y desmontaje de rodamientos, estos se han ido perfeccionando con el transcurso del tiempo mediante el desarrollo tecnolgico realizado por los fabricantes de estos elementos en base las necesidades de los clientes. Los objetivos son: reducir daos prematuros que acorten la vida til del rodamiento debido a un incorrecto montaje, mejorar continuamente la ergonoma del proceso, y permitir la realizacin de estas operaciones en un corto tiempo.

Dentro de las diferentes alternativas para el trabajo de montaje y desmontaje de rodamientos, sobresalen tres que son las ms comnmente empleadas en la mayora de talleres mecnicos, las mismas que son:

Montaje Mecnico (martillo y casquillo de impacto), Montaje por induccin de calor (placa de calentamiento, aparato inductivo

de calentamiento y bao de aceite), y Montaje hidrulico o de presin (prensa hidrulica).

Este ltimo es usado en un 75 % para el montaje sin calentamiento previo, y en un 80 % para el desmontaje sin calentamiento, en distintos tipos de rodamientos. (Ver anexo 2.)

4

Cuadro 1.1 Tipos de Montaje

TIPOS DE MONTAJE Aparato de induccin de calor Placa de calentamiento

Armario de aire caliente Dispositivo inductivo

Bao de aceite Martillo y casquillo de montaje

Anillo de calentamiento Llave de doble gancho

Prensas hidrulicas y mecnicas Llave de vaso

Tuerca y llave de gancho Sobre el eje

Tuerca y tornillos de montaje Martillo y punzn

Tuerca hidrulica Procedimiento hidrulico

Dispositivo de desmontaje

_________________________

1 www.ntnmexico.com.mx/pages/spa

5

1.2.1 MONTAJE MECNICO

Este mtodo consiste en aplicar una fuerza a un casquillo de impacto a travs de un martillo de goma (Fig. 1.2), al parecer es una labor sencilla y rpida, pero no hay que olvidar que los rodamientos son muy susceptibles a cargas de impacto y choque, debido a que para darles una mayor resistencia al desgaste son templados lo que los hace frgiles, asimismo soportan la carga en un rea de contacto muy pequea, localizada entre los elementos rodantes y las superficies de las pistas del anillo interior y exterior. Si se aplica una carga excesiva o de impacto a esta pequea rea de contacto, se producirn indentaciones y/o marcas que provocan niveles de ruido, vibraciones y una rotacin inapropiada 1.

Fig.1.2 Montaje del rodamiento en un eje

Adems este mtodo no transmite la fuerza de montaje en forma efectiva al aro del rodamiento con ajuste de interferencia, producindose errores de alineamiento y ocasionando de esta manera daos en los caminos de rodadura. Ver (Fig. 1.3).

Fig. 1.3 Daos en los caminos de rodadura

rea de contacto

Casquillo de

impacto

_________________________

1 www.nachi-fujikoshi.co.jp/

6

1.2.2 MONTAJE POR INDUCCIN DE CALOR.-

Es llamado tambin montaje por dilatacin o trmico, consiste en aumentar la temperatura del rodamiento para hacer que su tamao sobrepase la interferencia entre el eje y el aro interior. Es muy importante no aumentar la temperatura del rodamiento ms de lo necesario, no sobrepasar los 120C, ya que esto reducira la dureza del rodamiento y acortara su vida til. Despus del calentamiento, el montaje debe ser inmediato dndole ligeras vueltas al cojinete para evitar atascamientos, o juego entre el aro interior y el lomo del eje 1.

Los atascamientos se producen por la falta de calentamiento y por una insercin en forma inclinada respecto al plano de asentamiento; en estos casos el montaje se siente tenso y se recomienda extraer inmediatamente el rodamiento para volver a ser calentado antes de montarlo en el eje nuevamente. (Ver fig. 1.4-a)

El juego entre el aro interior y el lomo del eje se produce cuando el rodamiento se enfra despus de haberlo montado (ver fig. 1.4-b), este se contrae en el sentido del eje desarrollando dicho juego, un mtodo para evitar el juego es reapretar la tuerca del eje mientras el rodamiento est todava caliente.

Fig. 1.4-a Fig. 1.4-b

7

Hoy en da se cuenta con placas de calentamiento elctrico (Fig. 1.5-a), y aparatos induccin de calor (Fig. 1.5-b); sistemas que administran un calentamiento uniforme, cuentan con un control de temperatura, y dispositivos de desmagnetizacin en el caso de los aparatos de induccin. Adems son aparatos muy tiles, permiten realizar trabajos garantizados y de calidad, el proceso es rpido, limpio, y especialmente adecuado para el montaje en serie, permite ahorro de esfuerzo de trabajo, y es adecuado para rodamientos y otras piezas anulares de acero.

Fig. 1.5- a Fig. 1.5-b

Estas caractersticas hacen que esta clase de equipo sea de alto costo adquisitivo, funcional y de mantenimiento, sin dejar de lado que el trabajar con altas temperaturas representa un riesgo para el operador, por lo que se requiere contar con equipo de seguridad industrial especial siendo esto un costo adicional.

Por este motivo en los pequeos talleres con el afn de realizar una menor inversin de capital, usan mtodos alternativos como: el bao de calentamiento con aceite para mquinas o de transmisin de buena calidad, y el calentamiento del rodamiento con las llamas directas de un soplete (suelda autgena). En el primer caso, no puede ser usado para rodamientos con placas de obturacin, y en el segundo no es posible mantener un calentamiento uniforme y menos aun controlar la temperatura.

8

1.2.3 MONTAJE BAJO PRESIN O HIDRULICO

El principio bsico en el que se apoya el mtodo Hidrulico para su realizacin es el mismo con que cuenta el mtodo mecnico, es decir utiliza un casquillo de impacto llamado en este caso copa de presin, la cual transmite la fuerza de montaje sobre la periferia entera del anillo (interior o exterior) que cuente con el ajuste de interferencia, el eje (fig. 1.6-a) el alojamiento (fig.1.6-b) en el que se ha de insertar el rodamiento se apoya sobre una plataforma. La diferencia se da en la fuerza aplicada, sta es proporcionada por un sistema hidrulico que esta sujeto en una estructura metlica (prensa hidrulica), lo cual permite transferir una carga uniforme y segura, evitando que el rodamiento sufra daos que se provocan cuando se emplean cargas de impacto y choque.

Fig. 1.6 Montaje hidrulico: a) en eje, b) en alojamiento

Presenta ventajas como: proceso rpido, apto para trabajo en serie, requiere un mnimo esfuerzo de trabajo, en caso ser un sistema hidrulico manual este no requiere ningn tipo de energa elctrica, evita en un alto grado que se produzcan desviaciones del rodamiento durante el montaje, y es una operacin de fcil realizacin la cual prev la seguridad del trabajador ayudando a que ste no sufra golpes o quemaduras como se puede suscitar en los procedimientos citados antes, adems este mtodo es muy verstil y puede ser empleado para montar diferentes tipos de piezas de forma anular.

a) b)

_________________________

1 www.campus.fortunecity.com/duquesne/623/home/prensa/prensa.htm

9

La mquina empleada como es la prensa hidrulica manual, no solo proporciona una gran eficiencia en el proceso de montaje y desmontaje de rodamientos, tambin puede ser usada para procesos de conformado mecnico en fro como: extrusin, doblado, embuticin, punzonado, y enderezado, que son algunas de las actividades que se presentan en los pequeos talleres, es decir es una herramienta muy prctica y necesaria.

1.3 LA PRENSA

La prensa es una mquina herramienta que pertenece al grupo de aparatos de movimiento rectilneo alternativo, tiene como finalidad lograr la deformacin permanente o incluso cortar un determinado material mediante la aplicacin de una carga. Son conocidas desde la antigedad, empleadas prcticamente en todas las industrias, y utilizadas para actuar sobre muy distintos materiales ya sea en fro o en caliente, en cualquier operacin que se requiera una fuerte presin, por ejemplo: embalar, forjar, estampar, extruir, laminar, estirar, etc. 1

Consiste de un bastidor que sostiene una bancada y un ariete, una fuente de potencia, y un mecanismo para mover el ariete linealmente y en ngulos rectos con relacin a la bancada, como se observa en la figura 1.7.

Fig. 1.7 Esquema bsico de una prensa.

Ariete

Bastidor

Fuente de Potencia

Bancada

E.P.N

_________________________

1 www.campus.fortunecity.com/duquesne/623/home/prensa/prensa.htm

2 www.metalunivers.com/Tecnica/Hemeroteca/ArticuloCompleto.asp

10

Estas mquinas tienen capacidad para la produccin rpida, puesto que el tiempo de operacin es solamente el que necesita para una carrera del ariete, ms el tiempo necesario para alimentar el material, hay prensas que pueden producir 600 piezas por minuto o ms.

Por consiguiente se pueden conservar bajos costos de produccin, esto la hace una mquina especial para los mtodos de elaboracin en masa y es empleada cada da en mayor nmero sustituyendo a otras mquinas, y sistemas de fabricacin (fundicin), como lo evidencia su amplia aplicacin en la manufactura de piezas para automviles, en donde es notable observar el trabajo de una prensa de gran tamao que de un solo golpe produce el techo de un automvil cuya forma puede ser no tan sencilla y que sale de la prensa sin un araazo o

falla. 1

Otros campos de aplicacin para ste tipo de mquina es la industria de: aviones, artculos de ferretera, juguetes y utensilios de cocina, ya que con una buena operacin y calidad de las prensas, se pueden obtener productos de mucha homogeneidad, con diferencias de acabado entre unas y otras piezas de 0.002" y aun menos, lo cual es una buena tolerancia hasta para piezas maquinadas.

1.3.1 RESEA HISTRICA 2

Para llegar al estado actual de la tecnologa del prensado ha sido necesario aplicar, combinar y desarrollar tcnicas muy diversas, fundamentos tericos muy distantes y aportaciones individuales muy numerosas.

Esto ha hecho que el proceso evolutivo experimentado por la prensa, una de las mquinas ms populares de todos los tiempos, sea tan amplio y complejo que resulta muy difcil sintetizarlo en un breve artculo, por lo que a continuacin se indica algunos de los hitos ms relevantes, ocurridos en el transcurso de los ltimos cinco siglos.

11

1.3.1.1 Prensa de Balancn

Diseada hacia 1500 por Leonardo da Vinci, se generaliza para el acuado de monedas a partir del modelo de Briot en 1616 y mantiene su vigencia, con ligeras modificaciones durante ms de tres siglos.

La utilizacin de pequeas prensas de balancn se inicia en el siglo XIV y, de hecho, se conoce diseos de Leonardo da Vinci realizados en torno al ao 1500 una de las principales mquinas para la fabricacin de monedas, sin embargo, la puesta en prctica definitiva de la prensa de balancn se atribuye convencionalmente al grabador francs Nicols Briot (1579-1646) cuyo modelo se puede observar en la figura 1.8-a.

Su uso se difunde en toda Europa a partir de 1645, y con pequeas variaciones desarrolladas durante el siglo XIX mantiene su vigencia hasta bien entrado el siglo XX. Una muestra de esto es la sencilla prensa-cortador de doble brazo que aparece en el catlogo de Alfred Schtte de 1913, tan parecida a la de Briot, a pesar de los casi trescientos aos que las separan. (Ver fig. 1.8-b)

Fig.1.8-a Fig. 1.8-b

12

1.3.1.2 Prensa Hidrulica

Fue inventada por el industrial ingls Joseph Bramah (1749-1814) en torno al ao 1770, es una aplicacin directa del principio, del fsico y matemtico francs Blaise Pascal (1623-1662), quin realiz un experimento que sent las bases del futuro desarrollo de la hidrosttica. Pascal comprob que cuando se aplica una presin a un lquido encerrado y esttico, dicha presin es uniformemente transmitida a todas las partculas del fluido y con ello a las paredes del recipiente contenedor. En base a ello, formul el principio que lleva su nombre en el famoso Tratado del Equilibrio de los Lquidos: La presin ejercida sobre un lquido confinado y en reposo se transmite integralmente a todos los puntos de este

Consiste en esencia, en dos cilindros de diferente seccin comunicados entre s, y cuyo interior est completamente lleno de un lquido que puede ser agua o aceite. Dos mbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros (Fig. 1.9), de modo que estn en contacto con el lquido. La fuerza que acta en la superficie del mbolo menor se transmite a travs del fluido hacia el otro mbolo, dando lugar a una fuerza mayor que la primera.

Fig. 1.9 Esquema de la primera prensa hidrulica de Bramah (1770).

Esta primera prensa hidrulica consegua presiones relativamente pequeas y no era utilizable para la deformacin de metales. Fueron los hermanos Perier quienes, algunos aos ms tarde, desarrollaron la mquina de Bramah

13

permitiendo alcanzar presiones ms altas (sobre 70 kg/cm2), hacindola apta para trabajos ms duros, como el acuado de monedas o la deformacin de plomo. Sin embargo, la aplicacin de la prensa hidrulica para el trabajo del hierro no se produce hasta mediados del siglo XIX, especialmente tras la aparicin del modelo desarrollado por el austriaco Haswell, de mucho mayor tamao y capacidad de presin.

1.3.1.3 Prensa de Friccin

A partir de un prototipo del francs Chret, de 1867, la Fbrica de la Moneda de Pars puso en marcha las primeras prensas de este tipo, cuyo principio de funcionamiento se ha mantenido hasta nuestros das.

A principios del siglo XX la prensa de friccin adquiri un notable desarrollo, especialmente en su aplicacin para el estampado de objetos macizos como cucharas, tenedores, escudos, medallas, monedas o incluso para el doblado piezas de chapa.

En la figura 1.10 podemos observar un modelo de prensa de friccin de la primera dcada de siglo cuyo husillo, de acero, con rosca de tres hilos, se desplaza por una larga tuerca de bronce. Este modelo se suministraba en distintos tamaos, variando el dimetro del husillo desde 45 hasta 170 mm. El volante tiene un recubrimiento de cuero destinado a reducir el desgaste.

Fig. 1.10 Prensa de friccin para estampar de principios del siglo XX.

14

1.3.1.4 Prensas de Excntrica

La bsqueda de un mayor rendimiento para la fabricacin en serie de piezas de chapa dio lugar a la prensa de excntrica, cuya comercializacin inici la empresa americana Bliss & Williams hacia 1870, estas primeras prensas mecnicas de excntrica, eran aptas para el punzonado de agujeros de tres cuartos de pulgada con un espesor de media pulgada.

Estaban diseadas para trabajar a 100 rpm, y se mostraban en distintas variantes, frontales, de cuello de cisne, de arcada, se generaliz con enorme rapidez, mejorndose progresivamente su capacidad y rendimiento, y hacindose imprescindible para trabajos de estampacin, forja y pequeas embuticiones, una muestra de estas mquinas se lo puede ver en la figura 1.11.

Fig. 1.11 Prensa excntrica para embutir por estirado.

1.4 CLASIFICACIN DE LAS PRENSAS

Su amplsima variedad permite numerosos sistemas de clasificacin, esta puede estar en relacin a la fuente de energa, ya sea operada manualmente o con potencia, por el tipo de ariete, la forma del bastidor, etc., como se indican en el cuadro 1.2, en el cual constan una variedad de estos tipos de mquinas.

_________________________

1www.rincondelvago.com/tipos-de-prensas-y-su-clasificacion.html

15

Cuadro 1.2 Tipos de Prensas 1.

MOTIVO TIPOS

. Manual . Vapor, gas, neumtica

. Potencia . Hidrulica FUENTE DE ENERGIA (EL

ACCIONAMIENTO) . Mecnica

. Vertical de simple efecto . En cuatro correderas ARIETE (ELEMENTOS ACTIVOS)

. Vertical de doble efecto . De configuracin especial

. De banco . De costados rectos

. Inclinable . Yunque

. De escote . Columna DISEO DEL BASTIDOR

. De puente

. Manivela . Junta articulada

. Leva . Hidrulica

. Excntrica . Palanca acodillada

. Tornillo de potencia . Neumtica

METODOS DE APLICACIN DE POTENCIA AL ARIETE

. Cremallera y pin

. Doblado . Acuado

. Punzonado . De transferencia

. Extruido . Roedora

. Empalmado . Estirado

. Enderezado . Revlver

PROPSITO DE LA PRENSA

. Forzado . Forja

Debido a la amplia diversidad de tipos de prensas es que, por lo general se las divide en dos grandes grupos: Prensas Mecnicas, y Prensas Hidrulicas.

1.4.1 PRENSAS MECNICAS

Las prensas mecnicas son generalmente mquinas rpidas, de bajo costo, y fciles de mantener, pueden ser operadas manualmente, en el caso ms elemental, y con motor en la mayora de los casos, consta de siete tipos principales:

_________________________

1 HABICHT, F. H.; Mquinas Herramientas Modernas; Editorial Continental S.A.; Mxico; 1963

2 www.fludica.sa.com

16

Inclinable de fondo abierto, de bastidor en C, articulada, de montantes rectos (de accin sencilla, doble, triple), de transmisin por fondo, y de gran velocidad 1. En todos estos tipos, de prensas operadas con motor el funcionamiento est basado en el siguiente principio: el movimiento giratorio de un motor se convierte en movimiento lineal de una corredera por medio de cigeales, excntricas, o mecanismos articulados, ver ejemplo fig. 1.12

Fig. 1.12 Prensa de Excntrica para perforar

1.4.2 PRENSAS HIDRULICAS

Durante los ltimos aos, ha habido un crecimiento en el uso de prensas hidrulicas, lo que ha dejado de lado la preferencia que se mantuvo por muchos aos en el empleo de la prensa mecnica. Esto se debe a que en la actualidad las prensas hidrulicas son mquinas ms rpidas y ms confiables, debido al mejoramiento de la tecnologa que estas han experimentado, incluyendo: los nuevos sellos, mejores bombas, las mangueras reforzadas y los acoplamientos mejorados 2 .

19

Tambin el uso de controles PLC (Control Lgico Programable) y otros controles electrnicos ha mejorado la velocidad y la flexibilidad de estas prensas en el proceso de fabricacin, lo que las ha convertido en las preferidas en la manufactura mundial (Ver fig. 1.13), ya que las mquinas hidrulicas renen las ventajas de las prensas mecnicas, es decir alta velocidad de trabajo y autonoma.

Fig. 1.13 Prensa Hidrulica de doble pistn, de 1000 tn.

Se diferencian fundamentalmente de las prensas mecnicas en que se utiliza presin hidrulica por medio de uno o ms pistones y cilindros para proporcionar el movimiento deslizante lineal, el cual empuja o comprime el material en tanto que las prensas mecnicas lo golpean. Esta caracterstica es la causa de las inherentes ventajas y desventajas de operacin que definen en forma aguda los tipos de trabajos apropiados para las prensas hidrulicas.

Siendo no tan rpidas en funcionamiento, stas no se presentan para el trabajo general del troquelado cuando la velocidad de produccin es el principal objetivo. Sin embargo, y debido a que muestran ventajas tales como: carrera lenta y controlada, habilidad para ejercer toda su presin en cualquier punto a lo largo de

19

la carrera, proporcionar un ajuste infinito de nmero de golpes y longitud de carrera, etc., la hace una herramienta indispensable para operaciones de extrusin y embuticin profunda.

Adems son fciles de cambiar los herramentales para seguir con un nuevo trabajo. Se cuenta especialmente cuando tiene que ver con el ajuste de la carrera de una prensa mecnica, porque la prensa hidrulica puede mantener la fuerza mxima por lo largo de toda la carrera, as es que no se tiene que preocupar del punto de mxima fuerza, por ltimo cave decir que son mquinas, ms compactas, menos ruidosas, ms seguras, el costo de mantenimiento es menor, presentan mayor flexibilidad y versatilidad, y proporcionan una mayor capacidad a menor costo.

19

CAPTULO I FUNDAMENTOS TERICOS

2.1 ESTRUCTURAS METLICAS

Se tiene presente que una estructura metlica es un conjunto de eslabones (cuerpos rgidos) y articulaciones ligadas entre s que no transmiten movimiento. Forman un conjunto estable capaz de recibir cargas externas, resistirlas internamente y transmitirlas a sus apoyos, donde esas fuerzas externas

encontrarn su sistema esttico equilibrante 1. Ver fig. 2.1.

eslabn (viga)

articulacin (apoyo)

100 kg

Fig. 2.1 Esquema de Estructura metlica.

Son la parte primordial y a la vez la ms grande de las mquinas, tiene como objetivo sostener todos los elementos que componen el sistema, de manera que la mquina en funcionamiento no ponga en riesgo la vida humana. Las piezas que la componen poseen evidentemente tres dimensiones, pero en general pueden ocurrir dos casos:

Dos dimensiones, son pequeas con relacin a la tercera: le llamaremos barra y estar representada por su eje (lugar geomtrico del centro de gravedad de su seccin transversal), por ejemplo: barras horizontales (vigas), barras verticales (columnas). Ver fig. 2.2-a y 2.2-b

Una dimensin, es pequea con relacin a las otras dos. Es el caso de losas o placas cuyo espesor es pequeo respecto a su superficie. Ver fig. 2.2-c.

20

losa

viga

colum na

Fig. 2.2-a Fig. 2.2-b Fig. 2.2-c

2.1.1 TIPOS DE ESTRUCTURAS

Existen tres tipos diferentes de estructuras metlicas, cada una con diferentes caractersticas respecto a su estabilidad. Se clasifican en base a una relacin entre el nmero de incgnitas y las ecuaciones de esttica aplicables:

2.1.1.1 Estructura Isosttica

Ocurre cuando el nmero de incgnitas (reacciones) es igual al nmero de ecuaciones de esttica aplicables, produciendo una situacin de equilibrio estable, ante cualquier deformacin impuesta a la estructura, sta tiende a volver a su situacin inicial. Fig. 2.3

P

P

Fig. 2.3 Condicin isosttica.

___________________________

1 http://lorenzoasuservicio.50megs.com/facu/modulo1/modulo1.htm#bolita

2 LEN de la BARRA, A; Apuntes de Anlisis Estructural; Espaa; 1997

21

2.1.1.2 Estructura Hiposttica

Este tipo de estructuras se originan cuando el nmero de apoyos es inferior a lo necesario para impedir los movimientos posibles de la estructura, es decir se cuenta con ms ecuaciones que incgnitas. Puede ocurrir una situacin de carga para la cual se consigue equilibrio, pero se tratara de equilibrio inestable, pues cualquier deformacin impuesta a la estructura tender a seguir hasta su ruina, por lo que las estructuras hipostticas son inadmisibles para las construcciones 1. Ver Fig. 2.4

P

Fig. 2.4 Estructura hiposttica

2.1.1.3 Estructura Hiperesttica

Con el fin de conseguir un ahorro en cuanto a costo o simplemente por la naturaleza del material empleado, la mayora de estructuras son hiperestticas, es decir, no se pueden resolver solamente con las ecuaciones de la esttica; el nmero de apoyos es superior a lo necesario para impedir todos los movimientos posibles de la estructura, haciendo que cuente con un equilibrio estable. En este caso el nmero de ecuaciones es inferior al nmero de incgnitas, produciendo un sistema indeterminado (Fig. 2.5), por lo tanto se requiere de todos los conocimientos de esttica y adicionalmente de las propiedades de los elementos estructurales tales como mdulo de elasticidad, momento de inercia y rea de las

secciones transversales 2 .

22

WP

Fig. 2.5 Estructura hiperesttica.

2.1.2 APOYOS

Una estructura plana posee tres grados de libertad, dos de traslacin y una de rotacin; la traslacin puede expresarse por sus dos componentes segn ejes ortogonales, y la rotacin alrededor de un eje perpendicular al plano que contiene a las fuerzas.

Estos grados de libertad deben ser restringidos para evitar toda tendencia al movimiento de la estructura y lograr su equilibrio. Esta restriccin est dada por los apoyos, ya que provocan reacciones en la direccin contraria a la de los movimientos, formando este conjunto de cargas y reacciones, un sistema de fuerzas en equilibrio.

Apoyo de primer gnero: impide el movimiento en la direccin perpendicular al plano de apoyo. (Fig. 2.6-a)

Apoyo de segundo gnero o articulacin: impide traslaciones en cualquier direccin, permitiendo slo rotaciones. (Fig. 2.6-b)

Apoyo de tercer gnero o empotramiento: este tipo de apoyo impide todo tipo de movimiento de la estructura. (Fig. 2.6-c).

M

RH

VR

Fig. 2.6-a Fig. 2.6-b Fig. 2.6-c

___________________________

1 ESPINOSA, D.; Resistencia de Materiales Mecnicos; EPN-ESFOT; Quito; 2004.

23

2.1.3 VIGAS

Las vigas al igual que las columnas son barras que estn sometidas a fuerzas o momentos situados en un plano que contiene a su eje longitudinal 1; estas al interactuar con el elemento pueden producir efectos tales como: compresin, corte, traccin, torsin, y flexin. Estos efectos provocan en la viga, o en la columna deformaciones parciales, totales, y en casos extremos la rotura.

2.1.2.1 Vigas de Alma Llena

La fig. 2.7 muestra las vigas de alma llena, son llamadas as debido a que dicha parte no esta aligerada, son usadas para luces y cargas moderadas, y se emplean en gran parte por motivos econmicos. Dentro de este tipo de vigas tenemos: Los perfiles laminados sencillos (Ver cuadro 2.1), y las vigas armadas (chapas soldadas).

Fig. 2.7 Vigas de alma llena

2.1.2.2 Vigas en Celosa

Este tipo de vigas cuentan con el alma aligerada, son usadas para luces y cargas superiores a las tratadas anteriormente, y de igual forma, por economa del material se utilizan las vigas de celosa en lugar de las armadas aunque su ejecucin requiera una mayor mano de obra. Ver fig. 2.8

Fig. 2.8 Vigas en celosa

Alma

Perfil laminado

Chapa soldada

24

Cuadro 2.1 Producto laminado

PRODUCTO LAMINADO ESQUEMA

PERFILES IPN o DOBLE T

PERFILES IPE

PERFILES HE

PERFILES UPN

PEFILES ANGULARES

PERFILES EN T

REDONDO

CUADRADO

RECTANGULAR

___________________________

1 www.monografas.com/trabajos6/dies/dies.shtml

25

2.2 ETAPAS DEL DISEO ESTRUCTURAL

Es el Proceso creativo mediante el cual se da forma a un sistema estructural para que cumpla una funcin determinada con un grado de seguridad razonable, y que en condiciones normales de servicio tenga un comportamiento adecuado. Es importante considerar ciertas restricciones que surgen de la interaccin con otros aspectos del proyecto global como son; las limitaciones en cuanto al costo, el tiempo de ejecucin, y la satisfaccin de determinadas exigencias estticas 1.

La solucin al problema de diseo no puede obtenerse mediante un proceso matemtico rgido, donde se aplique rutinariamente un determinado conjunto de reglas y formulas, esto es un proceso en el cual el proyecto necesita atravesar por ciertas etapas.

2.2.1 ETAPA DE ESTRUCTURACIN

Es quizs la etapa ms importante del diseo estructural pues, la optimizacin del resultado final del diseo depende de gran medida del acierto que se haya obtenido en adoptar la estructura ms adecuada para una edificacin especfica.

En esta etapa de estructuracin se seleccionan los materiales que van a constituir la estructura, se define el sistema estructural principal, el arreglo y dimensiones preliminares de los elementos estructurales ms comunes. El objetivo debe ser el de adoptar la solucin ptima dentro de un conjunto de posibles opciones de estructuracin.

2.2.2 ESTIMACIN DE LAS SOLICITACIONES O ACCIONES

En esta etapa del proyecto, se identifican las acciones que se considera van a incidir o que tienen posibilidad de actuar sobre el sistema estructural durante su vida til. Dichas acciones, atendiendo a los conceptos de seguridad estructural y de los criterios de diseo, son clasificadas en base a la variacin de su intensidad con el tiempo. Se distinguen as los siguientes tipos:

___________________________

1 www.monografas.com/trabajos6/dies/dies.shtml

26

Acciones permanentes, son las que actan en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad pude considerarse que no vara con el tiempo. Las principales a tomar en cuenta son: las cargas muertas, las deformaciones y los desplazamientos debido al esfuerzo.

Acciones variables, son aquellas que inciden sobre la estructura con una intensidad variable con el tiempo, pero que alcanzan valores importantes durante lapsos grandes. Se pueden considerar las siguientes: cargas vivas, cambios de temperaturas y cambios volumtricos.

2.2.3 ANLISIS ESTRUCTURAL

Es el procedimiento que lleva a determinar la respuesta o reaccin del sistema estructural ante la solicitacin de las acciones externas que puedan incidir sobre l, produciendo algn efecto.

La respuesta de una estructura o de un elemento es su comportamiento bajo una accin determinada; est en funcin de sus propias caractersticas, se expresa en base a deformaciones, agrietamiento, vibraciones, esfuerzos, reacciones, etc., y es evaluada modelando las acciones como fuerzas concentradas, lineales, o uniformemente distribuidas. Si la accin es de carcter dinmico se puede proponer un sistema de fuerzas equivalentes.

2.2.3.1 Idealizacin de la Estructura 1

Consiste en seleccionar un modelo terico y analtico factible de ser analizado con los procedimientos de clculo disponible. La seleccin del modelo analtico de la estructura puede estar integrada de las siguientes partes:

Modelo geomtrico. Esquema que representa las principales caractersticas geomtricas de la estructura.

Modelo de las condiciones de continuidad en las fronteras. Debe establecerse como cada elemento esta conectado a sus adyacentes y cuales son las condiciones de apoyo de la estructura.

__________________________

1 ESPINOSA, D.; Resistencia de Materiales Mecnicos; EPN-ESFOT; Quito; 2004.

27

Modelo del comportamiento de los materiales. Debe suponerse una relacin accin respuesta, o esfuerzo - deformacin del material del que se compone la estructura.

Modelo de las acciones impuestas. Las acciones que afectan la estructura para una condicin dada de funcionamiento se representan por fuerzas o deformaciones impuestas.

2.2.3.2 Determinar las Acciones de Diseo

En muchas situaciones las cargas y otras acciones que introducen esfuerzos en la estructura estn definidas por los reglamentos de las construcciones y es obligacin del proyectista sujetarse a ellos, adems determina la respuesta de las acciones de diseo en el modelo elegido para la estructura.

2.2.3.3 Dimensionamiento

En esta etapa se define a detalle la estructura y se revisa si se cumple con los requisitos de seguridad adoptados.

2.3 CLCULO ESTRUCTURAL

Podra ser considerado como el punto ms esencial dentro de la etapa del anlisis estructural razn por la cual se ha decidido tratarlo como un tema independiente.

Es muy importante se haga nfasis en la realizacin de un ptimo clculo en todo proyecto de estructuras metlicas, ya que es la parte del diseo que tiene la finalidad de hallar las dimensiones adecuadas de los elementos que las constituyen, relacionando de la mejor forma la resistencia del elemento con las cargas externas que se le apliquen.

Existen varios mtodos de clculo que determinan los efectos producidos sobre vigas, y columnas, los ms frecuentemente utilizados son: doble integracin, viga conjugada, rea de momento, y mtodo de la energa elstica 1.

__________________________

1 VILORIA, JOSE R.; Prontuario de Mecnica Industrial Aplicada; Editorial Thomson; Espaa.

28

Actualmente tambin se cuenta con programas computacionales como el SAP 2000, VIGAS, etc., sin embargo es un requisito importante el propio juicio o criterio del diseador pues los resultados calculados slo proporcionan la base para adoptar las decisiones finales.

2.3.1 PIEZAS SOMETIDAS A FLEXIN 1

Un material trabaja a flexin cuando soporta cargas perpendiculares al eje que dan origen a esfuerzos internos de flexin y cortantes en la barra, y adems tambin hace que sta fleje en sentido perpendicular a su eje longitudinal.

La deformacin de una viga se suele expresar en funcin de la flecha desde la posicin no deformada. Se mide desde la superficie neutra de viga deformada hasta la posicin de original de dicha superficie. En el ejemplo representado en la figura 2.9 se observa que, por efecto de una carga P, la viga ha flexado (f):

En la flexin se han de distinguir tres hechos importantes, a saber:

La parte inferior (a) sufre una compresin de sus molculas. La parte exterior (b) sufre un alargamiento de sus molculas. La lnea del eje (xx), parte central o fibra neutra, no sufre deformacin.

b

h

b

f

l

x x'

a P

Fig. 2.9 Viga deformada

__________________________

1 ESPINOSA, D.; Resistencia de Materiales Mecnicos; EPN-ESFOT; Quito; 2004.

2 3 NORMA NBE EA-95; Estructuras de Acero en Edificacin; Espaa; 1995.

29

Las condiciones de diseo de las vigas frecuentemente imponen limitaciones sobre las deflexiones, lo mismo que sobre los esfuerzos. Por esto adems del clculo de los esfuerzos es importante determinar las flechas, por ejemplo el cdigo AISC, indica que a flecha mxima no debe exceder de 1/300 de la longitud de la viga 1, en cambio otras normas presentan el factor de divisin en funcin de la longitud y el tipo de trabajo que realice la viga como muestra la tabla 2.1.

Tabla 2.1 Valores mximos de la relacin flecha-luz 2 .

LIMITACIONES DE LAS FLECHAS DE LAS VIGAS

Vigas o viguetas de cubierta L / 250

Vigas de hasta 5 m de luz y viguetas de forjado que no soporten muros de fbrica L / 300

Vigas de mas de 5 m de luz; que no soporten muros de fbrica L / 400

Vigas y viguetas de forjado; que soporten muros de fbrica L / 500 Mnsulas con la flecha medida en el extremo libre L / 300

Cualquier otro elemento (a menos que se justifique debidamente) L / 500

Para que una pieza sometida a flexin pueda considerarse correctamente calculada, y por tanto pueda ser empleada, es preciso que esta cumpla con las

siguientes condiciones, las cuales se refieren a: 3

Estado tensional: tensiones combinadas inferiores a la tensin admisible.

Estado de deformacin: flechas que no alcancen un lmite preestablecido.

Estabilidad: comprobacin de posibles fenmenos de pandeo lateral, local y abollamiento del alma.

En el caso particular de la estabilidad, no son necesarias las comprobaciones de pandeo local del ala, ni de abolladura del alma, cuando se trata de secciones laminadas.

30

2.3.1.1 Clculo de Vigas

1) Diagrama de cuerpo libre; es el primer paso a seguir en el anlisis de cualquier tipo de viga, consiste en representar grficamente las condiciones y tipos de carga a la que esta sometido el cuerpo. (Ver fig. 2.10)

L

L/2

R BR A

R A y R B: reaccin de los apoyos

P: carga aplicada

Fig. 2.10

2) Cortante Mximo (Cmx); consiste en calcular la fuerza cortante mxima que soporta la viga en un determinado punto, debido a la carga aplicada sobre ella. El resultado hallado es usado en forma de valor absoluto. ( tabla A3.1 y A3.2)

3) Momento Flector Mximo (Mmx); es el tercer paso en el anlisis; al igual que en el cortante mximo se debe obtener el ms alto valor que se produce en la viga debido a las cargas aplicadas, y el resultado es usado en valor absoluto. (ver tabla A3.3, A3.4)

4) Momento Resistente (W); es la relacin entre el momento flector mximo y el lmite de fluencia del material a usar, pero cuando se desconoce alguno de estos valores y si el eje del cuerpo pasa por su centro de gravedad se puede emplear para el clculo las ecuaciones de la tabla A3.5. En el caso del perfil UPN el resultado obtenido es una gua para seleccionar el W ms conveniente de los datos que se muestran en la tabla A3.6

__________________________

1 NORMA NBE EA-95; Estructuras de Acero en Edificacin; Espaa; 1995

31

5) Tensin de Trabajo (); es el esfuerzo mximo de trabajo al cual esta sujeto el elemento, producto de la carga aplicada. Este valor debe ser menor o igual al lmite de fluencia del material que esta hecho el cuerpo. Ecuacin 2.1

xx'

mx

WM

= Ecuacin 2.1

6) La Flecha ( f ) 1; es la deformacin que sufre la viga a causa de las cargas que se le aplican; cuando esta se halla en el centro de la distancia comprendida entre los apoyos de una viga de alma llena, de seccin constante y constituida por un perfil simtrico de canto h y luz L ; puede calcularse

mediante la ecuacin 2.2

(cm)

)2(m2)2(Kg/mm(mm)

hL

f Ecuacin 2.2

: Tensin de trabajo. : Coeficiente que depende del tipo de apoyo de la viga y del tipo de carga.

(Ver tabla 2.2). h: Espesor del cuerpo.

Para casos de vigas las cuales sus diagramas no coincidan con los mostrados en la tabla 2.2, el clculo de la flecha se lo realiza mediante el mtodo de doble integracin, los cuales dan como resultado distintas ecuaciones que dependen del sistema de fuerzas que se aplique en determinado tipo de viga, como se muestra en las tablas A3.7, y A3.8.

__________________________

1 NORMA NBE EA-95; Estructuras de Acero en Edificacin; Espaa; 1995

32

Tabla 2.2 Valores del coeficiente 1

Clases de sustentacin y tipo de carga

1,000

0,800

0,300

0,250

0,340

0,400

2,380

1,930

2,650

3,180

0,415

0,448

2.3.2 PIEZAS SIMPLES SOLICITADAS A COMPRESIN AXIAL

Una pieza larga montada en posicin vertical (columnas, postes, etc.) y sometida a compresin est expuesta a pandeo, que es una deformacin en forma de curva que se produce en la pieza sobre su eje longitudinal.

La longitud de pandeo o zona curvada (lk) de una pieza larga sometida a compresin depender del tipo de anclaje o apoyo que tenga en sus extremos. Se pueden dar cuatro casos de pandeo, tal como se representa en la figura 2.11.

_________________________

2 www.infomecanica.com/estructuras.htm

33

4321

F

F

l

F

F

F

FF

F

lk=0.

5 (l)

lk=0.

7 (l)

llk=ll

lk=2l

l

Fig. 2.11 Piezas sometidas a pandeo

(1) Cuando un extremo est libre el otro empotrado: lk=2l (2) Cuando los dos extremos estn articulados: lk=l (3) Cuando un extremo est fijo y el otro articulado: lk= 0.7*l (4) Cuando los dos extremos estn fijos: lk= 0.5*l

Mientras la carga permanezca por debajo de un determinado valor Pki que es la carga exterior crtica, la barra conserva su forma recta siendo su equilibrio estable. Incrementando P hasta alcanzar dicho valor, adems de la posibilidad del estado de equilibrio con la forma recta de la pieza aparecen otros posibles estados de equilibrio; en los que la forma se convierte en curva con desplazamientos infinitesimales de sus diversos puntos. (Ver fig. 2.12)

Para nuevos incrementos de la carga P, los desplazamientos se hacen finitos y la pieza prismtica se encuentra sometida a flexin compuesta debido al descentramiento de la carga P, con relacin a la directriz de la barra cuyo valor mximo ser L/2y*P ; al alcanzar la carga exterior el valor crtico que de lugar al

cambio de forma, la pieza prismtica se comporta como si se produjese una prdida repentina de la capacidad de resistencia hasta el punto que se sobreviene la ruptura bajo tensiones de compresin, que no solo son inferiores a los lmites de rotura, sino a aquellas correspondientes a los lmites de fluencia y

proporcionalidad 2 .

34

Fig. 2.12 Accin de cargas axiales sobre una columna

2.3.2.1 Carga Crtica

Euler determin la carga crtica de rotura Pki para una pieza que axialmente comprimida satisface las siguientes condiciones:

La pieza es biarticulada, de seccin transversal constante e I constante.

El mdulo de elasticidad E permanece constante hasta la rotura.

El eje de la pieza es matemticamente recto. La carga externa P acta exactamente en el eje. Los recorridos de los puntos del eje de la pieza son muy pequeos.

1) Carga de pandeo kiP (Euler).

2K

m2ki l

IEP = Ecuacin 2.3

Im: Momento de inercia de la seccin A: Seccin lK: Longitud de pandeo

x

L 2Ly

xy

P

P

< KiPP La barra conserva la forma recta y su equilibrio es estable.

= KiPP Tenemos un equilibrio inestable, aparecen una serie de posibles estados de equilibrio.

> KiPP Tendremos flexiones compuestas, para pequeos incrementos de P; podemos ver grandes

__________________________

1 VILORIA, JOSE R.; Prontuario de Mecnica Industrial Aplicada; Editorial Thomson; Espaa.

35

2) Radio de giro ( i ), este depende de la forma de la seccin y no del material.

AIi m= Ecuacin 2.4

3) Esbeltez mecnica ( ), se produce en piezas sometidas a compresin, y es consecuencia del pandeo, se calcula a travs de la relacin entre la longitud de pandeo y el radio de giro mnimo de la seccin.

il

K

= Ecuacin 2.5

Si el valor de es que el dado en la tabla 2.3, el clculo de la carga crtica a soportar por la columna o pilar se har en funcin de la frmula de Euler. Si es menor que el valor dado en la tabla se aplicar la frmula de Rankine para calcular la carga de pandeo (Ecuacin 2.6).

m2

2Ki

I*A*L1

A*RP+

= Ecuacin 2.6

Tabla 2.3 Valores de coeficiente de seguridad segn la esbeltez ()1

Aceros Fundicin Madera Hormign Coeficiente

de seguridad 4 a 5 8 10 8 a 10

100 60 70 140

R: Resistencia lmite prctica, trabajando a compresin. A: Seccin lK: Longitud de pandeo : Valor de la esbeltez mecnica. Im: Momento de inercia de la seccin

Im: Momento de inercia de la seccin A: Seccin

36

4) Tensin de Trabajo (), es el mximo esfuerzo al que esta sometido la columna, y debe ser menor o igual al lmite de fluencia del material. Para cargas centradas usar ecuacin 2.7

Aw*P

Ki

= Ecuacin 2.7

5) Coeficiente de Seguridad (n), es la relacin entre el lmite de fluencia del material y la tensin de trabajo. Por lo general se encuentra entre 1 y 2

Sn

y= Ecuacin 2.8

6) Carga Real (PR), es el valor real de carga que puede soportar la columna, es la relacin entre la carga crtica y el coeficiente de seguridad. Se calcula a travs de la ecuacin:

n

PP KiR = Ecuacin 2.9

2.4 TORNILLERA

La tortillera tiene gran importancia en la fijacin de mquinas y elementos de las mismas, pertenece al grupo de uniones desmontables, y son juntas muy seguras y de fcil mantenimiento. En cada estructura los tornillos sern de dos o tres dimetros distintos, y bien diferenciados

El tornillo consiste en un vstago de dimetro d, longitud l, y una cabeza que en el caso de las estructuras metlicas es casi siempre de forma hexagonal (Ver fig. 2.13-a). Se introduce en los taladros de la chapa a enlazar; teniendo en el extremo saliente del vstago una zona roscada que en la mayora de casos es de tipo mtrica, en la cual se colocan una arandela y una tuerca que al ir roscndose consigna el apriete de las chapas unidas. (Ver fig. 2.13-b)

W: Coeficiente de pandeo (tabla A3.9)

37

TORNILLO

b)

l

d

a)

ARANDELA TUERCA

Fig. 2.13 Partes de una junta atornillada.

2.4.1 CLASES DE TORNILLOS

La clasificacin de los tornillos se da en base a las caractersticas mecnicas del acero que los constituyen; los tornillos a tratar en este proyecto son de tres clases:

Clase T: Tornillos ordinarios, Clase TC: Tornillos calibrados, y Clase TR: Tornillos de alta resistencia

2.4.1.1 Tornillos Ordinarios

Los tornillos ordinarios tienen la forma representada en la figura 2.14, son empleados con producto de acero de los tipos A37 y A42. Se designan con: La sigla T, el dimetro de la caa, la longitud l del vstago, el tipo de acero y la referencia a la norma; estos dos ltimos datos pueden suprimirse cuando sean innecesarios. Ejemplo: T 16 x 80, A4t, NBE EA-95.

Fig. 2.14 Tornillo ordinario.

38

2.4.1.2 Tornillos Calibrados

Los tornillos calibrados tienen la forma representada en la figura 2.15, son empleados con producto de acero de los tipos A37, A42, y A52. Se designan con: La sigla TC, el dimetro de la caa, la longitud l del vstago, el tipo de acero y la referencia a la norma; estos dos ltimos datos pueden suprimirse cuando sean innecesarios.

Ejemplo: TC 12 x 55, A5t, NBE EA-95.

Fig. 2.15 Tornillo calibrado.

2.4.1.2 Tornillos de Alta Resistencia

Los tornillos calibrados tienen la forma representada en la figura 2.16, son empleados con aceros de cualquier tipo. Se designan con: La sigla TR, el dimetro de la caa, la longitud l del vstago, el tipo de acero y la referencia a la norma; estos dos ltimos datos pueden suprimirse cuando sean innecesarios.

Ejemplo: TR 20 x 55, A10t, NBE EA-95.

Fig. 2.16 Tornillo de alta resistencia.

_________________________

1 www.infomecanica.com/estructuras.htm

39

2.4.2 CLCULO DE TORNILLOS A CORTADURA

Un pieza esta sometida a efectos de corte cuando fuerzas exteriores tienden a fragmentarlo, en este caso diremos cuando las chapas unidas tratan de deslizar una con respecto a la otra, produciendo un esfuerzo de corte en el vstago 1.

Generalmente se originan dos casos: de simple cortadura (Fig. 2.17), y de doble cortadura (Fig. 2.18), para realizar el clculo se tomar la seccin resistente, resultante del vstago.

Fig. 2.17 Simple cortadura. Fig. 2.18 Doble cortadura.

2.4.2.1 Dimetro del Tornillo

Se recomienda aplicar para la eleccin del del tornillo la ecuacin 2.10, el espesor (e) para el clculo ser el promedio de las chapas a unir. El anexo A4.1 y A4.2 se emplearn para la designacin de la longitud.

0.2e 5d (cm)x (cm) = Ecuacin 2.10

2.4.2.2 Carga Mxima Resistente a la Rotura

La solicitacin o carga de agotamiento de un tornillo a cortadura, en la seccin del vstago definida por la posicin de contacto entre chapas, se la calcula haciendo uso de la ecuacin 2.11.

F m K P x x txmx = Ecuacin 2.11

_________________________

1 www.infomecanica.com/estructuras.htm - 30k -

40

4d F

2x

= Ecuacin 2.12

2.4.2.3 Clculo del Nmero de Tornillos

El nmero de tornillos Nc, debe absorber la carga que resulta del cortante N* por un factor de seguridad (n) que por lo general est entre 1.1 y 2. (Ver ecuac. 2.13).

mx

x c

Pn *NN = Ecuacin 2.13

2.4.3 DISPOSICIONES CONSTRUCTIVAS DE TORNILLOS 1

Segn la figura 2.19, tenemos para la disposicin constructiva las siguientes medidas y tolerancias.

a del tornillo. t1 distancia desde el centro del tornillo hasta el borde frontal. t2 distancia desde el centro del tornillo hasta borde lateral. S distancia entre centro de agujeros

Fig. 2.19 Disposicin constructiva.

Pmax: carga mxima resistente a la rotura K: Coeficiente adimensional (0.65 para tornillos ordinarios y 0.8 en calibrados) m: numero de secciones transversales (1 para cortadura simple y 2 para doble) F: Seccin resistente del tornillo (ecuacin 2.12) t: Lmite de fluencia (Ver tabla A4.3)

a

t2

t1 s s s t1

41

2.4.3.1 Clculo de la Distancia entre Agujeros

Cuando se conozca como dato el espesor (e) mnimo de la chapa, tendremos

valores mnimos para s: as *5.3 Si conocemos el dimetro del tornillo, tendremos el valor mximo para s en

todos los casos, entonces: a8s y e15s .

2.4.3.2 Distancias entre Centros de agujeros y Bordes de las chapas

Los valores mnimos al borde frontal t1 a2 y

Al borde lateral t2 a5.1 .

Valor mximo a cualquier borde a3t , o e6t .

La suma de los espesores de las piezas unidas ser menor o igual que d5.4 para tornillos ordinarios; no hay limitacin para tornillos de alta resistencia.

2.5 RESORTES

Los resortes son componentes mecnicos que se caracterizan por absorber deformaciones considerables bajo la accin de una fuerza exterior, volviendo a recuperar su forma inicial cuando cesa la accin de la misma, es decir, presentan una gran elasticidad. Los resortes se disean para dar una fuerza que puede ser de empuje, puede tirar, e incluso torcer. Ver figura 2.20

a) b) c)

Fig. 2.20 Tipos de fuerza que da un resorte. a) Empuje, b) traccin, y c) torsin.

42

Para su fabricacin se emplean aceros de gran elasticidad (acero al carbono, acero al silicio, acero al cromo-vanadio, acero al cromo-silicio, etc.), aunque para algunas aplicaciones especiales pueden utilizarse el cobre endurecido y el latn.

Los resortes se utilizan con gran frecuencia en los mecanismos para asegurar el contacto entre dos piezas, acelerar movimientos que necesitan gran rapidez, limitar los efectos de choques y vibraciones, etc.

2.5.1 RESORTES DE EXTENSIN

Este tipo de resortes son similares a los resortes helicoidales a compresin, pero a diferencia de ellos, los resortes de extensin estn diseados para absorber y acumular energa, mediante la creacin de resistencia a una fuerza de traccin. Adems la forma estndar de los extremos de esta clase de resorte se forman doblando la ltima espira a 90 en relacin con el cuerpo, tal y como se muestra en la figura 2.21, y el material ms comnmente usado para su fabricacin es le alambre redondo, ya que es ms adaptable al herramental de enrollado estndar.

Fig. 2.21 Resorte de traccin.

En un resorte de extensin, todas las espiras son activas, y la tensin inicial es lo que las mantiene firmemente apretadas, por lo que el paso de las espiras es igual al dimetro del hilo. Cabe tener en cuenta que por lo general los ganchos estn ms esforzados que las espiras y por consiguiente fallan primero

43

2.5.2 CALCULO DE RESORTES CON SECCIN CIRCULAR

Para este tipo de resortes es necesario aplicar tres ecuaciones bsicas, para realizar una correcta seleccin en cuanto a las dimensiones del resorte se refiere. (Ver figura 2.22)

(n= nmero de espiras)

d

r

D

L

P P

Fig. 2.22 Resorte de seccin redonda.

1) Carga (P): capacidad de carga del resorte. (Ec. 2.14)

r*16R*d*P c

3

= Ecuacin 2.14

2) Flexin (f): es la deformacin experimenta el resorte bajo la accin de la carga P. (Ec. 2.15)

4

3

d*Gr*P*n*64f = Ecuacin 2.15

3) Dimetro del hilo de seccin redonda (d): (ver ecuacin 2.16)

3cR*r*P*16d = Ecuacin 2.16

Rc: Tensin de trabajo admisible (6000 a 8000 Kg/cm 2 acero templado) G: mdulo de elasticidad transversal por cm 2 (800000 a 1000000 Kg acero) r: radio del centro de gravedad. d: dimetro del hilo de seccin redonda. D: dimetro medio. L: longitud inicial del resorte.

_________________________

1 www.filtercouncil.org

44

2.6 SISTEMAS HIDRULICOS

Los sistemas hidrulicos pueden ser simples o complejos. Consiguen operar a altas temperaturas (por ejemplo 60 C), altas presiones y ciclos rpidos. Se comportan como los circuitos neumticos, excepto en el tocante a su principal propiedad: la incomprensibilidad del fluido. Esto les confiere a estos sistemas una gran facilidad para obtener avances o desplazamientos lentos y adecuados para el mecanizado con mquina herramienta, adems cuentan con la posibilidad de aumentar muchsimo la presin de funcionamiento y obtener las fuerzas elevadas que necesitan ciertas mquinas como la prensa hidrulica. Esta clase de sistemas son muy empleados en la actualidad debido a factores tales como:

Simplicidad. Hay pocas piezas en movimiento (bombas, motores y cilindros) Flexibilidad. El aceite se adapta a las tuberas y transmite la fuerza como si

fuera una barra de acero. Tamao. Son pequeos comparado con sistemas mecnicos y elctricos a

igual potencia. Seguridad. Brindan altos ndices de seguridad, salvo algn peligro de incendio

en ciertas instalaciones. Multiplicacin de fuerzas. Principio muy usado para las prensas hidrulicas.

2.6.1 COMPONENTES BSICOS 1

Muchos de los sistemas hidrulicos se estructuran de cinco componentes mecnicos bsicamente: bombas, vlvulas, depsitos, cilindros o botellas, y filtros, sin dejar de lado las tuberas y el fluido. (Ver fig. 2.23).

No importa que tan sofisticado se vuelva el sistema, el fluido hidrulico lleva a cabo en l cuatro funciones simples: Transmitir potencia, lubricar bomba, vlvulas y sellos, proteger el sistema removiendo contaminantes (Humedad, suciedad, calor, aire), y sellar con los componentes internos.

45

Fig. 2.23 Esquema de un sistema hidrulico.

2.6.2 BOMBAS HIDRULICAS

Las bombas son los rganos que generan la potencia hidrulica en el circuito la cual se transmite dentro del mismo a travs del fluido que por el circula (ver fig. 2.24). Muchos creen que estos mecanismos generan presin, pero no es as, es importante entender que el nico propsito de las bombas es crear caudal con el fin de originar un flujo necesario para el desarrollo de la misma.

Fig. 2.24 Bomba Hidrulica

La presin es la fuerza en una determinada rea, creada por la resistencia a la circulacin del fluido, cuyo transito por el sistema hidrulico, debe ser dirigido convenientemente a los diversos cilindros, y actuadores, de acuerdo a las exigencias y secuencias del trabajo a realizar. Existen tres tipos de bombas que son los ms utilizados en mquinas que cuentan con sistemas hidrulicos:

46

a) De engranajes: Son bombas rotatorias, de desplazamiento positivo, adecuadas para la transmisin de potencia, generalmente se les considera como bombas para lquidos viscosos (ver fig. 2.25), y tienen una eficiencia (rendimiento) volumtrico aproximado de 85 a 96 %.

Fig. 2.25 Bomba de engranajes externos

b) De pistones: Son bombas de desplazamiento positivo, aplicadas cuando se requieren altas presiones hidrulicas y grandes esfuerzos (ver fig. 2.26), funcionan segn el principio de un cilindro hidrulico, donde un pistn es movido alternativamente dentro de un orificio, aspirando el fluido al retraerse y expulsndolo en su carrera hacia adelante. Son eficientes para trabajar con lquidos viscosos, y tiene un rendimiento volumtrico aproximado de 95 a 98%.

Fig. 2.26 Bomba de pistn axial

c) De paletas: Son bombas centrfugas, de desplazamiento no positivo, poco utilizadas para trabajar con lquidos viscosos, en su mayora son empleadas como bombas de agua en vehculos, mquinas para lavar vajilla o lavadoras, y cuentan con una rendimiento vol. aproximado de 85 a 93 %. (Fig. 2.27)

Fig. 2.27 Bomba de paletas equilibradas

__________________________

1 www.tecnicaoleohidraulica.com/h_07_cilindros.htm

47

2.6.2.1 Seleccin de una Bomba Hidrulica

Estos mecanismos nunca deben ser escogidos de forma emprica, el objetivo siempre es seleccionar una bomba de modo que, las caractersticas de trabajo en relacin al sistema en el cual opera, sean tales que el punto de funcionamiento est cerca del PMR (punto de mximo de rendimiento), logrando con esto minimizar el consumo de energa y optimizar su rendimiento.

Existen factores importantes ha considerar para la seleccin de una bomba, dentro de los cuales tenemos:

Presin mxima requerida para producir suficiente fuerza de salida de los actuadores.

Rendimiento volumtrico de la bomba. Seguridad de operacin. Fcil mantenimiento. Condiciones de funcionamiento, continuo o de corta duracin. Instalacin interior o exterior.

2.6.3 CILINDROS O BOTELLAS

Los cilindros son actuadores lineales, utilizados para convertir la fuerza hidrulica en fuerza o movimiento mecnico lineal, en ocasiones son llamados "motores lineales" y son posiblemente la forma ms habitual de uso de energa en instalaciones hidrulicas, el principio de funcionamiento es simple: el fluido bajo presin enviado por una de las conexiones del cilindro, acta contra el rea del pistn, ste unido al vstago es desplazado linealmente en su longitud con una fuerza que es usada para mover o cargar (ver fig. 2.28), la distancia recorrida por el pistn se llama carrera 1.La presin del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal del fluido es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo, y La combinacin de fuerza y recorrido produce trabajo. Cuando este trabajo es realizado en un determinado tiempo da como resultado la potencia.

48

Fig. 2.28 Cilindro Hidrulico.

2.6.3.1 Tipos de Cilindros Hidrulicos.

Bsicamente, los cilindros hidrulicos se definen por su sistema de desplazamiento en:

Cilindros hidrulicos de Simple Efecto, el movimiento de retorno del mismo se efecta por un muelle o resorte, y en ocasiones por gravedad. (fig. 2.29)

Fig. 2.29 Cilindro de simple efecto con muelle.

Cilindros hidrulicos de doble Efecto, se utiliza la presin Hidrulica para el movimiento en ambos sentidos. (fig. 2.30)

Fig. 2.30 Cilindro de doble vstago.

Cilindros hidrulicos Telescpicos, cilindro que contiene otros de menor dimetro en su interior y que se expanden por etapas. (Ver fig. 2.31)

Fig. 2.31 Cilindro telescpico.

_________________________

1 www.solomantenimiento.com/articulos/cilindros-hidraulicos.htm

49

2.6.3.2 Seleccin de un Cilindro Hidrulico1

Es fundamental una buena seleccin del cilindro hidrulico, ste tiene que ser adecuado a su ubicacin para un correcto funcionamiento de la instalacin. Las caractersticas fundamentales para la eleccin son:

Fuerza, donde se define la fuerza necesaria para el actuador. Es importante elegir cilindros hidrulicos sobredimensionados. Este sobre-dimensionamiento deber ser calculado en funcin de la instalacin, pero suele estar entre el 20% y el 100% de la fuerza a efectuar.

Velocidad, dado que muchos cilindros forman parte de sistemas automatizados ms complejos, y deben actuar a un ritmo calculado.

Longitud de Carrera, los cilindros hidrulicos tienen limitaciones constructivas y de diseo, por esta razn deben elegirse de forma adecuada y calculada previamente a su instalacin, o bien instalar limitadores y/o sistemas de control de carrera.

En el caso de las presas hidrulicas fundamentalmente son empleados los cilindros simple efecto de mbolo buzo, en los cuales el fluido desplaza al vstago que esta empaquetado por la guarnicin existente en el cabezal delantero, retorna a su posicin original por accin de la gravedad, resortes internos, externos, o cilindros adicionales (Fig. 2.32). Para el clculo de fuerza, el rea neta a tomarse en cuenta esta dada por el dimetro de vstago.

Fig. 2.32 Cilindro hidrulico con mbolo buzo.

_________________________

1 www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_mecanica/valvulashidraulicas/

50

2.6.4 VLVULAS

Son elementos fundamentales en los circuitos hidrulicos, se encargan de controlan los flujos de aceite para dirigirlos hacia el lugar conveniente en cada momento, y su velocidad estndar para aplicaciones generales es de 4 m/seg.

Cada fabricante puede denominarlas de una manera distinta, pero bsicamente las funciones son similares en casi todos los circuitos hidrulicos. Su tamao puede ser el mismo que el dimetro de caera, pero en condiciones especiales pueden utilizarse tamaos mayores o menores; las ms elementales son: vlvulas de dos, tres, y cuatro vas.

En el caso del cilindro de simple efecto, y el cilindro buzo o de mbolo buzo, el control del accionamiento se lo hace a travs de una vlvula de tres vas y dos posiciones. Como su nombre; lo indica, hay tres bocas de conexin o "puertas", la primera por donde entra la presin desde la bomba, la segunda que se comunica con el cilindro hidrulico y la tercera que es la conexin hacia el tanque o retorno.

En la figura 2.33 se muestra en corte una vlvula de tres vas en las dos posiciones A y B, en una de esas posiciones la corredera o husillo permite comunicar la puerta de entrada de presin con la salida del cilindro, mientras bloquea el retorno al tanque, en la segunda posicin, la corredera situada en el otro extremo bloquea ahora la entrada de presin y conecta el tanque con el cilindro 1.

Fig. 2.33 Vlvula de Tres vas y Dos posiciones.

_________________________

1 MANUAL DE MECNICA INDUSTRIAL; Tomo II; Neumtica e Hidrulica; Editorial Cultura S.A.;

Madrid; Espaa.

51

2.6.5 ACUMULADORES HIDRULICOS 1

Los fluidos usados en los sistemas hidrulicos no pueden ser comprimidos como los gases y almacenarse para ser usados en diferentes lugares o a tiempos distintos. Un acumulador consiste en un depsito destinado a almacenar una cantidad de fluido incomprensible y conservarlo a una cierta presin mediante una fuerza externa.

El fluido hidrulico bajo presin entra en las cmaras del acumulador y hace una de estas tres funciones (ver fig. 2.34): a) comprime un resorte, b) comprime un gas, c) levanta un peso; posteriormente cualquier cada de presin en el sistema provoca que el elemento reaccione y fuerce el lquido hacia fuera otra vez.

Fig. 2.34 Acumuladores: a) de muelle, b) de gas, c) de contrapeso

Los acumuladores son conocidos tambin como depsitos hidrulicos y se pueden aplicar en los cilindros hidrulicos como:

Acumulador de Energa. Anti-golpe de ariete. Anti-pulsaciones. Compensador de fugas. Fuerza auxiliar de emergencia. Amortiguador de vibraciones. Transmisor de energa de un fluido a otro.

a) b) c)

52

2.6.6 FILTROS HIDRULICOS

La mayora de las bombas utilizan para su proteccin un filtro destinado a retener partculas slidas en la aspiracin, el propsito es prolongar la vida til de los componentes hidrulicos, y tambin evitar paradas en el circuito producidas por la acumulacin de impurezas en las estrechas holguras y orificios de las vlvulas.

Van generalmente en derivacin con el circuito principal y suele pasar por ellos una parte de la presin de retorno, circunstancia por la cual, su eficacia en el circuito es limitada. No suelen colocarse en las lneas de presin porque necesitaran ser muy reforzados para aguantar tan altas presiones y serian antieconmicos. En las lneas de aspiracin de las bombas podran dar lugar a restricciones que produciran cavitacin acortando as drsticamente la vida til de las mismas.

Uno de los ms usados y ms econmicos es el filtro en lnea de la figura 2.35 que tambin lleva incluida una vlvula de retencin, su desventaja consiste en que hay que desmontar la tubera para su mantenimiento.

Fig. 2.35 Filtro en Lnea.

2.6.7 TUBERAS

Pueden ser metlicas con tubos rgidos conformados a la medida o bien mangueras de goma (Fig. 2.36) con una o varias capas de alambres de acero trenzado en su interior, dependiendo de la presin para la cual estn diseados.

53

Fig. 2.36 Manguera de goma.

Es necesario dimensionar las tuberas de acuerdo al caudal que circular por ellas, una tubera de dimetro reducido provocar elevadas velocidades de circulacin y como consecuencia perdidas elevadas de presin por friccin sobrecalentamiento del aceite; por el contrario una tubera de gran dimetro resulta costosa y difcil de instalar. Cuando la tubera presenta problemas son detectados por el ruido que produce la circulacin del fluido por los conductos.

2.7 PRESIN

La presin es la relacin entre una fuerza (F) que acta sobre una determinada superficie (A), y se mide en unidades de fuerzas por unidades de rea. Esta carga se puede aplicar a un punto de la superficie o distribuirse sobre ella, y cada vez que esta es ejercida se produce una flexin, y un cambio de volumen o dimensin. Su clculo se lo realiza mediante la ecuacin 2.17

AF

= Ecuacin 2.17

Su unidad es el pascal Pa, presin que corresponde a la fuerza de 1 newton actuando uniformemente sobre una superficie de 1m 2 , pero existen otras unidades de presin como muestra la tabla 2.4.

54

Tabla 2.4 Relacin entre las unidades de presin.

Unidades Pascal N/m2 Bar. Kg f/m2

At tcnicas kg/cm 2

Torr mm de HG

Atm fsicas (760 Torr) Psi

Pulg. De Hg

Pascal 1 0,00001 0,10197162 1,0197162/10^5 7,500615/10^3 9,8692312/10^6 1,45037/10^4 2,95299/10^4

Bar 100000 1 10197,162 1,0197162 750,065153 0.98692312 14,503771 29,53

Kgf/m 2 9,80665 9,80665/10^5 1 0.0001 0,07355591 9,678409/10^5 142233,408 0.0228959

At 98066,5 O.980665 10000 1 735.55913 0,96784097 14,2233408 28,959

Torr 133.32233 I,333223/10^3 13,5951 1,3595/10^3 1 1,315789/10^3 0,01933677 0,03937

Atm 101325,014 1,01325014 10332,276 1,0332276 760 1 14,6959489 29,92126

Lb//plg 2 6894,757 0,06894757 7,030697/10 6 0,07030697 51,714934 0,0680459 1 2.036.009

Pul. Hg 3386,4 0,033864 345,316 0.0345316 25,4 0,0334211 0,491157 1

2.7.1 FUERZA PARA EL MONTAJE DEL RODAMIENTO

Es la fuerza necesaria que debe proporcionar el embolo para la realizacin de cualquier tipo de trabajo, en el caso del presente proyecto, es la carga que se requiere para el montaje de piezas con forma anular como son los rodamientos rgidos de bolas, que estn sujetos a un ajuste con interferencia localizado en el aro interior. (Ver fig. 2.37)

i

(a)F F

Dd

L

L

i

(b)F

D

Fig. 2.37 Ensamble con ajuste: a) rodamiento-eje, b) eje-rodamiento

84

Cuando el trabajo sea en fro, el valor de la interferencia entre las piezas a ensamblar puede estar entre 1 y 6 milsimas de pulgada. Para calcular el valor de dicha fuerza, en el caso (a) de la figura anterior se emplear la ecuacin 2.18, y en el (b) la ecuacin 2.19.

2Pf*i*L**d)-(DF = Ecuacin 2.18

2Pf*i*L**DF = Ecuacin 2.19

Donde:

Tabla 2.5 Factor de fuerza.

Dimetr. mm

Dimetr. Pulg

Factor de

fuerza Dimetr.

mm Dimetr.

Pulg Factor

de fuerza

Dimetr. mm

Dimetr. Pulg

Factor de

fuerza 6,35 1/4 2002 76,20 3 156 146,05 5 78 12,70 1/2 1001 82,55 3 143 152,40 6 75 19,05 3/4 667 88,90 3 132 158,75 6 72 25,40 1 500 95,25 3 123 165,10 6 69 31,75 1 395 101,60 4 115 171,45 6 66 38,10 1 325 107,95 4 108 177,80 7 64 44,45 1 276 114,30 4 101 184,15 7 61 50,80 2 240 120,65 4 96 190,50 7 59 57,15 2 212 127,00 5 91 196,85 7 57 63,50 2 189 133,35 5 86 203,20 8 55 69,85 2 171 139,70 5 82

En el caso de los dimetros que no consten dentro de la tabla anterior, se recomienda hacer un aproximado del factor usando para esto la ecuacin 2.19. Siempre emplee para este clculo los datos en pulgadas del dimetro inmediato superior que figuran en la tabla.

DPP ff .sup*.sup . Ecuacin 2.19

i= Valor de la interferencia entre las dos piezas (pulgadas) Pf= Factor de fuerza en funcin del dimetro D (ver tabla 2.5) L= Longitud con interferencia.

85

CAPTULO III

DIMENSIONAMIENTO

El dimensionamiento abarca: Seleccin del tipo de sistema hidrulico, esquema de la estructura metlica de la mquina, determinacin de fuerzas y reacciones de los elementos que la componen, anlisis estructural de los elementos, esquema de los aditamentos para las operaciones de montaje y desmontaje, hojas de procesos, y planos de construccin.

3.1 SELECCIN DEL TIPO DE SISTEMA HIDRULICO

La seleccin es realizada apoyndose en los parmetros de funcionamiento a los que va estar sujeto dicho sistema en condiciones normales de trabajo, as como tambin en el costo de adquisicin, y el mantenimiento; partiendo desde:

Fuente de energa, de accionamiento manual.

Instalacin, el sistema ir colocado externamente tanto el cilindro como la bomba, y el mbolo debe trabajar en posicin vertical hacia abajo.

Tipo de bomba, al ser el sistema de accionamiento manual, dentro del grupo anal