Proyecto Dobladora Completo

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SEP DGEST SES INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LÁZARO CÁRDENAS DOBLADORA DE TUBOS SISTEMAS Y MAQUINAS DE FLUIDOS ALUMNO: LUIS ANGEL NUÑEZ PANTALEON INGENIERÍA ELECTROMECANICA CATEDRATICO: ING. JORGE SALAZAR ROCHA

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SEP DGEST SES

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LÁZARO CÁRDENAS

DOBLADORA DE TUBOS

SISTEMAS Y MAQUINAS DE FLUIDOS

ALUMNO: LUIS ANGEL NUÑEZ PANTALEON

INGENIERÍA ELECTROMECANICA

CATEDRATICO: ING. JORGE SALAZAR ROCHA

CD. LAZARO CARDENAS MICH. 07 DIC. 2008

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INDICE

OBJETIVOS…………………………………………………………………….. Pág. 3

MARCO TEORICO…………………………………………………………...…Pág. 4

INTRODUCCION AL SISTEMA HIDRAULICO……………………………. Pág. 6

INTRODUCCION A LAS VIGAS Y COLUMNAS………………….………. Pág. 7

DISEÑO DE VIGAS Y COLUMNAS……………………………………….. ..Pág.9

SISTEMA HIDRÁULICO……………………………………..……….………. Pág.11

HOJA DE CALCULO HIDRAULICO……………………………………….Pág. 13

CONCLUCIÓN………………………………………………………………..Pág.20

BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………….Pág.21

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OBJETIVOS

En las gases de salida de un motor de combustión interna se busca que lo gases no perjudiquen la visión del conductor del automóvil para eso se realizo un sistema a base de tubos que dirija estos gases hacia la parte trasera del mismo.

Por la forma distinta de cada automóvil en su parte inferior y por los diferentes tipos de motores de combustión que utilizan(en “v” o en línea), se busco desarrollar una maquina que permitiera realizar varios dobleces de diferentes ángulos para poder direccionar los gases hacia la parte trasera del automóvil.

Además poder observar como trabaja y los fenómenos que se están presentando en cada una de las piezas que conforman la maquina dobladora de tubos.

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MARCO TEORICO

Desde la creación el hombre ha estado empeñado en multiplicar su fuerza física. Inicialmente se asocio con otros para aplicar cada uno su fuerza individual a un solo objeto. También el hombre al lado del desarrollo de los dispositivos mecánicos, empezó desde muy temprano la experimentación de la utilización de recursos naturales tan abundantes como el agua y el viento.

 La rueda hidráulica y el molino de viento Son preámbulos de mucho interés para la historia de los sistemas con potencia fluida, pues familiarizaron al hombre con las posibilidades de los fluidos para generar y transmitir energía y le enseñaron en forma empírica los rudimentos de la Hidromecánica y sus propiedades. La primera bomba construida por el hombre fue la jeringa y se debe a los antiguos egipcios, quienes la utilizaron para embalsamar las momias.

Galileo en 1612 elaboro el primer estudio sistemático de los fundamentos de la Hidrostática. Un alumno de Galileo, torriceli, enunció en 1643 la ley del flujo libre de líquidos a través de orificios. Construyo El barómetro para la medición de la presión atmosférica.

Blaise Pascal, fue uno de los grandes científicos y matemáticos del siglo XVII. Fue responsable de muchos descubrimientos importantes, como:

La formulación de la ley de la distribución de la presión en un líquido contenido en un recipiente. Se conoce esta, como ley de Pascal.

A Isaac Newton, además de muchas contribuciones a la ciencia y a las matemáticas, se le debe en Mecánica de Fluidos:

El primer enunciado de la ley de fricción en un fluido en movimiento.

La introducción del concepto de viscosidad en un fluido.

Los fundamentos de la teoría de la similaridad hidrodinámica.

Estos, sin embargo, fueron trabajados aislados de los cuales resultaron leyes y soluciones a problemas no conexos. Hasta la mitad del siglo XVIII no existía aun una ciencia integrada sobre el comportamiento de los fluidos.

Los fundamentos teóricos de la Mecánica de Fluidos como una ciencia se deben a Daniel Bernoulli y a Leonard Euler en el siglo XVIII.

Daniel Bernoulli, perteneció a una famosa familia suiza en la cual hubo once sabios celebres, la mayoría de ellos matemáticos o mecánicos. Gran parte de su trabajo se realizo en San Petersburgo, como miembro de la academia rusa de ciencias. En 1738 en su "Hidrodinámica", formulo la ley fundamental del

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movimiento de los fluidos que da la relación entre presión, velocidad y cabeza de fluido.

Leonard Euler, también suizo, desarrollo las ecuaciones diferenciales generales del flujo para los llamados fluidos ideales (no viscosos). Esto marco El principio de los métodos teóricos de análisis en la Mecánica de Fluidos. A Euler se le debe también la ecuación general del trabajo para todas las maquinas hidráulicas rotodinamicas (turbinas, bombas centrifugas, ventiladores, etc.), además de los fundamentos de la teoría de la flotación.

En 1985, después de 135 años de la formulación de la ley de Pascal, Joseph Bramah, construyo en Inglaterra la primera prensa hidráulica. Esta primera prensa utilizaba sello de cuero y agua como fluido de trabajo. El accionamiento se realizaba por medio de una bomba manual y no superaba los 10 bares de presión. Sin embargo, la fuerza desarrollada por ella fue algo descomunal e inesperada para el mundo técnico e industrial de entonces.

En el periodo siguiente, al final del siglo XIX y principios del XX, se tomó en cuenta la viscosidad y la teoría de la similaridad. Se avanzó con mayor rapidez por la expansión tecnológica y las fuerzas productivas. A este período están asociados los nombres de George Stokes y de Osborne Reynolds.

En la Hidráulica contemporánea se deben mencionar a: Luidwig Prandtl, Theodor Von Karman Y Johan Nikuradse. Los dos primeros por sus trabajos en Aerodinámica y Mecánica de Fluidos que sirvieron para dilucidar la teoría del flujo turbulento; el último sobre flujo en tuberías.

En 1930 se empezaron a construir las bombas de paletas de alta presión y se introdujeron los sellos de caucho sintético. Diez años después los servomecanismos electrohidráulicos ampliaron el campo de aplicación de la oleohidráulica (rama de la hidráulica que utiliza aceite mineral como fluido). Desde los años sesenta el esfuerzo investigativo de la industria y las entidades de formación profesional ha conducido hasta los sofisticados circuitos de la hidráulica.

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INTRODUCCION AL SISTEMA HIDRAULICO

El sistema más destacado que conforma la dobladora de tubos es sin duda el sistema hidráulico ya que su función es esencial para realizar el trabajo.

La carrera del vástago del cilindro no debe ser muy larga ya que la distancia entre el tubo a doblar y el dado(elemento doblador) no es muy larga, claro esto depende la dimensión del tubo a doblar y como el diámetro máximo del tubo a doblar es de 3 pulg. Por lo tanto la no es necesario un cilindro de arrera larga.

El cilindro hidráulico lleva una válvula de compuerta de la cual salen dos líneas que van conectadas al pistón de doble efecto que se encuentra visible en la parte superior de la maquina, se le inyectara aceite a una determinada presión que será suministrado por una bomba.

Calculo de la Fuerza de Empuje.

Las figuras 6-2A y 6-2B son vistas en corte de un pistón y vástago trabajando dentro de la camisa de un cilindro. El fluido actuando sobre la cara anterior o posterior del pistón provoca el desplazamiento de este a largo de la camisa y transmite su movimiento hacia afuera a través del vástago. 

El desplazamiento hacia adelante y atrás del cilindro se llama "carrera". La carrera de empuje se observa en la Fig.6-2A y la de tracción o retracción en la Fig. 6-2B. La presión ejercida por el aire comprimido o el fluido hidráulico sobre el pistón se manifiesta sobre cada unidad de superficie del mismo.

  

Velocidad del cilindro

La velocidad de un cilindro hidráulico es fácil de calcular si se emplea una bomba de desplazamiento positivo. En la figura 6-5 mostramos un ejemplo típico, con un caudal de 40 litros por minuto ingresando al cilindro. Teniendo el área del pistón de 78 cm2para encontrar la velocidad primero convertiremos los litro en cm3 por minuto es decir: 40 x 1000= 40,000cm3/min. Luego dividimos entre el área del pistón obteniendo así la velocidad.

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INTRODUCCION A VIGAS Y COLUMNAS

Cuando un cuerpo relativamente esbelto soporta cargas que están aplicadas verticalmente a su eje longitudinal, el miembro se denomina viga. Cualquier miembro, ya se parte de una maquina, o una trabe en un puente o un edificio, que se flexiona bajo la aplicación de las cargas se llama viga.

Las columnas son miembros estructurales esbeltos cargados axialmente en compresión, si un miembro a compresión mas bien esbelto, puede fallar por flexión o deflexionarse en forma lateral en vez de por compresión directa del material. Este comportamiento se puede evidenciar en una regla de plástico o algún otro objeto esbelto. Cuando hay una flexión lateral decimos que la columna se a pandeado. Bajo una carga axial creciente, las deflexiones laterales también aumentan y la columna termina por fallar por completo.

Se presentaran las vigas y columnas que serán tratadas para el desarrollo del proyecto tomando en cuenta todas las cargas a las que serán sometidas estos elementos por las fuerzas externas (peso del pistón) e internas (peso propio del elemento), también los momentos de inercia a los que serán sometidos.

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DISEÑO DE VIGAS Y COLUMNAS

Las siguientes especificaciones fueron obtenidas de tablas del libro de MECANICA DE MATERIALES AUTOR: FITZGERALD.

Acero bajo contenido de carbón Esfuerzo de fluencia σ y=248 MPa Módulo de elasticidad E=200GPa

Estos parámetros serán para todas las vigas y columnas.

Primero se van a determinar los momentos de inercia, de acuerdo a las dimensiones requeridas de las vigas y columnas, para posteriormente determinar lo esfuerzos a los que serán sometidas.

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ESFUERZOS EN VIGAS

La estructura de la dobladora de tubos esta conformada por una seria de vigas y columnas, estas solo son utilizadas para brindar un soporte de apoyo al pistón hidráulico y a los rodillos de soporte.

El tipo de perfil que se utilizara para realizar este proyecto es solo un y a continuación se darán sus especificaciones. Propiedades mecánicas:

Vigas longitudinales (estructural PTR):

Partiendo de un diseño general de las vigas (ESTRUCTURAL PTR) antes de su ensamble se dispone a dimencinarla con las siguientes medidas:

H=2.54 cmB=2.54 cmE=0.3 cmL=100 cm

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H = Peralte ò altura (cm)B = Patín (cm)E = Espesor (cm)L = Longitud total de la viga (tipo ángulo)

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Consultando las tablas obtenidas en base a internet de la industria de perfiles aceros del pacifico para las vigas (estructurales PTR) se obtuvieron las siguientes especificaciones:

Área transversal=1.4cm2

Peso por metro=1.62kgm

Ix-x=1.34cm4

W total=372.28N

L=1m

momento flexionantemaximo=P L÷4=(372.28)(1)÷4=93.07Nm

Entonces si σ=McI , donde c= 0.0125m

Por lo tanto σ=(93.07 )(0.0125)(1.34 x10−8) =86819029.85Pa

Ahora para las vigas de 50 cm

W=372.28N , L=.5m

momento flexionantemaximo=P L÷4=(372.28)(.5)÷4=46.535Nm

Por lo tanto σ=(46.535 )(0.0125)

(1.34 x 10−8) =43409514.93Pa

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ESFUERZO EN COLUMNAS

Las columnas son cualquier estructura que está sometida a compresión axial, en nuestro caso la compresión axial será provocada por el peso de la placa y el pistón serán los elementos que aporten la mayor compresión.

Como ya se dijo anteriormente, también se usaran perfiles estructurales PTR para las columnas obteniendo las siguientes especificaciones:

Área transversal=1.18cm2x4=4.8x10−8 m2

Peso por metro=1.62kgm

radiogiro=0.00978m

Iy-y=1.34cm4

W total=372.28 N

L=1.2m

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Para realizar el cálculo de la columna se debe tener en cuenta el factor K, este ya viene establecido conforme al método de sujeción de la viga, para el desarrollo del proyecto se considerara un factor K=0.65

Para utilizar alguna de las siguientes ecuaciones se presentan las siguientes condiciones.

Si KLr

es menor que CC entonces se utiliza

σ a=¿¿

Si KLr

es mayor que CC entonces se utiliza σ a=

1496

KLr

Sabiendo entonces la ecuación a utilizar nos queda que:

σ a=¿¿ (200x109)=104.17x109

Y el esfuerzo nominal que presenta la columna es la relación entre la fuerza y el área

σ n=372.28

4.8 x10−4=775583.33 Pa

Esto nos dice que la columna tiene un amplio rango de cargo sin tener ninguna deformación considerable.

SISTEMA HIDRAULICO

Tomando en cuenta a la bomba y sus especificaciones como el caudal, se llevara a cabo el cálculo hidráulico para la determinación de las presiones, perdidas y las diferentes velocidades dentro de la tubería y así mismo dentro del pistón.

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CC=√2 πϵσ Y

=√2 π (200 x109)(248 x 106) =140.49

Relación de esbeltez =KLr =

(0.65 )(1.1)0.00978

=73.1

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Con estas consideraciones nos basaremos para poder elegir lo bomba que mas nos convenga. Cabe mencionar que el pistón fue elegido del catalogo de ROEMHELD el cual nos dio las especificaciones que aquí se manejan.

Primero sabemos que nuestro pistón no debe de ir muy rápido ya que si así lo fuera los tubos no quedarían con el ángulo de dobles deseado por lo tanto obtendremos los datos de caudal con la siguiente formula:

vlocidadvastago=(GPM )(231)

areapiston Por lo tanto tendríamos que

GPM=(vel .vastago∗areapiston)/231 si areapiston=¿ π¿¿=7.79pulg2

Y la velocidad será de .4m por minuto es decir de .66cm por segundo entonces

GPM=(15.84pulg/min)(7.79pulg2)/231=.481 GPM

Q=.168galmin

∅ tuberia=0.0127m

Lsuccion=0.1m

Ldescarga1=1m

Ldescargta 2=.7m

∅ cilindro=0.08m

λviscocidad=32cst=32x 10−6 m2

seg

ηeficiencia=85 %=.85

ρr=.85

Con lo datos que ye se tienen ahora se empieza a realizar las operacionesPara el calculo de lo anteriormente mencionado.Primero se comienza convirtiendo el caudal por que lo tenemos en galones por minuto y lo necesitamos en m3/seg

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Q=.481galmin

Como 1gal=3.78 x10−3 m3 entonces Q=3.03 x 10−5 m3

seg

Con el ∅ de la tubería nos da el área=π d2

4=

π (0.0127)2

4=1.26 x10−4 m2

Sabiendo que Q=v∗A se obtiene que v=QA

=3.03x 10−5

1.26 x 10−4 =.2393mseg

Calculando el número de reynold´s

Re=v∅λ

=( .2393 )(0.0127)

32x 10−6 =94.98

Como ya se tiene reynold´s se deduce el coeficiente de fricción

f=64Re

= 6494.98

=.67

Ahora se van a considera las perdidas tanto en la descarga como en la succión.Perdidas en succión:

H L=f ( L∅ )( v2

2g )=(0.67 )( 0.10.0127

+200)( ( .2393 )2

2 (9.81 ) )=.406m

HLc=k v2

2g si k=1.2 HLc=3.5x10−3

HLT=.406+3.5x10−3=.409 m

Con la formula de bernoulli P1

ρg+

V 12

2g+z1=

P2

ρg+

V 22

2 g+ z2+H L

Como el punto 1 se tomara de referencia por lo tanto v1=0 ; z1=0 y no existe presión en el deposito

0=P2

ρg+

V 22

2g+z2+HL Esto es 0=

P2

ρg+(.2393)2

2(9.81)+0.1+ .409

P2=(−.512 ) ( .85 ) (1000 ) (9.81 )=4272.82Pa de succión.

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Perdidas en la primera descarga:

H L= (.67 )( 0.70.0127

+45)( ( .2393 )2

2 (9.81 ) )=.195m

HLc=¿ k v2

2g =(1.2)(

.29932

2(9.81)¿=3.5x 10−3 conexión para la bomba

HLc=¿ k v2

2g =(1)(

.29932

2(9.81)¿=2.91x 10−3 conexión del pistón

HLT=.195+3.5 x10−3 + 2.91 x10−3=.201m

P1

ρg+

V 12

2g+z1=

P2

ρg+

V 22

2 g+ z2+H L

Como las velocidades son iguales y z1=0

Para conocer la presión que se debe tener en el pistón hacemos

Donde P sera la fuerza necesaria para doblar el tubo considerando el tubo de 3 pulgadas ya que es el diámetro mayor que puede manejar la maquina.

Snecesario=Mσ ; S=

IC ; I=

π (DE4−Di

4)64

; C=DE

2

S=π (DE

4−Di4)

32DE

Igualando ecuaciones nos da que

M=σπ (DE

4−Di4)

32 DE

como M=FL4

Por lo tanto

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F=[σπ (DE

4−Di4)

32DE

]4

L

= [(110 x 106) π (.07624−.07124)

32(.0762)] 4

.253=17950.1N

P=FA

=17950.1π ¿¿¿ =3938301.18 Pa

Entonces P1

ρg=

P2

ρg+z2+HL por lo tanto

3938301.18(850 )(9.81)

=P2

(850 )(9.81)+.55+ .201

P2=¿(472.3+.55+.201)(850)(9.81)=3944563.39Pa

Como también se tiene una descarga del pistón hacia el tanque calculamos esta presión con sus debidas perdidas

H L=f ( L∅ )( v2

2g )=(0.67 )( 0.10.0127

+45)( ( .2393 )2

2 (9.81 ) )=.2419m

P1

ρg+

V 12

2g+z1=

P2

ρg+

V 22

2 g+ z2+H L

Tomamos de referencia el punto 2, por lo tanto

P1=⟨ 3944563.39(850 ) (9.81 )

+.55+.2419 ⟩=(479.8424 ) (850 ) (9.81 )=4001166.64Pa

Se hace la sumatoria

4272.82+3944563.39+4001166.64=7950002.88Pa

Para la potencia de la bomba

Potbomba=∆P∗Qη

=7950002.88∗3.03x 10−5

.85=283.39watts=0.379 Hp

Consideraciones de la bomba

Bomba de desplazamiento positivo Q=3.03 x 10−5 m3

seg

Motor 0.379 Hp ; λviscocidad=32cst=32x 10−6 m2

seg

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DIBUJOS DE AUTOCAD CON COTAS

Esta es la vista superior donde se puede observar el pistón, las mangueras de alta presión el dado doblador que esta sujeto al vástago del pistón y la placa que sujeta a los rodillos dobladores.

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Esta es la vista la vista derecha aquí se observan mejor los rodillos dobladores, el sistema hidráulico y la mesa donde esta montado, también se aprecia la parte trasera del motor y el tanque de almacenamiento, la caja de control que se encuentra en la esquina superior izquierda para que el operador de la maquina visualice los doblados de los tubos.

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Esta es la vista frontal aquí se puede ver como el elemento doblador junto con los rodillos dobladores forman círculos del tamaño de la tubería.

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CONCLUSION

Para poder realizar este tipo de maquinaria se tiene que tomar en cuenta formulas de diseño ya que la utilizadas no darán la forma precisa en como trabajara la maquina, los cálculos que aquí se llevaron acabo son un poco rudimentarios ya que la investigación debe llegar mas a fondo.

Al introducirnos en vigas y columnas se toma un poco a la ligera ya que es muy difícil percibir el peso real del pistón y de la placa, estos valores que se dieron son aproximados por lo tanto los cálculos también lo son.

Como también nos dimos cuenta no se tomaron varios factores como la temperatura a la que debe de trabajar la bomba, las formas de conexión entre la bomba y el pistón, etc.

El llevar acabo el diseño de una maquina hidráulica no es nada fácil y que se necesita tener mucho conocimiento de varias materias, lo que aquí se presento fue solamente un calculo básico, pero sin duda la base con la que se podría continuar su desarrollo.

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BIBLIOGRAFIA

MECANICA DE MATERIALESAUTOR: FITZGERALDEDITORIAL: ALFAOMEGA

MANUAL DE FORMULAS TECNICASAUTOR: GIECKEDITORIAL: ALFAOMEGA

ACEROS DEL PACIFICOEMPRESA DE PERFILES

ROEMHELDCATALOGO DE PISTONES

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