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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE
CLASIFICACIÓN Y APILAMIENTO DE TUBERÍA DE SECCIÓN
CIRCULAR Y RECTANGULAR DE LA FORMADORA ZERO DE
LA EMPRESA KUBIEC – CONDUIT DE QUITO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO MECATRÓNICO
ANDRÉS SEBASTIÁN YANDÚN CALLES
DIRECTOR: ING. ALEXY VINUEZA LOZADA. MSc.
Quito, Julio 2016
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
Reservados todos los derechos de reproducción
DEDICATORIA
A mis padres Francisco Yandún y Janeth Calles porque gracias a su amor y
dedicación siempre fueron un apoyo en los buenos y malos momentos, por
ser una guía a lo largo del camino y en cada decisión. Que gracias a su
educación y sus buenos valores me han permitido concluir con mis metas y
llegar a concluir con muchas que están por cumplirse; a mi familia en especial
a los que estuvieron en los duros momentos por sus concejos y palabras para
seguir adelante y no decaer.
AGRADECIMIENTOS
Primero agradecer inmensamente a Dios que supo iluminar y dar fuerza en mi
camino para culminar exitosamente mi carrera universitaria, por poner
sabiduría en mí alcanzar este objetivo tan importante.
Segundo a mis padres por brindarme su apoyo incondicional en todo momento
a lo largo de mi vida, por su cariño y paciencia que me han tenido, que me
han permitido seguir adelante ante cualquier adversidad.
A mis hermanos Francisco y Juan Carlos que han sido un ejemplo y un apoyo
en lo laboral y en la elaboración de esta tesis, por los buenos y malos
momentos compartidos y por los consejos brindados.
Al Ing. Alex Vinueza que con paciencia, responsabilidad y profesionalismo
subo tutorar mi tesis, por su tiempo y compartir su conocimiento.
A mi amor Carla, por creer en mí y estar conmigo durante el desarrollo de la
tesis en los momentos más críticos, por esas madrugadas juntos haciendo la
tesis, por lo momentos de alegría, brindarme su amor, ser mi amiga y
compañera.
A mis compañeros Diego y Christian por ser de ayuda en los momentos de
duda, por los ratos de alegría y trabajos elaborados, y en especial a Gaby que
estuvo desde el primer y hasta último momento, por los concejos y ayuda
brindada.
A la empresa Kubiec – Conduit, por permitirme elaborar el proyecto en sus
instalaciones, en especial a los Ing. Henry Yandún e Ing. Juan Carlos Yandún
por sus ideas y conocimientos brindados que fortalecieron la realización de
esta tesis.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN .................................................................................................... ix
ABSTRACT ................................................................................................... x
1. INTRODUCCIÓN
2. MARCO TEÓRICO
2.1 APILAMIENTO ................................................................................. 3
2.1.1 TIPO DE APILAMIENTO ............................................................. 3
2.2 SITUACIÓN ACTUAL EN EL PROCESO DE FABRICACIÓN ......... 4
2.3 TUBERÍA .......................................................................................... 7
2.4 AUTOMATIZACIÓN INDUTRIAL ...................................................... 7
2.5 INDUSTRIA METALMECÁNICA Y FABRICACIÓN DE
TUBERÍA .......................................................................................... 8
2.6 COMPONENTES DEL SISTEMA ..................................................... 9
2.6.1 CILINDROS ................................................................................. 9
2.6.2 MOTORES ................................................................................ 11
2.6.3 BANDAS TRANSPORTADORAS ............................................. 13
2.6.4 SENSORES .............................................................................. 13
2.6.5 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES
(PLC’s) ...................................................................................... 14
2.7 INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN ............................................ 15
2.7.1 SIMULACIÓN PARA EL PROCESO DE PRODUCCIÓN ......... 16
2.7.2 SISTEMA MECÁNICO .............................................................. 17
2.7.3 SIMULACIÓN SISTEMA DE CONTROL ................................... 17
3. METODOLOGÍA
3.1 METODOLOGÍA ............................................................................. 18
3.2 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ....................... 19
3.2 RESTRICCIONES .......................................................................... 20
3.5 MATERIALES ................................................................................. 21
3.3 ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE LAS ALTERNATIVAS
ii
APROPIADAS PARA EL SISTEMA ............................................... 22
3.3.1 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE TRANSPORTE ............... 22
3.3.2 SELECCIÓN DEL ACTUADOR ELÉCTRICO PARA
EL MOVIMIENTO DE LA BANDA TRANSPORTADORA ......... 23
3.3.3 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE EMPUJE DE
CADA TUBO ............................................................................. 23
3.3.4 SELECCIÓN DEL SISTEMA PARA EL SOPORTE DE
LA TUBERÍA ............................................................................. 24
3.3.5 SELECCIÓN DEL MATERIAL PARA LA ESTRUCTURA ......... 25
3.3.5 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE ABRE – CIERRA ................... 25
3.3.5 SELECCIÓN DE SENSOR ............................................................. 26
3.3.6 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL .................................. 27
3.3 DISEÑO MECÁNICO ..................................................................... 28
3.4 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL ................................... 28
3.5 PROTOCOLO DE PRUEBAS ......................................................... 29
3.6 VALIDACÍON DEL DISEÑO EN EL SOFTWARE ........................... 30
4. DISEÑO
4.1 DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS ............. 31
4.1.1 ESTRUCTURA DE EMPUJE .................................................... 31
4.1.2 BANDAS TRANSPORTADORAS ............................................. 39
4.1.2.1 Banda Transportadora Primaria ......................................... 40
4.1.2.2 Selección de rodamientos para la banda
transportadora primaria ..................................................... 43
4.1.2.3 Banda Transportadora secundaria .................................... 50
4.1.2.4 Selección de rodamientos para la banda
transportadora secundaria ................................................ 53
4.1.3 ESTRUCTURA DEL SISTEMA ABRE – CIERRA ..................... 59
4.1.3.1 Selección de rodamientos para la estructura
abre – cierra ...................................................................... 64
4.1.3.2 Diseño del eje del sistema abre – cierra ............................ 66
4.1.4 CILINDROS NEUMÁTICOS ...................................................... 69
iii
4.1.4.1 Cilindros de Empuje ........................................................... 69
4.1.4.2 Cilindros de recepción y nivelación de la tubería ............... 72
4.1.4.3 Cilindros del sistema abre - cierra ..................................... 75
4.2 COMPONENTES ELECTRÓNICOS Y DE CONTROL .................. 78
4.2.1 SENSOR FOTOELÉCTRICO .................................................... 78
4.2.2 PLC SIEMENS .......................................................................... 79
4.3 SIMULACIÓN ................................................................................. 79
4.3.1 PROGRAMACIÓN DEL PLC .................................................... 88
4.3.2 CIRCUITO NEUMÁTICO .......................................................... 92
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.1 MEJORAS DENTRO DEL SISTEMA ............................................. 94
5.2 SECUENCIAS DE FUNCIONAMIENTO ......................................... 97
5.3 COMPARACIÓN MANUAL vs. SISTEMA AUTOMÁTICO ............. 98
6. IMPACTO AMBIENTAL
6.1 REVISIÓN AMBIENTAL INICIAL .................................................. 102
6.2 INFORMACIÓN Y ESTUDIO AMBIENTAL DEL PROYECTO...... 103
7. ANÁLISIS DE COSTOS
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES ................................................................................... 110
RECOMENDACIONES ........................................................................... 111
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 112
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Apilamiento .................................................................................... 4
Figura 2. Proceso de Fabricación ................................................................. 5
Figura 3. Proceso de soldadura de alta frecuencia ....................................... 5
Figura 4. Cuello de botella ............................................................................ 6
Figura 5. Fabricación de tubos ...................................................................... 8
Figura 6. Cilindro de simple efecto ................................................................ 9
Figura 7. Cilindro de doble efecto ............................................................... 10
Figura 8. Motor eléctrico ............................................................................. 11
Figura 9. Esquema de las conexiones delta - estrella ................................. 12
Figura 10. Sensor pasivo y activo ............................................................... 14
Figura 11. Estructura del PLC ..................................................................... 14
Figura 12. Metodología en V ....................................................................... 18
Figura 13. Componentes del sistema automático ....................................... 21
Figura 14. Estructura del sistema abre –cierra ........................................... 26
Figura 15. Proceso de Pruebas ................................................................... 29
Figura 16. Colocación del centro de masa .................................................. 31
Figura 17. Diagrama de fuerzas de la estructura de empuje ...................... 32
Figura 18. Diagramas de Esfuerzo y Momentos de la estructura
de empuje ................................................................................... 33
Figura 19. Identificar las bandas transportadoras dentro de la
simulación .................................................................................... 40
Figura 20. Banda Transportadora primaria ................................................. 40
Figura 21. Rodillo tambor 1 ......................................................................... 41
Figura 22. Diagrama de fuerzas en el rodillo primario ................................. 44
Figura 23. Fuerzas de torque en el rodillo primario ..................................... 45
Figura 24. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, y)
rodillo primario ........................................................................... 46
Figura 25. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, z)
rodillo secundario ....................................................................... 47
Figura 26. Banda transportadora secundaria .............................................. 50
v
Figura 27. Rodillo tambor 2 ......................................................................... 51
Figura 28. Diagrama de fuerzas en el rodillo secundario ............................ 54
Figura 29. Fuerzas de torque en el rodillo secundario ................................ 55
Figura 30. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, y)
rodillo secundario ....................................................................... 56
Figura 31. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, z)
rodillo secundario ....................................................................... 57
Figura 32. Diagrama de fuerzas del sistema abre - cierra .......................... 59
Figura 33. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, y)
tramo E-G .................................................................................. 60
Figura 34. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, y)
tramo G-I .................................................................................... 61
Figura 35. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, z)
tramo E-G .................................................................................. 62
Figura 36. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, z)
tramo G-I .................................................................................... 63
Figura 37. Identificar los cilindros dentro de la simulación .......................... 69
Figura 38. Cilindro de empuje ..................................................................... 70
Figura 39. Cilindros de recepción y nivelación. ........................................... 73
Figura 40. Cilindros del sistema abre – cierra ............................................. 75
Figura 41. Sensor Fotoeléctrico .................................................................. 78
Figura 42. PLC S7 - 1200 ........................................................................... 79
Figura 43. Representación del sistema en CAD. ........................................ 79
Figura 44. Diseño de la estructura en CAD ................................................. 80
Figura 45. Navegador de restricciones. ...................................................... 81
Figura 46. Navegador de Ensamble ............................................................ 81
Figura 47. Navegador de Física .................................................................. 82
Figura 48. Editor de secuencia .................................................................... 83
Figura 49. Superficie de transporte para la simulación ............................... 83
Figura 50. Dirección del desplazamiento para cada cilindro ....................... 84
Figura 51. Coeficientes de fricción .............................................................. 84
Figura 52. Fuerzas ejercidas por los cilindros ............................................. 85
vi
Figura 53. Sensor de colisiones .................................................................. 85
Figura 54. Transporte tubería...................................................................... 86
Figura 55. Acumulación de tubería ............................................................. 86
Figura 56. Apilar e Igualar tubería. .............................................................. 87
Figura 57. Acceso sistema abre – cierra ..................................................... 87
Figura 58. Transporte paquete de tubería ................................................... 88
Figura 59. Programa para la simulación eléctrica,
neumática y mecánica ............................................................... 89
Figura 60. Programa para la simulación eléctrica,
neumática y mecánica ............................................................... 90
Figura 61. Circuito neumático (a) ................................................................ 92
Figura 62. Circuito neumático (b) ................................................................ 93
Figura 63. Articulación del sistema abre - cierra ......................................... 94
Figura 64. Estructura de recepción ............................................................. 95
Figura 65. Brazo del sistema abre - cierra ................................................. 95
Figura 66. Estructura de soporte bandas transportadoras
secundarias ............................................................................... 95
Figura 67. Placa de empuje ........................................................................ 96
Figura 68. Placa de igualar ......................................................................... 96
Figura 69. Estructura soporte del cilindro de igualar ................................... 96
Figura 70. Chumacera del sistema abre - cierra ......................................... 97
Figura 71. Estructura para igualamiento de tubería .................................... 97
Figura 72. Tubería acumulada .................................................................... 99
Figura 73. Disminución en el tiempo de producción .................................. 100
Figura 74. Etapas del Impacto ambiental .................................................. 102
Figura 75. Espacio Físico Kubiec - Conduit .............................................. 103
vii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Productos fabricados en la formadora zero ..................................... 7
Tabla 2. Selección de mecanismo de transporte ......................................... 22
Tabla 3. Selección del actuador eléctrico para la banda
transportadora. .............................................................................. 23
Tabla 4. Selección del mecanismo de empuje ............................................ 24
Tabla 5. Selección del sistema de soporte de tubería ................................. 24
Tabla 6. Selección del material para la estructura ....................................... 25
Tabla 7. Selección sistema abre - cierra ..................................................... 26
Tabla 8. Selección de sensor ...................................................................... 27
Tabla 9. Selección sistema de control ......................................................... 27
Tabla 10. Tiempos con el sistema manual .................................................. 99
Tabla 11. Tiempos en la simulación con el sistema automático ................ 100
Tabla 12. Uso de operarios ....................................................................... 101
Tabla 13. Resultados de la simulación ...................................................... 101
Tabla 14. Matriz de interacción causa - efecto .......................................... 104
Tabla 15. Matriz de la calificación de las variables .................................... 105
Tabla 16. Matriz del cálculo de la magnitud de los impactos ..................... 106
Tabla 17. Matriz del cálculo de la importancia de los impactos ................. 107
Tabla 18. Matriz de cálculo de la severidad de los impactos. .................... 108
Tabla 19. Análisis de costos ...................................................................... 109
viii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. TIPO DE PRODUCCIÓN DE TUBERÍA ................................... 115
ANEXO 2. FUERZAS TEÓRICAS EN CILINDROS DE
DOBLE EFECTO ...................................................................... 119
ANEXO 3. ESTRUCTURA EXISTENTE .................................................... 120
ANEXO 4. ESTRUCTURA CILINDROS EMPUJE ..................................... 120
ANEXO 5. CATÁLOGO DE MOTORES SIEMENS ................................... 121
ANEXO 6. RECOMENDACIONES VIDA DE RODAMIENTOS ................. 121
ANEXO 7. FACTORES DE APLICACIÓN DE CARGA ............................. 122
ANEXO 8. EXPERIENCIA DE DOS FABRICANTES ................................ 122
ANEXO 9. DIMENSIONES Y CLASIFICACIONES DE CARGA
PARA RODAMIENTOS DE BOLA ............................................ 122
ANEXO 10. HOJA TÉCNICA DEL SENSOR FOTOELÉCTRICO .............. 123
ANEXO 11. DATOS TÉCNICOS DEL PLC ............................................... 124
ANEXO 12. SISTEMA ABRE – CIERRA DE LA EMPRESA ..................... 125
ANEXO 13. TOMA DE TIEMPOS DEL SISTEMA MANUAL ..................... 125
ANEXO 14. TOMA DE TIEMPOS EN LA SIMULACIÓN DEL
SISTEMA AUTOMÁTICO ....................................................... 125
ANEXO 15. RESISTENCIA A LA FATIGA EN FUNCIÓN DE
LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN ........................................ 126
ANEXO 16. FACTOR DE TAMAÑO .......................................................... 126
ANEXO 17. FACTOR DE CONFIABILIDAD .............................................. 126
ANEXO 18. POLÍTICA MEDIO AMBIENTAL ............................................. 127
ANEXO 19. PLANOS ................................................................................. 128
ix
RESUMEN
El proyecto detalla el diseño y simulación para un sistema automático de
clasificación y apilamiento de tubería en la empresa KUBIEC – CONDUIT,
empresa prestigiosa en la industria del acero. Con el diseño y la simulación
del sistema automático, se busca mejorar los procesos de producción y
optimizar recursos en la empresa. Se enfoca en encontrar la vía más factible
para que la máquina - formadora zero trabaje al 100% de su capacidad, es
decir, se acerque a producir 60 [m/min]. El funcionamiento de está simulación
se basa en transportar cada tubo, juntarlos y apilarlos automáticamente, lo
que permite mejorar la producción de este proceso mediante un análisis
preliminar, que ayuda a la elaboración del diseño con los datos obtenidos,
ponerlos en simulación para obtener una visión de los parámetros a cambiar
y la factibilidad de implementar este proyecto. Se aprecian conceptos
fundamentales para comprender el tema con facilidad, así como también el
proceso de producción y funcionamiento de la máquina. El método usado,
parte del análisis de requerimientos, restricciones para realizar el diseño
mecánico, de control y proceder a la simulación donde se realizan pruebas
para su validación. Es indispensable plantear varias alternativas y
componentes que satisfagan la necesidad planteada para facilitar la selección.
La simulación se realiza en programas CAD y CAPP. Con un estudio de
impacto ambiental, análisis de resultados y la adquisición de datos puestas en
diseño para verificarlos en la simulación se determinó que mediante este
proyecto es factible implementarlo en la empresa, disminuyendo tiempos de
producción, aumentando la rentabilidad de la empresa y mejorar la calidad del
producto.
x
ABSTRACT
The project detailed the design and simulation of a system for automatic
sorting and stacking pipe in the company KUBIEC - CONDUIT, prestigious
company in the steel industry. The design and simulation of the automatic
system looks to improve the production processes and optimize resources in
the company. The project focuses on finding the most workable way for the
machine – formadora zero to operate at 100% of capacity, it means, get close
to produce 60 [m/min]. The operation of this simulation is based on transporting
each tube, put them together an automatically get stack, which improves the
production of this process by a preliminary analysis, that helps in the design
development with the data obtained, put this data in the simulation to get a
view of the parameters to change and the feasibility of implementing this
project. Fundamental concepts are seen to understand the subject easily, as
well as the production process and machine operation. The method used,
starts from de analysis of requirements, restrictions for control and mechanical
design, then proceed to the simulation where tests for simulation are realized.
It is essential to raise several alternatives and components that satisfy the
need raised facilitate the selection. The simulation was made in CAD and
CAPP software. An environmental impact study, analysis of results and data
acquisition are part of the design and simulation, this allows to the say that
the project is feasible to implement in the company, reducing production times,
increasing the profitability of the company and improving product quality.
1. INTRODUCCIÓN
1
Kubiec – Conduit es una empresa privada con experiencia en la fabricación y
comercialización de productos de acero, cuenta con una alta participación en
el mercado nacional e internacional por su calidad y disponibilidad de
productos (GFSistemas, 2016).
Hoy en día la empresa Kubiec – Conduit tiene una tasa de producción de 600
toneladas de tubos mensuales en la formadora zero, obteniendo perdidas en
el tiempo de producción debidas principalmente al cambio de matricería y al
tiempo que toma transportar y apilar cada tubo debido a que es manualmente,
es decir, se implementa 2 operadores, esto es causante de estancamientos
en la máquina o un producto defectuoso. Por esta razón es necesario realizar
el proceso de mejora que ayudará a reducir tiempos de producción y aumentar
la calidad del producto, orientándose en el diseño y respaldando el estudio
con una simulación del procedimiento que está involucrado en la obtención de
la tubería el cual es importante por la alta demanda que tienen estos
productos.
Los tubos son elementos de sección circular, rectangular o cuadrada huecas,
abiertas en ambos extremos, fabricada de distintos tipos de aceros, tienen
distintas aplicaciones como: transporte de líquidos, columnas (estructuras y
cerramientos), conducción de cables eléctricos, uso decorativo, tubos de
escape, tubos de pasamanos.
En la actualidad, la automatización industrial tiene una alta demanda en las
empresas, ya que cuentan con el elemento humano para el desarrollo de la
producción y es por esto que la implementación de sistemas automáticos en
el proceso de fabricación es tan importante, permitiendo así reducir costos,
optimizar recursos y ampliar la productividad, limitando personas en el
proceso productivo y asignando la mano de obra sobrante a realizar otras
actividades que requieran mayor atención y ayuda. Los sistemas automáticos
van de la mano con varios elementos, componentes y herramientas que
intervienen en el proceso como son: Los Controladores Lógicos Programables
(PLC´s), sistemas electrónicos, sistemas neumáticos, sistemas mecánicos,
los simuladores que validen datos etc (Guerrero, 2013).
2
Los objetivos del proyecto tanto general como específicos se presentan a
continuación:
o Diseñar y simular un sistema automático de clasificación y apilamiento de
tubería en la empresa KUBIEC – CONDUIT.
o Establecer las funciones principales y secundarias que intervienen en el
proceso de producción.
o Diseñar las modificaciones que se efectuarán en la máquina formadora
zero, seleccionar los materiales, equipos y procesos que permitan cumplir
con los requisitos determinados.
o Simular el funcionamiento del modelo virtual y su sistema de control, para
la validación de resultados.
o Analizar la factibilidad del proyecto de acuerdo a las especificaciones y
necesidades de la empresa.
El propósito que tiene la automatización del sistema es mejorar la producción
de tubos y permitir a la máquina que opere al 100% de su capacidad,
asegurando la calidad del producto y optimizar los recursos al máximo.
El estudio, diseño y simulación para el apilamiento de tubería se enfoca en
solucionar un problema real de la industria, busca optimizar el proceso de
fabricación de tubería al 100% de su capacidad en la formadora zero en la
empresa Kubiec – Conduit de Quito y aportar con una solución innovadora
para la empresa.
2. MARCO TEÓRICO
3
Es importante presentar una introducción a los principales elementos que se
implementaran en el desarrollo de la tesis y en que consiste el proceso de
producción para facilitar el entendimiento.
El proyecto se orienta en mejorar el funcionamiento de la máquina formadora
zero para hacer la producción más efectiva y eficiente.
Para que el proceso sea mejorado en primer lugar se debe tener claro ciertos
términos que se van implementar a lo largo de la tesis, así también
componentes que son importantes conocer sus características y
funcionamiento:
2.1 APILAMIENTO
o Se refiere a acumular un tubo sobre el otro hasta formar una pila o montón,
esto se debe realizar cuidadosamente, para evitar posibles deslizamientos
y daños en el material como en el personal.
o Los tubos no se deben apilar a mucha altura.
o El apilado de la tubería es en una estructura metálica para evitar que se
resbalen.
2.1.1 TIPO DE APILAMIENTO
Dentro de este proceso de producción el apilamiento consiste en dejar caer
dentro de dos caballetes una cierta cantidad de tubos (atado o paquete),
dependiendo de la sección de la tubería que se esté fabricando también
depende el número de tubos y la forma del atado, después se procede a
enzuncharlos.
El enzunchamiento es poner un zuncho metálico alrededor del atado o
paquete de tubos y por medio de una pistola metálica (zunchadora) graparlos
facilitando así su almacenamiento en la bodega y transporte (GFSistemas,
2016).
Este apilamiento se rige en base a una norma, por lo tanto no existe una forma
analítica o matemática que represente dicho apilamiento. Aunque en muy
4
pocas ocasiones se apilan de acuerdo a necesidades del cliente bajo
consentimiento del mismo y del jefe de producción, como se muestra en la
Figura 1.
Figura 1. Apilamiento
2.2 SITUACIÓN ACTUAL EN EL PROCESO DE
FABRICACIÓN
El proceso comienza con la adquisición de bobinas en la bodega. Esta materia
prima es revisada por la persona a cargo donde el material debe cumplir con
las dimensiones: ancho, espesor, cantidad de zunchos longitudinales,
transversales, diámetro interno de mínimo 500 mm, diámetro exterior de
máximo 1800mm., y por su puesto encontrarse en las mejores condiciones.
Se verifica que la cantidad sea la acordada previamente con el proveedor. Las
bobinas se ubican en la bodega de acuerdo a su espesor en el sitio
correspondiente.
5
En las órdenes de producción se específica la materia prima, el espesor, el
ancho, tipo de tubo y toneladas a cortarse. Con esta información las bobinas
de acero son desenrolladas y pasadas a un proceso de corte mediante
cuchillas y transformadas en flejes que son etiquetados de acuerdo a sus
dimensiones como se muestra en la Figura 2. Este proceso permite la
uniformidad de la materia prima y produce desperdicio, el cual, es almacenado
para posteriormente ser vendido como chatarra (GFSistemas, 2016).
Figura 2. Proceso de Fabricación
En el proceso de formado el fleje pasa por una matriz de rodillos que
conforman el tubo y por medio del proceso de soldadura de alta frecuencia
son unidos. La soldadura de alta frecuencia es un sistema de energía de alta
frecuencia que utiliza la energía de un campo electromagnético de tal forma
que produce calor en el interior de los materiales y al aplicar presión sobre las
superficies a soldar se unen entre sí como se muestra en la Figura 3 (Nallen,
2008). En la formadora zero se implementan los flejes de acero tipo HRC (Hot
Rolled Coils) bobinas laminadas en caliente, CRC (Cold Rolled Coils) bobinas
laminadas en frío y GIC (Galvanized In Cold) Galvanizado en frío.
Dependiendo del requerimiento del pedido se realiza el corte de la tubería
longitudinalmente para proceder almacenarlo en la bodega de tubería.
Figura 3. Proceso de soldadura de alta frecuencia (Nallen, 2008)
6
KUBIEC – CONDUIT es una empresa que ha logrado posicionarse en la
industria del acero como fabricante y exportador de materiales en acero
inoxidable utilizados para la industria de la construcción. Siempre se
encuentra en constante innovación tecnológica para mantener altos
estándares de calidad en los productos y satisfacer las necesidades de los
clientes (GFSistemas, 2016).
Entre los tantos productos que se fabrican en esta empresa se encuentran las
tuberías en acero inoxidable que son ampliamente utilizados en la
construcción, industria de vehículos, transporte, maquinaria, metalurgia, etc.
El proceso de fabricación de la tubería no presenta ningún inconveniente, el
problema se genera el momento de descargar el tubo de la mesa hacia el área
de apilamiento, retrasando el proceso. La velocidad ideal de la máquina es de
60 [m/min] y la nominal es de 31 [m/min], por lo cual es factible mejorar la
salida de la tubería de manera automática y de esta manera permitir que el
proceso se efectúe al 100% de su capacidad.
En la Figura 4 se indica un promedio en la capacidad de cada estación de
trabajo para el proceso en metros/minuto, estos datos son tomados en base
a especificaciones técnicas de la máquina, permiten identificar el cuello de
botella dentro de la formadora zero. La estación de SAF (Soldadura de Alta
Frecuencia) constituye formado y soldadura (Huilca & Almeida, 2012).
Figura 4. Cuello de botella
Se identifica claramente que el cuello de botella se encuentra en la estación
de apilamiento y descarga. Debido, que en las demás etapas del proceso se
produce en promedio 1 tubo en 7,20 segundos y en la estación de descarga
toma 12 segundos, datos adquiridos en la fabricación del acero ASTM
7
100x100x6 [mm]. Es por esto que todas sus estaciones operan a 30 [m/min],
o en algunos casos operan a 50 [m/min], pero después de cierto período de
tiempo detienen la máquina mientras descargan y apilan la tubería, retrasando
la producción (Niebel, 2009).
2.3 TUBERÍA
Son varias las utilidades que tienen los tubos fabricados en la formadora zero,
como se observa en la Tabla 1 y se presentan en el Anexo 1 con su respectiva
descripción y/o especificación de acuerdo a la norma de producción de
tubería.
Tabla 1. Productos fabricados en la formadora zero
PRODUCTOS UTILIDADES
ERMC-S Conducción de cables eléctricos, a prueba de explosión.
EMT Y EIMC-S Conducción de cables eléctricos.
FUJI ISO 65 Conducción de cables eléctricos.
FUJI ASTM A53 Conducción de fluidos.
FujinoxHidro Conducción de agua.
Fujinox Premium Tubos de escape, y decorativo.
Marino Fujinox Tubos para muebles y en pasamanos.
Inoxidable En la industria petrolera y alimenticia.
Tubos mueble Estructuras.
Tubos poste Estructuras y cerramientos.
2.4 AUTOMATIZACIÓN INDUTRIAL
La automatización industrial se refiere a un conjunto tecnológico que emplea
elementos mecánicos, eléctricos, electrónicos y controladores
computarizados interrelacionados entre sí que se usan para controlar,
supervisar, monitorear y adquirir datos en tiempo real de los diferentes
sistemas industriales. Ayuda en la productividad de las industrias, contribuye
8
con los procesos y la calidad de los productos. (Tapia Molina & Rodríguez
Rivera, 2006).
2.5 INDUSTRIA METALMECÁNICA Y FABRICACIÓN DE
TUBERÍA
La industria metalmecánica brinda varios artículos metálicos que son
manipulados mecánicamente mediante máquinas eléctricas. Estos artículos
tienen distintas aplicaciones en campos eléctricos, de la construcción, etc.
Entre sus tantas actividades de producción se encuentra la fabricación de
tubería (Zapata, 2014).
La fabricación de tubería se la hace mediante maquinaria importada de alta
tecnología que está compuesta de embobinadoras y desembobinadoras
horizontales y verticales, máquinas de suelda, máquina de formado
compuesta por rodillos, máquinas de corte formada por cuchillas y cizallas,
puestas en marcha secuencialmente por operarios como se observa en la
Figura 5.
Figura 5. Fabricación de tubos
9
2.6 COMPONENTES DEL SISTEMA
Los elementos presentados con sus características y propiedades son los que
se implementan más comúnmente en la automatización industrial de acuerdo
a las necesidades del sistema automático.
2.6.1 CILINDROS
Son actuadores neumáticos de acción lineal, que transforma la energía del
aire comprimido en un trabajo mecánico que crea un movimiento de avance y
retroceso de un mecanismo (Serrano, 2009).
Son actuadores capaces de generar una fuerza o una energía mecánica a
partir de líquidos o gases. Estos cilindros son muy utilizados en aparatos
mecatrónicos, se activan y/o controlan mediante una electroválvula
(dispositivo mecánico que conduce o restringe el paso de aire comprimido
hacia los actuadores). Los más comunes son los cilindros de simple y doble
efecto, donde el rendimiento de los cilindros R varían de acuerdo al diámetro
del cilindro. Para D = 40[mm]; R = 0,85 y D > 40[mm]; R = 0,95. Las ecuaciones
para el accionar de los cilindros se expresa en términos de fuerzas
(ecuaciones 1, 2 y 3) (Serrano, 2009).
Cilindros de simple efecto: Para el avance se aplica aire comprimido por
una sola cámara, para el retorno el aire es expulsado y el vástago regresa a
su posición inicial por medio de un muelle de retroceso, como se muestra en
la Figura 6.
Figura 6. Cilindro de simple efecto (Guerrero, 2013)
10
Para cilindros de simple efecto con retorno por muelle, la fuerza efectiva de
trabajo o de avance será:
𝐹𝑎 =𝜋
4 𝐷2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 − 𝐹𝑚 [1]
Donde:
Fa: Fuerza del cilindro en [N] o en [kgf]
D: Diámetro del cilindro en [cm]
p: Presión del aire en [Bar] o [kgf/cm2]
R: Rendimiento del cilindro
Fm: Fuerza de resorte en [N] o [kgf]
Cilindros de doble efecto: Tanto para el avance como para el retorno a su
posición inicial se aplica aire comprimido. El aire comprimido actúa
individualmente en ambas cámaras, para que una de las cámaras este
alimentada y por la otra escape facilitando así el desplazamiento en cualquiera
de las dos direcciones del vástago, como se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Cilindro de doble efecto (Guerrero, 2013)
Para cilindros de doble efecto, la fuerza efectiva de trabajo o de avance y
fuerza de retroceso será:
𝐹𝑎 = 𝜋
4𝐷2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [2]
𝐹𝑟 = 𝜋
4(𝐷2 − 𝑑2) ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [3]
Donde:
Fr: Fuerza de retroceso
d: Diámetro del vástago en [cm]
11
Para obtener la fuerza real es preciso revisar el Anexo 2 donde se muestran
las fuerzas teóricas en [daN] de avance y retroceso para presiones entre 2 y
8 [bar] en cilindros de doble efecto y multiplicarla por el rendimiento como se
indica en las ecuaciones 4 y 5 (Serrano, 2009):
𝐹𝑟𝑎 = 𝐹𝑎 ∗ 𝑅 [4]
𝐹𝑟𝑟 = 𝐹𝑟 ∗ 𝑅 [5]
Los cilindros se seleccionan en base a la carrera necesaria de recorrido, la
fuerza que va a desplazar o empujar y la presión de aire dentro de la línea de
la empresa.
2.6.2 MOTORES
Son actuadores eléctricos que se encargan de dar movimiento a los ejes. Por
medio de un control estos motores pueden girar en ambos sentidos y
aumentar o disminuir su velocidad. “Son máquinas eléctricas que transforman
en energía mecánica. La energía eléctrica que absorben por sus bornes”. Los
movimientos de estos actuadores deben soportar grandes inercias y las
fuerzas que se producen por el movimiento como se muestra en la Figura 8
(Alciatore & Histand, 2007).
Figura 8. Motor eléctrico (Bonel, 2015)
12
Los motores eléctricos basan su funcionamiento en las fuerzas que se
generan de atracción y repulsión dentro de un campo magnético formado por
una bobina y un imán, por donde circula una corriente eléctrica Un motor
eléctrico está compuesto fundamentalmente de dos componentes: El estator
ubicado en la parte fija (imán) y el rotor que es la parte giratoria como se
observa en la Figura 8 (García, 2010).
El motor se selecciona de acuerdo a los requerimientos de torque, la potencia
y la velocidad angular que permita el transporte de la tubería.
Los motores trifásicos son los más frecuentes en aplicaciones industriales
debido a su gran eficiencia. Su funcionamiento se basa en los mismos
principios antes mencionados, es decir, el campo magnético giratorio crea una
corriente alterna trifásica. Llamado trifásico debido a que en el estator se
encuentran tres bobinados en triángulo o en estrella como se presenta en la
Figura 9. El principio de arranque de estos motores consiste en arrancar en
estrella (Y), después de alcanzada su máxima velocidad pasa a delta (∆)
mediante contactores, el tiempo de transición Y-∆ es importante controlar
mediante temporizadores para obtener la velocidad de régimen deseada y
evitar un cortocircuito o desaceleraciones en los motores (Duche, 2015).
Figura 9. Esquema de las conexiones delta - estrella (Aguete, 2011)
Este tipo de motores es el más efectivo para implementar en las industrias
debido a que: se acoplan fácilmente a cualquier tipo de máquina, posee una
gran potencia de arranque, no necesita de mucho mantenimiento y tiene larga
vida útil, la puesta en marcha es rápida, el arranque, parada y control es
inmediato, efectivo y es posible controlarlo remotamente (Jaramillo, 2015).
13
2.6.3 BANDAS TRANSPORTADORAS
Son elementos complementarios de los proceso de producción y de las
instalaciones. Su finalidad es recibir un producto de forma continua y
transportarlo o trasladarlo a otro lugar. Es un sistema que funciona solo, es
decir, no necesita de ninguna persona para que manipule su funcionamiento,
no requiere de mucho mantenimiento ni ocasiona problemas mecánicos.
La selección del tipo de banda depende mucho del diseño en base a las
fuerzas longitudinales a las que va estar sometido, del peso, del tipo de
material que se va transportar y de los impactos del material sobre la banda
(García, 2010).
2.6.4 SENSORES
La implementación de sensores dentro de la automatización industrial y de
procesos es indispensable, ya que permite tener un control en tiempo real de
las máquinas y su funcionamiento, para procesarlo lo que permite activar
procesos, actuadores y generar órdenes.
Para seleccionar los sensores que intervienen dentro del sistema automático
se debe tener en cuenta la distancia de trabajo, la precisión y velocidad de
respuesta, el entorno que son capaces de trabajar, el sistema de control y
depende también de la aplicación que se le va a dar.
Constan varios tipos de sensores, dependiendo de la función en la industria y
de la exactitud, sensibilidad, error, preciso y estabilidad. Los sensores son
dispositivos electrónicos que permiten interactuar con el entorno tecnológico,
que reaccionan a información que reciben (Areny, 2003).
Existen sensores térmicos, ópticos, acústicos, sensores de fluido-mecánicas
(densidad, caudal, presión), sensores de mecánica de sólidos
(deformaciones, fuerzas, esfuerzos), sensores de proximidad, sensores
electroquímicos, etc. Se clasifican en pasivos, activos y como se muestra en
la Figura 10, los activos necesitan de una fuente externa de energía para
funcionar, los pasivos no (Serna Ruiz, Ros García, & Rico Noguera, 2010).
14
Figura 10. Sensor pasivo y activo (Serna Ruiz, Ros García, & Rico Noguera, 2010).
2.6.5 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC’s)
Los controladores lógicos programables son dispositivos electrónicos digitales
que se implementan para el control y monitoreo de procesos industriales y
maquinaria. Posee una memoria programable que permite guardar las
instrucciones y/o el programa diseñado para llevar a cabo las operaciones
lógicas. (Bravo, 2012).
Los PLC’s fueron diseñados para emplearlos en condiciones industriales con
espacio reducido, cuando el proceso de producción cambia periódicamente,
soportan cambios de temperatura, humedad, vibraciones, ruido, incluso hasta
golpes y se usan en trabajos de automatización. El lenguaje de programación
es fácil de aprender, entender y ejecutar. La conexión de los dispositivos de
entradas y salidas son fácilmente identificables para las conexiones de los
mismos. Un controlador lógico programable está compuesto como se ilustra
en la Figura 11: (Quizhpi & Zea, 2013).
Figura 11. Estructura del PLC (Aguinaga, 2011)
15
CPU: Es la unidad central de procesos, se encarga de procesar la información
entre los dispositivos de entradas y salidas, controla las operaciones dentro
del PLC. Ejecuta el programa diseñado y permite almacenar los datos del
proceso.
Fuente de Alimentación: Convierte los 110V o 220V corriente alterna a 24V
corriente continua, está es suministrada a la unidad central y a los módulos
conectados.
Módulos de entradas y salidas: Controlan el sistema de automatización. Las
entradas reciben la información y son enviadas al CPU para ser procesadas
dependiendo de la programación. En las salidas la información procesada por
el CPU activan o desactivan los actuadores como son; motores, bobinas de
contactores, motores y varios dispositivos del proceso.
Interface de comunicación: Permite transferir y modificar los programas del
CPU a una unidad de programación, como por ejemplo una PC, con el fin de
adquirir información del funcionamiento del proceso y verificar la
programación.
Memoria: Usa una memoria ROM y RAM, una para almacenar la información
del sistema operativo de forma permanente y la otra para guardar el programa
diseñado por el usuario.
El PLC se selecciona tomando en cuenta el número de entradas y salidas
tanto analógicas como digitales, la capacidad de programa y memoria, el
software para la programación del plc, el costo y el uso en la industria.
Los PLC’s usan cinco lenguajes de programación: LD (Ladder Diagram), IL
(Instruction List), ST (Structure Text), SFC (Sequencial Function Chart), y FBD
(Function Block Diagram).
2.7 INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN
Al simular se asegura el funcionamiento del prototipo frente a varios cambios
en el sistema y las pruebas que se realizan sin afectar la producción o producir
16
accidentes de la máquina. La simulación ahorra tiempo y reduce costos, y se
puede seguir trabajando paso a paso en la simulación hasta obtener el
comportamiento requerido, permitiendo identificar defectos para cambiarlos
con el fin de mejorar el equipo. El mayor desafío de implementar la simulación
en este proceso es asegurarse que la producción sea constante en cada etapa
(Herbert, 2014).
En la simulación es posible usar varios programas, que permiten analizar la
factibilidad de realizar un proyecto dentro de una compañía, mediante los
métodos de simulación es más fácil concebir y entender profundamente el
funcionamiento de un sistema sin provocar interrupciones en las operaciones
de la empresa.
Mediante un ordenador que resista el software se efectúa la comunicación
entre el operario y el sistema, permite generar, transferir, verificar y modificar
programas, realizar ensayos de simulación y obtener información del
funcionamiento del proceso, tiene como fin identificar posibles cambios y/o
mejoras en el proceso (Salas, 2014).
Para usar la simulación a los procesos, es necesario seleccionar una o varias
herramientas informáticas o programas que ayuden a evaluar el proceso de
producción, sistema mecánico y el sistema de control:
2.7.1 SIMULACIÓN PARA EL PROCESO DE PRODUCCIÓN
Para evaluar este proceso es preciso aplicar una herramienta CAPP
(Planificación de Procesos Asistida por Computador) que se utiliza para
simular, planear, experimentar y rediseñar sistemas sin perturbar su
funcionamiento actual, analizar el problema y tomar la mejor decisión es
necesario para obtener los resultados estimados.
Es fácil de usar y se puede modelar cualquier situación. Esto servirá para
modelar el proceso de fabricación y transformación e identificar las falencias
y cambios que se deben realizar dentro del mismo (García Dunna, García
Reyes, & Cárdenas Barrón, 2006).
17
2.7.2 SISTEMA MECÁNICO
El software CAD (Diseño Asistido por Computador) usado para el modelado
de la parte mecánica, estos programas permiten modelar piezas, que son
transcendentales el momento de ser combinadas en ensamblajes y mediante
variaciones en sus parámetros extraer la información necesaria para
comprobar su funcionalidad.
Facilita realizar prototipos digitales y simular máquinas con animaciones de
los ensamblajes mecánicos incluso antes de crear el prototipo. Con la
animación de ensamblajes se podrá comprobar el movimiento del mecanismo
y examinar los componentes en movimiento para mejorar el diseño. Consta
de simuladores de esfuerzos para diseño de elementos mecánicos (Ramírez
& Vallejo, 2010).
2.7.3 SIMULACIÓN SISTEMA DE CONTROL
El software de programación para control se ejecuta en lenguaje LD (Ladder
Diagram), puede utilizarse para esquematizar un sistema de control. Facilita
observar el control del sistema antes de ponerlo en funcionamiento y realizar
las mejoras para que trabaje correctamente.
3. METODOLOGÍA
18
Los métodos a implementarse para el diseño y la simulación de la máquina
formadora zero son analizados en base a los requerimientos necesarios. Para
que los resultados que se obtengan cumpla con los lineamientos establecidos
y alcanzar los objetivos de este proyecto.
3.1 METODOLOGÍA
Se usó la metodología en V para describir el procedimiento del diseño y la
simulación que permite definir los materiales. Como se muestra en la Figura
12.
Figura 12. Metodología en V (Gausemeier & Moehringer, 2004)
La metodología para sistemas mecatrónicos en cada caso puede ser distinto
pero manejando el mismo esquema, en este caso por ser un proyecto de
diseño y simulación pero sin construcción se implementó la metodología que
se presenta en la Figura 12, la cual cumple de mejor manera con los pasos a
seguir y las comprobaciones respectivas del sistema automático.
Esta metodología hace referencia al proceso del sistema mecánico, sistema
de control y la simulación, que en sí juntan los sensores y actuadores que por
medio de una señal de entrada se controla cada función y se podrán divisar
en la simulación. Previo a esto se debe tener claro los materiales, las formas,
dimensiones, propiedades y características, herramientas, investigación
19
bibliográfica en libros y artículos científicos que cubren una cierta expectativa.
En la parte izquierda de la V se presentan las especificaciones del proyecto
que son necesarias cumplir para ser aceptado, en la parte derecha se realizan
las pruebas necesarias para demostrar cada una de las especificaciones
citadas en el lado izquierdo.
3.2 ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
Se examinará todos los distintos requerimientos que intervienen en el sistema
automático y se tiene una idea clara de lo que desea el cliente o usuario y la
manera en que se va a exhibir la solución que está inquiriendo.
El punto de inicio está en especificar los requisitos y posteriormente evaluarlos
para entender el comportamiento del sistema.
Requerimientos Funcionales: Se enfoca en los requerimientos que debe
tener el sistema, ajustándose a las necesidades de manufactura y del cliente
Como son:
o Producir a una velocidad de 1000 [mm/seg].
o Produzca 600 Toneladas o más, mensuales.
o Un sistema que junto con los actuadores y sensores relacionados entre sí
cumplan con la función principal que es apilar tubería.
Requerimientos de materiales: Se ajusta a las condiciones ambientales y
de trabajo a las que van estar expuestos. Y se enlistan a continuación:
o Sean anticorrosivos e inoxidables.
o Durable.
o Soporte los esfuerzos a los que va ser sometido. Y al ser una fábrica de
producción de tubería, se pueda usar productos que ahí se realizan e
implementar producto de segunda.
Requerimientos geométricos (forma) y de ensamble: Como este proyecto
consiste en aumentar un proceso más a la máquina se debe tener en cuenta
la posición de la máquina y las condiciones entorno a la misma:
20
o No sobrepase las dimensiones de acuerdo al espacio disponible.
o Permita adaptarse al resto del proceso de funcionamiento de la máquina.
o Fácil de adaptar la estructura con los distintos actuadores involucrados en
el sistema automático.
Requerimientos de control: Debe satisfacer las necesidades para controlar
el proceso de descarga y apilamiento de tubería que son:
o Sea un sistema automático en gran porcentaje.
o Se pueda controlar cada funcionamiento de los actuadores.
3.2 RESTRICCIONES
Aquí se exhiben las condiciones limitadoras específicas del proyecto. Se
presenta la especificación de restricciones en el diseño preliminar.
Se enumeran las condiciones limitadoras del proyecto asociadas con los
aspectos que se presentan a continuación, y de acuerdo presentar opciones
para tomar la que mejor se acople a las restricciones y requerimientos.
El éxito del proyecto depende de la complementación dentro de las
restricciones establecidas, que son:
o La calidad
o El presupuesto
o Espacios disponibles, dimensiones exteriores
o Tecnología y disponibilidad de materiales
o Conocimiento
o Disponibilidad de recursos
o Los términos y requerimientos del sistema
o Cronograma (tiempo)
o Limitaciones de costo
o Los riesgos
El sistema automático debe ser capaz de transportar tubos de hasta 71.575
[Kg], de secciones cuadrada y rectangular.
21
Debe apilar tubería que, en el caso más crítico pesa 644.175 [Kg]. Dicho
transporte y apilado debe ser realizado a una velocidad 60 [m/min].
Existen restricciones físicas que se presentan debido al espacio disponible
para ensamblar (si fuera el caso) y operar el sistema automático, por lo cual,
las dimensiones deben ser adaptadas de acuerdo a dicho espacio con el fin
de facilitar su operación.
3.5 MATERIALES
En la Figura 13 se muestran los materiales y componentes que se necesitan
para formar el sistema automático en el apilamiento de tubería en la formadora
zero.
En su mayoría los componentes son simulados como un sistema para
determinar si las opciones presentadas son la mejor elección.
Los componentes mecánicos son importantes debido que realizan la acción
dinámica programada previamente y satisfaga con las funciones que
demande el sistema sin presentar fallas.
Los componentes eléctricos y de control cumplen la función de transmitir
la información a los componentes mecánicos para que realicen su función
dentro del sistema.
Figura 13. Componentes del sistema automático
• Tubería estructural
• Cilindros neumáticos
• Bandas TransportadorasComponenetes
Mecánicos
• Sensores (magnéticos, fotoeléctricos y ópticos)
• Pulsadores
• Motores AC
• PLC
Componentes eléctricos y de
control
22
3.3 ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE LAS ALTERNATIVAS
APROPIADAS PARA EL SISTEMA
Las diferentes alternativas deben ser analizadas y evaluadas en función de
los factores y criterios presentados en los requerimientos y restricciones, se
basan en los mecanismos que utilizan las distintas máquinas industriales.
Para cada parte del sistema se presentan dos o tres opciones requeridas para
cumplir con los requerimientos del mismo y se selecciona la mejor opción en
base a las propiedades y la calificación que se le da a cada una de esas
propiedades.
Se implementó dos tipos de ponderaciones, la primera es del 1-10, siendo 1
para la propiedad menos importante y 10 para la más importante, y la segunda
ponderación es del 1-5, siendo 5 para la alternativa más apropiada y 1 para la
menos apropiada.
3.3.1 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE TRANSPORTE
Para la selección del sistema de transporte de la tubería se presentó tres
posibles alternativas; las que más frecuentemente se usan para el transporte
de distintos materiales. Los criterios analizados se presentan en la Tabla 2.
Tabla 2. Selección de mecanismo de transporte
Transporte Tubería
Propiedades Importancia Banda
Transportadora Cadenas Rodillos
Durabilidad 8 3 4 2
Soporte condiciones ambientales y de trabajo 9 4 5 3
Dimensiones óptimas 10 5 3 2
Forma 5 4 2 3
Fácil instalación 6 5 4 3
Costo 7 4 2 3
25 20 16
23
Con los resultados de la calificación elaborados en las tres alternativas se
dispuso trabajar con una banda transportadora, ya que obtuvo la más alta
valoración, la cual fue evaluada junto con el ingeniero de la planta en base a
catálogos de maquinaria y otras máquinas existentes dentro de la empresa.
3.3.2 SELECCIÓN DEL ACTUADOR ELÉCTRICO PARA EL MOVIMIENTO
DE LA BANDA TRANSPORTADORA
Para el movimiento de la banda transportadora se analiza tres posibles
alternativas de acuerdo a la ponderación establecida. Se presentan las
opciones que más se implementan en las bandas transportadoras, como se
muestra en la Tabla 3.
Tabla 3. Selección del actuador eléctrico para la banda transportadora.
Movimiento Banda Transportadora
Propiedades Importancia Motor DC Motor AC Motor paso a
paso
Velocidad Requerida 8 3 5 2
Torque del motor 7 2 4 3
Dimensiones óptimas 9 5 4 3
Tiempo de vida 5 3 5 4
Sistema de control 10 3 5 4
Fácil instalación 7 5 4 3
Costo 6 5 3 4
26 30 23
De acuerdo a la ponderación de la Tabla 3 se decidió utilizar el motor AC
porque tuvo la mayor calificación, y esto demuestra que es uno de los
sistemas más usados en las máquinas industriales para obtener la velocidad
y torque requeridos para mover grandes objetos.
3.3.3 SELECCIÓN DEL MECANISMO DE EMPUJE DE CADA TUBO
Para llegar a la selección del mecanismo de empuje, se hizo el estudio de dos
alternativas de acuerdo a los criterios que se presentan en la Tabla 4. Se
presentan solo dos alternativas debido a que no existe otro tipo de mecanismo
que sirva para el empuje, a no ser que sean cilindros hidráulicos pero estos
se descartan por el hecho de que no existe sistema hidráulico e implementar
esto representaría un costo mayor.
24
Tabla 4. Selección del mecanismo de empuje
Empuje de cada tubo
Propiedades Importancia Cilindro de
doble efecto
Cilindro de simple efecto
Facilidad de montaje 6 5 4
Control de avance y retroceso 10 5 3
Dimensiones óptimas 7 3 4
Durabilidad 9 5 3
Costo 8 3 5
21 19
El estudio de las alternativas en la Tabla 4 refleja que el de mayor puntaje es
el cilindro de doble efecto, por su facilidad de control de avance y retroceso
que es importante manejarlo para el empuje de cada tubo. Este mecanismo
se aprecia mejor en las Figuras 38 y 39 del Capítulo 4.
3.3.4 SELECCIÓN DEL SISTEMA PARA EL SOPORTE DE LA TUBERÍA
Para la selección del sistema de soporte de tubería se analiza dos alternativas,
que fueron tomadas de los sistemas que más comúnmente usan en las
máquinas y procesos industriales. Se presentan de acuerdo a los distintos
criterios que se califican en la Tabla 5.
Tabla 5. Selección del sistema de soporte de tubería
Soporte paquete de tubería
Propiedades Importancia Poleas Cilindro de
doble efecto
Facilidad de ensamble 5 4 5
Necesidad de estructura 8 2 3
Control de avance y retroceso
10 4 3
Dimensiones adecuadas 6 2 4
Durabilidad 9 4 3
Costo 7 3 5
19 23
El análisis de las alternativas expresa que la mejor opción para el sistema de
soporte de la tubería es el cilindro de doble efecto, el sistema se observa mejor
en las Figuras 22 y 24 del Capítulo 4.
25
3.3.5 SELECCIÓN DEL MATERIAL PARA LA ESTRUCTURA
Los materiales analizados se enfocan de acuerdo a sus propiedades físicas y
mecánicas, el material de la estructura tiene que satisfacer todas las
especificaciones presentadas en los criterios presentados en la Tabla 6.
El material escogido para la estructura influye mucho en el sistema debido a
que en él se montan todos los elementos.
Con los resultados de la calificación de las tres alternativas se dispuso trabajar
con materiales en acero inoxidable, ya que obtuvo la más alta valoración y las
altas propiedades físicas y mecánicas que presta.
Tabla 6. Selección del material para la estructura
Estructura
Propiedades Importancia Aluminio Acero Inoxidable Metal
Dimensiones 5 2 4 3
Forma 9 3 5 4
Durabilidad 8 2 5 4
Esfuerzos 10 2 4 3
Facilidad de ensamble 7 3 5 4
Costo 6 4 2 3
16 25 21
3.3.5 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE ABRE – CIERRA
Este sistema es el que permite que los tubos apilados pasen hacia la parte de
enzunchado, es un movimiento circular y debe girar en sentido anti horario, el
sistema se muestra en la Figura 14. Y los factores de evaluación se presentan
la Tabla 7.
De acuerdo a la evaluación de la Tabla 7 se decidió usar el cilindro de doble
efecto, debido a la disponibilidad de cilindros en la empresa de máquinas
anteriores, y por su costo y la facilidad de control, ya que controlar un cilindro
es más fácil que un servomotor.
26
Figura 14. Estructura del sistema abre –cierra
Tabla 7. Selección sistema abre - cierra
Sistema abre - cierra
Propiedades Importancia Servomotor Cilindro de doble
efecto
Tiempo de vida 5 4 5
Facilidad de acoplamiento 8 2 3
Control de funcionamiento 10 4 3
Dimensiones óptimas 6 2 4
Facilidad de ensamble 9 4 3
Costo 7 3 5
19 23
3.3.5 SELECCIÓN DE SENSOR
La tubería va a bajar por las bandas transportadoras primarias hacia la
estructura de empuje, donde los cilindros son los que los empujan de uno en
uno hasta juntar los tres tubos, es aquí donde se usará el sensor de
proximidad para que cada vez que baje un tubo active el cilindro que empuje
cada uno de ellos y enviarlos hacia la parte de apilado.
Este equipo se implementa también el momento para sensar la activación del
sistema abre – cierra como se muestra en la Figura 14 y activar las bandas
transportadoras secundarias.
27
Tabla 8. Selección de sensor
Sensores de proximidad
Propiedades Importancia Detectores
Fotoeléctricos Detectores Inductivos
Detectores capacitivos
Distancia de trabajo 6 5 4 3
Contaje de piezas 9 4 3 5
Precisión y velocidad 10 5 4 3
Condiciones de entorno 7 5 4 3
Vida Útil 5 5 3 4
Costo 8 3 5 4
27 23 22
3.3.6 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL
Sistema que determina el funcionamiento de todo el proceso, es una de las
partes más importantes, ya que el sistema de control es el que recibe y
transmite los datos, actúa junto con todos los dispositivos para alcanzar el
control y el flujo de la tubería. Debe ser eficiente, fácil de implementar y
garantizar la acción de control que puede ser por un PLC o un
microcontrolador como se muestra en la Tabla 9.
La opción considerada es el PLC como se observa en la Tabla 9, aunque es
difícil comparar el PLC con el microcontrolador, debido a que un PLC es un
microcontrolador más robusto, está característica es la que hace preferir el
PLC sobre el microcontrolador porque se implementará en una máquina
industrial.
Tabla 9. Selección sistema de control
Sistema de control
Propiedades Importancia PLC Microcontrolador
Conexión 7 3 4
Uso en la Industria 6 5 3
Conocimiento del sistema
5 4 3
Velocidad de respuesta 9 4 5
Fiabilidad 10 4 3
Costo 8 4 5
24 23
28
3.3 DISEÑO MECÁNICO
Se demanda diseñar una estructura que junto con los actuadores soporten la
interacción que tendrá con el ambiente, el peso de la tubería y con los
movimientos que estos produzcan, asegurando un mecanismo estable y
confiable durante su funcionamiento. Como se observa en la simulación los
componentes mecánicos y la estructura brindan un soporte rígido en base al
material elegido y disponible, de acuerdo a su peso y durabilidad.
La estructura está en función de los actuadores que son los que realizan el
desplazamiento y transporte de la tubería, tener en cuenta las distancias de
recorrido de los cilindros, para hacer un acoplamiento final entre los distintos
componentes, y realizar pruebas en el software que permite una visión clara
del proceso y así identificar cualquier defecto para realizar los cambios
respectivos.
La parte de diseño mecánico se hace en la herramienta CAD, que es ideal
para esto porque se puede usar distintos materiales y realizar cálculos,
cambiar partes si fuese necesario. En esta parte mecánica se refiere al cálculo
de esfuerzos, medidas de la estructura y diseño de distancias. Con los
requerimientos e información obtenida de la máquina se estudia el diseño de
las bandas transportadoras, los cilindros, la estructura.
Se analiza el sistema de transmisión por banda, la velocidad necesaria para
el movimiento de la banda que está en función de la velocidad de las
revoluciones y potencia del motor a usar, que en la mayoría de industrias son
motores AC trifásicos.
3.4 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL
Para el sistema de control se precisa diseñar o realizar un programa en Ladder
que cumpla con el funcionamiento apropiado de los actuadores que
intervienen en la máquina, debido a que los actuadores deben trabajar de una
manera sinérgica y ordenada y ser controladas por el PLC para satisfacer con
las necesidades del diseño.
29
Esta etapa se realiza por medio del software de control, el que permitirá
realizar pruebas y cargar el programa al PLC si así se lo requiere. Así mismo
se implementa la herramienta CAPP, que permite tener una idea clara al
momento de automatizar un proceso industrial y los cambios que sean
necesarios implementar antes de implementarlos. En el diseño electrónico y
de control se determina correctamente las entradas y salidas que intervienen
en la estructura de la programación, se define cada función que tienen los
sensores y los actuadores para que mediante el software de programación
controlar dichos actuadores eléctricos. Esto es necesario para ejecutar las
comprobaciones virtuales entre los sensores y actuadores necesarios para la
simulación.
3.5 PROTOCOLO DE PRUEBAS
Para la prueba del sistema automático se hizo en base al esquema que se
muestra en la Figura 15. Para el desarrollo del diseño se incorporan varias
herramientas asistidas por computador, que fortalecen y facilitan las
actividades de simulación y prototipo virtual que permiten realizar pruebas que
al hacerlas físicamente se perdería mucho tiempo y recursos. Se realizan
varias pruebas para seleccionar la opción más óptima que cumpla con los
requerimientos ya establecidos.
Figura 15. Proceso de Pruebas
Pruebas Dimensionales y estructurales (simulación)
Pruebas de Movimientos:
Accionamiento de actuadores en funcíon de los sensores (simulación)
Pruebas en el simulador de la máquina totalmente
ensamblada
30
Una vez que se definen los lineamientos para el sistema automático se lo
simula en el software y se realiza varias pruebas en dicho programa que
compruebe su funcionamiento, en estas pruebas se verifican: Las
dimensiones, velocidad de avance, pruebas de funcionamiento con carga,
soporte de la estructura, funcionamiento de actuadores, funcionamiento
ordenado y en conjunto, capacidad de transporte.
3.6 VALIDACÍON DEL DISEÑO EN EL SOFTWARE
Todos los datos y la información obtenidos a lo largo del diseño en general
son puestos en cada uno de los simuladores implementados para validar los
resultados e identificar la mejor opción para realizar el sistema automático y
sacar visión más clara de la realidad y observar la factibilidad de realizar este
sistema automático dentro de la empresa. El diseño en base a las
especificaciones técnicas permite verificar en el software si el sistema
automático cubre los requerimientos planteados, para evitar realizar o adquirir
productos que están fuera de una especificación deseada. Esta metodología
presentada debe ser en paralelo para facilitar el proceso de simulación, tanto
el estudio bibliográfico, los requerimientos el diseño mecánico como el diseño
electrónico y de control deben ser analizados y estudiados a la par para validar
el diseño, evitar errores y optimizar el proceso dentro del proyecto.
4. DISEÑO
31
4.1 DISEÑO Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS MECÁNICOS
Se identificará y calculará todas las propiedades y características técnicas que
se pretenden implementar en la parte mecánica, los trabajos realizados en
esta parte son las que serán llevados a las técnicas de modelado y simulación
en CAD y CAPP, permiten realizar ensayos y tener las alternativas correctas
para el diseño. El resultado de esta etapa muestra cómo se unen las distintas
piezas y elementos con las dimensiones y formas para formar la estructura y
el sistema.
Un dato que es necesario presentar debido a que se usa a lo largo del diseño
mecánico es el peso del tubo de sección rectangular; que es de 71.575 [Kg]
que mide 6 [m] de largo, y el paquete de tubos que contiene nueve tubos es
de 644.175 [Kg].
4.1.1 ESTRUCTURA DE EMPUJE
La simulación del sistema automático se hizo en base a los requerimientos de
la máquina, se realizó los cálculos de las partes nuevas, debido a que lo
demás ya se encuentra construido como se muestra en el Anexo 3. La
estructura va ser la que soporte la tubería para ser empujados hacía los
cilindros e irlos apilando de tres en tres, para entender de mejor manera
observar Anexo 4. De acuerdo a la sección de la estructura cuadrada como
se muestra en la Figura 16 se calcula la Inercía, lo que sirve para el cálculo
del esfuerzo máximo y determinar si es menor al esfuerzo permisible.
Figura 16. Colocación del centro de masa
32
𝐼 =𝐿𝑒4−𝐿𝑖4
12 [6]
Donde:
I: Inercia [𝑚4]
Le: Longitud exterior [m]
Li: Longitud interior [m]
c: Centro de masa [m]
𝐼 =(0.04)4 − (0.036)4
12
𝐼 = 7.333𝑥10−8 𝑚4
𝑐 = 0.02 𝑚
En la Figura 17 se muestra el diagrama de fuerzas que ejercen dentro de la
estructura.
Figura 17. Diagrama de fuerzas de la estructura de empuje
Al aplicar la sumatoria de momentos y sumatoria de fuerzas se halla las
reacciones en cada uno de los soportes, para la sumatoria de momentos a lo
largo del diseño se considera al sentido anti-horario como positivo al igual que
la sumatoria de fuerzas en el eje Y como positivo.
Σ𝑀𝑅1 = 0
−210.43(0.15) + 𝑅2(1.1389) = 0
1.1389𝑅2 = 31.564
𝑅2 =31.564
1.1389
33
𝑅2 = 27.715 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
𝑅1 − 210.43 + 𝑅2 = 0
𝑅1 = −27.715 + 210.43
𝑅1 = 182.715 𝑁
En la Figura 18 se muestra las reacciones previamente calculadas.
Figura 18. Diagramas de Esfuerzo y Momentos de la estructura de empuje
Para saber si la viga va resistir la fuerza aplicada se debe determinar el
esfuerzo máximo para compararlo con el permisible, donde de la Figura 18 se
toma el momento máximo para poder hallar dicho esfuerzo máximo.
𝜎𝑚𝑎𝑥 =𝑀∗𝑐
𝐼 [7]
Donde:
M: Momento máximo [Nm]
𝜎𝑚𝑎𝑥: Esfuerzo máximo en [MPa]
I: Inercia [𝑚4]
c: Centro de masa [m]
34
𝜎𝑚𝑎𝑥 =23.80 ∗ 0.02
7.336𝑥10−8
𝜎𝑚𝑎𝑥 = 6.493𝑥106 𝑃𝑎
𝜎𝑚𝑎𝑥 = 6.493 𝑀𝑃𝑎
Para verificar que la viga soporta el peso al que va estar sometido se usan las
ecuaciones 8 y 9, Sy es la resistencia a la fluencia del acero ASTM A36:
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 =𝑆𝑦
𝑁 [8]
Donde:
𝑆𝑦: Resistencia de fluencia del material [MPa]
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚: Esfuerzo permisible [MPa]
N: Factor de diseño adimensional de 2.5
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 =250
2.5
𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 100𝑀𝑃𝑎
𝜎𝑚𝑎𝑥 < 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 [9]
6.493 𝑀𝑃𝑎 < 100𝑀𝑃𝑎
De estos cálculos se puede decir que la estructura de sección rectangular
soportará el peso de la tubería a la que va estar sometido.
En base a las Figuras 16 y 17 se realiza la verificación de las columnas
laterales para saber si soportan las cargas a las que van estar sometidas, la
columna de sección cuadrada y sección redonda tienen una longitud de 519.5
[mm].
Para la columna de sección cuadrada:
𝐴⊡ = 𝐴𝑒𝑥𝑡 − 𝐴𝑖𝑛𝑡 [10]
Donde:
𝐴⊡: Área del cuadrado hueco [𝑚2]
𝐴𝑒𝑥𝑡: Área exterior [m]
35
𝐴𝑖𝑛𝑡: Área interior [m]
𝐴⊡ = (0.04)2 − (0.036)2
𝐴⊡ = 3.04𝑥10−4 𝑚2
La Inercia es de 7.333𝑥10−8 [𝑚4], que se toma de la ecuación 6. El área y la
inercia permiten calcular el radio de giro que es indispensable para cálculos
posteriores.
𝑟 = √𝐼
𝐴 [11]
Donde:
r: Radio de giro [m]
I: Inercia [𝑚4]
A: Área [𝑚2]
𝑟 = √7.333𝑥10−8
3.04𝑥10−4
𝑟 = 0.0155 𝑚
𝑟 = 15.53𝑥10−3 𝑚
Con el radio de giro obtenido se determina la relación de esbeltez para
compararla con la constante de columna y saber que formula aplicar
dependiendo si es columna larga o columna corta:
𝑅𝐸 =𝐾𝐿
𝑟 [12]
Donde:
RE: Relación de esbeltez, adimensional
K: constante que depende del extremo fijo.
L: Longitud real de la columna [m]
La columna por estar fija en sus columnas, es decir, empotrado – empotrado
K=0.65:
36
𝑅𝐸 =0.65(0.519)
(0.0155)
𝑅𝐸 = 21.76
𝐶𝑐 = √2𝜋2𝐸
𝑆𝑦 [13]
Donde:
Cc: Constante de columna, adimensional
E: Módulo de elasticidad [207GPa]
𝑆𝑦: Resistencia de fluencia del material [207MPa]
El módulo de elasticidad y la resistencia de fluencia son propiedades de los
aceros, tomados de libros de diseño mecánico y son:
𝐶𝑐 = √2𝜋2(207𝑥109)
207𝑥106
𝐶𝑐 = 140.496
Con la ecuación 14 se determina si es columna larga o corta y dependiendo
de eso se implementa en la ecuación 15.
𝑅𝐸 > 𝐶𝐶 [14]
21.76 > 140.496
Se observa que RE NO es mayor a Cc, entonces se aplica la ecuación 15 y
se continúa el análisis como columna corta.
𝑃𝑒𝑟 = 𝐴 ∗ 𝑆𝑦 [1 −𝑆𝑦(𝐾𝐿/𝑟)2
4𝜋2𝐸] [15]
Donde:
𝑃𝑒𝑟: Carga crítica de pandeo [kN]
𝑃𝑒𝑟 = 3.04𝑥10−4(207𝑥106) [1 −207𝑥106(0.65 ∗ 0.519/0.0155)2
4𝜋2(207𝑥109)]
𝑃𝑒𝑟 = 62.17𝑥103𝑁
37
𝑃𝑒𝑟 = 62.17 𝑘𝑁
Se determina la carga admisible para garantizar que la carga aplicada sea
segura y menor que la carga crítica de pandeo:
𝑃𝑎 =𝑃𝑒𝑟
𝑁 [16]
Donde:
𝑃𝑎: Carga admisible [kN]
𝑃𝑎 =62.17
2.5
𝑃𝑎 = 24.87 𝑘𝑁
La carga real aplicada es el peso total de tres tubos, es decir, 2104.305 [N].
Entonces:
𝑃 < 𝑃𝑎 [17]
Donde:
𝑃: Carga real aplicada [kN]
2.1𝑘𝑁 ≪ 24.87𝑘𝑁
Con estos cálculos se verifica que la columna de sección rectangular
soportará carga al que va estar sometido por la tubería.
Con las ecuaciones 12, 13, 14, 15, 16 y 17 se realiza el cálculo para la columna
de sección redonda hueca, del cual se sabe que tiene un diámetro de 88.9
[mm] y un espesor de 5 [mm].
𝐴𝜊 =𝜋(𝐷2−𝑑2)
4 [18]
Donde:
𝐴𝜊: Área del tubo circular hueco [𝑚2]
D: Diámetro exterior [m]
d: diámetro interior [m]
38
𝐴𝜊 =𝜋(0.0882 − 0.08392)
4
𝐴𝜊 = 5.33𝑥10−4 𝑚2
𝑟 = √𝐷2 +𝑑2
4 [19]
𝑟 = √0.0882 +0.083992
4
𝑟 = 0.097 𝑚
Con el radio de giro obtenido se determina la relación de esbeltez para
compararla con la constante de columna y saber que formula aplicar
dependiendo si es columna larga o columna corta como se realizó
anteriormente para la sección rectangular:
𝑅𝐸 =𝐾𝐿
𝑟 [12]
La columna por estar fija en sus columnas, es decir, empotrado – empotrado
K=0.65:
𝑅𝐸 =0.65(0.519)
(0.097)
𝑅𝐸 = 3.477
𝐶𝑐 = √2𝜋2𝐸
𝑆𝑦 [13]
𝐶𝑐 = √2𝜋2(207𝑥109)
207𝑥106
𝐶𝑐 = 140.496
Con la ecuación 14 se determina si es columna larga o corta y dependiendo
de eso se implementa en la ecuación 15.
𝑅𝐸 > 𝐶𝐶 [14]
39
3.477 > 140.496
Se observa que RE NO es mayor a Cc, entonces se aplica la ecuación 15 y
se continúa el análisis como columna corta.
𝑃𝑒𝑟 = 𝐴 ∗ 𝑆𝑦 [1 −𝑆𝑦(𝐾𝐿/𝑟)2
4𝜋2𝐸] [15]
𝑃𝑒𝑟 = 35.53𝑥10−4(207𝑥106) [1 −207𝑥106(0.65 ∗ 0.519/0.097)2
4𝜋2(207𝑥109)]
𝑃𝑒𝑟 = 114435.94𝑁
𝑃𝑒𝑟 = 114.43 𝑘𝑁
Se determina la carga admisible para garantizar que la carga aplicada sea
segura y menor que la carga crítica de pandeo:
𝑃𝑎 =𝑃𝑒𝑟
𝑁 [16]
𝑃𝑎 =114.43
2.5
𝑃𝑎 = 45.77 𝑘𝑁
La carga real aplicada es el peso total de tres tubos, es decir, 2104.305 [N].
Entonces:
𝑃 < 𝑃𝑎 [17]
2.1𝑘𝑁 ≪ 45.77 𝑘𝑁
Con estos cálculos se verifica que la columna de sección circular soportará
carga al que va estar sometido por la tubería.
4.1.2 BANDAS TRANSPORTADORAS
Las bandas transportadoras se dividen en primarias y secundarias. Las
primarias serán accionadas mediante pulsador. Y las secundarias son
controladas en la simulación por el software de control. Estas bandas se
implementan en dos etapas del proceso como se muestra en la Figura 19, por
lo cual, la selección de los mismo deben ser los idóneos.
40
Figura 19. Identificar las bandas transportadoras dentro de la simulación
4.1.2.1 Banda Transportadora Primaria
Está marcadas dentro un cuadrado negro en la Figura 20 y se aprecia de
mejor manera en la Figura 21. Estas bandas transportadoras cumplen con la
función de transportar el tubo rectangular, cuentan con un pulsador debido a
que solo se usa para la tubería de sección rectangular, para la redonda no es
necesario activarla porque al ser de sección redonda rueda por esta superficie
de la banda transportadora.
Figura 20. Banda Transportadora primaria
La velocidad que se requiere de la banda es de 1000 [mm/seg], con esto y en
base al diámetro del rodillo tambor como se muestra en la Figura 22, se
obtiene las revoluciones necesarias para obtener la velocidad de las bandas
requerida.
41
Figura 21. Rodillo tambor 1
𝑉𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎𝑠 = 1000 𝑚𝑚𝑠𝑒𝑔⁄ = 1 𝑚
𝑠𝑒𝑔⁄
𝐷𝑅𝑜𝑑. 𝑇𝑎𝑚. = 44𝑚𝑚 = 0.044𝑚
Con el diámetro se determina la velocidad del motor:
𝑤 =𝑉
𝑟 [20]
Donde:
W: velocidad del motor en [rad/seg]
V: Velocidad de avance en [m/seg]
r: radio del rodio tambor [m]
𝑤 =1
0.022
𝑤 = 45.49 𝑟𝑎𝑑𝑠𝑒𝑔⁄ = 434.4 𝑅𝑃𝑀
Por consiguiente para que la banda avance 1 [m] se necesita dar 434.4 [RPM]
La potencia eléctrica necesaria para desplazar 71.575 [kg] que corresponden
al peso de cada tubo y al dividir para las 3 bandas se obtiene 23.86 [kg] que
es el peso que va soportar cada banda primaria.
𝑃𝑁 =𝐹∗𝑉
1000∗𝑛 [21]
Donde:
PN: Potencia nominal del motor [KW]
F: Fuerza en [N]
V: velocidad de avance en [m/seg]
42
n: Rendimiento mecánico
El rendimiento mecánico es la eficiencia de la transmisión de la potencia
mecánica a través del mecanismo de transmisión y es igual a 0.9 debido a
que es un acoplamiento directo al motor y se considera altamente eficiente.
Por lo tanto la fuerza está dada por la ecuación 22:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑔 [22]
Donde:
F: Fuerza en [N]
m: masa en [kg]
g: aceleración [9.81𝑚𝑠𝑒𝑔2⁄ ]
𝐹 = 23.86𝑘𝑔 ∗ 9.81 𝑚𝑠𝑒𝑔2⁄
𝐹 = 233.83 𝑁
Entonces cambiando las variables en la ecuación 21 resulta:
𝑃𝑁 =233.83𝑁 ∗ 1 𝑚
𝑠𝑒𝑔⁄
1000 ∗ 0.9
𝑃𝑁 = 0.26 𝐾𝑊 = 260𝑊
El motor requiere una potencia de 260 W y sabiendo que 1hp = 746 W,
aplicando la ecuación 23 se obtiene en HP’s:
ℎ𝑝 =𝑃𝑁
746𝑊 [23]
ℎ𝑝 =260𝑊
746𝑊= 0.3485ℎ𝑝
El motor comercial que más se aproxima al valor obtenido es 0.5Hp, se lo
puede identificar en el catálogo de motores de siemens del Anexo 5.
Para cálculos posteriores es necesario saber el Torque del motor, y donde se
implementó dos ecuaciones la 24 y 26 con el fin de verificar resultados del
torque.
43
𝑃 = 𝑤 ∗ 𝑀 [24]
Donde:
P: Potencia del motor en [Watts]
w: velocidad del motor en [rad/seg]
M: Momento o Torque [Nm]
La velocidad ya fue determinada anteriormente, Despejando M y
reemplazando se obtiene:
𝑀 =𝑃
𝑤 [25]
𝑀 =260𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠
45.49 𝑟𝑎𝑑𝑠𝑒𝑔⁄
𝑀 = 5.71 [𝑁𝑚]
𝑇 =𝐻𝑃∗716
𝑅𝑃𝑀 [26]
Donde:
HP: Potencia del motor en [HP]
RPM: velocidad del motor en [RPM]
T: Momento o Torque [Kgm]
𝑇 =0.3485 ∗ 716
434.4
𝑇 = 0.574 [𝐾𝑔𝑚]
𝑇 = 5.63 [𝑁𝑚]
Como se observa M es casi igual a T, entonces se comprueba que ambos
cálculos son correctos para el torque del motor de la banda transportadora.
4.1.2.2 Selección de rodamientos para la banda transportadora
primaria
El rodillo de la banda primaria está diseñado para ejercer una fuerza normal
de 233.812 [Nm] de carga longitudinal del rodillo, es decir distribuida y se debe
44
determinar la fuerza de tracción concentrada y la fuerza normal concentrada
que permiten aplicar la sumatoria de fuerzas y la sumatoria de momentos.
Se sabe que la velocidad del rodillo es de 434.4 [rpm], el torque del motor es
de 5.71 [Nm], los cojinetes de bola se montarán en A y B, como se ilustra en
el diagrama de Fuerzas del cilindro primario en la Figura 22.
Figura 22. Diagrama de fuerzas en el rodillo primario
En base al Torque del motor se determina la Fuerza F.
𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝐹 ∗ 𝑟
𝐹 =𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
𝑟 [27]
𝐹 =5.71
0.032
𝐹 = 178.437 𝑁
Donde:
F: Fuerza que ejerce el motor [N]
Tmotor: Torque del motor [Nm]
r: radio del engrane del motor [m]
45
La fuerza normal al ser una fuerza distribuida se debe calcular la fuerza
concentrada, que se realiza mediante la multiplicación entre la fuerza
distribuida por la distancia de superficie de contacto mostrada en la Figura 23.
𝐹𝑁 = 233.812𝑁
𝑚∗ 0.298𝑚
𝐹𝑁 = 69.676 𝑁
Primero se debe determinar la fuerza de tracción, y esto se hace analizando
las fuerzas de torque como se observa en la Figura 23.
Figura 23. Fuerzas de torque en el rodillo primario
Σ𝑇 = 0
−𝐹𝑅(0.022) + 𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 0
−0.022𝐹𝑅 = −5.71
𝐹𝑅 =5.71
0.022
𝐹𝑅 = 259.545 𝑁
Donde:
FR: Fuerza de tracción [N]
FN: Fuerza normal [N]
En esta parte se analizan las reacciones en cada uno de los planos, aplicando
sumatoria de momentos y sumatoria de fuerzas.
Plano (x, y)
Σ𝑀𝐴 = 0
46
−𝐹𝑁(0.169) + 𝐵𝑦(0.338) = 0
0.338𝐵𝑦 = 69.676(0.169)
𝐵𝑦 =11.775
0.338
𝐵𝑦 = 34.838 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
𝐴𝑦 − 𝐹𝑁 + 𝐵𝑦 = 0
𝐴𝑦 = 𝐹𝑁 − 𝐵𝑦
𝐴𝑦 = 69.676 − 34.838
𝐴𝑦 = 34.838 𝑁
En el diagrama de esfuerzos de la Figura 24 se observa que las reacciones
en A y en B determinadas anteriormente son correctas, está es una
comprobación que se realiza en el plano (x, y) para continuar con los cálculos
siguientes.
Figura 24. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, y) rodillo primario
Plano (x, z)
Σ𝑀𝐴 = 0
𝐹𝑅(0.169) + 𝐵𝑧(0.338) − 𝐹(0.378) = 0
0.338𝐵𝑧 = −259.545(0.169) + 178.437(0.378)
47
𝐵𝑧 =23.586
0.338
𝐵𝑧 = 69.781 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
𝐴𝑧 + 𝐹𝑅 + 𝐵𝑧 − 𝐹 = 0
𝐴𝑧 = −𝐹𝑅 − 𝐵𝑧 + 𝐹
𝐴𝑧 = −259.545 − 69.781 + 178.437
𝐴𝑧 = −150.889 𝑁
En la Reacción Az se observa que es negativa, esto quiere decir que la
reacción es contraria a lo considerada como se muestra en la Figura 25, esto
no afecta en los cálculos, debido que al determinar las reacciones totales se
elevan al cuadrado haciéndolo positivo, obsérvese en la ecuación 28 y 29.
Figura 25. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, z) rodillo secundario
La reacción total en una sección o punto es la suma de vectores de las
reacciones, esto es:
𝑅𝐴 = √(𝐴𝑦)2 + (𝐴𝑧)2 [28]
𝑅𝐴 = √(34.838)2 + (−150.889)2
𝑅𝐴 = 154.858 𝑁
𝑅𝐵 = √(𝐵𝑦)2 + (𝐵𝑧)2 [29]
𝑅𝐵 = √(34.838)2 + (69.781)2
48
𝑅𝐵 = 77.994 𝑁
Posterior a determinar las reacciones en los apoyos se calcula la capacidad
de carga para determinar los rodamientos, en este caso se puede diseñar
tanto para ambos apoyos individualmente, es decir, dos rodamientos distintos
que satisfagan a cada uno de los apoyos o se puede diseñar un solo
rodamiento en base a la comparación entre 𝑅𝐴 y 𝑅𝐵, y se selecciona a la de
mayor fuerza, entonces 𝑅𝐴 > 𝑅𝐵, 𝑅𝐴 va ser quien gobierne el diseño, debido a
que al diseñar en base a 𝑅𝐴 se garantiza que los cálculos satisfagan las
condiciones en el apoyo B. Entonces, después de tomar este criterio de diseño
se pasa al cálculo de la capacidad de carga y seleccionar el rodamiento.
Para calcular la capacidad de carga se debe presentar ciertos datos que son
dados por los Anexos 6, 7 Y 8, 𝑎 toma el valor de 3 por ser rodamientos de
bolas, es una condición de diseño, 𝑛𝐷 es la confiabilidad que se desea para el
rodamiento, que en todos los casos será del 95%. Cada fabricante de
rodamientos tiene su punto de vista y toma decisiones respecto a los
materiales y tratamientos térmicos, difieren con respecto a la distribución de
vida de los rodamientos, por ende en el Anexo 8 se toma los datos del
fabricante 2, debido a que los Anexos 6 y 7 se basan en este fabricante. En
base al Anexo 6 y sabiendo que la máquina opera continuamente las 24 horas,
se toma el valor de 60 [kh] para la vida de los cojinetes o rodamientos.
Con respecto al Anexo 7 se elige el factor de aplicación de 1.2 debido a que
en esta parte del proceso la maquinaria sufre de impactos ligeros. La
velocidad de diseño o velocidad del motor 𝑛𝐷 se determinó en el capítulo
4.1.2.1.
Datos:
𝑋0 = 0.02
𝜃 = 4.459
𝑏 = 1.483
𝑎 = 3
𝐿𝐷 = 60 𝑘ℎ
49
𝑎𝑓 = 1.2
𝑅𝐷 = 95%
𝑛𝐷 = 434.4 𝑟𝑝𝑚
𝐶10 = 𝐹𝐷 [𝑋𝐷
𝑋0+(𝜃−𝑋0)(ln1𝑅𝐷
⁄ )1
𝑏⁄]
1𝑎⁄
[30]
Donde:
𝐶10: Capacidad de Carga [N]
𝐹𝐷: Factor de diseño [N]
𝑅𝐷: Confiabilidad
𝐹𝐷 = 𝑎𝑓 ∗ 𝑅𝐴 [31]
𝐹𝐷 = 1.2 ∗ 154.85
𝐹𝐷 = 185.82 𝑁
Donde:
𝑎𝑓: Factor de aplicación
𝑅𝐴: Reacción en el apoyo A
𝑅𝐷: Confiabilidad
𝑋𝐷 =60∗𝑛𝐷∗𝐿𝐷
𝐿10 [32]
𝑋𝐷 =60 ∗ 434.4 ∗ 60000
106
𝑋𝐷 = 1563.84
Donde:
𝑋𝐷: Vida adimensional
𝑛𝐷: Velocidad de diseño [rpm]
𝐿𝐷: Horas de diseño [horas]
𝐿10: Vida nominal
Se reemplaza en la ecuación 30:
50
𝐶10 = 185.82 [1563.84
0.02 + (4.459 − 0.02)(ln 10.95⁄ )
11.483⁄
]
13⁄
𝐶10 = 2530.73 𝑁
𝐶10 = 2.53 𝑘𝑁
Para la selección del rodamiento en Anexo 9 se debe identificar las
clasificaciones de carga en [kN] para ranura profunda 𝐶10 y se determina los
diámetros para los rodamientos que son:
𝐷𝑖 = 10 [𝑚𝑚]
𝐷𝑒 = 30 [𝑚𝑚]
4.1.2.3 Banda Transportadora secundaria
Se encuentran marcadas dentro un cuadrado naranja en la Figura 20 y se
aprecia de mejor manera en la Figura 26. Estas bandas transportadoras
cumplen con la función de transportar todo el paquete de tubería rectangular,
estas bandas cuentan con un sistema de control, que permite moverse a la
banda una vez que hayan bajado los cilindros de recepción junto con la
estructura de la articulación se active la banda y movilice todo el paquete de
tubería, su funcionamiento depende del accionar de un sensor.
Figura 26. Banda transportadora secundaria
51
La velocidad que se requiere de la banda es de 1000 [mm/seg], con esto y en
base al diámetro del rodillo tambor como se muestra en la Figura 27, se
obtiene las revoluciones necesarias para la obtener la velocidad de las bandas
requerida.
Para los cálculos de esta parte de las bandas transportadoras se ejecuta el
mismo proceso anterior debido a que se basan en el mismo principio. Se
utilizan las formulas 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, y 26. Obviamente cambiando
la información y los datos como el diámetro del rodillo tambor y el peso que
van a soportar estas bandas.
Figura 27. Rodillo tambor 2
𝑉𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎𝑠 = 1000 𝑚𝑚𝑠𝑒𝑔⁄ = 1 𝑚
𝑠𝑒𝑔⁄
Al igual que en el análisis interior es necesario obtener las revoluciones en
base al diámetro del rodillo tambor.
𝐷𝑅𝑜𝑑. 𝑇𝑎𝑚. = 80𝑚𝑚 = 0.08𝑚
Con el diámetro se determina la velocidad del motor:
𝑤 =𝑉
𝑟 [20]
𝑤 =1
0.04
52
𝑤 = 25 𝑟𝑎𝑑𝑠𝑒𝑔⁄ = 238.74 𝑅𝑃𝑀
La potencia eléctrica necesaria para desplazar un paquete de nueve tubos se
representa en la siguiente ecuación. Donde se divide todo el peso para las
tres bandas que soportaran dicho peso:
71.575𝑘𝑔 ∗ 9 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
3𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎𝑠= 214.725 𝑘𝑔
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑔 [21]
𝐹 = 214.725𝑘𝑔 ∗ 9.81 𝑚𝑠𝑒𝑔2⁄
𝐹 = 2106.45 𝑁
𝑃𝑁 =𝐹∗𝑉
1000∗𝑛 [22]
𝑃𝑁 =2106.45 𝑁 ∗ 1 𝑚
𝑠𝑒𝑔⁄
1000 ∗ 0.9
𝑃𝑁 = 2.34 𝐾𝑊
𝑃𝑁 = 2340.5 𝑊
El motor requiere una potencia de 2340.5 W y sabiendo que 1hp = 746 W,
aplicando la ecuación 4.8 se obtiene en HP’s:
ℎ𝑝 =𝑃𝑁
746𝑊 [23]
ℎ𝑝 =2340.5𝑊
746𝑊= 3.137ℎ𝑝
El motor comercial que más se aproxima al valor obtenido es 5Hp, se lo puede
identificar en el catálogo de motores del Anexo 5.
Se aplica las mismas ecuaciones de la banda primaria para determinar el
torque.
𝑃 = 𝑤 ∗ 𝑀 [24]
La velocidad ya fue determinada anteriormente, Despejando M y
reemplazando se obtiene:
53
𝑀 =𝑃
𝑤 [25]
𝑀 =2340.5 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠
25 𝑟𝑎𝑑𝑠𝑒𝑔⁄
𝑀 = 93.6 [𝑁𝑚]
𝑇 =𝐻𝑃∗716
𝑅𝑃𝑀 [26]
𝑇 =3.137 ∗ 716
238.74
𝑇 = 9.4 [𝐾𝑔𝑚]
𝑇 = 92.99 [𝑁𝑚]
Con esto se determinó el cálculo del torque de motor de la banda
transportadora secundaria y sirve para calcular y seleccionar los rodamientos.
4.1.2.4 Selección de rodamientos para la banda transportadora
secundaria
Como se mencionó al principio de este capítulo el paquete de tubos pesa
644.175 [Kg], se debe dividir para 3 bandas para de esta manera obtener la
fuerza normal.
𝐹𝑁 =644𝑘𝑔
3𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎𝑠= 214.725 𝑘𝑔
𝐹𝑁 = 214.725 𝑘𝑔 ∗ 9.8 𝑚𝑠𝑒𝑔2⁄
𝐹𝑁 = 2104.305 𝑁𝑚
El rodillo de la banda secundaria está diseñado para ejercer una fuerza normal
de 2104.305 [Nm] de longitudinal del rodillo, es decir distribuida y se debe
determinar la fuerza de tracción.
Se sabe que la velocidad del rodillo es de 238.74 [rpm], el torque del motor es
de 93.6 [Nm], los cojinetes de bola se montarán en C y D, como se observa
en la Figura 28.
54
Figura 28. Diagrama de fuerzas en el rodillo secundario
En base al Torque del motor se determina la Fuerza F.
𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝐹 ∗ 𝑟
𝐹 =𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
𝑟 [27]
𝐹 =93.6
0.025
𝐹 = 3744 𝑁
La fuerza normal al ser una fuerza distribuida se debe calcular la fuerza
concentrada, que se realiza mediante la multiplicación entre la fuerza
distribuida por la distancia de superficie de contacto mostrada en la Figura 30.
𝐹𝑁 = 2104.305𝑁
𝑚∗ 0.179𝑚
𝐹𝑁 = 376.67 𝑁
Primero se debe determinar la fuerza de tracción, y esto se hace analizando
las fuerzas de torque como se muestra en la Figura 29.
55
Figura 29. Fuerzas de torque en el rodillo secundario
Σ𝑇 = 0
−𝐹𝑅(0.04) + 𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 0
−0.04𝐹𝑅 = −93.6
𝐹𝑅 =93.6
0.04
𝐹𝑅 = 2340 𝑁
En esta parte se analizan las reacciones en cada uno de los planos.
Plano (x, y)
Σ𝑀𝐴 = 0
−𝐹𝑁(0.204) + 𝐷𝑦(0.408) = 0
0.408𝐷𝑦 = 376.67(0.204)
𝐷𝑦 =76.84
0.408
𝐷𝑦 = 188.335 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
𝐶𝑦 − 𝐹𝑁 + 𝐷𝑦 = 0
𝐶𝑦 = 𝐹𝑁 − 𝐷𝑦
𝐶𝑦 = 376.67 − 188.335
𝐶𝑦 = 188.335 𝑁
56
En la Figura 30 se muestra la comprobación del cálculo de las reacciones
determinadas anteriormente en el plano (x, y)
Figura 30. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, y) rodillo secundario
Plano (x, z)
Σ𝑀𝐶 = 0
𝐹𝑅(0.204) + 𝐷𝑧(0.408) − 𝐹(0.488) = 0
0.408𝐷𝑧 = −2340(0.204) + 3744(0.488)
𝐷𝑧 =1349.712
0.408
𝐷𝑧 = 3308.117 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
𝐶𝑧 + 𝐹𝑅 + 𝐷𝑧 − 𝐹 = 0
𝐶𝑧 = −𝐹𝑅 − 𝐷𝑧 + 𝐹
𝐶𝑧 = −2340 − 3308.117 + 3744
𝐶𝑧 = −1904.117 𝑁
En la Reacción Cz se observa que es negativa, esto quiere decir que la
reacción es contraria a lo considerada como se muestra en la Figura 31, esto
no afecta en los cálculos, debido que al determinar las reacciones totales se
elevan al cuadrado haciéndolo positivo.
57
Figura 31. Diagrama de esfuerzos cortantes plano (x, z) rodillo secundario
Cálculo de los reacciones en los apoyos:
𝑅𝐶 = √(𝐶𝑦)2 + (𝐶𝑧)2 [28]
𝑅𝐶 = √(188.335)2 + (−1904.117)2
𝑅𝐶 = 1913.408 𝑁
𝑅𝐷 = √(𝐷𝑦)2 + (𝐷𝑧)2 [29]
𝑅𝐷 = √(188.335)2 + (3308.117)2
𝑅𝐷 = 3313.473 𝑁
Al igual que en el caso anterior se diseña en base al apoyo que mayor Fuerza
tenga, en este caso 𝑅𝐷. Entonces, después de tomar este criterio de diseño
se pasa al cálculo de la capacidad de carga y seleccionar el rodamiento.
Para calcular la capacidad de carga en esta parte los datos son dados por los
Anexos 6, 7 y 8 pero toman distintos valores, 𝑎 toma el valor de 3 por ser
rodamientos de bolas, es una condición de diseño, 𝑛𝐷 es la confiabilidad de
95%. Cada fabricante de rodamientos tiene su punto de vista y toma
decisiones respecto a los materiales y tratamientos térmicos, difieren con
respecto a la vida de los rodamientos, por ende en el Anexo 8 se toma los
datos del fabricante 2, debido a que los Anexos 6 y 7 se basan en este
fabricante.
58
Con respecto al Anexo 6 y sabiendo que la máquina opera continuamente las
24 horas, se toma el valor de 55 [kh] para la vida de los cojinetes o
rodamientos.
En base al Anexo 7 se elige el factor de aplicación de 1.1 debido a que en
esta parte del proceso la maquinaria no sufre de impactos. La velocidad de
diseño o velocidad del motor 𝑛𝐷 se determinó en la ecuación 10.
Datos:
𝑋0 = 0.02
𝜃 = 4.459
𝑏 = 1.483
𝑎 = 3
𝐿𝐷 = 55 𝑘ℎ
𝑎𝑓 = 1.1
𝑅𝐷 = 95%
𝑛𝐷 = 238.74 𝑟𝑝𝑚
𝐶10 = 𝐹𝐷 [𝑋𝐷
𝑋0+(𝜃−𝑋0)(ln1𝑅𝐷
⁄ )1
𝑏⁄]
1𝑎⁄
[30]
𝐹𝐷 = 𝑎𝑓 ∗ 𝑅𝐷 [31]
𝐹𝐷 = 1.1 ∗ 3313.473
𝐹𝐷 = 3644.82 𝑁
𝑋𝐷 =60∗𝑛𝐷∗𝐿𝐷
𝐿10 [32]
𝑋𝐷 =60 ∗ 238.74 ∗ 55000
106
𝑋𝐷 = 787.842
Se reemplaza en la ecuación 20:
𝐶10 = 3644.82 [787.842
0.02 + (4.459 − 0.02)(ln 10.95⁄ )
11.483⁄
]
13⁄
59
𝐶10 = 28377.76 𝑁
𝐶10 = 28.377 𝑘𝑁
Para la selección del rodamiento en Anexo 9 se debe identificar las
clasificaciones de carga en [kN] para ranura profunda 𝐶10 y se determina los
diámetros para los rodamientos que son:
𝐷𝑖 = 40 [𝑚𝑚]
𝐷𝑒 = 80 [𝑚𝑚]
4.1.3 ESTRUCTURA DEL SISTEMA ABRE – CIERRA
Como se mencionó anteriormente este sistema permite el paso del paquete
de tubería apilados hacia la parte de enzunchado, realiza un movimiento
circular anti horario para acceder el paso y horario para el bloqueo de los
tubos, este sistema es activado después de que los tubos hayan sido puestos
encima de las bandas transportadora secundarias como se presenta en la
Figura 32.
Para evitar que se eliminen las variables en la estructura, se analiza la
estructura por partes, de E a G y de G a I, para hallar las reacciones en dichos
apoyos. En esta parte se analizan las reacciones en cada uno de los puntos
E, G e I y en los planos (x, y) y (x, z), para determinar las reacciones en los
apoyos en base al análisis de momentos y sumatoria de fuerzas. Estos
cálculos son importantes para determinar y seleccionar los rodamientos en
dichos apoyos.
Figura 32. Diagrama de fuerzas del sistema abre - cierra
60
Plano (x, y), Tramo E – G
Σ𝑀𝐸 = 0
−74.7(0.233) + 𝐺𝑦(1.12) = 0
1.12𝐺𝑦 = 17.405
𝐺𝑦 =17.405
1.12
𝐺𝑦 = 15.54 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
𝐸𝑦 − 74.7 + 𝐺𝑦 = 0
𝐸𝑦 = 74.7 − 15.54
𝐸𝑦 = 59.16 𝑁
El diagrama de esfuerzos y momentos que se ilustra en la Figura 33 permite
comprobar los cálculos anteriormente realizados para determinar las
reacciones E y G en el plano (x, y), que son importantes para cálculos
posteriores como son los rodamientos y los momentos totales.
Figura 33. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, y) tramo E-G
61
Tramo G-I
Σ𝑀𝐺 = 0
−74.7(0.887) + 𝐼𝑦(1.12) = 0
1.12𝐺𝑦 = 66.259
𝐺𝑦 =66.259
1.12
𝐺𝑦 = 59.16 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
𝐺𝑦 − 74.7 + 𝐼𝑦 = 0
𝐸𝑦 = 74.7 − 59.16
𝐸𝑦 = 15.54 𝑁
El diagrama de esfuerzos y momentos que se ilustra en la Figura 34 permite
comprobar los cálculos anteriormente realizados para determinar las
reacciones G e I en el plano (x, y), que son importantes para cálculos
posteriores como son los rodamientos y los momentos totales.
Figura 34. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, y) tramo G-I
62
Plano (x, z) - Tramo E – G
Σ𝑀𝐸 = 0
3133.74(0.702) − 𝐺𝑧(1.12) = 0
1.12𝐺𝑧 = 2199.885
𝐺𝑧 =2199.885
1.12
𝐺𝑧 = 1964.18𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
−𝐸𝑧 + 3133.74 − 𝐺𝑧 = 0
𝐸𝑧 = 3133.74 − 1964.18
𝐸𝑧 = 1169.56 𝑁
Se muestra en la Figura 35 las mismas comprobaciones que se realizaron en
el tramo anterior con el fin de asegurar que las reacciones calculadas en E y
G sean correctos.
Figura 35. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, z) tramo E-G
63
Tramo G - I
Σ𝑀𝐺 = 0
3133.74(0.417) + 𝐼𝑧(1.12) = 0
1.12𝐼𝑧 = 3133.74(0.417)
𝐼𝑧 =1306.769
1.12
𝐼𝑧 = 1166.75 𝑁
Σ𝐹𝑦 = 0
−𝐺𝑧 + 3133.74 − 𝐼𝑧 = 0
𝐺𝑧 = 3133.74 − 1166.75
𝐺𝑧 = 1966.99 𝑁
En el diagrama de esfuerzos y momentos que se muestra en la Figura 36 se
realizan las mismas comprobaciones del tramo anterior con el fin de asegurar
que las reacciones están correctas, debido a que son cálculos que se
implementan en ecuaciones posteriores, para determinar y seleccionar los
rodamientos.
Figura 36. Diagrama de esfuerzos y momentos plano (x, z) tramo G-I
64
Es necesario sacar los momentos en cada punto como se muestra en las
Figuras 34, 35, 36 y 37 respectivamente, para de esta manera determinar los
momentos totales, que son la suma de los vectores de dichos puntos, el
momento es un dato que se ingresa en el software para saber el momento
que se requiere para el movimiento de abre - cierra:
𝑀𝐸 = √(𝑀𝐸𝑦)2 + (𝑀𝐸𝑧)2
𝑀𝐸 = √(13.78)2 + (−821.03)2
𝑀𝐸 = 821.145 𝑁𝑚
𝑀𝐺 = √(𝑀𝐺𝑦)2 + (𝑀𝐺𝑧)2
𝑀𝐺 = √(13.78)2 + (−821.03)2
𝑀𝐺 = 821.145 𝑁𝑚
𝑀𝐼 = √(𝑀𝐺𝑦)2 + (𝑀𝐺𝑧)2
𝑀𝐼 = √(0.35)2 + (−820.23)2
𝑀𝐼 = 820.23 𝑁𝑚
4.1.3.1 Selección de rodamientos para la estructura abre – cierra
Se realiza las reacciones en los puntos E, G e I con el fin de determinar el
mayor y de este poder seleccionar el rodamiento que va satisfacer en todo los
apoyos.
𝑅𝐸 = √(𝐸𝑦)2 + (𝐸𝑧)2 [28]
𝑅𝐸 = √(59.16)2 + (1169.56)2
𝑅𝐸 = 1171.05 𝑁
𝑅𝐺 = √(𝐺𝑦)2 + (𝐺𝑧)2 [28]
𝑅𝐺 = √(15.54)2 + (1966.99)2
𝑅𝐺 = 1967.05 𝑁
65
𝑅𝐼 = √(𝐼𝑦)2 + (𝐼𝑧)2 [29]
𝑅𝐼 = √(59.16)2 + (1166.75)2
𝑅𝐼 = 1168.24 𝑁
Al igual que en los casos estudiados anteriormente se diseña en base al apoyo
que mayor Fuerza tenga o más fuerza va soportar, en este caso 𝑅𝐺. Para
calcular la capacidad de carga se debe presentar ciertos datos que son dados
por los Anexos 6, 7, 8. Y se sabe que la velocidad de diseño es de 60 [rpm].
En base al Anexo 6 y sabiendo que la máquina opera continuamente las 24
horas, se toma el valor de 60 [kh] para la vida de los cojinetes o rodamientos.
Con respecto al Anexo 7 se elige el factor de aplicación de 1.2 debido a que
en esta parte del proceso la maquinaria sufre de impactos ligeros.
𝑋0 = 0.02
𝜃 = 4.459
𝑏 = 1.483
𝑎 = 3
𝐿𝑑 = 60 𝑘ℎ
𝑎𝑓 = 1.2
𝑅𝐷 = 95%
𝑛𝐷 = 60 𝑟𝑝𝑚
𝐶10 = 𝐹𝐷 [𝑋𝐷
𝑋0+(𝜃−𝑋0)(ln1𝑅𝐷
⁄ )1
𝑏⁄]
1𝑎⁄
[30]
𝐹𝐷 = 𝑎𝑓 ∗ 𝑅𝐷 [31]
𝐹𝐷 = 1.2 ∗ 1967.05
𝐹𝐷 = 235.26 𝑁
𝑋𝐷 =60∗𝑛𝐷∗𝐿𝐷
𝐿10 [32]
𝑋𝐷 =60 ∗ 60 ∗ 60000
106
66
𝑋𝐷 = 216
Se reemplaza en la ecuación 30 para obtener la capacidad de carga:
𝐶10 = 235.26 [216
0.02 + (4.459 − 0.02)(ln 10.95⁄ )
11.483⁄
]
13⁄
𝐶10 = 1656.23 𝑁
𝐶10 = 1.65 𝑘𝑁
Para la selección del rodamiento en el Anexo 9 se debe identificar las
clasificaciones de carga en [kN] para ranura profunda 𝐶10 y se determina los
diámetros para los rodamientos como se hizo en los cálculos anteriores:
𝐷𝑖 = 10 [𝑚𝑚]
𝐷𝑒 = 30 [𝑚𝑚]
4.1.3.2 Diseño del eje del sistema abre – cierra
El diseño del eje se ejecuta para determinar el diámetro del eje sólido, y
verificar si cumplen con los diámetros de los rodamientos, caso contrario es
necesario seleccionar otros rodamientos que si cumplan.
Para lo que es necesario realizar varios cálculos en base a los datos
identificados en la Figura 32:
𝑇 = 𝐹 ∗ 𝑑 [33]
Donde:
T: Torque [Nm]
F: Fuerza [N]
d: Distancia [m]
𝑇 = 3133.74 ∗ 0.088
𝑇 = 275.77 𝑁𝑚
El eje es de materia AISI 1020 laminado en caliente de donde se obtiene los
siguientes datos necesarios para el diseño:
67
𝑆𝑢 = 379 [𝑀𝑃𝑎]
𝑆𝑦 = 207 [𝑀𝑃𝑎]
𝑆𝑛 = 170 [𝑀𝑃𝑎]
Donde:
Su: Resistencia a la tensión
Sy: Resistencia a la fluencia
Sn: Resistencia a la Fatiga
La resistencia a la tensión en un dato necesario para identificar la resistencia
a la fatiga en el Anexo 15, del cual se sabe que es 170 [MPa].
De los cálculos de rodamientos realizados anteriormente, se toma el que
tenga el diámetro interno mayor que es de 40 [mm], se considera esto ya que
con el Anexo 16 y la ecuación 34 se determina el factor por tamaño a la
resistencia de fatiga.
𝐶𝑠 = (𝐷𝑖
7.62)
−0.11
[34]
Donde:
𝐶𝑠: Factor por tamaño a la resistencia de fatiga, adimensional
𝐷𝑖: Diámetro interno [mm]
𝐶𝑠 = (40
7.62)
−0.11
𝐶𝑠 = 0.833
A lo largo del diseño la confiablidad es de 0,99 entonces del Anexo 17, el
factor de confiabilidad 𝐶𝑅 = 0.81. Estos factores se reemplazan en la ecuación
35.
𝑆𝑛′ = 𝑆𝑛𝐶𝑆𝐶𝑅 [35]
Donde:
𝑆𝑛′: Factor a la fatiga modificada [MPa]
68
𝐶𝑅: Factor de confiabilidad, adimensional
𝑆𝑛′ = 170 ∗ 0.833 ∗ 0.81
𝑆𝑛′ = 114.70 𝑀𝑃𝑎
Al ser diámetro interno de 40 [mm] se asume un chaflán agudo para el
rodamiento, entonces:
𝐾𝑡 = 2,5 (𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛)
𝐾𝑡 = 1,5 (𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖ó𝑛)
Donde:
𝐾𝑡: Factor de concentración de esfuerzos, adimensional
La ecuación 36 se implementa para el diseño de ejes:
𝐷 = [32𝑁
𝜋√(
𝐾𝑡𝑀
𝑆𝑛′ )2
+3
4(
𝑇
𝑆𝑦)
2
]
13⁄
[36]
La ecuación 36 debe ser modificada, añadiendo Kt a la torsión debido a que
el factor de concentración de esfuerzos es diferente para flexión y torsión
como se muestra en la ecuación 37:
𝐷 = [32𝑁
𝜋√(
𝐾𝑡𝑀
𝑆𝑛′ )2
+3
4(
𝐾𝑡𝑇
𝑆𝑦)
2
]
13⁄
[37]
Donde:
D: Diámetro del eje [m]
M: Momento de Inercia [Nm]
N: Factor de diseño, adimensional
T: Torsión [Nm]
Se determina el diámetro del eje en el punto G de la Figura 35, porque es allí
donde va soportar el momento mayor junto con la torsión.
69
𝐷 = [32 ∗ 2.5
𝜋√(
2.5 ∗ 821.03
114.7𝑥106)
2
+3
4(
1.5 ∗ 275.77
207𝑥106)
2
]
13⁄
𝐷 = 0.077 𝑚 = 77.07 𝑚𝑚
De esta verificación se determina que el diámetro interno de los rodamientos
para la sujeción del eje son:
𝐷𝑖 = 80 [𝑚𝑚]
𝐷𝑒 = 140 [𝑚𝑚]
4.1.4 CILINDROS NEUMÁTICOS
El accionamiento de los cilindros son presentados en la simulación del sistema
de control, estos cilindros son implementados en varias partes dentro de la
simulación como se observa en la Figura 37, por lo que es importante
seleccionar los adecuados para cada función.
Figura 37. Identificar los cilindros dentro de la simulación
4.1.4.1 Cilindros de Empuje
Los cilindros de empuje se encuentran marcados dentro de un círculo amarillo
en la Figura 38. Y se los observa más claramente en la figura 38. Estos
cilindros cumplen la función de empujar cada tubo al pasar por las bandas
transportadoras primarias de uno en uno hasta los cilindros de recepción
marcados de color azul, para de esta forma lograr el apilamiento requerido.
70
Figura 38. Cilindro de empuje
Teniendo como datos la fuerza que se requiere para el avance del cilindro de
empuje, la presión de aire dentro de la línea de la empresa y la carrera de
recorrido necesaria se obtiene el diámetro del cilindro.
𝐹𝑎 =𝑊𝑡∗⋕ 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
⋕ 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 [38]
Donde:
𝐹𝑎: Fuerza requerida de avance del cilindro [N]
𝑊𝑡: Peso del tubo de sección cuadrada [N]
𝐹𝑎 =701.93 ∗ 3 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
2 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠
𝐹𝑎 = 1052.85 𝑁
La carrera necesaria para este cilindro es de 587 [mm], y la presión es de 0.42
[MPa]. Con estos datos y despejando el diámetro de la ecuación 2 se obtiene:
𝐹𝑎 = 𝜋
4𝐷2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [2]
𝐷 = √4𝐹𝑎
𝜋 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅
𝐷 = √4(1052.85)
𝜋(420000)(0.95)
𝐷 = 0.0579 𝑚
𝐷 = 57.96 𝑚𝑚
Entonces diámetro del cilindro de empuje que más se acerca al calculado es
de 63 [mm] y el diámetro del vástago es de 20 [mm]. La carrera del cilindro es
de 600 [mm].
71
Es necesario verificar que el vástago del cilindro soportará la fuerza de avance
requerida. El vástago de 600 [mm] de longitud va estar sometido a una
compresión de 1052.85 [N]. Para lo cual se debe calcular el radio de giro en
base al diámetro del vástago en [m]:
𝑟 =𝑑
4 [39]
𝑟 =0.02
4
𝑟 = 5𝑥10−3 𝑚
Con el radio de giro obtenido se determina la relación de esbeltez para
compararla con la constante de columna y saber si el cilindro escogido es el
adecuado para el sistema:
𝑅𝐸 =𝐾𝐿
𝑟 [12]
La columna por estar fija en sus columnas, es decir, empotrado – libre K=2.1:
𝑅𝐸 =2.1(0.6)
(5𝑥10−3)
𝑅𝐸 = 252
𝐶𝑐 = √2𝜋2𝐸
𝑆𝑦 [13]
𝐶𝑐 = √2𝜋2(207𝑥109)
207𝑥106
𝐶𝑐 = 140.496
Con la ecuación 14 se determina si el cilindro escogido es el correcto.
𝑅𝐸 > 𝐶𝐶 [14]
252 > 140.496 (𝑠𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒)
Se observa que RE es mayor a Cc, entonces se comprueba que el cilindro
escogido cumple con la función de empuje.
72
La presión dentro de la línea de la empresa en general es de 0.42 [MPa], y el
rendimiento para D > 40[mm]; R = 0,95 como se mencionó en capítulo 2.6.
Para esto se debe calcular la fuerza de avance y retroceso de estos cilindros
como se muestra en las ecuaciones 2 y 3, para comprobar que van a tener la
suficiente fuerza para empujar la tubería.
𝐹𝑎 = 𝜋
4𝐷2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [2]
𝐹𝑎 = 𝜋
4(0.063)2 ∗ 420000 ∗ 0.95
𝐹𝑎 = 1066.097 𝑁
𝐹𝑟 = 𝜋
4(𝐷2 − 𝑑2) ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [3]
𝐹𝑟 = 𝜋
4(0.0632 − 0.022) ∗ 420000 ∗ 0.95
𝐹𝑟 = 958.655 𝑁
En los cilindros de empuje su posición inicial es con el vástago a 0 [mm], es
decir, dentro del cilindro y su posición final es 150 ,250 y 569 [mm].
Este recorrido cambia debido a que es un proceso cíclico y para cada tubo la
distancia cambia.
4.1.4.2 Cilindros de recepción y nivelación de la tubería
Los cilindros de recepción y nivelar se encuentran marcados dentro de un
círculo azul como se muestra en la Figura 38. El cálculo es el mismo debido a
que son los mismos cilindros.
Se los observa más claramente en la figura 40. Estos cilindros del lado
derecho de la Figura 40 deben soportar el peso de todos los tubos apilados
de acuerdo a cada tubo, el cálculo se realiza en función del tubo más pesado
que se fábrica en esta máquina. El cilindro que se encuentra en el lado
izquierdo de la figura 39 cumple la función de igualar los tubos a medida que
caen en los cilindros de recepción, con la finalidad de que el paquete de
tubería sea uniforme.
73
Figura 39. Cilindros de recepción y nivelación.
Teniendo como datos la fuerza que se requiere para el avance del cilindro de
recepción y nivelación, la presión de aire dentro de la línea de la empresa y la
carrera de recorrido necesaria se obtiene el diámetro del cilindro.
𝐹𝑎 =𝑊𝑡∗⋕ 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
⋕ 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 [38]
𝐹𝑎 =701.93 ∗ 9 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
4 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠
𝐹𝑎 = 1579.29 𝑁
La carrera necesaria para este cilindro es de 550 [mm], y la presión es de 0.42
[MPa]. Con estos datos y despejando el diámetro de la ecuación 2 se obtiene:
𝐹𝑎 = 𝜋
4𝐷2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [2]
𝐷 = √4𝐹𝑎
𝜋 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅
𝐷 = √4(1579.29)
𝜋(420000)(0.95)
𝐷 = 0.071 𝑚
𝐷 = 70.99 𝑚𝑚
Entonces diámetro del cilindro de empuje que más se acerca al calculado es
de 125 [mm] y el diámetro del vástago es de 32 [mm]. La carrera del cilindro
es de 572 [mm].
Es necesario verificar que el vástago del cilindro soportará la fuerza de avance
requerida. El vástago de 572 [mm] de longitud va estar sometido a una
74
compresión de 1579.29 [N]. Para lo cual se debe calcular el radio de giro en
base al diámetro del vástago en [m]:
𝑟 =𝑑
4 [39]
𝑟 =0.032
4
𝑟 = 8𝑥10−3 𝑚
Con el radio de giro obtenido se determina la relación de esbeltez para
compararla con la constante de columna y saber si el cilindro escogido es el
adecuado para el sistema:
𝑅𝐸 =𝐾𝐿
𝑟 [12]
La columna por estar fija en sus columnas, es decir, empotrado – libre K=2.1:
𝑅𝐸 =2.1(0.57)
(8𝑥10−3)
𝑅𝐸 = 149.2
𝐶𝑐 = √2𝜋2𝐸
𝑆𝑦 [13]
𝐶𝑐 = √2𝜋2(207𝑥109)
207𝑥106
𝐶𝑐 = 140.496
Con la ecuación 14 se determina si el cilindro escogido es el correcto.
𝑅𝐸 > 𝐶𝐶 [14]
149.2 > 140.496 (𝑠𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒)
Se observa que RE es mayor a Cc, entonces se comprueba que el cilindro
escogido cumple con la función de empuje.
El diámetro del cilindro de empuje es de 125 [mm] y el diámetro del vástago
es de 32 [mm]. La carrera del cilindro es de 450 [mm]. La presión dentro de la
75
línea de la empresa en general es de 0.42 [MPa], y el rendimiento para D >
40[mm]; R = 0,95 como se mencionó en capítulo 2.
Para esto se debe calcular la fuerza de avance y retroceso de estos cilindros
como se muestra en las ecuaciones 2 y 3, para comprobar que van a tener la
suficiente fuerza para receptar, soportar e igualar la tubería.
𝐹𝑎 = 𝜋
4𝐷2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [2]
𝐹𝑎 = 𝜋
4(0.125)2 ∗ 420000 ∗ 0.95
𝐹𝑎 = 4896.46 𝑁
𝐹𝑟 = 𝜋
4(𝐷2 − 𝑑2) ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [3]
𝐹𝑟 = 𝜋
4(0.1252 − 0.0322) ∗ 420000 ∗ 0.95
𝐹𝑟 = 4575.57 𝑁
En los cilindros de recepción su posición inicial es con el vástago 450 [mm]
fuera del cilindro. A medida que los tubos de sección rectangular caen estos
el vástago ingresa dentro del cilindro y su posición final es -350 [mm], es decir
dentro del cilindro, y en el caso del cilindro para igualar su posición inicial es
dentro del cilindro a 0 [mm], y su posición final es 420 [mm].
4.1.4.3 Cilindros del sistema abre - cierra
Los cilindros de este sistema se encuentran marcados dentro de un círculo
rojo en la Figura 40. Y se los observa mejor en la Figura 41. Estos cilindros
cumplen la función de mover todo el sistema para permitir el paso de la tubería
apilada. Es un sistema tomado de máquinas implementadas dentro de la
empresa como se muestra en el Anexo XII.
Figura 40. Cilindros del sistema abre – cierra
76
Se tiene como datos la fuerza que se requiere para el avance del cilindro de
recepción y nivelación, la presión de aire dentro de la línea de la empresa y la
carrera de recorrido necesaria se obtiene el diámetro del cilindro.
𝐹𝑎 =𝑊74.7+𝑊𝑒𝑗𝑒+(𝑊𝑡∗⋕ 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠)
⋕ 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 [38]
𝐹𝑎 =74.7 + 472.13 + (701.93 ∗ 3 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠)
2 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠
𝐹𝑎 = 1326.31 𝑁
La carrera necesaria para este cilindro es de 150 [mm], y la presión es de 0.42
[MPa]. Con estos datos y despejando el diámetro de la ecuación 2 se obtiene:
𝐹𝑎 = 𝜋
4𝐷2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [2]
𝐷 = √4𝐹𝑎
𝜋 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅
𝐷 = √4(1326.31)
𝜋(420000)(0.95)
𝐷 = 0.065 𝑚 = 65.05 𝑚𝑚
Entonces diámetro del cilindro de empuje que más se acerca al calculado es
de 80 [mm] y el diámetro del vástago es de 25 [mm]. La carrera del cilindro es
de 454.5 [mm].
Es necesario verificar que el vástago del cilindro soportará la fuerza de avance
requerida. El vástago de 454.5 [mm] de longitud va estar sometido a una
compresión de 1326.31 [N]. Para lo cual se debe calcular el radio de giro en
base al diámetro del vástago en [m]:
𝑟 =𝑑
4 [39]
𝑟 =0.025
4
𝑟 = 6.25𝑥10−3 𝑚
77
Con el radio de giro obtenido se determina la relación de esbeltez para
compararla con la constante de columna y saber si el cilindro escogido es el
adecuado para el sistema:
𝑅𝐸 =𝐾𝐿
𝑟 [12]
La columna por estar fija en sus columnas, es decir, empotrado – libre K=2.1:
𝑅𝐸 =2.1(0.45)
(6.25𝑥10−3)
𝑅𝐸 = 151.2
𝐶𝑐 = √2𝜋2𝐸
𝑆𝑦 [13]
𝐶𝑐 = √2𝜋2(207𝑥109)
207𝑥106
𝐶𝑐 = 140.496
Con la ecuación 14 se determina si el cilindro escogido es el correcto.
𝑅𝐸 > 𝐶𝐶 [14]
151.2 > 140.496 (𝑠𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒)
Se observa que RE es mayor a Cc, entonces se comprueba que el cilindro
escogido cumple con la función de empuje.
El diámetro del cilindro de empuje es de 100 [mm] y el diámetro del vástago
es de 25 [mm]. La carrera del cilindro es de 454.5 [mm]. La presión dentro de
la línea de la empresa en general es de 0.42 [MPa], y el rendimiento para D >
40[mm]; R = 0,95 como se mencionó en capítulo 2.
Para esto se debe calcular la fuerza de avance y retroceso de estos cilindros
como se muestra en las ecuaciones 2 y 3, para comprobar que van a tener la
suficiente fuerza abrir y cerrar el sistema de paso.
𝐹𝑎 = 𝜋
4𝐷2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [2]
78
𝐹𝑎 = 𝜋
4(0.1)2 ∗ 420000 ∗ 0.95
𝐹𝑎 = 3133.74 𝑁
𝐹𝑟 = 𝜋
4(𝐷2 − 𝑑2) ∗ 𝑝 ∗ 𝑅 [3]
𝐹𝑟 = 𝜋
4(0.12 − 0.0252) ∗ 420000 ∗ 0.95
𝐹𝑟 = 2937.88 𝑁
En los cilindros del sistema abre - cierra su posición inicial es con el vástago
320 [mm] fuera del cilindro. Cuando la tubería apilada haya llegado a las
bandas transportadoras secundarias este sistema permite el paso de los
mismos para lo cual la posición final del cilindro es -50 [mm], es decir dentro
del cilindro.
4.2 COMPONENTES ELECTRÓNICOS Y DE CONTROL
Son los equipos usados dentro de la simulación y que más se apegan a las
necesidades del sistema automático.
4.2.1 SENSOR FOTOELÉCTRICO
El sensor de proximidad a usar es el fotoeléctrico SIMATIC PXO 400 K30,
como se muestra en la Figura 41, por las prestaciones que brinda y determina
las secuencias de operación, es un sensor que permite programar su distancia
que va desde 15 [cm] a 50 [m], así como también que permita el conteo de la
tubería. Las características de este sensor se muestran en el Anexo 10.
Figura 41. Sensor Fotoeléctrico (SIEMENS, 2009)
79
4.2.2 PLC SIEMENS
El PLC S7 – 1200 como se ilustra en la Figura 42, se seleccionó en base al
número de entradas, salidas, analógicas y digitales.
La capacidad para almacenar el programa del usuario y varias características
más pero la selección es hecha en base a las principales. Los datos técnicos
del PLC S7 – 1200 se encuentran en el Anexo 11.
Figura 42. PLC S7 - 1200 (SIEMENS, 2014)
4.3 SIMULACIÓN
Para la simulación del sistema automático se implementó las herramientas,
CAD y CAPP, estas herramientas de simulación están orientadas a la
optimización de recursos (material, humano y tiempo disponible). El diseño
del sistema automático fue elaborado en el software CAPP, donde también se
analizó el movimiento y ensamble de cada componente y actuador como se
muestra en la Figura 43.
Figura 43. Representación del sistema en CAD.
80
La gran ventaja de la simulación del sistema automático es que permite
realizar cambios dentro de las piezas o ensamble antes de su construcción y
evitar errores a lo largo del proyecto. En el CAD y CAPP se puede visualizar
de manera real el funcionamiento del sistema automático. En el programa de
control se realiza la programación del PLC para de esta manera controlar el
sistema.
El primer paso de la simulación fue diseñar en CAD la estructura ya existente
en la formadora zero en base a las dimensiones, los materiales (tubería
estructural), la geometría y formas, como se muestra en el Anexo 3 para en
base a esa estructura continuar con el diseño del resto de componentes como
se muestra en la Figura 44 y está estructura diseñada en CAD se la exportó
al software CAPP.
Figura 44. Diseño de la estructura en CAD
Algunos de los componentes implementados como las bandas
transportadoras y los cilindros dentro del sistema de simulación fueron
descargados de páginas web de diseño como TraceParts y Solid
Components.
Los demás componentes o elementos que conforman el sistema fueron
diseñados y simulados como se presentó en el capítulo anterior con sus
respectivas operaciones y funciones dentro del sistema automático.
81
Aquí se presentan las características y propiedades operacionales y
funcionales de cada uno de los componentes que se ingresan en el software
para obtener un resultado muy cercano a la realidad posible. Permite conocer
y determinar la posición y dimensiones adecuadas de los elementos que
dependen del espacio disponible y a que parte del proceso corresponde.
En la Figura 45 se muestra un cuadro de dialogo, en el cual se enlistan las
restricciones que existen para cada componente dentro del ensamble, como
son alinear, tocar, fijar y de unión en el ensamble de todos los componentes,
permiten realizar el acople de dichos componentes según se requiera.
Figura 45. Navegador de restricciones.
En el navegador de ensamble se detallan todas las piezas dentro del sistema,
lo que permite realizar cualquier cambio dentro de la pieza sin afectar todo el
ensamble y saber dónde se encuentran ubicados cada uno de estos como se
presenta en la Figura 46.
Figura 46. Navegador de Ensamble
82
A todo elemento o componente dentro del ensamble se debe dar las
propiedades físicas que permitan observar y obtener mejores resultados en
su totalidad, dentro de la simulación en el sistema automático. Con esto se
puede tener un panorama más claro del funcionamiento del sistema.
Algunas propiedades son: acción o función, los movimientos, restricciones de
movimiento o desplazamiento de acuerdo a los sensores que transmiten la
señal para cada parte del proceso.
Estas propiedades se ingresan en el Navegador de Física, como se ilustra en
la Figura 47.
Figura 47. Navegador de Física
El editor de secuencia como se muestra en la Figura 48, proporciona la
capacidad de colocar la secuencia de operaciones de los actuadores, es aquí
donde se ingresa las señales de los sensores los cuales habilitan o
deshabilitan la acción o movimiento que le corresponde a cada uno de los
actuadores.
Es un sistema automático secuencial, ya que cada acción u operación
depende de otra; como en todo proceso de producción o fabricación industrial.
Las operaciones también pueden ser ingresadas en paralelo ya que algunas
de estas acciones se siguen realizando mientras otras continúan en
funcionamiento.
83
Figura 48. Editor de secuencia
Las propiedades funcionales de las bandas transportadoras primarias y
secundarias son las mismas y se ingresan en la superficie de transporte,
donde se define la velocidad de las bandas y se ingresa el coeficiente de
rozamiento, y para todos los casos de las bandas transportadoras es de 1000
[mm/seg] como se muestra en la Figura 49.
Figura 49. Superficie de transporte para la simulación
Otra función que es importante mencionar son las juntas deslizantes, esta
propiedad física se da a todos los cilindros y donde empizen es la posición 0,
es decir, la inicial. Esta propiedad es la que permite dar la dirección del
vástago para después en otra función darle el movimiento y operación al
vástago del cilindro. La dirección depende de la posición incial del cilindro, ya
que puede empezar con el vástago adentro o fuera del cilindro. Esto se integra
como se muestra en la Figura 50.
84
Figura 50. Dirección del desplazamiento para cada cilindro
Los coeficientes de fricción se definen en el material de colisión como se
muestra en la Figura 51, lo que es importante para conocer el rozamiento que
tiene cada material y esto realiza de la simulación más real.
Se implementó el coeficiente de fricción estático y dinámico para el acero y el
caucho.
Figura 51. Coeficientes de fricción
Al vástago de los cilindros neumáticos se debe controlar su posición, lo que
permite el movimiento del objeto a lo largo de un eje hasta una posición dada.
Se ingresa la velocidad y la fuerza límite calculado anteriormente para cada
uno de los cilindros como se muestra en la Figura 52.
85
Es importante implementar cada una de estas fuerzas correctamente con sus
respectivas unidades y valores para hacer del sistema una simulación más
real.
Figura 52. Fuerzas ejercidas por los cilindros
En el cuadro de diálogo de sensor de colisiones se define la propiedad de
cada sensor de colisión, para la simulación física. Cada actuador de las
bandas transportadoras y los cilindros dependen de la señal del sensor de
colisiones.
Esta es una propiedad necesaria debido a que esta envía la señal para cada
actuador. El sensor de colisión se implementa en el editor de secuencia lo que
permite activar las bandas y cilindros cada vez que el sensor se active, como
se observa en la Figura 53.
Figura 53. Sensor de colisiones
La simulación del sistema empieza con el transporte de la tubería por medio
de la banda transportadora primaria como se muestra en la Figura 54. Su
86
funcionamiento es continuo para la tubería de sección cuadrada y para la
tubería redonda solo es un mecanismo de soporte debido a que va estar
apagada por no ser necesaria su activación.
Figura 54. Transporte tubería
Después de que cada tubo baje de las bandas transportadoras primarias, se
empuja dichos tubos por medio de los cilindros de empuje, los cuales
acumulan la tubería de acuerdo a la cantidad necesaria como se observa en
la Figura 55.
Figura 55. Acumulación de tubería
La tubería es empujada para posteriormente ser apilada e igualada para
obtener uniformidad en el paquete de tubería, cada tres tubos la plataforma
baja para permitir a los demás tubos ser empujados encima de los otros como
se ilustra en la Figura 56.
87
Figura 56. Apilar e Igualar tubería.
En la siguiente parte de la simulación el paquete de la tubería apilada es
transportado por las bandas transportadoras secundarias hacia el área de
enzunchado, primero el sistema abre - cierra debe abrirse para dejar pasar el
paquete como se muestra en la Figura 57.
Figura 57. Acceso sistema abre – cierra
Una vez que el paquete de tubería pasa el sistema abre – cierra, éste sistema
se cierra para ser el tope del siguiente paquete de tubería, como se muestra
en la Figura 58.
Este es un proceso cíclico, por ende después de los dos paquetes que son
correctamente apilados y enzunchando se transportan a bodega los de
sección rectangular y los de sección redonda van a galvanizado.
88
Figura 58. Transporte paquete de tubería
4.3.1 PROGRAMACIÓN DEL PLC
El sistema automático es controlado mediante la programación del PLC, en
este programa se simula las señales de entrada y salida, los tiempos, el
conteo y movimientos o accionamiento de los actuadores programados en
lenguaje de programación Ladder en el software de control, que mediante una
serie de segmentos y las condiciones de entrada habilitan otras condiciones
de salida.
Existe la interacción entre los sensores, las electroválvulas de los cilindros y
las activaciones de los motores de las bandas transportadoras.
La programación en Ladder se divide en segmentos que se ejecutan uno tras
otro de manera ordenada y concatenada como se muestra en las Figuras 59
y 60, las condiciones de programación se representan mediante símbolos
gráficos como son:
o Los contactores, son las condiciones de entrada, para la simulación de
este sistema son los pulsadores y condiciones de los sensores, es decir al
activar y enviar un señal.
o Los cuadros de instrucciones básicas son operaciones adicionales, que en
está simulación se encuentran temporizadores y contadores.
o Las bobinas son las condiciones de salida, que en este caso representan
motores y los cilindros neumáticos del sistema automático.
89
Figura 59. Programa para la simulación eléctrica, neumática y mecánica
90
Figura 60. Programa para la simulación eléctrica, neumática y mecánica
Para comprender el programa del PLC se debe tener en cuenta los siguientes
códigos y se debe tener en cuenta que el set es de avance tanto para los
motores como para los cilindros, pero el reset detiene a los motores y en el
caso de los cilindros desactiva las electroválvulas y hace regresar al vástago
a su posición inicial:
| |: Contacto normalmente abierto (NA)
|/|: Contacto normalmente cerrado (NC)
𝐼#. #: Condición Lógica de entrada
𝑄#. #: Condición Lógica de salida
𝑀#. #: Memoria interna del PLC (Marca)
(𝑆): Puesta en 1 (set)
(𝑅): Puesta en 0 (reset)
𝑇𝑂𝑁: Retarda la señal de entrada por un período de tiempo
𝑇𝑃: Establece la salida durante un período pre-programado
𝐶𝑇𝑈: Cuenta hasta el valor dado para enviar la señal
91
Segmento 1: El pulsador I0.0 pone en 1 (set) Q0.0, es decir mantiene activos
los motores de las bandas transportadoras primarias.
Segmento 2: El pulsador I0.1 pone en 0 (reset) Q0.0, es decir desactiva los
motores de las bandas transportadoras primarias.
Segmento 3: La señal del sensor 1 I1.1 pone en 1 (set) a los cilindros de
empuje Q0.1 y activa la memoria M0.2 que es la señal de entrada para el
siguiente segmento.
Segmento 4: La señal de M0.2 se activa para que el Timer_1 después de 15
[seg] desactive los cilindros de empuje y regresen a su posición inicial (reset),
y active la memoria M0.3, que es la señal de entrada para el siguiente
segmento.
Segmento 5: La señal de entrada de M0.3 activa el cont_1 que realiza el
conteo de los tres tubos mediante de la señal enviada por el sensor 1 y al
contar los tres tubos activa la memoria M0.4 y el Timer_4 de tipo TP que envía
la señal durante 7 segundos lo que provoca que los cilindros apilar se activen
y bajen durante el tiempo estimado y se detengan.
Segmento 6: La señal obtenida de M0.4 en el segmento 5 activa el Timer_2
de tipo TON, el cual, después de 5 [seg] envía la señal para poner en 1 el
cilindro de igualar Q0.3 y envía la señal a la memoria M0.5 que permite
resetear el contador en el segmento 5 y es una señal de entrada en el
siguiente segmento.
Segmento 7: La señal de M0.5 activa el Timer_3 de tipo TON y el cont_2
CTU, el timer envía la señal después de 8 [seg] para permitir que el cilindro
igualar regrese a su posición inicial en 0, mientras que el contador cont_2 al
contar las tres fila de tubería apilada envía una señal al Timer_5 el cual,
después de 10 [seg] active los cilindros apilar que topan el sensor 2.
Segmento 8: La señal de entrada del sensor 2 I1.2 pone en 1 (set) el sistema
abre – cierra Q0.4 lo que hace que el sistema se abra y al abrirse
completamente activa el sensor 3.
92
Segmento 9: La señal de entrada del sensor 3 I1.3 pone en 1 (set) las bandas
transportadoras secundarias hasta que el paquete de tubería active el sensor
4.
Segmento 10: La señal de entrada del sensor 4 I1.4 pone en 0 (reset) las
bandas transportadoras secundarias, el sistema abre – cierra y los cilindros
apilar regresan a su posición inicial, y al activar la M0.6 permite resetear el
contador del segmento 7.
4.3.2 CIRCUITO NEUMÁTICO
El circuito neumático que se muestra en las Figuras 61 y 62, se puede
identificar el funcionamiento de los cilindros que intervienen en el sistema
automático, con sus respectivas electroválvulas. Los cilindros A y B son se
identifican con los de empuje, los cilindros C, D, E y F con los cilindros de
recepción, el cilindro G equivale al cilindro de nivelar y los cilindros H e I son
los cilindros del sistema abre – cierra. Por esta razón para interpretar de mejor
manera el circuito neumático se dice que: 𝐴0 = 𝐵0; 𝐴1 = 𝐵1; 𝐶0 = 𝐷0 = 𝐸0 =
𝐹0; 𝐶1 = 𝐷1 = 𝐸1 = 𝐹1; 𝐻0 = 𝐼0; 𝐻1 = 𝐼1; 𝐶1 = 𝐷1 = 𝐸1 = 𝐹1;
Figura 61. Circuito neumático (a)
93
Figura 62. Circuito neumático (b)
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
94
Los resultados están en función de los objetivos planteados, estos resultados
se presentan de acuerdo a los obtenidos durante el desarrollo del diseño y
simulación del sistema automático. La velocidad y el tiempo para el
apilamiento va depender directamente de los actuadores como motores y
cilindros. El objetivo es determinar si los tiempos de producción disminuyen
con el sistema automático simulado en un ciclo de producción que para este
caso se toma desde el primer tubo que cae en la mesa de descarga o las
bandas transportadoras primarias hasta el segundo paquete completo, es
decir, hasta el tubo cuadrado número 18, con esto saber si se minimizó el
cuello de botella en la etapa de apilamiento. Los resultados obtenidos
determinarán si el diseño y la simulación presentada son los que más se
ajustan a la demanda del proyecto.
El análisis de resultados se hace en función de la puesta en marcha de la
simulación a partir del diseño de cada uno de los componentes y de la
programación del PLC, para esto se debe analizar la secuencias de
funcionamiento y las mejoras implementadas.
5.1 MEJORAS DENTRO DEL SISTEMA
Todos los componentes diseñados que forman parte del sistema son el
resultado de varias pruebas y análisis que se derivan de lo explicado en
capítulos anteriores y se presentan de la Figura 63 hasta 71 y se pueden
identificar claramente en la Figura 43.
Figura 63. Articulación del sistema abre - cierra
95
Figura 64. Estructura de recepción
Figura 65. Brazo del sistema abre - cierra
Figura 66. Estructura de soporte bandas transportadoras secundarias
96
Figura 67. Placa de empuje
Figura 68. Placa de igualar
Figura 69. Estructura soporte del cilindro de igualar
97
Figura 70. Chumacera del sistema abre - cierra
Figura 71. Estructura para igualamiento de tubería
Para llegar a la simulación final se hicieron varias pruebas, esta es la gran
ventaja de la simulación que permite realizar los cambios necesarios en los
componentes, el ensamble o programación hasta llegar satisfacer las
necesidades del sistema. Se dieron fallas dimensionales, de activación de
actuadores, ubicación de los componentes, de ensamble las mismas que se
corrigieron de a poco hasta conseguir la mejor opción y que los resultados
vayan mejorando.
5.2 SECUENCIAS DE FUNCIONAMIENTO
En la secuencia de funcionamiento se analiza todo lo que interviene en el
cumplimiento del ciclo, permite simular los parámetros, se adapta a la lógica
establecida en el CAD, CAPP y a en la programación del control.
98
a) Las bandas transportadoras primarias funcionan a la misma velocidad
uniformemente, para transportar la tubería cuadrada se encuentra activa,
para la tubería redonda está inactiva.
b) El primer sensor ubicado al final de las bandas transportadoras primarias
da la señal para el avance de cada tubo por el accionamiento de los
cilindros de empuje, hasta tener la cantidad deseada de tubos y empujarlos
hasta la estructura con los cilindros de recepción.
c) El funcionamiento de todos los cilindros de recepción son uniformes, que
bajan a medida que los tubos son empujados, apilados e igualados para
mantener uniformidad en el paquete.
d) El segundo sensor ubicado bajo la estructura de los cilindros de recepción
al activarse permite que el sistema abre – cierra se abra para que el
paquete de tubería puedan seguir por las bandas transportadoras
secundarias.
e) El tercer sensor se encuentra ubicado en la parte inferior izquierda del
sistema abre cierra, que al activarse las bandas transportadoras
secundarias mueven todo el paquete hacia el enzunchado.
f) El cuarto y último sensor activa al sistema abre cierra y la estructura de los
cilindros de recepción para regresar a su posición original y así continuar
con la siguiente etapa del ciclo.
Con la activación de los detectores, se indican las diferentes fases del
funcionamiento del sistema automático.
Mientras transcurre el lapso de funcionamiento, se puede constatar en la
simulación la activación de los componentes eléctricos y neumáticos que
dependen de los sensores de posición.
5.3 COMPARACIÓN MANUAL vs. SISTEMA AUTOMÁTICO
Para tener una idea clara del proceso se hizo un seguimiento a la de
producción de la máquina, con más enfoque en la parte última del apilamiento,
ya que en esta parte se encuentra el cuello de botella. Con una inspección
visual durante la etapa de análisis y seguimiento se pudo determinar que el
99
problema se enfocaba en el transporte de la tubería y en el apilamiento. Por
lo que se realizó una toma de tiempos como se observa en los Anexos 13 y
14. Se hizo cinco tomas de tiempo al ciclo que va desde que el tubo es
expulsado hacia la mesa de descarga, hasta que es apilado, como se observa
en la Tabla 10. El tiempo de enzunchado es tomado externamente debido a
que esta tarea va seguir siendo manual. Se debe tomar muy en cuenta que
después de cada cinco ciclos se acumulan alrededor de 20 tubos en la mesa
de descarga lo que provoca un paro en la máquina mientras se apilan los
tubos acumulados, como se muestra en la Figura 72. En el sistema automático
no deben existir paros por lo que en la Tabla 11 se le toma con un valor de
0:00:00.
Figura 72. Tubería acumulada
Tabla 10. Tiempos con el sistema manual
Función Tiempo
tomado
Ciclo 0:09:04
Enzunchar 0:01:02
Paro 0:04:03
TOTAL 0:14:09
De los tiempos totales obtenidos que se observa en la Tabla 10 se comparan
con los tiempos tomados de la simulación en tiempo real como se muestra en
la Tabla 11.
100
Tabla 11. Tiempos en la simulación con el sistema automático
Función Tiempo tomado
Ciclo 0:05:59
Enzunchar 0:01:02
Paro 0:00:00
TOTAL 0:07:01
Como se observa el tiempo que se gana es de 0:07:08, con esto se define que
aumentará la producción debido a que se minimiza el tiempo de producción
como se muestra en la Figura 73, donde se compara el tiempo de producción
en cada caso, con y sin el sistema automático.
Figura 73. Disminución en el tiempo de producción
La Figura 71 significa que el tiempo de apilamiento de tubería disminuye de
0:14:09 a 0:07:21. Se debe tomar en cuenta que aparte del tiempo también se
optimizan otros recursos, como es la mano de obra ya que solo se necesitarán
dos operarios de los cuatro que se requieren actualmente como se muestra
en la Tabla 12, esto permite asignar los operarios a otras funciones que
requieran dentro de la empresa. Esto también crea menor riesgo laboral,
debido a que los operarios ya no realizan el esfuerzo de empujar y apilar cada
tubo, con esto reduce el tener problemas a largo plazo de columna o cortes
que es lo más habitual en esta estación del proceso.
18 18
0:14:09
0:07:01
1 2
Diferencia en el tiempo de Producción
Tubos Tiempo
101
Tabla 12. Uso de operarios
Manual Sistema
Automático
Operario Función Operario
O1 Operar la formadora zero O1
O2 y O3 Transportar Tubería y enzunchar O2
O4 Transporte del Paquete
Esta producción se puede comparar en tiempo ahorrado y operarios
implementados durante un ciclo como se muestra en la Tabla 13, ya que en
la simulación no se puede determinar la producción en 8 o 24 horas porque
eso demandaría correr el programa durante ese tiempo sin parar y obtener los
resultados.
Tabla 13. Resultados de la simulación
Producción en un ciclo Resultados
Manual Sist.
Automático Tiempo
ahorrado
0:14:09 0:07:01 0:07:08
Manual Sist.
Automático Operarios
optimizados
4 Operarios 2 Operarios 2 Operarios
De la Tabla 13 se determina que el tiempo de producción mejora en 50.24%
y los operarios en 50% lo que refleja que si el sistema automático es
implementado produciría una ganancia para la empresa. Mejoraría tanto en la
calidad como en la demandad del producto. La empresa en un futuro analizará
el poder seguir con el proyecto para mejorar la máquina.
6. IMPACTO AMBIENTAL
102
La evaluación del impacto ambiental es un método técnico que permite
reconocer, prever y analizar los impactos ambientales que provocará un
proyecto en un ecosistema en caso de ser desarrollado con el objetivo que la
administración competente lo acepte, rechace o lo modifique.
Realizar este estudio sirve como herramienta que certificará que todos
aquellos recursos invertidos proporcionarán al proyecto sostenibilidad a largo
plazo. Existen determinados factores que influyen en la sustentabilidad; el
medio rural, el uso de los recursos naturales tales como agua, suelos y
vegetación, pero son el eje central del plan de inversión.
Por lo general este tipo de evaluaciones se realiza con el fin de identificar los
posibles impactos negativos en el medio ambiente y proponer una remisión
adecuada, así como monitoreos constantes. Para ello se toma en cuenta los
siguientes pasos presentados en la Figura 74.
Figura 74. Etapas del Impacto ambiental
Es de suma importancia que el proceso de evaluación ambiental empiece en
las primeras etapas de preparación del proyecto.
6.1 REVISIÓN AMBIENTAL INICIAL
Actualmente el impacto ambiental que producen actualmente la mayoría de
organizaciones es de gran preocupación para toda la sociedad, su entorno,
aspectos económicos, sociales y culturales, por ende se debe tomar
Presentación del proyecto por parte del promotor.
Consultas previas a instituciones que sean parte del ambito ambiental.
Realización del estudio de impacto ambiental a cargo de su promotor.
Participación pública finalmente se concluye con la emisión de la declaración de Impacto Ambiental.
103
conciencia de los efectos que se pueden originar si no se lleva a cabo las
medidas ineludibles para el cuidado del medio ambiente.
Por ello Kubiec – Conduit es una empresa que se inquieta por el bienestar
delas personas y el entorno que lo rodea. Por lo tanto la empresa busca la
manera de evaluar la manera si esta simulación al ser implementa afectará de
una u otra manera al medio ambiente.
El área correspondiente a la implementación del proyecto es en el Sur de
Quito, en la parroquia de Chillogallo, Avenida HuayanaiÑan Oe 17-147. Como
se muestra en la Figura 75.
Figura 75. Espacio Físico Kubiec - Conduit
6.2 INFORMACIÓN Y ESTUDIO AMBIENTAL DEL PROYECTO
Kubiec- Conduit es una empresa pionera en la fabricación de tubería de acero,
ubicada en el sector industrial en el sur de la ciudad de Quito. La empresa
posee tecnología de punta para la fabricación de tuberías, con máquinas que
104
importan de Japón y Estados Unidos, sin embargo la innovación forma parte
de la empresa por lo que también se ha simulado nuevas máquinas para su
pronta implementación. Dentro del marco ambiental la empresa busca día a
día realizar mejoras continuas teniendo como prioridad al medio ambiente
como se puede observar en el Anexo 18.
Para realizar el estudio de impacto ambiental que generará la implementación
y puesta en marcha del sistema automático se determinó las causas y efectos
que puede producir el sistema tanto positivas como negativas y se presenta
en la Tabla 14.
Tabla 14. Matriz de interacción causa - efecto
En la calificación de variables se da valores entre 1 y 3, que dependen de la
intensidad (i), extensión (e), duración (d), reversibilidad (R) y riesgo (g) del
impacto en cada fase como se muestra en la Tabla 15.
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Calidad del Aire -
Incremento de niveles de ruido y
vibraciones -
Contaminación con residuos y
vertidos -
Adherencia al suelo -
AGUA Modificación de la calidad del agua -
Pérdida cobertuta vegetal -
Recuperación de cobertura vegetal+
FAUNA Contaminación de especies -
Aceptación laboral -
salud y seguridad +
Generación de fuentes de empleo -
FASE I:
CONSTRUCCIÓN
FASE II:
OPERACIÓN
SUELO
SOCIO
ECONÓMICO
CULTURAL
FASE III:
CIERRE
FLORABIÓTICO
AIRE
SOCIAL
FISICO
105
Tabla 15. Matriz de la calificación de las variables
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Rg
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13
Operación y Mantenimiento del
sistema
Limpieza del lugar
Pruebas de funcionamiento
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Almacenamiento de herramientas
Transporte y apilamiento de la tubería
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Presencia y circulación de los
componentes
Nivelación de la superficie
Soldadura
Limpieza del lugar
CARÁCTER
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Acumulación de Materiales y
herrmientas para el ensamble
Material desperdiciado en pruebas
Uso de las Instalaciones
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g )
106
Para obtener la magnitud de los impactos se toma los datos de intensidad,
extensión y duración puestos en la Tabla 15. Con la ecuación 6.1 se obtiene
los resultados que se muestran en la Tabla 16.
𝑀 = (𝑖 ∗ 0.4) + (𝑒 ∗ 0.4) + (𝑑 ∗ 0.2) [40]
Donde:
M: Magnitud
i: intensidad
e: extensión
d: duración
Tabla 16. Matriz del cálculo de la magnitud de los impactos
Para obtener la importancia de los impactos se toma los datos de extensión
reversibilidad y riesgo propuestos en la Tabla 15. Con la ecuación 6.2 se
obtiene los resultados que se muestran en la Tabla 17.
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Calidad del Aire - 1 2 1 1 1 2 Peso Valor
Incremento de niveles de
ruido y vibraciones -2 2 2 2 2 1 2
Intensidad 0,4
Contaminación con
residuos y vertidos -1 1 1 2 2
Extensión 0,4
Adherencia al suelo - 2 2 2 1 2 Duración 0,2
AGUAModificación de la calidad
del agua- 1 1 2
Pérdida cobertuta vegetal - 2 2 2
Recuperación de cobertura
vegetal+ 1
Escala
valores
estimados
Valoración
FAUNA Contaminación de especies - 1 1 1.0 – 1.6 Bajo
Aceptación laboral - 2 2 1 2 1.7 – 2.3 Medio
salud y seguridad + 2 3 2 2 1 1 2.4 – 3.0 Alto
Generación de fuentes de
empleo -3 3 2 2 2 2
SOCIO
ECONÓMIC
O
CULTURAL
FASE I FASE II FASE III
SUELO
BIÓTICOFLORA
SOCIAL
FISICO
AIRE
107
𝐼 = (𝑒 ∗ 0.4) + (𝑅 ∗ 0.4) + (𝑔 ∗ 0.2) [41]
Donde:
I: Importancia
e: extensión
R: reversibilidad
g: riesgo
Tabla 17. Matriz del cálculo de la importancia de los impactos
Lo último es determinar la severidad, con los datos de magnitud e importancia
y usando la ecuación 6.3 se obtiene los datos que se muestran en la Tabla
18.
𝑆 = 𝑀 ∗ 𝐼 [42]
Donde:
S: Severidad
M: Magnitud
I: Importancia
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Calidad del Aire - 1,6 1,7 1 1 1 2
Incremento de niveles de ruido
y vibraciones -1 1 1 1 1,7 0,8 1
Peso Valor
Contaminación con residuos y
vertidos -1 1,3 1 2 2,3
Extensión 0,4
Adherencia al suelo - 2 1 1 1 2 Reversibilidad 0,35
AGUAModificación de la calidad del
agua- 1,6 2 2
Riesgo 0,25
Pérdida cobertuta vegetal - 1,6 1 1
Recuperación de cobertura
vegetal+
1,3
Escala
valores
estimados
Valoración
FAUNA Contaminación de especies - 1 1 1.0 – 1.6 Bajo
Aceptación laboral - 2 1,5 1 1,8 1.7 – 2.3 Medio
salud y seguridad + 1,9 1 1,4 1,2 1,4 1,4 2.4 – 3.0 Alto
Generación de fuentes de
empleo -2 2,3 1,4 2,4 1,9 1,9
SOCIO
ECONÓMIC
O
CULTURAL
FASE I:
CONSTRUCCIÓN
FASE II:
OPERACIÓN
FASE
III:CIERRE
SUELO
BIÓTICOFLORA
SOCIAL
FISICO
AIRE
108
Tabla 18. Matriz de cálculo de la severidad de los impactos.
Estos resultados reflejan que tener valores críticos puede generar un impacto
ambiental fuerte, pero al por ser solo dos se puede tomar medidas de
monitoreo, seguimiento, mantenimiento, limpieza, manejo y almacenamiento
de herramientas. Cumplir con las respectivas normas internas como externas
durante el proceso de construcción y operación del sistema. En caso que la
empresa decida implementar el sistema, éste ayudará a evitar accidentes
laborales.
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IMPACTOS
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rial desperd
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nsta
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Opera
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n y
Mante
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del sis
tem
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am
ienta
s
Lim
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el lu
gar
Pru
ebas d
e f
uncio
nam
iento
Calidad del Aire - 2,2 3,3 1,2 1 2 5
Incremento de niveles de
ruido y vibraciones -1,6 1,6 1,6 1,6 3,3 1 2
Contaminación con residuos
y vertidos -1,4 1,8 1,4 5 5,4
Adherencia al suelo - 4,8 1,6 1,6 1 5
AGUAModificación de la calidad del
agua- 2,2 1,6 4
Pérdida cobertuta vegetal - 3,2 2 2 0,1 - 0,9 Leve
Recuperación de cobertura
vegetal +2
1,0 - 3,0
Moderado
FAUNA Contaminación de especies - 1,4 1,4 3,1 - 6,0 Severo
Aceptación laboral - 4 2 1 4 6,1 - 9,0 Crítico
salud y seguridad + 4,6 4 2,2 2 2 2
Generación de fuentes de
empleo -6 6,9 3 3,8 3 3
FISICO
Escala
valores
estimados
Valoración
SOCIO
ECONÓMIC
O
CULTURAL
FASE I:
CONSTRUCCIÓN
FASE II:
OPERACIÓN
FASE
III:CIERR
E
SUELO
BIÓTICOFLORA
SOCIAL
AIRE
7. ANÁLISIS DE COSTOS
Para realizar el análisis de costos se procede a considerar el costo de cada
elemento que compone el sistema automático, de tal manera que sea más
factible realizar el desglose de los diferentes costos que implica la
construcción.
Tabla 19. Análisis de costos
COMPONENTE O ELEMENTO PRECIO
UNITARIO (USD)
CANT. PRECIO TOTAL (USD)
PLC siemens 1200 350 1 350
Sensor fotoeléctrico 37,65 4 150,6
Software implementado 2000 1 2000
Motor trifásico 0,5 Hp 470 3 1410
Motor trifásico 3 Hp 335,3 3 1005,9
Chumaceras 10 3 30
Cilindro Neumático de empuje 219,65 2 439,3
Cilindro Neumático sistema abre-cierra 288,08 2 576,16
Cilindros neumáticos recepción y nivelar
559,14 5 2795,7
Bandas transportadoras 852,66 6 5115,96
Electroválvula 5/2 41,47 9 373,23
Mano de obra 1500 1 1500
VALOR TOTAL: 15746,85
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
110
CONCLUSIONES
A lo largo de la presente investigación se diseñó y simuló un sistema
automático de clasificación y apilamiento de tubería en la empresa
KUBIEC – CONDUIT; así mismo, se destaca la utilización de herramientas
que facilitaron el trabajo como son los programas CAD y CAPP de donde
se obtuvo una mejor perspectiva del desarrollo de cada elemento dentro
del ensamble y análisis estructurales.
La importancia de identificar las funciones principales y secundarias del
proceso de producción radico en conocer aquellas que intervienen
directamente con el diseño y la simulación propuesto.
El diseño del mecanismo implementado para el apilamiento de tubería se
basó en otros métodos utilizados en otras máquinas, se optó por el que
cumpla más con los requerimientos y sea más factible realizar.
Del desarrollo de este proyecto y gracias a la simulación realizada de
acuerdo a los requerimientos y especificaciones, se obtuvo una visión más
clara para determinar cuál es el camino más viable para una posible
implementación de este sistema automatizado e identificar los beneficios
de este proyecto. Estas nuevas tecnologías de simulación brindan
facilidades para realizar sistemas automatizados que mejoran los
procesos de producción para optimizar recursos, de esta manera el diseño
y la simulación del sistema automático para apilamiento de tubería es una
solución viable en la línea de producción de tubería.
Por medio del análisis realizado se pudo determinar que al implementar la
simulación presentada, dentro de la máquina ayudará que el proceso de
producción se ejecute en un periodo de tiempo menor, y reducirá el número
de operadores y permitirá que la máquina opere al 100% de su capacidad,
el sistema automático reducirá el cuello de botella que afecta a la
producción y la calidad de los tubos para optimizar recursos y el
desempeño total de la producción.
111
RECOMENDACIONES
La correcta selección de programas y herramientas asistidas por
computador son esenciales en la automatización de un proceso industrial
tanto en el diseño como para la simulación y se debe tener claro cuál es la
que mejor se adapta de acuerdo a las necesidades y especificaciones del
sistema y tener una idea real de los elementos y componentes fabricados.
Leer el manual operacional de la máquina y obtener información acerca de
su funcionamiento para evitar cometer cualquier error que afecte al
funcionamiento y producción de la máquina.
En la etapa de diseño se debe ser muy cuidadoso el momento de
seleccionar el material y los elementos que se van a usar.
Si la empresa opta por implementar el estudio, hay que llevar un registro
de las pruebas del funcionamiento y comportamiento del sistema, para
identificar cualquier fallo.
Es importante realizar la correcta selección de alternativas e
implementarlos correctamente dentro de la simulación para obtener los
resultados más aproximados a la realidad.
112
BIBLIOGRAFÍA
Aguete, P. (14 de Julio de 2011). Auto Desarrollo. Recuperado el 27 de
Octubre de 2015, de http://autodesarrollo-
electricidadpractica.blogspot.com/2011/07/motores-electricos.html
Aguinaga, A. (2011). Automatas Programables. Quito, Ecuador: Escuela
Politecnica Nacional.
Alciatore, D., & Histand, M. (2007). Introducción a la Mecatrónica y sistemas
de medición. México: Mac Graw Hill.
Areny, R. P. (2003). Sensores y acondicionadores de señal (cuarta ed.).
Barcelona, España: marcombo.
Beer, F., Johnston, R., & Dewolt, J. (2010). Mecánica de Materiales (quinta
ed.). México, México: McGraw Hill.
Bonel, M. (7 de Marzo de 2015). The corner of technology. Obtenido de
https://mariaeugeniabonel.wordpress.com/2015/03/07/electricidad-motores-
electricos/
Bravo, G. (2012). Diseño y simulación de una máquina automatizada con PLC
para dividir planchas de cartón de hasta 1300 mm de ancho y 2200 mm de
longitud, mediante cortes longitudinales y transversales. Quito, Ecuador:
Escuela Politécnica Nacional.
Duche, D. (2015). Diseño y simulación de una máquina enderezadora de
láminas de acero inoxidable de 0.30 a 0.60mm de espesor y 1.22m de ancho.
Quito: Universidad Politécnica Salesiana.
García Dunna, E., García Reyes, H., & Cárdenas Barrón, L. (2006).
Simulación y análisis de sistemas con ProModel (Primera ed.). México:
Prentice Hall.
García, H. (2010). Diseño de un sistema de transporte continuo de capacidad
500kg/hora. Quito, Ecuador: Escuela Politécnica Nacional.
Gausemeier, J., & Moehringer, S. (2004). Design Methodology form
Mechatronic Systems ( Primera ed.). Berlín, Alemania: VDI.
GFSistemas. (3 de enero de 2016). Kubiec - Conduit más que un buen acero.
Obtenido de www.kubiec.com
113
Guerrero, S. (2013). Diseño e implementación de un alimentador de discos de
aluminio para bandas transportadoras para la empresa UMCO S.A. Quito,
Ecuador: Universidad Tecnológica Equinoccial.
Herbert, D. (11 de December de 2014). Simulation saves time and money.
Control Design for Machine Builders, 1-3.
Huilca , L. G., & Almeida, L. F. (2012). Obtención de tubos sin costura por el
proceso de colado por centrifugado horizontal. Quito: Escuela Politécnica
Nacional.
Jaramillo, L. E. (2015). Evaluación técnica y reingeniería de los procesos
productivos de la fabrica metalmecánica de tabacundo. Quito: Universidad de
las Fuerzas Armadas.
Nallen, M. (2008). High Frequency Pipe & Tube Welding (Segunda ed.). East
Haven, Connecticut, U.S.A.: Thermatool Corp.
Niebel, B. (2009). Ingeniería Industrial, Métodos, estándares y diseño de
trabajo (duodécima ed.). México, México: McGraw Hill.
Quizhpi, P., & Zea, D. (2013). Diseño, implementación y simulación de un
proceso de almacenamiento por medio de un PLC. Riobamba, Ecuador:
Escuela superior politécnica de chimborazo.
Ramírez, H., & Vallejo, C. (2010). Diseño y Simulación en Inventor de un
máquina desbobinadora de flejes de acero. Quito, Pichincha, Ecuador:
Escuela Politécnica Nacional.
Salas, D. (2014). Automatización de dos máquina industriales para la
preparación de madera en el "Aserradero San Andrés" (Primera ed.). Quito,
Pichincha, Ecuador: Universidad Tecnológica Equinoccial.
Serna Ruiz, A., Ros García, F. A., & Rico Noguera, J. C. (2010). Guía Práctica
de sensores (primera ed.). Madrid, España: Creaciones Copyright.
Serrano, N. (2009). Neumática Práctica (1ra ed.). Madrid, España: Paraninfo.
SIEMENS. (1 de Noviembre de 2009). SIMATIC PX. Obtenido de
https://www.automation.siemens.com/simatic-sensors-static/ftp/6zb5330-
0ad04-0ba3.pdf
114
SIEMENS. (1 de Agosto de 2014). SIMATIC. Obtenido de
http://www.tecnical.cat/PDF/Siemens/PLC/simatic_st70n_complete_spanish_
2014.pdf
Tapia Molina, F. D., & Rodríguez Rivera, J. M. (2006). Automatización y puesta
en marcha de la máquina empacadora Cassoli PAC600R de la planta
productos familia Sancela del Ecuador S.A. Latacunga, Ecuador: Escuela
Politécnica del Ejercito.
Zapata, O. (2014). Diseño de un sistema de gestión ambiental para la empresa
Conduit del Ecuador. Quito: Ecuador.
ANEXOS
115
ANEXO 1
TIPO DE PRODUCCIÓN DE TUBERÍA
TUBERÍA DESCRIPCIÓN Y/O
ESPECIFICACIÓN
PESO
UNTARIO
(KG)
TUBOS
POR
ATADO
(UN)
CUAD HRC
100X100X2.00X6M NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 36,6 9
CUAD HRC 40X40X1.50X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 10,92 36
CUAD 40X40X1.50X6M
GALV.
Cuadrado estructural
galvanizado 10,92 36
CUAD HRC
100X100X3.00X6M NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 54,48 9
CUAD HRC 50X50X2.00X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 18,18 25
CUAD HRC 50X50X3.00X6M
GALV
Cuadrado estructural
galvanizado laminados en
caliente
28,14 25
CUAD HRC 50X50X2.00X6M
GALV
Cuadrado estructural
galvanizado laminados en
caliente
18,18 25
CUAD HRC 50X50X2.60X7M
GALV
Cuadrado estructural
galvanizado laminados en
caliente
27,3 25
CUAD HRC 40X40X2.00X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 14,46 36
CUAD HRC 40X40X3.00X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 21,24 36
CUAD HRC 75X75X2.00X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 27,12 16
CUAD HRC 50X50X3.00X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 26,88 25
CUAD HRC 50X50X1.50X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 13,74 25
116
CUAD HRC 75X75X1.80X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 24,96 16
CUAD 50X50X1.50X6M
GALV.
Cuadrado estructural
galvanizado 13,74 25
CUAD HRC 40X40X2.00X6M
GALV
Cuadrado estructural
galvanizado laminados en
caliente
14,46 36
CUAD HRC 50X50X2.60X6M
GALV
Cuadrado estructural
galvanizado laminados en
caliente
23,4 25
CUAD HRC 50X50X1.80X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 16,44 25
CUAD HRC
100X100X4.00X6M NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 72 9
CUAD HRC
50X50X2.60X5.185M GALV
Cuadrado estructural
galvanizado laminados en
caliente
20,22 25
CUAD HRC 40X40X1.80X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 13,08 36
CUAD 40X40X1.20X6M
GALV.
Cuadrado estructural
galvanizado 9 36
CUAD HRC 80X80X2.00X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 29,46 9
CUAD HRC 40X40X1.20X6M
NEGRO
Cuadrado estructural negro
laminados en caliente 8,82 36
CUAD HRC
40X40X2.60X5.5M GALV
Cuadrado estructural
galvanizado laminados en
caliente
16,99 36
MUEBLE HRC 2 150 GALV Circular galvanizado de 2"
laminados en caliente 10,92 37
RECT HRC 60X40X2.50X6M
GALV
Rectangular galvanizado
laminados en caliente 23,4 24
RECT HRC
100X50X2.00X6M NEGRO
Rectangular negro laminados
en caliente 27,12 18
MUEBLE 2 150 NEGRO Circular de 2" negro 10,92 37
117
MUEBLE 2 200 GALV HRC Circular galvanizado de 2"
laminados en caliente 14,46 37
RECT HRC
100X50X3.00X6M NEGRO
Rectangular negro laminados
en caliente 40,2 18
MUEBLE 2 200 NEGRO Circular de 2" negro 14,46 37
RECT HRC 60X40X2.00X6M
NEGRO
Rectangular negro laminados
en caliente 18,18 24
RECT HRC 60X40X2.00X6M
GALV
Rectangular galvanizado
laminados en caliente 18,18 24
MUEBLE 2 120 NEGRO Circular de 2" negro 9 37
RECT HRC 60X40X3.00X6M
GALV
Rectangular galvanizado
laminados en caliente 26,88 24
MUEBLE CRC 70.5X1.50X6
mt NEGRO
Circular negro laminados en
frío 15,3 19
MUEBLE 2 1/2 150 HRC
GALV
Circular de 2 1/2"
galvanizado laminados en
caliente
13,74 19
MUEBLE 4 200 NEGRO HRC Circular de 4" negro
laminados en caliente 29,46 7
MUEBLE 4 200 HRC GALV Circular de 4" galvanizado
laminados en caliente 29,46 7
RECT HRC
100X50X4.00X6M NEGRO
Rectangular negro laminados
en caliente 53,1 18
RECT HRC 60X40X3.00X6M
NEGRO
Rectangular negro laminados
en caliente 28,14 24
MUEBLE HRC 2 1/2 200 6M
GALV
Circular de 2 1/2"
galvanizado laminados en
caliente
18,18 19
MUEBLE 4 300 HRC NEGRO Circular de 4" negro
laminados en caliente 43,74 7
RECT HRC 60X40X1.50X6M
GALV
Rectangular negro laminados
en caliente 13,74 24
MUEBLE 4 300 GALV HRC Circular de 4" galvanizado
laminados en caliente 43,74 7
MUEBLE 2 1/2 150 NEGRO Circular de 2 1/2" negro 13,74 19
118
RECT HRC 60X40X1.50X6M
NEGRO
Rectangular negro laminados
en caliente 13,74 24
MUEBLE HRC 63.5X2.0X6M
NEGRO
Circular negro laminados en
caliente 18,18 19
POSTE 3" 200 GALV Circular galvanizado de 3" 25,74 19
POSTE 3 x 6 mt. NEGRO Circular de 3" negro 25,74 19
POSTE 2 1/2 200 NEGRO Circular de 2 1/2" negro 20,28 19
POSTE ECONOMICO 2 180
GALV Circular de 2" galvanizado 13,08 37
POSTE ECONOMICO 2 1/2
180 GALV
Circular de 2 1/2"
galvanizado 16,44 19
POSTE ECONOMICO 2 180
NEGRO Circular de 2" negro 13,08 37
POSTE 2 1/2 200 GALV Circular de 2 1/2"
galvanizado 20,28 19
POSTE ECONOMICO 2 1/2
180 NEGRO Circular de 2 1/2" negro 16,44 19
POSTE 4" 200 GALV Circular de 4" galvanizado 33,29 7
CONDUIT IMC ANSI C-80.6
EIMC-S UL 4
Circular de 4" para
instalaciones eléctricas
galvanizado
31,75 7
CONDUIT IMC ANSI C-80.6
EIMC-S UL 3
Circular de 3" para
instalaciones eléctricas
galvanizado
24,63 19
CONDUIT EMT ANSI C-80.3
4"
Circular de 4" para
instalaciones eléctricas 17,83 7
CONDUIT EMT ANSI C-80.3
3"
Circular de 3" para
instalaciones eléctricas 11,93 19
CONDUIT RIGID ANSI C-80.1
ERMC-S UL 6 4 602
Circular de 4" para
instalaciones eléctricas 46,71 7
CONDUIT IMC ANSI C-80.6
EIMC-S UL 1242 2 1/2 371
Circular de 2 1/2" para
instalaciones eléctricas 20 19
119
CONDUIT EMT ANSI C-80.3
2 1/2 183
Circular de 2 1/2" para
instalaciones eléctricas 9,79 19
ISO 65 L-2 4 360 GALV.
ROSC.
Circular galvanizada de 4"
con rosca 60 7
ISO 65 L-2 3 320 GALV.
ROSC.
Circular galvanizada de 3"
con rosca 43,02 19
ISO 65 L-2 3" 320 NEGRO Circular negro de 3" 43,06 19
ISO 65 L-2 2 1/2 320 GALV.
ROSC.
Circular galvanizada de 2"
con rosca 34,5 19
ISO 65 L-2 4" 360 NEGRO Circular negro de 4" 60 7
CONDUIT EMT UL- 797 2 1/2
183
Circular de 2 1/2" para
instalaciones eléctricas 9,79 19
CONDUIT EMT UL- 797 3
183
Circular de 3" para
instalaciones eléctricas 11,99 19
CONDUIT EMT ANSI C-80.3
4"
Circular de 4" para
instalaciones eléctricas 17,81 7
ANEXO 2
FUERZAS TEÓRICAS EN CILINDROS DE DOBLE
EFECTO
120
ANEXO 3
ESTRUCTURA EXISTENTE
ANEXO 4
ESTRUCTURA CILINDROS EMPUJE
121
ANEXO 5
CATÁLOGO DE MOTORES SIEMENS
ANEXO 6
RECOMENDACIONES VIDA DE RODAMIENTOS
122
ANEXO 7
FACTORES DE APLICACIÓN DE CARGA
ANEXO 8
EXPERIENCIA DE DOS FABRICANTES
ANEXO 9
DIMENSIONES Y CLASIFICACIONES DE CARGA
PARA RODAMIENTOS DE BOLA
123
ANEXO 10
HOJA TÉCNICA DEL SENSOR FOTOELÉCTRICO
124
ANEXO 11
DATOS TÉCNICOS DEL PLC
125
ANEXO 12
SISTEMA ABRE – CIERRA DE LA EMPRESA
ANEXO 13
TOMA DE TIEMPOS DEL SISTEMA MANUAL
Ciclo Tiempo Enzunchar Tiempo Paro Tiempo
1 0:09:16 1 0:01:01 1 0:04:11
2 0:08:39 2 0:01:02 2 0:04:22
3 0:08:55 3 0:00:48 3 0:03:47
4 0:09:23 4 0:01:06 4 0:03:58
5 0:09:07 5 0:01:14 5 0:03:55
Tiempo promedio 0:09:04
Tiempo promedio 0:01:02
Tiempo promedio 0:04:03
ANEXO 14
TOMA DE TIEMPOS EN LA SIMULACIÓN DEL
SISTEMA AUTOMÁTICO
Ciclo Tiempo Enzunchar Tiempo Paro Tiempo
1 0:05:56 1 0:01:01 1 0:00:00
2 0:05:49 2 0:01:02 2 0:00:00
3 0:06:08 3 0:00:48 3 0:00:00
4 0:05:53 4 0:01:06 4 0:00:00
5 0:06:10 5 0:01:14 5 0:00:00
Tiempo promedio 0:05:59
Tiempo promedio 0:01:02
Tiempo promedio 0:00:00
126
ANEXO 15
RESISTENCIA A LA FATIGA EN FUNCIÓN DE LA
RESISTENCIA A LA TENSIÓN
ANEXO 16
FACTOR DE TAMAÑO
ANEXO 17
FACTOR DE CONFIABILIDAD
127
ANEXO 18
POLÍTICA MEDIO AMBIENTAL
128
ANEXO 19
PLANOS
Fecha
Diujado 11/07/2016
Revisado
Aprobado
Edición Modificación Fecha Nombre
2 3
D
A
41
B
C
MATERIAL:
DIBUJO N°:
UNIDAD:
HOJA:
TOLERANCIA:
FIRMA/EMPRESA
Nombre
PESO (Kg)
A4
[mm]
UTE
0,1
Estructura recepción y nivelación
5,93
ANEXO 19,1
ACERO A36
Fecha
Diujado 11/07/2016
Revisado
Aprobado
Edición Modificación Fecha Nombre
1 2 3 4
A
B
C
D
FIRMA/EMPRESA DIBUJO N°: HOJA:
TOLERANCIA: PESO (Kg) MATERIAL:
Nombre UNIDAD:
A4
[mm]
UTE
0,1
Placa nivelación
5,723
Anexo 19,2
ACERO A36
Fecha
Diujado 11/07/2016
Revisado
Aprobado
Edición Modificación Fecha Nombre
1 2 3 4
A
B
C
D
FIRMA/EMPRESA DIBUJO N°: HOJA:
TOLERANCIA: PESO (Kg) MATERIAL:
Nombre UNIDAD:
A4
[mm]
UTE
0,1
Placa empuje
ACERO A360,329
ANEXO 19,3
Fecha
Diujado 11/07/2016
Revisado
Aprobado
Edición Modificación Fecha Nombre
1 2 3 4
A
B
C
D
FIRMA/EMPRESA DIBUJO N°: HOJA:
TOLERANCIA: PESO (Kg) MATERIAL:
Nombre UNIDAD:
A4
[mm]
UTE
0,1
Articulación
1,484
ANEXO 19,4
ACERO A36
Fecha
Diujado 11/07/2016
Revisado
Aprobado
Edición Modificación Fecha Nombre
1 2 3 4
A
B
C
D
FIRMA/EMPRESA DIBUJO N°: HOJA:
TOLERANCIA: PESO (Kg) MATERIAL:
Nombre UNIDAD:
A4
[mm]
UTE
0,1
Articulación brazo
7,619 ACERO A36
ANEXO 19,5
Fecha
Diujado 11/07/2016
Revisado
Aprobado
Edición Modificación Fecha Nombre
1 2 3 4
A
B
C
D
FIRMA/EMPRESA DIBUJO N°: HOJA:
TOLERANCIA: PESO (Kg) MATERIAL:
Nombre UNIDAD:
A4
[mm]
UTE
0,1
Eje
Acero 89,27
ANEXO 19,6
Fecha
Diujado 11/07/2016
Revisado
Aprobado
Edición Modificación Fecha Nombre
1 2 3 4
A
B
C
D
FIRMA/EMPRESA DIBUJO N°: HOJA:
TOLERANCIA: PESO (Kg) MATERIAL:
Nombre UNIDAD:
A4
[mm]
UTE
0,1
Banda transportadora primaria
ANEXO 19,7
Fecha
Diujado 11/07/2016
Revisado
Aprobado
Edición Modificación Fecha Nombre
1 2 3 4
A
B
C
D
FIRMA/EMPRESA DIBUJO N°: HOJA:
TOLERANCIA: PESO (Kg) MATERIAL:
Nombre UNIDAD:
A4
[mm]
UTE
0,1
Bandatransportadora secundaria
ANEXO 19,8