Results from the repeatability experiment

De acuerdo al problema planteado, referido a la necesidad de dotar con estructuras metálicas (muebles), que se lleva a cabo en el Instituto Universitario de Tecnología Alonso Gamero, específicamente en los proyectos de dotación del departamento de planificación del IUTAG, se establece como objetivo principal construir una máquina dobladora semiautomática de perfiles tubulares, para lo cual se seleccionará la manera más apropiada en el sistema de doblado, la misma va a permitir doblar diferentes diámetros de tubos con la utilización de troqueles. Y en función de la temática planteada y sus objetivos se incorpora dentro de la modalidad de proyectos especiales.

Tal como lo refiere el manual de trabajos de grado de especializaciones y maestrías y tesis de la “Universidad Pedagógica Experimental Libertador” (UPEL), 4a _{edición, página 22, 17-a, de los} proyectos especiales: “trabajos que lleven a creaciones tangibles, susceptibles de ser utilizadas como solución a problemas demostrados, o que respondan a necesidades e intereses de tipo cultural. Se incluyen en esta categoría los trabajos de elaboración de libros de textos y de material de apoyo educativo, el desarrollo de software, prototipos y de productos tecnológicos en general, así como también la creación literaria y artística. El

estudiante podrá optar por esta categoría, cuando el tipo de trabajo seleccionado tenga directa vinculación con el perfil de competencias profesionales del subprograma de posgrado que cursa, o así se establezca en el diseño curricular respectivo. En caso de dudas, corresponderá el consejo técnico asesor de postgrado del instituto atender y decidir sobre las consultas que le formulen”

En atención a esta modalidad de investigación, la construcción de la máquina dobladora de tubos es un trabajo que lleva a una creación tangible, susceptible de ser utilizada como solución al problema demostrado, o que responda a la necesidad e interés cultural de la comunidad afectada. Además de corresponder al desarrollo de un prototipo y de producto tecnológico en general, teniendo directa vinculación con el perfil de competencias profesionales del subprograma de la especialidad en mecánica.

Asimismo, según su finalidad es de tipo aplicada enfocada en la solución de problemas prácticos, con un margen de generalización limitado, de acuerdo a la profundidad de la investigación es exploratoria, descriptiva y explicativa, la primera debido a que aquella que se efectúa sobre un tema u objeto poco conocido o estudiado, por lo que sus resultados constituyen una visión aproximada del tema, la segunda está centrada en la caracterización de un hecho o fenómeno a fin de determinar claramente su estructura o comportamiento es aquí donde se identifican las formas de doblado de tubos y la tercera enfocada en la búsqueda del “por qué” de los hechos, mediante la identificación y análisis de relaciones de causalidad para así dar o proponer la mejor solución al problema planteado, estas tres estructuras bajo una secuencia lógica contribuyen a la solución de la problemática planteada.

Diseño de la investigación.

El diseño de la investigación es la estrategia que adopta el investigador, en esta se define y justifica el tipo según el diseño o estrategia a emplear, en atención al diseño la investigación es de campo ya que los datos provienen directamente de la realidad donde ocurren los hechos, sin manipular o controlar variables en donde se considera un lapso de tiempo determinado por lo que es de orden transversal, según Fidias Arias, 1999.

La metodología utilizada fue la METODOLOGÍA DE DISEÑO SEGÚN MILANI, la cual presenta los siguientes pasos:

• Establecimiento de la Necesidad • Aceptación del Problema

• Descripción: Análisis del Problema

• Concepción del Sistema (etapa creativa) • Estudio de Factibilidad (técnica y económica) • Formación Completa del Sistema

• Diseño de Detalle y Proceso de Fabricación • Fabricación y Ensayo Prototipo

PARTE VI

Ejecución de Actividades

En esta parte del proyecto se muestra el desarrollo de los cálculos de diseño, debiendo resaltar su pertinencia ajustada a las actividades que fueron realizadas, contemplando la información técnica recabada en el marco teórico sobre la existencia de doblado de tubos y de la aplicación de perfiles en estructuras metálicas, lo que se llevo a cabo empleando una observación directa y una revisión documental detallada.

De allí, cabe señalar que al tomar como referencia la información recabada en el marco teórico se puede establecer una previa comparación de las diferentes formas de trasmitir fuerza como medio de transporte de potencia a la materia prima que es en este caso tubos de acero comercial con sección circular, que formaran la estructura metálica una vez doblada.

Tabla N° 4. Cuadro comparativo para la selección del sistema de trasmisión de potencia más adecuado.

Sistema de Transmisión de Potencia.

Ventajas Desventajas Conclusión

No requiere de fuentes de energía eléctrica. Puede ser armado con

cualquier objeto rígido y un punto de apoyo distancia de aplicación. La reproducción de fuerza es intermitente. Requiere esfuerzo físico. No se puede reproducir grandes niveles de fuerzas.

total deficiencia con este sistema de transmisión de potencia,

ya que interviene la mano del hombre en

todo el proceso de doblado, y para tal fin

no cumple con las exigencias al objetivo

planteado donde se requiere una fuerza teórica de gran nivel.

Hidráulico

La fuerza de constante desde el inicio hasta la

finalización de la carrera. El cilindro puede realizar fuerzas de tracción y/o compresión. Permite trabajar con elevados niveles de fuerza. Cambios rápidos de sentido. Perdidas de carga. El fluido es sensible a la contaminación. Pueden ocasionar accidentes

Este proceso resulta de gran utilidad, ya que con

esta modalidad de transmisión de energía

se puede controlar la velocidad del proceso ligado a altos niveles de

producción de fuerza, además, resulta de gran importancia el control de los cambios rápidos de

sentido.

Neumático El aire como fluido de trabajo es de fácil captación y abunda en

la tierra.

No se puede controlar la velocidad una vez

descargado el

Este sistema resulta de gran utilidad ya que de igual forma cumple con

El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas. Cambios instantáneos de sentido. compresor. Altos niveles de ruido generado por la descarga del aire hacia la atmósfera. En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables reproducción de fuerzas, a pesar de que

el fluido de trabajo resulta ser limpio y abundante, requiere de gastos adicionales en el tratamiento del mismo, y

más allá de esto las velocidades no pueden

ser controladas al liberar la energía. Fuente: Autores.

En virtud de cada una de las variables expuestas para el sistema de producción de fuerzas la alternativa más viable para desarrollar la propuesta es el sistema de transmisión de energía hidráulica, por su versatilidad en sistema de alto rendimiento con aplicación de fuerzas donde se requiere vencer la resistencia de un material comercial como lo son los tubos de acero, ahora hay que evaluar como seria el equipo con este sistema, a partir de la presentación de opciones para el doblado de tubos circulares.

Presentación de opciones.

Partiendo de la observación del proceso para la obtención de energía hidráulica como medio útil para el doblado de tubos, se colocan dos opciones a través de la cual se describen fundamentalmente las ventajas y desventajas, lo que servirá de insumo para la selección de la más adecuada basándose en las necesidades del proceso, por medio de la ponderación de

los criterios de costo, viabilidad, eficiencia y eficacia de las opciones, con el fin de desarrollar la construcción del equipo.

Esta opción se puede describir de manera detallada y visual como un conjunto de elementos mecánicos conformados para cumplir un mismo objetivo, que es el de lograr el funcionamiento de doblado de tubos a través de un cilindro hidráulico. Y se presentan a continuación:

Opción “A”. Sistema de transmisión de potencia por accionamiento de cilindro hidráulico con mordazas giratorias.

La opción “A” se describe de la siguiente manera:

El mecanismo está constituido por tres estaciones de trabajo donde cada una de ellas es accionada en una primera etapa por un motor eléctrico de 110volt, acoplado a una bomba de aceite que se encarga de mover este a una válvula direccional, este fluido circula por el interior de unas mangueras a las diferentes partes y accesorios de la máquina de doblado.

De allí, cabe señalar que en la segunda etapa se halla en la parte superior del equipo un cilindro hidráulico que acopla perfectamente a sus diferentes accesorios conocidos como mordazas o matrices tubulares pertenecientes a la tercera etapa, la cual, conforman el sistema de fijación giratorio la cual, sujeta al tubo comercial que a ese momento se realiza el dobles. Ver figura Nº 39.

Figura Nº 39. Representación grafica de una dobladora de tubos con mordaza giratoria como opción A. (Autodesk Inventor 2009).

Fuente: Autores.

Como podemos ver en la figura los elementos que sujetan al tubo están dispuestos de tal forma que al aplicar la fuerza hidráulica el cabezal gira en un eje que hace las veces de pivote, ubicado a ambos extremos de la parte delantera del equipo, teniendo como función suavizar la curva del tubo a medida que es doblado hasta que cesa la fuerza aplicada y el sistema se retrae a su posición inicial.

Figura Nº 40. Representación grafica del las mordazas giratorias. (Autodesk Inventor 2009). Fuente: Autores. CIRCUITO HIDRÁULICO. z 3 R z 3 R

Figura Nº 41. Representación grafica del circuito hidráulico con accionamiento del vástago.

Fuente: Autores.

Donde:

1: Respiradero del depósito de alimentación. 2: Reservorio.

3: Conducción del retorno al depósito general. 4: Cilindro hidráulico de doble efecto.

5: válvula direccional (cuatro visas dos posiciones de trabajo). 6: Bomba de circulación de fluido.

7: Conducción de impulsión de la bomba. 8: válvula de seguridad.

z 3 R

Funcionamiento del circuito hidráulico con accionamiento del vástago al exterior.

La bomba 6 toma aceite del depósito general 2 y lo impulsa a través de la válvula direccional 5, cuando 5 está en situación P

→

A y B

→

T el embolo del cilindro hidráulico sale (la presión de aceite impulsa al embolo para posicionar el vástago en el exterior), en este momento sobre la contracara del pistón el aceite es impulsado hacia la válvula direccional B

→

T donde es enviada al reservorio para continuar el ciclo.

Funcionamiento del circuito hidráulico con accionamiento del vástago al interior.

Este caso es similar al anterior solo que cuando 5 está en situación P

→

B y A

→

T el embolo del cilindro hidráulico se introduce (la presión del aceite impulsa al embolo por la parte del vástago), en todo momento la sobre presión que se presenta en la conducción de impulsión de la bomba son neutralizada por la válvula de seguridad 8, regulada para ello convencionalmente. Ver figura Nº 42.

Figura Nº 42. Representación grafica del circuito hidráulico con retorno del vástago.

Fuente: Autores.

z 3 R

Opción “B”. Sistema de transmisión de potencia por accionamiento de cilindro hidráulico con mordazas fijas.

La opción “B” se describe de la siguiente manera:

Esta opción al igual que la opción ‘A’, mantiene la misma distribución o estaciones de trabajo conocidas como etapas, manteniendo solo diferencia en la estructura de la maquina al estar una viga en voladizo, y él sistema de mordazas para el dobles de tubos es fijo, ahora bien, cuando el cilindro hidráulico acciona su carrera produce un dobles sin deslizamiento en las mordazas, por lo tanto se dice que no existe un suavizado en la curva. Ver figura Nº 43.

Figura Nº 43. Representación grafica de una dobladora de tubos con mordaza fija como opción B. (Autodesk Inventor 2009).

Fuente: Autores.

Una vez que es aplicada la fuerza por parte del cilindro hidráulico, la tubería se apoya contra las mordazas fijas, haciendo que este vaya

z 3 R

curvándose conforme la carrera del pistón. Este avance brusco produce roce sobre el material que pudiera no formar la curva deseada.

Ahora bien, Luego de haber planteado las opciones, se tiene que ambas realizan el trabajo de forma similar, la diferencia está en la manera como trabaja el cabezal que sostiene el tubo una vez que es aplicada la fuerza por parte del cilindro hidráulico. De modo que para seleccionar la opción más adecuada se realizo un cuadro comparativo donde se muestra un puntaje promediado por parte de los autores, donde dicha puntuación individual se muestra en Ver anexos Nº 2 y 3, evaluando las variables tales como: mantenimiento, costo, vida útil, accesibilidad a los elementos de construcción y eficiencia.

A través de aspectos técnicos, se estableció un análisis comparativo entre ambas opciones, para así poder seleccionar la más apropiada. Por tal razón el análisis se realizo utilizando una tabla de ponderación, donde cada columna representa una de las posibles variables seleccionadas para el diseño, otorgándole a cada una un valor de ponderación en la escala del 0 al 1, dependiendo de su importancia, luego a cada una de las opciones de diseño planteadas se le asigna un valor subjetivo de apreciación en la escala del 1 al 5, donde: muy mala: 1, pobre: 2, regular: 3,buena: 4 y excelente: 5, posteriormente ambos son multiplicados y la suma de ellos representa el valor indicativo para seleccionar la propuesta de diseño más conveniente (Ver tabla Nº 5).

 Mantenimiento: Que sea de bajo costo, fácil de realizar y en largo periodo de tiempo.

 Costo: En ella se mide la cantidad de bolívares Fuertes que se requiere para llevar a cabo el proyecto, es decir la construcción de la máquina y depende de la sencillez con la que se utilicen sus elementos de máquina.

 Vida Útil: En esta variable se evalúa la resistencia de la estructura, materiales y diseño de los subsistemas del equipo.

 Eficiencia: Aquí se espera medir la capacidad de conseguir el efecto deseado para la cual esta máquina fue diseñada.

 Accesibilidad a los elementos de construcción: en esta variable se evalúa la adquisición de cada una de las partes del equipo para su posterior construcción.

Tabla Nº 5: Análisis comparativo de las opciones Robert Norton.

Mantenimiento Costo Vida_Útil Eficiencia

Accesibilidad a los elementos de construcción Rango Acumulado Factor de Ponderación 0,15 0,20 0,20 0,30 0,15 1,0 Opción “A” 5 4 5 5 3 4,5 0,75 0,8 1 1,5 0,45 Opción “B” 5 4 3 3 3 3,5 0,75 0,8 0,6 0,9 0,45

Excelente: 5, buena: 4, regular: 3, pobre: 2, muy mala: 1. Fuente: Autores.

Luego de observar el análisis técnico de las propuestas se selecciona la opción ‘A’ por obtener el mayor puntaje de rango acumulado y por ser considerada la más viable con respecto a la otra opción presentada, desde el punto de vista de la vida útil y eficiencia en comparación con la opción “B”, ya que estos son factores a considerar para lograr un buen funcionamiento y la total producción de estructuras metálicas acorde a las necesidades de la institución.

Cálculos para el diseño de la maquina dobladora de tubos.

Descripción General del equipo y especificaciones de diseño para el doblado de tubos.

Cada una de las partes funcionales de la maquina están clasificadas como estaciones de trabajo que en conjunto se encargan de llevar aceite hidráulico por todo el sistema para garantizar el dobles a tubos comerciales

con una resistencia a la flexión de 2102Kg_cm2 información suministrada por

el catalogo de CANDUVEN ver Apéndice Nº 1. Cuyos diámetros a doblar para este diseño varían entre 1/2 pulg como diámetro menor hasta 2.5 pulg de diámetro mayor, de acuerdo a estudios realizados se determino a través de un ensayo que la fuerza necesaria para doblar un tubo de diámetro 2.5 pulg es de 2.3 toneladas, las variables que intervienen en el proceso son la separación entre apoyos como 20cm aproximadamente, distancia que es asumida y necesaria para determinar la fuerza teórica para doblar el tubo.

Para calcular esta fuerza se toma de catalogo el tubo de mayor diámetro como condición de diseño y se procede a sustraer las siguientes especificaciones. Ver Apéndice Nº 2.

 Diámetro exterior: 63.50 mm.  Diámetro interior: 59.50 mm.  Espesor: 2 mm.  Área: 3.86 _cm2  Peso lineal:3.03 Kg_m  Modulo de sección: _{5.76 cm}3

Condición de diseño para la determinación de la fuerza hidráulica.

 Diámetro máximo de tubería 2.5 pulg (6.35cm).  Diámetro mínimo de la tubería ½ pulg (1.27cm).  El material a doblar es tubular.

Calculo de la fuerza hidráulica requerida para el proceso de doblado de tubos comerciales.

La fuerza hidráulica actúa sobre un perfil simplemente apoyado con sección circular. Ver figura Nº 44.

P

P

h P

Figura Nº 44. Diagrama de cuerpo libre para la representación de la fuerza hidráulica.

Fuente: Autores.

Calculo del momento máximo.

Para determinar este valor es necesario plantear la siguiente ecuación

(

min

)(

fluencia

)

max S σ M = . Donde: = max M _{Momento máximo.}

(

Kg.cm

)

= min S Modulo de sección.

( )

_cm3 = fluencia

σ _{Esfuerzo de fluencia del material tubular. } _2

cm Kg

(

)(

)

2 3 max cm Kg cm 2102 5.76 M = cm . Kg 12107.52 Mmax =

Calculo de la fuerza hidráulica requerida.

Al analizar el diagrama de cuerpo libre de la figura Nº 31. Se puede notar que el momento máximo resulta de la siguiente forma.

            = 2 L 2 F M h max

( )( )

4 L F M h max =

Al despejar la fuerza hidráulica se obtiene de la ecuación la siguiente expresión.

z 3 R

(

)

L M 4 F max h =

Obteniendo F_h =2421.5Kg con L=20cm de separación entre apoyos.

Una vez obtenida la fuerza hidráulica requerida para deformar el tubo metálico, es necesario determinar la fuerza de roce entre el porta troquel y la canaleta metálica que sirve de guía para optimizar el proceso. En la figura Nº 45. Se ilustra en color rojo la zona de roce.

Figura Nº 45. Análisis para el cálculo de la fuerza de roce. Fuente. Autores.

Donde:

P= Peso del conjunto metálico.

Fr= fuerza de roce debido a la fricción entre metal-metal.

Diagrama de cuerpo libre. P h F Fr r F h F r F N M

Figura Nº 46. Diagrama de cuerpo libre del conjunto metálico porta troquel. Fuente. Autores.

Para determinar la fuerza de roce es necesario calcular el peso del conjunto metálico. Por lo tanto se desglosa en dos partes. Ver figura Nº 47.

Figura Nº 47. Descomposición de conjunto metálico porta troquel. Fuente. Autores.

La primera parte está formada por tres sub-partes metálicas con diferentes dimensiones. Ver figura Nº 48.

( )

a

( )

b 88mm 60mm 12mm 35.5mm 3 2 1

Figura Nº 48. Dimensionamiento de subconjunto superior metálico. Fuente. Autores.

Por lo tanto el volumen total es igual a:

3 2 1 a V V V V = + + 3 1 V V = 2 1 a 2V V V = +

( )(

)( ) ( )( )( )

[

]

₍

₎

3 3 3 a 1000mm 1m mm 12 60 88 12 35.5 60 2 V = + 3 4 a 1.144x10 m V ₌ −

En la siguiente figura Nº 49. Se muestran las dimensiones de la segunda parte del conjunto metálico con una profundidad de 117mm.

Figura Nº 49. Dimensionamiento del subconjunto inferior porta troquel. Fuente. Autores.

De igual forma se descomponen para poder calcular de una forma más fácil su volumen quedando como:

3 2 1 b V V V V = + + 3 1 V V = 2 1 b 2V V V = + 1 2 3

( )( )(

) ( )( )(

)

[

]

₍

₎

3 3 3 b 1000mm 1m mm 117 18 88 117 6 12 2 V = + 3 4 b 2.021x10 m V ₌ −

Calculo de la masa del conjunto metálico

Para el cálculo de la masa es necesario conocer la densidad del acero, la cual es igual a:

=

acero

ρ _{Densidad del acero (7850 Kg/m3), ver apéndice Nº 3.}

T cm acero _V m ρ = b a T V V V = + Donde:

mcm= masa del conjunto metálico.

(

acero

)(

a b

)

cm ρ V V m = +

(

4 4

)

3 3 cm 1.144x10 2.021x10 m m Kg 7850 m _ − ₊ −      = Kg 2.48 mcm =

Basta entonces multiplicar la masa obtenida por el coeficiente de roce del material metálico e igual 0.15 ver apéndice Nº 4.

N.μ Fr =

Siendo el peso (P) igual a la norma (N), se tiene una fuerza de roce igual a: Kg

0.372 F_r =

Lógicamente la fuerza es un tanto despreciable en comparación con la fuerza necesaria para deformar el tubo de acero, sin embargo, para efectos de diseño todos estos aspectos deben ser considerados para evitar posibles fallos; para lo cual tomaremos la fuerza de roce un poco por encima como Fr= 5Kg a fin de sobre diseñar el efecto de empuje del cilindro hidráulico, para un total de una fuerza hidráulica de 2426.5Kg

Selección del cilindro hidráulico

Para la selección de este elemento se necesitan las condiciones de

In document Measurements of Hydrolysis in Moving Bed Biofilm Reactor Carriers - Evaluation by means of Oxygen Uptake Rate Measurements (Page 38-43)