tolva tronco piramidal

RAE

1. Título del documento: Trabajo realizado sobre el diseño y construcción de una

empacadora de cemento mortero para bolsas valvuladas; para la obtención del título de

Ingeniero Mecatrónico.

2. Título: Diseño y construcción de una ensacadora de cemento mortero para bolsa

valvulada.

3. Autor: Carlos Fernando Tirado Duarte

4. Lugar: Bogotá, Colombia.

5. Fecha: Noviembre 2012.

6. Palabras claves: Ensacado, valvulada, diseño, construcción.

7. Descripción del Trabajo: El presente trabajo tiene como prioridad el diseño y la

construcción física, de una ensacadora de cemento en bolsas valvuladas, para la empresa

colombiana financiadora.

8. Línea de investigación: Tecnologías actuales y sociedad.

9. Fuentes consultadas: Diseño en ingeniería mecánica de SHIGLEY, Importancia del

desgaste en el diseño de CHARLES LIPSON, Mecánica de materiales FERDINAND BEER,

Máquinas Eléctricas, Manual de Transformadores JHONY BRICEÑO, Análisis del estado

actual de silos y recipientes móviles PERALTA CEVALLOS, Instrumentación electrónica

moderna y técnicas de medición WILLIAM D COOPER, Basis of desing and actions on

structures EUROCODE 1, Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V REY

GONZÁLEZ, Sistemas estructurales ITAE, Diseño de elementos de máquinas ROBERT

METT, Diseño de máquinas ROBERT NORTON, Resistencia de materiales ANDREW

PYTEL, Silos JUAN RAVENET, Diseño en ingeniería mecánica JOSEPH SHIGLEY, la

revolución de los morteros MARIO WAGNER.

10. Contenidos: En este trabajo se realizan los análisis matemáticos de los elementos

mecánicos; selecciones y consideraciones de calibración para la programación de los

componentes eléctricos y de automatización, que se eligieron para llevar a cabo la

construcción de la máquina ensacadora; así cumpliendo con los parámetros requeridos

inicialmente.

11. Metodología: La metodología de la investigación fue mediante un enfoque empírico -

analítico. complementado con una previa búsqueda, selección y adecuación de los

elementos necesarios para la construcción del proyecto final. Orientados en los

requerimientos empresariales se estudian las tecnologías existentes para tener un

referente de comparación y así junto con los conocimientos teórico prácticos en el campo

ingenieril, se diseñaron los elementos necesarios para el empacado.

12. Conclusiones: Se desarrolló el proyecto de diseño y construcción total de la ensacadora

así logrando un ensacado dentro de los requerimientos establecidos de tiempo y peso, la

empresa financiadora obtuvo una máquina que le permite empacar las bolsas valvuladas

elaboradas para posteriormente realizar las pruebas de calidad en el empaque, verificando,

tiempos de llenado, elongaciones de material, resistencias de impacto y estibamiento final.

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA ENSACADORA DE CEMENTO

MORTERO PARA BOLSA VALVULADA

CARLOS FERNANDO TIRADO DUARTE

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA MECATRÓNICA

BOGOTÁ D.C

2012

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA ENSACADORA DE CEMENTO

MORTERO PARA BOLSA VALVULADA

CARLOS FERNANDO TIRADO DUARTE

[email protected]

Proyecto de Grado para optar al título de:

Ingeniero Mecatrónico

Asesor

Ingeniero Carlos H González

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA MECATRÓNICA

BOGOTÁ DC

2012

Nota de aceptación:

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Firma del Director

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Firma del Jurado

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Firma del Jurado

Bogotá, 12 de Diciembre del 2012

DEDICATORIA

Quiero dedicar este proyecto a mis padres, Anita y Mauricio quienes con su aporte

me han apoyado para culminar esta etapa de mi vida.

Sara Fernanda y Jenny Karina gracias por brindarle un hermoso hogar a este Ingeniero.

Fernando Tirado

AGRADECIMIENTOS

Quiero dar un inmenso agradecimiento a mis señores padres por hacer todo lo

posible al alcance de sus manos, para brindarme una excelente formación ética,

moral y académica como pilares esenciales para emprender el camino del éxito;

además de ser el punto de partida para la construcción de mi nuevo hogar.

Agradezco a mi señora esposa que ha estado en todos los cambios significativos

que han ocurrido en mi corta vida de padre y esposo; gracias a Dios por brindarme

la oportunidad de emprender un camino laboral y profesional con el fin de crecer

cada día y poder brindarle los mejores cimientos a mi hija Sarita.

Quiero dar agradecimientos a la Universidad de San Buenaventura, al Padre Fray

Fernando Garzón que fue una persona de un gran corazón, noble, y

comprometido para quienes así lo necesitaban; a la planta de profesores de la

facultad de Ingeniería Mecatrónica que durante el tiempo en la universidad me

brindaron un conocimiento transversal y desinteresado, que sabré aprovechar en

mi vida profesional.

CONTENIDO

pag.

CONTENIDO ........................................................................................................... 7

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 0

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................ 1

1.1 ANTECEDENTES .............................................................................................. 2

1.1.1 A nivel Nacional. ............................................................................................ 2

1.1.2 A nivel Extranjero ............................................................................................ 4

1.2 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 7

1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN .............................................................. 8

1.3.1 Objetivos General: .......................................................................................... 8

1.3.2 Objetivos específicos ...................................................................................... 8

1.4 ALCANCES Y LIMITACIONES .......................................................................... 9

1.4.1 Alcances ......................................................................................................... 9

1.4.2 Limitaciones ................................................................................................... 9

2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 11

2.1 EMPAQUE ....................................................................................................... 11

2.1.1 Bolsa valvulada ............................................................................................. 11

2.2 EMPACADO POR FLUIDIFICACIÓN .............................................................. 12

2.2.1 Funcionamiento de Empacado por Fluidificación. ......................................... 13

2.3 EMPACADO POR HÉLICES ........................................................................... 15

2.4 EMPACADO POR TORNILLO SINFÍN ............................................................ 16

2.4.1 Clasificación de tornillos sinfín. ..................................................................... 17

2.5 SILOS Y TOLVAS ............................................................................................ 20

2.5.1 Dimensiones y Geometría ............................................................................ 20

2.5.2 Esfuerzos en Silos y Tolvas. ......................................................................... 21

2.6 CEMENTO MORTERO .................................................................................... 26

2.6.1 Densidad ....................................................................................................... 27

2.6.2 Ángulo de rozamiento ................................................................................... 27

2.6.3 Ángulo de rozamiento interno ....................................................................... 27

2.6.4 Granulometría ............................................................................................... 27

2.6.5 Coeficiente de rozamiento ............................................................................ 28

3. METODOLOGÍA ................................................................................................ 30

3.1 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO .................................................................... 30

3.1.1 Capacidad de trabajo .................................................................................... 30

3.1.2 Velocidad de trabajo. .................................................................................... 31

3.1.3 Peso .............................................................................................................. 31

3.1.4 Bolsa ............................................................................................................. 31

3.1.5 Alimentación eléctrica ................................................................................... 32

3.1.6 Costos. .......................................................................................................... 33

4. DISEÑO INGENIERIL ........................................................................................ 34

4.1 SELECCIÓN DE TRANSPORTADOR ............................................................. 34

4.1.1 Empacado por tornillo sinfín .......................................................................... 36

4.1.2 Pre diseño. .................................................................................................... 36

4.1.2.1 Descripción del proceso ............................................................................. 37

4.2 DISEÑO DE COMPONENTES MECÁNICOS Y ESTRUCTURA .................... 38

4.2.1 Diseño de la tolva. ........................................................................................ 38

4.2.1.1 Dimensiones de lá tolva ............................................................................. 38

4.2.1.2 Cálculo de presiones en la tolva. ............................................................... 41

4.2.1.3 Material de la tolva. .................................................................................... 45

4.2.1.4 Espesor de las paredes de la tolva. ........................................................... 45

4.2.2 Salida prismática. ......................................................................................... 49

4.2.3 Peso del conjunto tolva y salida prismática. ................................................. 50

4.2.3.1 Cálculo de peso conjunto tolva y salida prismática. ................................... 51

4.2.4 Boquilla de dosificación................................................................................. 53

4.2.4.1 Cálculos para el espesor de la boquilla o artesa ........................................ 53

4.2.5 Diseño del tornillo sinfín. .............................................................................. 63

4.2.5.1 Selección de espiras y paso del transportador .......................................... 63

4.2.5.3 Cálculo de Velocidad del sinfín. ................................................................. 65

4.2.5.4 Potencia total requerida. ............................................................................ 67

4.2.6 transmisión de potencia. ............................................................................... 70

4.2.6.1 Cálculo y selección de poleas y bandas. ................................................... 70

4.2.6.2 Diseño de ejes ........................................................................................... 71

4.2.7 Selección de rodamientos y soportes. .......................................................... 90

4.2.8 Soporte estructura. ....................................................................................... 97

4.2.8.1 Dimensiones de la estructura. .................................................................... 97

4.2.8.2 Cálculo de perfiles para la estructura. ........................................................ 98

4.3 DISEÑO Y SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN ELÉCTRICA Y

ELECTRÓNICA. .................................................................................................. 102

4.3.1 Motor. .......................................................................................................... 103

4.3.2 Variador de velocidad. ................................................................................ 104

4.3.3 Celda de carga. ........................................................................................... 105

4.3.4 Indicador electrónico ................................................................................... 106

4.3.5 PLC ............................................................................................................. 107

4.3.6 Gabinete de control. .................................................................................... 110

4.3.7 Esquema de control para la ensacadora. ................................................... 111

4.3.8 Dispositivos del panel de control. ................................................................ 112

4.4 PROGRAMACIÓN Y CALIBRACIÓN DE LA ENSACADORA. ...................... 115

4.4.1 Montaje de la celda de carga ...................................................................... 115

4.4.2 Calibración del visualizador electrónico ...................................................... 116

4.4.3 Calibración del variador de velocidad ......................................................... 117

4.4.4 Programación del PLC. ............................................................................... 122

4.4.5 Diagrama eléctrico de conexiones .............................................................. 124

4.4.6 Costo de la Ensacadora. ............................................................................. 125

4.4.7 Ensacadora Finalizada................................................................................ 125

5. CONCLUSIONES ............................................................................................ 127

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 129

APÉNDICES ........................................................................................................ 132

ANEXOS .............................................................................................................. 177

LISTA DE ILUSTRACIONES

pag.

Ilustración 1. Ensacadora Hechiza .......................................................................... 3

Ilustración 2. Ensacadora de bolsa valvulada por fluidificación .............................. 4

Ilustración 3. Ensacadora para bolsa valvulada por tornillo .................................... 5

Ilustración 4. Ensacadora para bolsa valvulada por hélices múltiples .................... 5

Ilustración 5. Bolsa valvulada ................................................................................ 12

Ilustración 6. Bolsa impresa con policromías ......................................................... 12

Ilustración 7. Funcionamiento de empacado por fluidificación ............................... 14

Ilustración 8. Hélice tipo vertical ............................................................................. 15

Ilustración 9. Funcionamiento de empacado por Hélice ........................................ 16

Ilustración 10. Tornillo sinfín. ................................................................................. 17

Ilustración 11. Clasificación de tornillos sinfín según su paso ............................... 19

Ilustración 12. Clasificación según la geometría de sus espiras ............................ 20

Ilustración 13. Geometrías de los silos y tolvas ..................................................... 21

Ilustración 14. Distribución de esfuerzos en silos y tolvas ..................................... 22

Ilustración 15. Distribución de las presiones en las paredes inclinadas ................. 25

Ilustración 16. Esquemático de bolsa empleada. ................................................... 32

Ilustración 17. Pre diseño de la ensacadora. ......................................................... 37

Ilustración 18. Volumen pirámide truncada invertida ............................................. 40

Ilustración 19. Dimensiones de la tolva de almacenamiento ................................. 41

Ilustración 20. Dimensiones tomadas .................................................................... 44

Ilustración 21. Idealización de paredes trapezoidales ............................................ 46

Ilustración 22. Esquemático 3d de la tolva de almacenamiento. ........................... 49

Ilustración 23. Salida prismática. ........................................................................... 50

Ilustración 24. Pesos del conjunto tolva salida. ..................................................... 51

Ilustración 25. Esquemático de la boquilla de salida .............................................. 54

Ilustración 26. Diagrama de fuerzas en la artesa ................................................... 55

Ilustración 27. Diagrama de momentos en la artesa. ............................................. 56

Ilustración 28. Diagrama de momento flector y fuerza cortante en la artesa. ........ 59

Ilustración 29. Como leer código CEMA ................................................................ 64

Ilustración 30. Tornillo seleccionado. ..................................................................... 64

Ilustración 31. Esquemático del tornillo y la boquilla. ............................................. 65

Ilustración 32. Diagrama de fuerzas para el eje en plano XY. ............................... 72

Ilustración 33. Diagramas de cortantes y momento XY. ........................................ 73

Ilustración 34. Diagrama de Fuerzas para el eje en plano XZ. .............................. 74

Ilustración 35. Diagramas de cortantes y momento XZ. ....................................... 76

Ilustración 36. Esquemático general de los diámetros requeridos. ........................ 85

Ilustración 37. Esquemático final del eje transmisor. ............................................. 89

Ilustración 38. Verificación de rodamientos rígido de bolas. .................................. 92

Ilustración 39. Selección de rodamientos SKF. ..................................................... 95

Ilustración 40. Conjunto soporte rodamiento seleccionado. ................................... 96

Ilustración 41. Dimensiones de la estructura. ........................................................ 98

Ilustración 42. Diagrama de fuerzas y dimensiones perfil. ..................................... 99

Ilustración 43. Diagrama de cuerpo libre viga soporte. ........................................ 100

Ilustración 44. Diagrama PI&D de componentes electrónicos. ............................ 102

Ilustración 45. Motor. ........................................................................................... 104

Ilustración 46. Variador de velocidad Optidrive. ................................................... 105

Ilustración 47. Celda de carga. ............................................................................ 106

Ilustración 48. Visualizador Electrónico. .............................................................. 107

Ilustración 49. PLC (Controlador lógico programable). ........................................ 109

Ilustración 50. Transformador monofásico. .......................................................... 110

Ilustración 51. Diagrama general del proceso de llenado .................................... 112

Ilustración 52. Montaje del tablero electrónico. .................................................... 114

Ilustración 53. Montaje de la celda. ...................................................................... 116

Ilustración 54. Gráficas de medición en el ensacado. .......................................... 119

Ilustración 55. Diagrama de flujo del proceso de llenado de la bolsa valvulada. . 123

Ilustración 56. Esquemático de conexiones eléctricas. ........................................ 124

Ilustración 57. Ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada. ............... 126

LISTA DE TABLAS

Pag.

Tabla 1. Características del Mortero. ..................................................................... 26

Tabla 2. Propiedades de algunos materiales granulados. ..................................... 29

Tabla 3. Dimensiones de la bolsa valvulada. ......................................................... 32

Tabla 4. Selección de transportador. ..................................................................... 35

Tabla 5. Dimensiones de la tolva ........................................................................... 41

Tabla 6. Presión normal media en las paredes de la tolva .................................... 46

Tabla 7. Relación de los lados da las paredes de la tolva con bordes fijos. .......... 47

Tabla 8. Datos calculados de las poleas y bandas requeridas. ............................. 71

Tabla 9. Dimensiones del gabinete de control. .................................................... 111

Tabla 10. Elementos requeridos en el panel de control. ...................................... 113

Tabla 11. Parámetros iniciales del visualizador. .................................................. 116

Tabla 12. Selección de velocidades en el llenado. .............................................. 120

Tabla 13. Parámetros del Variador de velocidad. ................................................ 121

LISTA DE APÉNDICES

APÉNDICE A. Descripción y selección del factor de seguridad.

APÉNDICE B. Cálculo y obtención de los factores de potencia para tornillos sinfín

transportadores según CEMA (conveyor equitment manofacture association).

APÉNDICE C. Cálculo del torque necesario para transportar el material.

APÉNDICE D. Cálculo y selección de poleas y bandas.

APÉNDICE E. Factores modificadores en el límite de resistencia a la fatiga.

APÉNDICE F. Selección de factores para rodamientos rígidos de bolas.

APÉNDICE G. Dimensiones de trabajo óptimo para una persona de en pie.

APÉNDICE H. Cálculos de momentos de inercia, y verificacion de perfiles.

LISTA DE ANEXOS

ANEXOS 1. Propiedades del acero en lámina Hot Rolled ASTM A 36.

ANEXOS 2. Diámetros comerciales de tuberías en acero inoxidable.

ANEXOS 3. Propiedades de los materiales clasificación según el CEMA.

ANEXOS 4. Dimensiones de poleas comerciales catálogo de Magic - Grip

ANEXOS 5. Características de correas.

ANEXOS 6. Resistencias a la tension y a la fluencia para algunos materiales

Valores ASTM.

ANEXOS 7. Características del motor.

ANEXOS 8. Variador de velocidad monofásico con salida trifásica.

ANEXOS 9. Celda de carga Lexus.

ANEXOS 10. Características Visualizador indicador.

ANEXOS 11. Características del PLC seleccionado.

ANEXOS 12. Características del soporte, rodamiento.

ANEXOS 13. Formato de entrega de la Ensacadora de bolsa Valvulada para

cemento mortero.

ANEXOS 14. Programación Ladder para el plc.

ANEXOS 15. Lista de costos de la ensacadora.

ANEXOS 16. Material fotográfico de la construcción de la ensacadora.

ANEXOS 17. Manual de Operación y Mantenimiento.

ABREVIATURAS

Área

Corriente Alterna

CAD Diseño asistido por computador

Gigapascal

Caballo de Fuerza

Kilogramo

Perímetro.

Pascal.

Radianes sobre segundo.

SAE Society of Automotive Engineers (Sociedad de

Ingenieros Automotores).

Tonelada por hora

Toneladas

Pulgadas.

Libras por pulgada.

Libras.

Metro

Metro sobre segundo

Metro cuadrado

Milímetro

Radianes.

Revoluciones por minuto

Densidad.

AISI

American Iron and Steel Institute (Instituto americano

del hierro y el acero).

RESUMEN

El proyecto tiene como fin principal diseñar y construir una máquina para el

empacado de material granulado (cemento mortero), en bolsas valvuladas. Esta

máquina será empleada en las pruebas de control de calidad para el diseño final

de las bolsas. El proyecto fue financiado y elaborado en las instalaciones de la

empresa colombiana Idealpack S.A.S, empresa dedicada a la producción de

empaques plásticos, entre los cuales se encuentra la bolsa valvulada.

Se investigaron los diferentes tipos de maquinaria empleados en la industria

nacional y extranjera al alcance de la empresa, con el fin de tener un punto de

comparación y así poder brindar a los requerimientos empresariales una solución

más acorde a sus necesidades.

Basados en los cálculos pertinentes y la indagación teórica, se procede a realizar

el diseño de la máquina ensacadora, con el fin de determinar los materiales de

construcción, dimensiones, potencias de transmisión, planos de piezas mecánicas

y electrónicas; adicionalmente se plantean y seleccionan los componentes para el

control de peso, inicio y fin del proceso de ensacado.

Establecido el diseño y la selección de los componentes se procede a la

construcción y compra de mecanismos, piezas, estructuras, elementos de control

y eléctricos para el montaje de la máquina, contribuyendo finalmente al

ensamblaje del producto final; la máquina ensacadora de cemento mortero.

0

INTRODUCCIÓN

Con el fin de mejorar sus productos e implementar tecnología netamente

colombiana, Idealpack S.A.S desarrolla un proyecto con el cual pretende tener

mayor rentabilidad, eficacia y alcance dentro de otros mercados.

Idealpack S.A.S hace parte de un consorcio de empresas dedicadas a la

elaboración, empaque, importación y distribución de materiales cerámicos, dicha

empresa se encarga especialmente del diseño, sellado e impresión de los

empaques para la empresa cementera “PEGOMAX S.A”; compañía que hace

parte del círculo de empresas asociadas junto a Idealpack S.A.S y Maxcerámica

S.A. Este círculo de empresas desarrolla sus actividades principalmente en la

ciudad de Bogotá, con sede en diferentes ciudades del país; como lo son

Barranquilla, Neiva, Bucaramanga y Cali, entre otras.

Con el propósito de desarrollar un proyecto productivo y real en el campo

Mecatrónico, se diseñará una máquina” funcional, económica y competente hacia

las demandas requeridas por la empresa; dicha máquina tendrá la función de

ensacar o “empacar” el material (pegante cerámico o cemento mortero), en bolsas

valvuladas. La máquina estará enfocada hacia las demandas de la empresa

Idealpack S.A.S que tomara dicha tecnología para seguir avanzando en el

mejoramiento y la producción de bolsa valvulada. Además, analizando tiempos de

empacado, estibamiento del material, sellado de las bolsas y posibles pérdidas del

mismo a la hora del empacado. La empresa pretende abarcar nuevos clientes,

ofreciendo el servicio de empaque con la presentación atractiva y demostración

visual del llenado de la bolsa valvulada.

1

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La sociedad empresarial inició con la fabricación e importación de materiales

cerámicos y productos para la instalación de dichos materiales, con el tiempo y la

buena demanda en el mercado nacional, se hizo necesaria la implementación de

una propia línea de empaque e impresión, con esta iniciativa nace Idealpack

S.A.S, empresa dedicada a la elaboración e impresión del empaque; Empaque

principalmente utilizado por la línea pego perfecto de Pegomax S.A.

A pesar del poco tiempo que Idealpack S.A.S lleva en el mercado, pero con una

gran iniciativa por el mejoramiento constante, se ha encaminado en la búsqueda

de maquinaria que le permita estar a la vanguardia de la solicitud de las grandes

empresas asociadas, especialmente en la mejora del empaque del producto, ya

que las exigencias son rigurosas en la entrega final del empaque, y no dan cabida

a errores en el sellado o a una disminución en la resistencia del material en que

se hace la bolsa, inconvenientes que se han venido presentando a lo largo de su

producción.

En la producción de la bolsa valvulada se han venido trazando lineamientos

esenciales para la buena elaboración del empaque, entre los que se aplican

resistencias a la tracción, temperaturas de sellado, elongación del material, e

impacto en las bolsas, entre otros. Todas estas pruebas son hechas con

empaques elaborados en la planta con el fin de corregir inmediatamente algún

fallo en la línea de producción, ahora la gran mayoría de estas pruebas se hace

con el material empacado, ya que solo así se puede ver el desempeño real de la

bolsa, este llenado en la actualidad se hace de dos maneras; una es, establecer

un jornada de pruebas en la planta de la empresa solicitante del empaque, con el

fin de empacar el material y así observar algún fallo posible, aunque esto genera

un costo adicional debido a que si llegase a presentar fallos deberán asistir

nuevamente y la producción del material empacado se verá disminuido.

2

La segunda forma, tiene como espacio las instalaciones de la empresa productora,

en este caso Idealpack S.A.S y se hace de manera manual y dispendiosa ya que

empacar material granulado en bolsas valvuladas requiere gran precisión y más

personal para que sea eficiente. Además, evitar contaminación de las

instalaciones, ya que la empresa también desempeña la labor de impresión y es

estrictamente necesario mantener el lugar libre de partículas flotantes. Debido a

estas razones la empresa se encuentra frente a una problemática para mejorar y

disminuir los inconvenientes en el empaque de pegante cerámico en sus bolsas

valvuladas.

Teniendo en cuenta la problemática mencionada en el marco industrial, surge este

proyecto ingenieril, en pro de una mejor calidad y productividad.

1.1 ANTECEDENTES

En el empacado de materiales sólidos a granel, se emplean diversas formas,

todas aquellas para satisfacer las necesidades empresariales. En el caso de las

ensacadoras, la maquinaria encontrada tanto a nivel nacional como internacional

varía según el principio que emplean para la dosificación de dicho material, se

encuentran máquinas que utilizan transporte por bandas, tornillos sinfín,

actuadores neumáticos, hélices y por fluidificación, entre otros.

1.1.1 A nivel Nacional. Como es conocido, la tecnología empleada y que aún se

puede observar por estos días en las industrias cementeras nacionales, ha sido en

su gran mayoría adquirida empíricamente, dicha tecnología ha sido elaborada de

manera artesanal. Esta tecnología utilizada desde la manera más artesanal de

empacado de solidos a granel hecha manualmente con un embudo y operarios,

hasta herramientas que se fueron desarrollando al pasar de los años y que ahora

podemos encontrar con muy buenas bases tecnológicas gracias a los tratados de

comercialización entre países, ha sido de mucha utilidad para el gran crecimiento

3

de las empresas que se ven hoy en día; es el caso de lo observado en visitas

empresariales en las cuales se utilizan herramientas mecánicas muy bien

soportadas. Véase (ilustración 1). Aquí se puede observar una ensacadora hecha

de manera artesanal para una empresa cementera en la localidad de Fontibón al

noroccidente de Bogotá.

Ilustración 1. Ensacadora Hechiza

Fuente: Fotografía tomada en empresa cementera en la localidad de Fontibón, Bogotá, Colombia.

En esta empresa, se observó un desarrollo técnico basado en la experiencia

artesanal y empírica de sus trabajadores.

En diferentes empresas del sector cementero que abarcan las localidades de:

Bosa, Fontibón y Usme, sectores que por su ubicación estratégica logran el

acopio de materias primas con mayor facilidad evidenciando un creciente

4

desarrollo técnico, por las buenas demandas en que se encuentra el mercado de

la construcción hoy en día.

Por otro lado muchas de las empresas que se pudieron observar en visitas

empresariales, han tenido la opción económica para importar maquinaria

extranjera y rentabilizar sus procesos.

1.1.2 A nivel Extranjero. Es común estar a la vanguardia de los grandes avances

tecnológicos que se llevan a cabo en distintos países debido a la mejoría de las

comunicaciones, ferias empresariales, y exposiciones a las que se puede acceder

con facilidad. Podemos encontrar ensacadoras de bolsa valvulada para diferentes

materiales granulados, estas son versátiles según las necesidades, precios,

dimensiones, capacidades y resistencias entre otros. En las (ilustraciones 2, 3, 4)

se ven ensacadoras ofertadas por empresas dedicadas a la elaboración y diseño

de este producto.

Ilustración 2. Ensacadora de bolsa valvulada por fluidificación

Fuente: EPSA México, Equipos de proceso y Soluciones en Automatización [en línea]. [Consultado 22 de febrero. 2012], http://www.epsa.mx/ensacadoras-de-bolsa-valvulada/ensacadora-a-presion-

de-aire-700-series.aspx

5

Ilustración 3. Ensacadora para bolsa valvulada por tornillo

Fuente: Autopack Machinery Limeted [en línea]. [Consultado 5 de diciembre. 2011],

http://autopakmachinery.co.uk/espana/id3.html

Ilustración 4. Ensacadora para bolsa valvulada por hélices múltiples

Fuente: HAVER & BROECKER. Ensacado. [En línea]. [Consultado 10

septiembre.2011].www.haverbrasil.com.br/pdf/esp/ensacaderias/Ensacadoras_para_sacos_de_valvula.pdf

6

Teniendo como base las máquinas encontradas en la indagación y con la

información solicitada a los distribuidores de estas tecnologías, es notable la

existencia de varios procesos para el llenado del material solido a granel en bolsas

valvuladas, entre los cuales es muy común ver tornillos sinfines, hélices de tipo

axial y los de más alta gama; por fluidificación. Todos estos diferentes tipos de

empacado, son logrados tras años de investigación, según las condiciones y

requerimientos especiales de trabajo para lograr una mejor rentabilidad; ya que

algunos de estos procesos son más rápidos que otros, más silenciosos, más

económicos, por nombrar algunas de sus características esenciales.

7

1.2 JUSTIFICACIÓN

Con la apertura del TLC (Tratado de Libre Comercio), Colombia deberá estar en

un nivel de competitividad alto, el necesario para competir con grandes industrias

nacionales y extranjeras que aportaran lo mejor de sus productos hacia el

mercado demandante, productos que serán calificados bajo estándares de calidad

rigurosos. Idealpack S.A.S, pretende tener en sus instalaciones maquinaria que le

permita fabricar una buena bolsa y conjuntamente hacer las pruebas necesarias

para garantizar la fiabilidad de sus empaques. El diseño y construcción de una

ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada, contribuirá finalmente, en

el control de calidad del empaque distribuido por la empresa, además el alcance

de nuevos mercados en la industria cementera.

En la industria del empaque existen muchas variaciones día a día, ya que la

tecnología varía según el producto en el que se está trabajando. Para las

cementeras, industria creciente por la actual demanda dada al crecimiento

excesivo del área urbana en las ciudades del país, se hace necesario mejorar los

costos, tiempos de llenado, almacenamiento, y demás condiciones básicas de su

producción, buscando dar una mejor rentabilidad en sus procesos y así ser

competitivos.

Idealpack S.A.S, empresa desarrolladora e innovadora en la industria del

empaque lleva al mercado una propuesta versátil, eficiente, económica, y

mejorada para el empaque de materiales sólidos a granel, de forma más atractiva.

Propuesta que debe ser confiable y segura para los consumidores crecientes de

este mercado. Esto se lograra siguiendo un proceso de calidad, como parte del

proceso, se encuentra un método que les permite empacar, probar y promocionar

el empaque valvulado, mostrando dentro de sus instalaciones el desempeño

eficiente del empaque.

8

1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.3.1 Objetivos General:

Diseñar y construir una máquina, para el ensacado de cemento mortero en bolsa

valvulada, que le permita a la empresa Idealpack S.A.S realizar pruebas de

calidad en el empaque

1.3.2 Objetivos específicos

Diseñar la estructura y componentes mecánicos de la máquina capaz de llenar

bolsas valvuladas.

Seleccionar y diseñar el transportador adecuado, para el ensacado en bolsas

valvuladas.

Implementar un sistema de control que permita a la ensacadora una

dosificación del cemento mortero de forma semi-automática, en peso y tiempo

establecidos.

Implementar un sistema de visualización y programación que le permita al

operario observar y cambiar los parámetros de la ensacadora para la

realización de pruebas de calidad.

9

1.4 ALCANCES Y LIMITACIONES

1.4.1 Alcances

Industrialmente las ensacadoras tienen como capacidad de trabajo un

promedio de [9 a 10 ton/h], para un material como el cemento mortero la rata

de llenado aproximado es entre [10 – 30] segundos para bolsas de 25

kilogramos; la máquina será diseñada para alcanzar esta rata de llenado.

La maquinaria será diseñada pensando en una excelente durabilidad a las

condiciones de trabajo establecidas.

Debido a las características físicas de las bolsas actualmente elaboras por la

empresa Idealpack S.A.S, la capacidad aproximada de llenado es de 25

kilogramos de cemento mortero; La ensacadora deberá cumplir con el llenado

de este tipo de bolsas de 25 kilogramos.

El error en el llenado del producto final puede generar una gran pérdida

económica a la empresa productora, así las grandes empresas buscan reducir

este error de peso en su producto final; La Ensacadora llenará bolsas

valvuladas con un error de pesaje de más o menos el 1 % del peso final en

bolsas de 25 kilogramos.

1.4.2 Limitaciones

El presupuesto del año en curso establecido por la empresa para el proyecto

es de $ 10’000.000 pesos, por lo tanto el diseño y la construcción de la

ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada no podrá superar este

monto.

La ensacadora deberá ser construida en su totalidad en el tiempo establecido

en el contrato de aprendizaje.

El ensacado en la bolsa deberá tener un operario para el inicio del ciclo y

cambio de bolsa, debido a que la empresa no invertirá en una máquina

10

automática en su totalidad, ya que el propósito de la ensacadora no amerita

esta automatización.

11

2. MARCO TEÓRICO

A continuación se definen algunos términos importantes y describen varios tipos

de empacado utilizados industrialmente para la bolsa valvulada, adicionalmente,

se darán a conocer aspectos básicos y técnicos tenidos en cuenta para la

elaboración de la ensacadora de bolsa valvulada.

2.1 EMPAQUE

Se define empaque según la Asociación Americana de Marketing como:

"Contenedor utilizado para proteger, promocionar, transportar y / o identificar un

producto. El empaque puede variar de un envoltorio de plástico a una caja de

acero o de madera o de tambor. Puede ser primario (que contiene el producto),

secundario (que contiene uno o más paquetes primarios) o terciario (que contiene

uno o más paquetes secundarios)"1; para el caso la empresa Idealpack S.A.S;

empresa desarrolladora de empaques que contiene, informa, y protegen como se

plantea en su eslogan corporativo, su principal producto es el de elaborar y

diseñar bolsas valvuladas.

2.1.1 Bolsa valvulada. La bolsa valvulada es un tipo de empaque industrial que

debido a su diseño y elaboración permite un mejor desempeño en el empaque de

materiales finos y granulados, este tipo de bolsa puede ser elaborado en

Polietilenos de baja y alta densidad según sea el caso también en polipropileno;

en cuanto al diseño de la bolsa está constituido de manera eficiente para que el

llenado sea más rápido debido a su válvula de apertura y un mejor y eficiente

estibado del producto empacado, debido a la elaboración de los fuelles laterales;

adicionalmente la elaboración en este tipo de materiales da una mejor

1

(A.M.A.) De la página web http://www.marketingpower.com/_layouts/Dictionary.aspx?dLetter=P,

correspondiente el sitio web de la American Marketing Association, MarketingPower.com, consultado 22 de abril 2012

12

presentación del producto empacado debido a las diferentes policromías que se

pueden imprimir.

Ilustración 5. Bolsa valvulada

Fuente: Idealpack S.A.S. Bolsa Valvulada. [En línea]. [Consultado 10

Octubre.2012]. http://www.idealpack.com.co/

Ilustración 6. Bolsa impresa con policromías

Fuente: Idealpack S.A.S. Bolsa Valvulada. [En línea]. [Consultado 10 Octubre.2012]. http://www.idealpack.com.co/

2.2 EMPACADO POR FLUIDIFICACIÓN

Fluidificación es el proceso en el cual a un material granulado se le implementa

una cantidad de aire o fluido, haciéndolo más ligero con el propósito de mejorar su

transporte; La fluidificación usualmente se utiliza para el transporte de materiales

cuyas granulometrías son muy bajas, materiales encontrados en diferentes

sectores tales como lo son la industria química, minera, construcción, alimentación

entre otros; este tipo de tecnología es muy eficaz para el empacado de materiales

13

sensibles a los rozamientos mecánicos, ya que sufren menos rozamiento entre

sus partes como puede manifestarse en transportadores de tornillos y hélices o

turbinas. Este tipo de maquinaria es muy confiable ya que el desgaste en

rodamientos, y equipos de transmisión son nulos debido a que carece de este tipo

de componentes haciendo más eficaz su mantenimiento. Por lo contrario se

pueden ver válvulas de entrada del material, válvulas de presurización y

descompresión y el sistema de corte de salida de producto, componentes

esenciales en este tipo de tecnología.

De la empresa PAYPER España, podemos observar el funcionamiento natural de

una máquina que empaca material granulado por medio de la fluidificación.

2.2.1 Funcionamiento de Empacado por Fluidificación. En la (ilustración 5), “se

observa que la cámara (1) se llena de producto a través de la válvula de mariposa

(2) en posición abierta. El producto contenido en la cámara es fluidificado por

medio de aire a baja presión, el cual penetra por el fondo de la misma a través de

un diseminador (3) construido a partir de un material poroso.

14

Ilustración 7. Funcionamiento de empacado por fluidificación

Fuente: PAYPER Es. Ensacado. [En línea]. [Consultado 15 septiembre.2011]. http://www.payper.es/UserFiles/File/PDF/PFG%20-%20SpAn.pdf

Al introducir un saco en la boquilla (4) se activa el inicio de ciclo. La secuencia de

un ciclo completo de ensacado es la siguiente: El saco queda firmemente sujeto

por la acción del mecanismo (5) sujeta-sacos. Cierre simultáneo de la válvula de

mariposa (2) y válvula de manguito (6) de descompresión de la cámara. Al mismo

tiempo, abren la válvula de presurización (7) y el sistema de corte de alimentación

(8). El material contenido en la cámara, fluye uniformemente hacia el interior del

saco. Poco antes de alcanzar el peso prefijado, el sistema de corte de

alimentación (8) reduce el paso de producto para completar en alimentación fina el

ciclo de pesada. Una vez alcanzado el peso requerido, el mecanismo (8) corta la

alimentación, finalizando así la fase de pesada. Para limpiar restos de producto en

la boquilla se inyecta aire a través de la válvula (9) durante un corto tiempo. A

15

continuación el saco es liberado quedando la máquina dispuesta para un nuevo

ciclo”2.

2.3 EMPACADO POR HÉLICES

En el empacado por hélice o también conocido como turbinas, es un elemento

mecánico formado por un conjunto de sub-elementos llamados palas, que se

encuentran incrustados de forma concéntrica alrededor de un eje y que giran

alrededor de éste en un mismo plano. Su función es transmitir a través de las

palas su propia energía cinética (que adquiere al girar) a un fluido, basándose en

este principio, el ensacado por hélice tiene como esencialidad la velocidad y

durabilidad de las palas en que se hace la hélice; con una representación gráfica

en las (ilustraciones 8,9), se ve una maquina ofertada por la empresa HAVER &

BROECKER donde se ve de forma transversal el funcionamiento de este tipo de

tecnología empleada.

Ilustración 8. Hélice tipo vertical

Fuente: HAVER & BROECKER. Ensacado. [En línea]. [Consultado 10 septiembre.2011].www.haverbrasil.com.br/pdf/esp/ensacaderias/Ensacadoras_para_sa

cos_de_valvula.pdf

2 Consultado de la empresa PAYPER España. Ensacado. [En línea]. [Consultado 16 septiembre.2011] http://www.payper.es/UserFiles/File/PDF/PFG%20-%20SpAn.pdf.

16

En la (ilustración 9), se ve un modelo completo donde el material está

representado por un color magenta y describe todo el contacto que tiene con los

elementos mecánicos, entre los cuales se encuentra en la parte inferior, la hélice

de tipo vertical que se encargara de impulsar el material hacia la bolsa valvulada

ubicada al final de la boquilla de salida.

Ilustración 9. Funcionamiento de empacado por Hélice

Fuente: HAVER & BROECKER. Ensacado. [En línea]. [Consultado 10 septiembre.2011].www.haverbrasil.com.br/pdf/esp/ensacaderias/Ensacadoras_para_sa

cos_de_valvula.pdf

2.4 EMPACADO POR TORNILLO SINFÍN

Mecanismo basado en el tornillo de Arquímedes. ”Si una línea recta permanece

fija en un extremo, y se hace girar en el plano con una velocidad constante, hasta

hacerla volver de nuevo a la posición de la que ha partido, y junto con la recta que

gira, se mueve un punto sobre la recta, también a velocidad constante iniciando su

movimiento desde el extremo fijo, el punto describe en el plano una espiral.” Este

mecanismo es común en el ámbito nacional y extranjero, es empleada en

17

diferentes industrias, como en la industria alimenticia, cementera, de plásticos

entre otros.

Ilustración 10. Tornillo sinfín.

Fuente: Elaboración propia, del autor.

Para el caso del tornillo sinfín, el material se introducirá por una apertura pasando

así a la camisa o artesa, donde allí el tornillo sinfín transportador helicoidal, estará

en constante giro haciendo que se ejerza una fuerza entre las hélices del tornillo y

el material a dosificar, empujándolo constantemente a la salida de la artesa.

Existe una gran variedad de tornillos sinfín para el transporte de materiales a

granel y demás, los cuales varían en tamaño, espiras, material de construcción,

inclinación, artesas de soporte y demás, los diseños de este tipo de tornillos están

basados en el paso y la geometría de sus espiras; a continuación se enumeran

algunos de los más utilizados a nivel empresarial.

2.4.1 Clasificación de tornillos sinfín. Esta clasificación se hace según su paso

y geometría de las espiras, que denota de manera significativa las dimensiones

de un tornillo a otro.

Principalmente existen 5 clases de pasos para el diseño de un tornillo

transportador, como lo son: de paso estándar ver (Ilustración 11.a), que hace

relación igualitaria entre el diámetro del tornillo y su paso, de paso corto

(Ilustración 11.b), que relaciona el diámetro del tornillo a 2/3 de su paso. De paso

18

medio (Ilustración 11.c), que relaciona el diámetro del tornillo en ½ de su paso. De

paso largo (Ilustración 11.d), que lleva hasta

, el paso del tornillo con respecto a

su diámetro y de paso variable (Ilustración 11.e), que consiste en un diseño

especial en el cual las condiciones del material así lo dispongan, y consiste en

hacer a lo largo del transporte diferentes pasos en el tornillo.

Las geometrías variables de las espiras de un tornillo sinfín, denotan que el

material que están transportando requiere un tratamiento adicional, al de solo ser

llevado de un lado a otro.

Comúnmente se observan 6 tipos de geometrías en las espiras de un tornillo,

algunas son: Tornillos transportadores con espiras de tipo estándar (Ilustración

12, a), son utilizados comúnmente en todas las aplicaciones convencionales de

transporte de material. Tornillos trasportadores con espiras recortadas (Ilustración

12, b), cuyo fin es el de transportar y destruir terrones que se puedan formar en el

material por aglomeraciones no deseadas. Tornillos trasportadores con espiras

recortadas y dobladas (Ilustración 12, c), se utilizan más para mezclar el material

con el fin de corregir aglomeraciones, adicionalmente calentar o enfriar el material

transportado si es necesario.

19

Ilustración 11. Clasificación de tornillos sinfín según su paso

Fuente: Pino, Eduardo Paúl. Software para Diseño de transportadores de tornillo. Trabajo de grado

Ingeniero Mecánico. Guayaquil, Ecuador: Escuela Superior Politécnica del Litoral. 2005. 8 p

Tornillos trasportadores con espiras tipo cinta o ribbon (Ilustración 12, d), son

tornillos para materiales viscosos y pegajosos, ya que no permiten que haya

acumulación de material haciendo que estos tengan mayor movimiento en el

interior de la artesa, estos tornillos también se utilizan con el fin de mezclar dos o

más materiales.

20

Ilustración 12. Clasificación según la geometría de sus espiras


Ingeniero Mecánico. Guayaquil, Ecuador: Escuela Superior Politécnica del Litoral. 2005. 11p

2.5 SILOS Y TOLVAS

Un silo o tolva es un elemento mecánico rígido que tiene como principal función el

almacenamiento de materiales. Para el almacenamiento de materiales granulados

normalmente es una estructura que consiste en un cuerpo rectangular o cilíndrico,

conectada en la parte inferior a una sección prismática o cónica que formará parte

de la salida de la tolva.

2.5.1 Dimensiones y Geometría. La tolva de almacenamiento es el punto de

partida donde se inicia el proceso, es el elemento mecánico que recibe la materia

prima y la almacena, para a su vez ser empleada en otra de etapa del proceso.

21

Existen varias geometrías a emplear en el diseño de este tipo de elementos, de

los cuales dependen varios factores tales como el material a ensilar, el tipo de

flujo, el volumen requerido, el costo de construcción, el espacio requerido en su

instalación, entre otros; en la siguiente ilustración se observa los tipos de

estructuras comúnmente empleadas.

Ilustración 13. Geometrías de los silos y tolvas

Fuente: Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap.

19.2

2.5.2 Esfuerzos en Silos y Tolvas. El análisis de los esfuerzos en los silos y

tolvas busca determinar posibles fallos en la construcción mecánica de los

mismos, estos esfuerzos ejercidos por los materiales almacenados empezaron a

ser tenidos en cuenta debido al resultado de varios estudios experimentales. El

pionero de estos estudios realizados, fue el Doctor Janssen (1895), quien dejo un

importante legado en el estudio de este fenómeno, seguido por Jenike y

Johansson (1968), y posteriormente los hermanos Reimbert (1956), para cuando

los señores Mahmoud (1975) y Joffriet (1977), mejoraron este legado habían un

22

creciente cambio en la informática lo cual mejora de manera significativa el

análisis de estos fenómenos. a través de la simulación de elementos finitos se

realiza una predicción de estas presiones soportadas por los silos de gran tamaño

y almacenamiento.

Distribución de esfuerzos y presiones en silos y tolvas. Los elementos

mecánicos conocidos como tolvas y silos están sometidos a una variación de

esfuerzos en sus paredes, estos esfuerzos cantidades vectoriales, se pueden

clasificar de la siguiente manera, Esfuerzo horizontal , Esfuerzo vertical ,

Esfuerzo normal .

Ilustración 14. Distribución de esfuerzos en silos y tolvas

Fuente: MEGYESY, Eugene F, Pressure Vessel Handbook, United States of America, 2001, citado

por Ing. Cevallos Jaime, Peralta luis, 2009

23

De la (Ilustración 14), Se puede observar los diferentes esfuerzos a los cuales se

ve sometida las paredes del silo y posteriormente la tolva.

El esfuerzo vertical, es la presión ejercida por el material de manera paralela a las

paredes del silo, esta presión se ve atenuada por la fricción ejercida entre las

placas del silo y el material. Es posible hallar estas presiones con la siguiente

fórmula planteada en el Eurocódigo (1) sección 4:

[

(

)]

Dónde:

= Es el área se la sección transversal de la pared vertical.

U= Es el perímetro interior de la paredes.

Es el coeficiente de rozamiento sobre las paredes.

Es la relación entre las presiones verticales y horizontales, (constante de

Janssen).

Esfuerzo horizontal, es igual a la presión ejercida de manera perpendicular a las

paredes del silo y es posible hallarla en cualquier altura del mismo en dependencia

de las presiones verticales, según el EUROCÓDIGO (1) sección 4, se puede

obtener a través de la siguiente expresión

Dónde:

24

De esta manera, si no se encuentra ningún ángulo de inclinación actuando sobre

la salida del material solo existen estas presiones, pero dado que es necesario

sectorizar el flujo de material inclinando a la salida del silo mediante una tolva ya

sea prismática o cónica, existe un esfuerzo aplicable de manera normal a la pared

inclinada de la tolva, formando un ángulo recto entre su magnitud y la superficie,

esta magnitud es conocida como presión normal,

Ángulo de inclinación menor a 20 º en silos esbeltos el esfuerzo normal en el

fondo del silo es constante y se determina así:

Dónde:

Ángulo de inclinación mayor a 20 º las paredes de la tolva están sometidas a una

presión normal y a una fuerza de fricción, ya que las paredes soportan todo el

peso del material, el EUROCÓDIGO ha adoptado fórmulas halladas

empíricamente mediante el estudio del flujo del material en tolvas piramidales,

para el cálculo de estos esfuerzos normal y fricción, se plantea lo siguiente:

Dónde:

25

Para este caso la presión en la transición no se debe hallar, debido a que no hay

transición en el paso de material por lo tanto se asume

√

Y el valor de la presión de fricción en la pared esta dado por:

Ilustración 15. Distribución de las presiones en las paredes inclinadas

Fuente: Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap. 19.2, pág. 40

26

Es posible hallar todas estas presiones y esfuerzos generados en las paredes de

la tolva de almacenamiento, pero en primer lugar es necesario hablar de las

propiedades del material a ensilar.

2.6 CEMENTO MORTERO

Probablemente, el uso de morteros minerales y de materiales cementantes para la

construcción, es una práctica ancestral que se remonta a más de 8.000 años en la

historia de la humanidad, Sumerios y babilonios desarrollaron estucos con base en

conglomerantes de cal y yeso; mientras que las civilizaciones fenicia, griega y

romana privilegiaron el uso de morteros puzolánicos de fragüe hidráulico. “Un

cemento mortero se considera a un mezclado de cemento, arena y un éter de

celulosa, donde este último le da la propiedad de retener agua al mortero evitando

el humectar previamente el utensilio cerámico por varias horas”3; esta pre mezcla

es utilizada por el sector de la construcción para la instalación de cerámica y

porcelanato entre otras piezas cerámicas.

Tabla 1. Características del Mortero.

Características comunes.

Densidad Aparente Tamaño de partícula Temperatura de planta 1300 Kg / m3 (0.435 mm – 0.075mm) < 60 C°

Fuente: Departamento de Investigación y Desarrollo Planta PEGOMAX S.A Soacha Cundinamarca

En este caso los datos aquí descritos son proporcionados por la empresa

Colombiana Pegomax S.A. y corresponden en su gran mayoría a la arena sílice

utilizada, debido a que ésta constituye el mayor porcentaje del pegante cerámico;

además por condiciones de seguridad empresarial no se suministran más datos

3 Pulido, Wilson, Evaluación a escala semi industrial de pego perfecto, porcelánico interiores - gris. Informe

junta técnica Nº. /. (junio 2007)

27

específicos en este documento acerca de la composición de este pegante

cerámico elaborado por tal empresa.

2.6.1 Densidad. Es la magnitud física que se refiere a la cantidad de unidad de

masa contenida en la unidad de medida volumétrica. La densidad aparente como

su nombre lo indica da un presunto valor de esta, debido a la adherencia de aire

entre las partículas del material. Densidad de la arena de sílice 1500

2.6.2 Ángulo de rozamiento. Determinar el ángulo de rozamiento entre el

producto y las paredes del almacenamiento es un proceso netamente

experimental, y determina el tipo de flujo que se producirá durante el vaciado; este

ángulo de rozamiento depende de dos factores importantes.

Las propiedades físicas del producto.

La rugosidad del material en el cual está construido la tolva o silo.

Para el caso de la arena de sílice componente que conforma el cemento mortero

trabajado en la empresa, el ángulo de rozamiento junto a las láminas de acero

está en un intervalo de (27°- 38°)4.

2.6.3 Ángulo de rozamiento interno. El ángulo de rozamiento interno de un

material es el ángulo que se tiene en las partículas de ese mismo material para

romper la cohesión entre sí. El ángulo de rozamiento interno del material utilizado

en la empresa es en promedio de 30°5.

2.6.4 Granulometría. La granulometría es una medida en la distribución de los

tamaños de las partículas en una cantidad de muestras del material a medir, esta

distribución y medición está determinada por una serie de tamices reglamentados

4Información suministrada por el Departamento de Investigación y Desarrollo, Planta PEGOMAX S.A Soacha, Cundinamarca 5 Ibid

28

por la norma (ASTM) 6 . Esta medida está determinada por el tamaño de la

abertura de los lazos de alambre que constituyen el tamiz.

La arena de sílice es seleccionada por su granulometría así:

Arena de sílice seca, a un máximo de humedad del 0.5 %, y entre (-) mallas 40

A.S.T.M.E-11, (+) mallas 120 A.S.T.M.E-11.

2.6.5 Coeficiente de rozamiento. El coeficiente de rozamiento es una cantidad

adimensional que se utiliza para determinar la oposición de movimiento de un

material con respecto a una superficie del mismo o de otro material. Este valor del

coeficiente de rozamiento es característico de cada pareja de materiales en

contacto, no es una propiedad intrínseca de un solo material, depende además de

muchos factores externos como lo son: Temperatura, acabado entre

las superficies, velocidad relativa entre los materiales, etc. En la (tabla 2) se ven

algunos materiales y su coeficiente de rozamiento.

6 (A.S.T.M) American Society for Testing Materials

29

Tabla 2. Propiedades de algunos materiales granulados.

Fuente: Departamento de Investigación y Desarrollo, Planta PEGOMAX S.A Soacha,

Cundinamarca, 2011

30

3. METODOLOGÍA

El proyecto se desarrolló mediante un enfoque empírico – analítico,

complementado con una previa búsqueda, selección y adecuación de los

elementos necesarios para la construcción del proyecto final. Orientados en los

requerimientos empresariales se estudian las tecnologías existentes para tener un

referente de comparación y así junto con los conocimientos teórico prácticos en el

campo ingenieril se diseñaron los elementos mecánicos necesarios para un

empacado por tornillo sinfín acorde al material y peticiones de Idealpack S.A.S,

entre los cuales se obtuvieron el estudio de fuerzas cortantes, momentos flectores,

análisis de vigas, resistencia a la fatiga en ejes, así como también se

seleccionaron los elementos electrónicos adecuados, tales como: motores,

sensores, PLC, montaje del Cofre, entre otros, dando paso a la construcción de la

máquina.

3.1 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO

Con el propósito de elaborar el proyecto a satisfacción de la empresa

patrocinadora, se han establecido lineamientos por parte de la junta técnica

realizada en el mes de noviembre del año 2011 en Idealpack S.A.S. con la

asistencia del Ingeniero de Producción, Ingeniero de proyectos y desarrollo y el

gerente general de la empresa. Estos lineamientos son la base para el diseño y

construcción de la ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada, tales

lineamientos se presentan de la siguiente manera:

3.1.1 Capacidad de trabajo. Teniendo en cuenta que esta máquina tiene como

objetivo empacar en las bolsas que se elaboran en las instalaciones de Idealpack

S.A.S, para verificar la fiabilidad de sus empaques, se estableció una capacidad

de carga o de trabajo igual a 300 kilogramos de cemento mortero. Dando así, un

espacio de trabajo aproximadamente de 12 bolsas empacadas; adicionalmente,

31

no será un elemento estorboso ni que contribuya a la contaminación del ambiente

en las instalaciones.

3.1.2 Velocidad de trabajo. Es necesario a petición de la empresa, que el

llenado se haga de manera similar a la velocidad de trabajo de los clientes

actuales de la bolsa valvulada, por consiguiente el empacado de una bolsa de 25

kilogramos se hará a una rata de llenado entre; mínimo 10 segundos y máximo 30

segundos. Este es el tiempo promedio que se tarda la empresa PEGOMAX S.A

en ensacar este tipo de material, “cemento mortero” en una bolsa valvulada de 25

kg7.

3.1.3 Peso. La máquina pesará de manera continua el empacado, para así

determinar autónoma o manualmente el momento en que se detenga la

dosificación del material, este sistema será electrónico debido a que es necesaria

una visualización del peso durante todo el proceso.

El peso requerido por la empresa es de 25 kilogramos de producto empacado,

cuya exactitud no puede superar un valor de 500 gramos por bolsa de 25

kilogramos.

3.1.4 Bolsa. La bolsa utilizada para el empaque será la elaborada por la empresa

cuyas dimensiones se representan en la siguiente (Ilustración 16).

7 Información suministrada por el Departamento de Investigación y Desarrollo Planta PEGOMAX S.A

Soacha, Cundinamarca.

32

Ilustración 16. Esquemático de bolsa empleada.


Tabla 3. Dimensiones de la bolsa valvulada.

Dimensiones (milímetros mm)

Alto 555 mm

Ancho 320 mm

Fuelle 100 mm

Diámetro de boquilla 75 mm

Profundidad para boquilla 155 mm

Fuente: Departamento de Investigación y Desarrollo, Planta Idealpack S.A.S, Bogotá, Cundinamarca, 2011.

3.1.5 Alimentación eléctrica. Una de la condiciones del proyecto es la posibilidad

de traslado de la máquina de ser necesario, para ofertar el producto “bolsa

valvulada” a los diferentes clientes, por esto surgió la condición de tener esta

maquinaria a la disposición de una conexión eléctrica común y de fácil acceso; de

lo cual se establece que la Ensacadora será alimentada por una conexión

monofásica de 110 Voltios AC corriente alterna.

33

3.1.6 Costos. El presupuesto para el proyecto no debe superar un monto de $

10’000.000 pesos; entre los cuales está incluido la compra de materiales, la

construcción de piezas, la mano de obra, e imprevistos; presupuesto planteado

por la empresa contando con la disponibilidad anual empresarial para este tipo de

proyectos.

34

4. DISEÑO INGENIERIL

En el siguiente capítulo se presenta el diseño y selección ingenieril de los

componentes mecánicos e instrumentación electrónica, para dar cumplimiento a

los objetivos propuestos en el proyecto; Proyecto encaminado al mejoramiento en

los procesos de control de calidad del empaque desarrollado por la empresa

Idealpack S.A.S.

4.1 SELECCIÓN DE TRANSPORTADOR

En la tabla (4), se presenta una ponderación de selección para los diferentes tipos

de transporte utilizados en este tipo de maquinaria; donde cabe rescatar los

aspectos a tomar en cuenta para la selección ya que son de vital importancia en el

empacado de material estos aspectos son:

Exactitud: Para la empresa Idealpack S.A.S, este concepto es de importancia

alta, ya que en el proceso de calidad de la bolsa valvulada se tiene como

factor a cuantificar el desperdicio de material en el empaque, ahora, si la

ensacadora genera un error de pesaje no admisible no contribuirá al

mejoramiento en la calidad, por lo contrario generara un inconveniente

adicional en la medición; por tal motivo se expresa que este valor es de

importancia alta en la máquina.

Velocidad: Este factor a considerar es esencial en las ensacadoras cuales

quiera que sea, es el valor por el cual se mide la productividad de la máquina,

ya que para una empresa productora entre más producto sea empacado mayor

es su eficiencia, no obstante, el proyecto realizado tiene otro propósito que no

es el de generar una producción industrial de bolsas empacadas, pero es un

factor importante para dar fiabilidad al proceso de llenado simulando un

empacado eficiente en bolsa valvulada.

35

Adicionalmente se consideraron aspectos importantes en su elaboración tales

como:

Montaje: Basado básicamente en la complejidad de las partes del

transportador este factor tiene una importancia media, considerando

tecnologías que describen un montaje y condiciones de operación especificas;

ya que la empresa requiere una máquina de fácil traslado y funcionamiento

simple pero eficaz.

Costo: Un aspecto no menos importante que los mencionados, aclarando que

la empresa correrá con los costos necesarios para el diseño, compra de

elementos, y montaje de la máquina se han fijado unos recursos económicos

limitados para el proyecto mencionados en la…sección 3.1...

Tabla 4. Selección de transportador.

CONVENSIONES:

1. Calificación de menor peso; 3. Calificación de peso intermedio; 5. Calificación de mayor peso

Transporte Exactitud

30%

Velocidad

20%

Montaje

20%

Costo

30%

Total

100%

Tornillo 4 3.5 4 4.5 4.05

Hélice 4 5 4 4 4.2

Fluidificación 5 5 3 2.5 3.85


36

Teniendo en cuenta los anteriores criterios ponderados se puede concluir que para

el empacado del material a considerar es más eficiente y una mejor alternativa el

empacado por hélice, mas sin embargo la experiencia de trabajo de la empresa

presenta a continuación los factores que requieren tomar una alternativa diferente.

4.1.1 Empacado por tornillo sinfín. La experiencia de una de las empresas

asociadas Pegomax S.A, que lleva aproximadamente 10 años en la industria del

pegante cerámico y quien conoce muy bien el empacado de material a granel,

ofrece el punto de partida para trabajar con un empaque por tornillo sinfín,

justificando en primera instancia el costo de este en comparación de nuevas

tecnologías como lo son el de fluidificación. Adicionalmente, describe que en el

proceso de llenado por hélices o paletas para el empaque que la empresa está

desarrollando no es el conveniente, debido a que este mecanismo almacena

mucho aire y como la bolsa no requiere un sellado posterior conllevaría a la

utilización de escapes adicionales de aire en el empaque plástico; actualmente el

diseño de la bolsa está previsto para que junto con una solapa el selle se realice

de manera satisfactoria produciendo el menor escape posible sin sellar la válvula

de entrada; con un empacado de hélices el aire almacenado en el interior de la

bolsa es mayor que el de un empaque por tornillo sinfín en el empaque de

Idealpack S.A.S, por tal motivo se toma la decisión de diseñar y construir la

ensacadora con un transportador de tornillo sinfín para el empacado en bolsa

valvulada quien es el segundo mejor ponderado expresado en la anterior tabla,

véase (Tabla 4).

4.1.2 Pre diseño. En base a los requerimientos de diseño se presenta un prototipo

el cual durante todo el proceso de llenado abarca los lineamientos establecidos

previamente.

Se muestra en la (Ilustración 17), un diseño de la ensacadora que estará en la

capacidad de cumplir con un almacenamiento de material mínimo, una velocidad

37

de trabajo, un pesaje del producto y la dosificación de material en bolsas

valvuladas.

Ilustración 17. Pre diseño de la ensacadora.


4.1.2.1 Descripción del proceso. En la (Ilustración 17), donde se puede

observar el prototipo de la ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada,

se describe el proceso a seguir por la máquina de la siguiente manera:

El proceso de llenado en la ensacadora inicia con el almacenamiento manual del

material en la tolva de almacenamiento cuya capacidad máxima es de 300 kg, una

vez el material este almacenado en la tolva (1), este deslizara por acción de

gravedad a una salida prismática donde se acoge un tornillo sinfín transportador

helicoidal (2), a través de la transmisión de potencia (3) y por medio de una

botonera de control se dará comienzo al llenado de la bolsa, llenado que estará

condicionado a la velocidad de giro del motor (4), una vez el material este en

38

movimiento por la acción del transportador se llevara al interior de la bolsa a través

de una boquilla de llenado (5), allí el operario de forma manual deberá ubicar la

bolsa valvulada con anterioridad; el material caerá al interior de la bolsa ejerciendo

una fuerza sobre la plataforma de pesaje que censará electrónicamente el cambio

de peso a lo largo de la dosificación hasta que cumpla con el peso acordado.

4.2 DISEÑO DE COMPONENTES MECÁNICOS Y ESTRUCTURA

A continuación se detallan los cálculos matemáticos a considerar para el diseño

mecánico y estructural de la máquina, de los elementos tales como: Tolva de

almacenamiento y salida prismática, boquilla de llenado, tornillo sinfín, trasmisión,

y estructura.

4.2.1 Diseño de la tolva. Para el diseñador es vital dar comienzo al diseño

ingenieril por el punto de partida inicial del proceso, ya que esto le puede asegurar

el control y conocimiento de variables que van a ser esenciales en el diseño de

elementos posteriores; en este caso, el estudio y diseño de la tolva de

almacenamiento dará como resultado el cálculo de presiones, esfuerzos y

momentos, causados por el peso del material y la geometría de la tolva, esto con

el fin de determinar el material de construcción para la tolva, las dimensiones, y

espesor para su elaboración. Adicionalmente estos cálculos servirán como punto

de partida para el diseño del tornillo sinfín, también contribuirá en el diseño final

del soporte que constituirá la estructura mecánica de la máquina.

4.2.1.1 Dimensiones de lá tolva. La tolva cumplirá con la necesidad de

almacenar cemento mortero de una densidad aparente de 1300 kg/ m3. Además el

volumen que tendrá este elemento mecánico por sugerencia de la empresa, será

el necesario para almacenar en promedio 300 kilogramos de este producto; la

tolva cumplirá con las condiciones de fácil traslado, económica, resistente, y de no

ser engorrosa en su almacenamiento.

39

La densidad aparente del material a dosificar , y se sabe que el

volumen se describe de la siguiente ecuación:

Entonces:

Este es el volumen necesario para almacenar 300 kg del material.

Se escoge una geometría en forma piramidal truncada invertida, porque dados los

requerimientos se ajusta más a las peticiones mencionadas, si es cierto que los

silos y tolvas de forma cilíndrica son más eficientes que los de tipo prismático8 en

cuanto su flujo estos son más frágiles, su elaboración es más engorrosa, y su

costo es más elevado, en comparación a uno prismático para estos volúmenes.

Para una pirámide truncada invertida, la ecuación de volumen almacenado esta

descrita por:

√

Se toman estas medidas en los lados de la tolva pensando en que sea de fácil

traslado, 1 metro y 0.5 metros respectivamente.

De lo cual = al área de la parte superior =

8 Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto tecnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap 19.2,

pág 32

40

= al área de la parte inferior =

Ilustración 18. Volumen pirámide truncada invertida


Con los anteriores resultados se puede determinar la altura necesaria para el

volumen requerido.

√

41

Ilustración 19. Dimensiones de la tolva de almacenamiento


Tabla 5. Dimensiones de la tolva

DIMENSIONES (mm)

BASE SUPERIOR 1000 mm * 500 mm

BASE INFERIOR 240 mm * 150mm

ALTURA 1000 mm


4.2.1.2 Cálculo de presiones en la tolva. Para el cálculo de estas presiones se

utiliza como referencia los datos suministrados por la empresa, acerca de la arena

sílice que se utiliza para la elaboración del cemento mortero ya que esta es el

material de mayor porcentaje.

Densidad aparente del material:

Dimensiones de la tolva: Superior (1000 mm) X (500 mm); Inferior (240) X (150);

Altura (1000mm).

42

Ángulo de rozamiento ( ): (27º – 38 º)

Ángulo de rozamiento interno l ( ): 30 º.

Gravedad;

Coeficiente de rozamiento : 0.4

Se procede a determinar la constante de Janssen ( ), para poder determinar los

esfuerzos en las paredes de la tolva.

Presiones verticales:

[

(

)]

Conversión:

[

( )]

43

Presión horizontal:

Presión normal:

En este caso como la tolva tiene una sección rectangular, tomaremos las paredes

de mayor área para efectos de cálculos.

44

Ilustración 20. Dimensiones tomadas


√

√

(

)

(

)

45

4.2.1.3 Material de la tolva. El material para la construcción de la tolva debe ser

un material resistente, económico, asequible para dar fiabilidad en el proceso.

El material seleccionado es una Lámina HR (Hot Rolled) - ASTM – A36, cuyas

propiedades se pueden observar en el…Anexo (1)…Cualidades que describen los

esfuerzos últimos, resistencias y composición en general.

4.2.1.4 Espesor de las paredes de la tolva. Para el cálculo del espesor de la

lámina se hallan los momentos generados por el peso del material sobre las

paredes, y junto a las características del acero seleccionado se calcula un espesor

mínimo necesario para soportar dichas fuerzas.

Momento flector máximo. Es necesario conocer el momento flector máximo al

cual se ven sometidas las placas de la tolva, en este caso la placa de mayor

dimensión en donde se presentara el mayor momento; el momento flector máximo

está dado por la siguiente expresión:

9

Dónde:

Son las dimensiones más corta y más larga de la pared de la tolva

respectivamente.

Es la presión Normal media

Es la relación de lados tabulados experimentalmente ver (tabla 7).

La expresión planteada anteriormente para la solución del momento flector

máximo, está basada en la aproximación idealizada de la lámina de la tolva en

forma trapezoidal que la conforma, de esta manera se plantea una idealización

rectangular de esta lámina.

9 Sistemas, Estructurales, (ITEA), instituto tecnico de la estructura del acero, Tomo 19, Cap 19.2,

pág 45

46

Tabla 6. Presión normal media en las paredes de la tolva


Idealización presente en el EUROCODIGO (1) sección 4, Ver (Ilustración 21) y a

continuación las ecuaciones descritas.

Ilustración 21. Idealización de paredes trapezoidales


19.2, pág. 45

47

Entonces:

Tabla 7. Relación de los lados da las paredes de la tolva con bordes fijos.


19.2, pág. 45

Se halla el momento:

Cálculo de espesor. El cálculo del espesor de las láminas de la tolva estará dado

por la lámina de mayor dimensión como ya se había mencionado, dado que los

esfuerzos están condicionados por el área en el que se aplica la fuerza, ahora de

los datos anteriores conocemos el momento ejercido sobre las láminas del acero

escogido para su construcción.

48

El espesor está dado por la siguiente formula:

Dónde:

Es el espesor a calcular

Resistencia a la flexión del material

Esta última resulta de la multiplicación de la resistencia a la tracción ( ) ver

(Anexo 1), multiplicada por el factor de seguridad según considere el diseño

véase… Apéndice A… El factor de seguridad empleado para este análisis será de

3, debido a que el análisis está basado en el diseño descrito y trabajado por el

ITAE, adicionalmente el análisis se elaboró con sistemas aproximados a las

condiciones reales.

Entonces el espesor calculado es de:

√

49

Para este caso se escoge una lámina de espesor 1/8 “= 3.175 mm; ya que es una

lámina económica y muy comercial, además con el resultado anterior se está

asegurando que no va sufrir debido a los esfuerzos ejercidos por el material.

Ilustración 22. Esquemático 3d de la tolva de almacenamiento.


4.2.2 Salida prismática. Esta salida además de conformar una extensión de la

tolva de almacenamiento, es la transición entre el almacenamiento y el transporte

del material hacia la boquilla de salida.

Este mecanismo se construirá en el mismo material de la tolva de

almacenamiento, ya que sus dimensiones (mm) son pequeñas en comparación

del anterior, y no sufrirá sobrepresiones. La construcción de esta, se hace con el

fin de acoplar una boquilla de dosificación para la bolsa valvulada.

50

Ilustración 23. Salida prismática.


4.2.3 Peso del conjunto tolva y salida prismática. Para el cálculo se soportó

en el programa de Diseño asistido por computador (CAD), Solid-Edge versión st3,

con el fin de simular un peso del conjunto constituido por la tolva de

almacenamiento y salida prismática. De lo cual se obtuvo el siguiente resultado.

51

Ilustración 24. Pesos del conjunto tolva salida.


Peso del conjunto de la tolva y salida prismática: 53.664 Kg.

4.2.3.1 Cálculo de peso conjunto tolva y salida prismática. De lo cual

geométricamente dividimos las paredes de la tolva para poder calcular el área total

de la estructura y así determinar el peso que esta tendrá:

En la (Ilustración 19), se puede observar las dimensiones de la tolva de recepción

del material.

Dónde:

52

Entonces:

( )

( )

Sabemos que:

10

Flanches:

En la (Ilustración 23), se puede observar las dimensiones de la salida prismática

donde:

10

Diseño de Maquinaria, Robert L Norton, Cuarta edición, Tabla B-1, Propiedades Físicas de algunos

materiales de ingeniería, Apéndice B.

53

Peso total del conjunto tolva salida prismática

De lo anterior se establece que el peso hallado matemáticamente, y el hallado

mediante (CAD) son cercanos brindando fiabilidad en el resultado. El peso que se

utilizará posteriormente en cálculos de diseño será el mayor = 53.66 kg.

4.2.4 Boquilla de dosificación. Este es el elemento por el cual el material sale

de la máquina hacia el empaque (bolsa valvulada), el operario de manera manual

pondrá la bolsa de tal manera que la boquilla se introduzca entre la bolsa

logrando así, que el material se dosifique por cada giro del tornillo sinfín;

adicionalmente este elemento sirve de protección para el operario, ya que evitara

que este tenga contacto directo con el sinfín y se produzca un accidente.

4.2.4.1 Cálculos para el espesor de la boquilla o artesa. De los requerimientos

de diseño…sección 3.1.4… el diámetro máximo de la boquilla no debe superar los

0.075 m, y la longitud mínima de boquilla debe ser 0.15 m; entonces el diseño de

este elemento básicamente está enfocado en las dimensiones requeridas para

soportar el trabajo ejercido por el transporte del material, se tienen en cuenta los

esfuerzos involucrados para determinar un mínimo de espesor.

54

Ilustración 25. Esquemático de la boquilla de salida


Dónde:

Dónde:

Sabiendo la cantidad de masa que este podrá abarcar en su interior se puede

determinar la carga distribuida ejercida en las paredes:

55

Esta es la carga ejercida a través de los 0,4 m de distancia de la artesa.

Para efectos de cálculos en flexión, cortante y desgaste consideramos la artesa

como una viga uniforme sobre la cual actúan las siguientes fuerzas:

Ilustración 26. Diagrama de fuerzas en la artesa


Teniendo en cuenta que se trata de una viga estáticamente indeterminada,

Se utiliza el teorema de momento del área11 teniendo en cuenta:

a).Una viga con la carga y apoyada.

b).La viga igualmente apoyada con los momentos correspondientes.

Considerando en cuerpo libre de la viga bajo carga distribuida w se determina las

reacciones correspondientes en A, B:

11

Ferdinand B, E. Russell, John T, Mecánica De Materiales, Mc Graw Hill, Cuarta Edición, Cap. 9

56

Con el diagrama de momento combinado ( ) ∫

Ilustración 27. Diagrama de momentos en la artesa.

Fuente: Mecánica de Materiales, Ferdinand P Beer, 4ª Edición, página 587

Dónde:

( )

Se Resuelve:

(

)

57

(

)

(

)

Con los datos obtenidos se produce a dibujar los diagramas de fuerza cortante y

momento flector. Véase (Ilustración 28). Y haciendo un análisis por cortante

flexión y desgaste se determina el espesor mínimo a utilizar.

Por cortante se tiene que:

Dónde:

58

El esfuerzo cortante máximo permisible está dado por:

Dónde:

.

Para este caso se tendrá en cuenta el Acero estructural A36 Ver (Anexos1).

Dónde:

Por lo tanto:

Remplazando:

59

Ilustración 28. Diagrama de momento flector y fuerza cortante en la artesa.


Por flexión

El esfuerzo máximo de flexión permisible está dado por:

Entonces:

60

Dónde:

Por desgaste.

Se describe de la siguiente ecuación.

12

12

Lipson Charles Ph.D, Importancia del desgaste en el diseño, Facultad de ingeniería mecánica, Universidad de Michigan, EUA, Cap. 2.

61

Dónde:

13

Se sugiere una vida útil de aproximada de 10.000 horas entonces:

Un ciclo de trabajo para esta operación es:

Dónde:

13 Ibíd

62

Entonces:

Remplazando:

El espesor de la artesa sugerido mínimo es de:

De lo anterior se tiene que el espesor mínimo para la boquilla de dosificación es

0.22 mm, por consiguiente se procede a seleccionar un elemento comercial y

práctico con la confianza de que no fallará debido a los esfuerzos requeridos.

Adicionalmente por motivos de seguridad industrial se selecciona este elemento

que estará en contacto permanente con el operario; se escoge un tubo en acero

inoxidable de 2 ½” de diámetro nominal, célula 40; del catálogo de la Española &

CIA LTDA14, almacén local véase (anexos 2).

14

Ferretería La Española & CIA, LTDA. Bogotá Colombia.

63

4.2.5 Diseño del tornillo sinfín. A partir de los estudios realizados y

documentados a través de años de experiencia, el CEMA (Conveyor Equitment

Manofacture Association), Asociación Americana de Equipos para el Manejo de

Materiales, ha delineado la información técnica necesaria para el diseño de estos

elementos. Este diseño está basado en la información suministrada por esta

asociación, editada y distribuida a través del catálogo de Martin Screw Conveyor

Sección H.

El buen diseño de este elemento establecerá un buen funcionamiento de la

ensacadora ya que se podría decir que el tornillo es el corazón de la máquina,

debido a que de este diseño no solo surgen los elementos necesarios para su

elaboración sino adicionalmente se determina la potencia requerida en el motor, la

transmisión y las dimensiones de eje, entre otros: estos datos se utilizarán para la

selección y elaboración de elementos posteriores.

Para el cálculo del tornillo sinfín en este caso, se tomaran como punto de partida

los requerimientos de diseño planteados anteriormente…sección 3.1…. Se

elaboró el diseño y selección de espiras de transportador, paso de tornillo,

potencia requerida, velocidad de trabajo y capacidad máxima.

4.2.5.1 Selección de espiras y paso del transportador. Esta selección se hace

de acuerdo a las propiedades intrínsecas del material como los son; densidad,

granulometría, abrasividad, fluidez entre otros. Para hacer más fácil la selección

del tipo de espiras del tornillo que se utilizara según sea el caso; el CEMA clasificó

y codificó estas características (ver anexos 3) de algunos materiales, donde el

código para el material a es B6-35Q.

Ver (Ilustración 29), donde se describe el modo de leer esta codificación.

64

Ilustración 29. Como leer código CEMA

Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Sección H, pág. H 7

De acuerdo a lo anterior el material se describe como un material de fluidez media,

abrasivo y con un tamaño de partículas finas, que para el transporte de este tipo

de materiales sin ninguna otra consideración adicional como; fluidificarlo,

mezclarlo, particionarlo de terrones o elevación; es conveniente utilizar un tornillo

sinfín de espiras tipo estándar y paso largo . Véase (Ilustración 30).

Ilustración 30. Tornillo seleccionado.


Ingeniero Mecánico. Guayaquil, Ecuador: Escuela Superior Politécnica del Litoral. 2005. 11p

65

4.2.5.2 Diámetro del tornillo sinfín. Normalmente es uno de los parámetros

calculados en el diseño de estos trasportadores, no obstante para este caso se

tiene la limitante de la boquilla de dosificación; en la…sección 4.2.4…se

seleccionó y calculó las medidas para este elemento, ya que el tornillo estará

acogido por la boquilla este debe tener un diámetro menor a 67 mm, por lo cual se

escoge un diámetro de tornillo de 62 mm dando así un margen de trabajo de más

o menos 5 mm para efectos de flexión o choques entre con las paredes de la

artesa.

Ilustración 31. Esquemático del tornillo y la boquilla.


4.2.5.3 Cálculo de Velocidad del sinfín. El cálculo de velocidad se hace a través

de los parámetros requeridos en este caso se hace un estimado del parámetro

descrito en la…sección 3.1.2… donde se plantea una rata de llenado entre [10 s -

30 s]; siendo 10 s el caso más extremo; por lo tanto:

En una hora de trabajo sin interrupciones, se describe una capacidad máxima de:

66

Entonces de la siguiente expresión se tiene que:

15

Dónde:

Paso del transportador:

Remplazando:

(

)

Para el caso de inclinación como no será material transportado con ángulo de

inclinación este factor lo tomamos como 1.

Se resuelve:

15

Manual del Ingeniero Químico, Robert H, Perry, Cecil H, Chilton, McGraw-Hill.

67

Se despeja la incógnita (n), velocidad requerida.

Es el valor de la velocidad mínima para transportar la capacidad máxima

requerida; el aproximado en valores comerciales es de 1200 rpm.

4.2.5.4 Potencia total requerida. La potencia total para el transporte del material

encontrado en la tolva de almacenamiento hasta la bolsa valvulada se hace a

través de la suma de otras potencias previstas tales como: potencia al vacío,

potencia en inclinación y potencia requerida en superficies planas.

Adicionalmente, para saber con certeza el trabajo por unidad de tiempo necesario

para tal transporte, se necesitan tener en cuenta otros factores adicionales como

se muestran a continuación:

.

Entonces:

Dónde:

68

Para el cálculo de estas potencias en necesario saber los factores requeridos y

tabulados en la sección H del catálogo de Martin Screw conveyor, en

el… Apéndices B… se observan los cálculos de los siguientes factores:

.

.

Convenciones al sistema de unidades Ingles:

Remplazamos los factores anteriormente hallados.

69

Ahora para determinar el factor de sobrecarga sugerido para motores debajo de

4,5 Hp este caso, se halla el factor de sobre carga véase…Apéndice B (tabla B

5)...

Entonces:

La potencia requerida para transportar esa capacidad de material desde de la

tolva de almacenamiento a la boquilla de salida y con ese rata de llenado, es de

1.0123 Hp.

Torque. Para determinar el torque empleado.

Sabemos que:

16

Conversión:

16

Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H, pág H 25.

70

De lo anterior se concluye que este es el torque necesario para generar la rotación

en el eje con las condiciones pre establecidas por el CEMA. Sin embargo se hace

un análisis de fuerzas con diagramas de cuerpo libre para corroborar este valor,

encontrando así una gran similitud entre los datos, dando por consiguiente que el

valor utilizado será el mayor para efectos de cálculos posteriores (6.35 )

ver…Apéndices C…

4.2.6 transmisión de potencia. Se realiza el cálculo necesario para la

transmisión de potencia, con el fin de generar en el tornillo la fuerza necesaria

para poder trasportar el material a la boquilla de dosificación. Se emplea una

transmisión por polea y banda.

La polea es uno de los transmisores de potencias más conocidos por la gran

facilidad de montaje, economía, y gran implementación en el campo industrial,

adicionalmente su eficiencia para tales efectos es buena ya que no se requiere

una transmisión de gran envergadura.

4.2.6.1 Cálculo y selección de poleas y bandas. El objetivo de calcular la

trasmisión por bandas y poleas es la obtención de los parámetros geométricos

básicos como: diámetros de las poleas, distancias entre centros de poleas,

longitudes normalizadas de la banda, tipos de sección y cantidad de bandas a

emplear.

El los cálculos empleados ver…Apéndice D… se procede a determinar por el

método de potencia útil las características de diseño de la banda y poleas a

emplear:

71

Tabla 8. Datos calculados de las poleas y bandas requeridas.

Nº Elemento Descripción

Observaciones

1 Relación de reducción 1.5

Relación para obtener la

velocidad requerida en el

transportador

2 Diámetro de polea motriz

Diámetro de polea

transportada

0.08 m

0.12 m

Diámetros nominales

3 Distancia entre centros 0.4 m

Aproximado dependiente de la

tensión.

4 Sección de bandas Tipo A Trapezoidal

5 Longitud de banda 1.105 m

6 Tamaño estandarizado

de banda A 42

7 Angulo de contacto con

poleas 174.26º

8

Potencia de transmisión

por banda con

corrección.

1.683 Hp

Potencia requerida para el

tornillo, de ser conveniente

trasmitir la potencia total del

motor se emplean dos bandas.

9 Reacciones banda tensa

banda floja

7.62N

36.17 N

Reacciones ejercidas por la

correa, en el lado tenso y en

lado flojo de la misma


4.2.6.2 Diseño de ejes. Se diseña este elemento con el fin de prever posibles

daños en el transportador por sobrecarga de trabajo; este diseño se basa en el

análisis de fallos por carga estática, por rigidez, y por fatiga, así dando un

estimado del diámetro mínimo que debe considerarse para la construcción de

este.

Se procede a elaborar los diagramas de fuerzas y cálculo de las reacciones que

actúan en el eje.

72

Ilustración 32. Diagrama de fuerzas para el eje en plano XY.


Dónde:

Véase Apéndice C.

Ver (Anexos 4,5), peso de la polea.

∑

∑

( )

73

Remplazando:

∑

( ( ))

Ilustración 33. Diagramas de cortantes y momento XY.


74

Ilustración 34. Diagrama de Fuerzas para el eje en plano XZ.


Dónde:

Fuerza ejercida por el peso del material contenido.

75

Fuerza ejercida por la presión vertical.

Véase…sección 4.2.1.2... Presión vertical.

∑

∑

76

Ilustración 35. Diagramas de cortantes y momento XZ.


Una vez hallada las reacciones y consolidado el diagrama de fuerzas, se

determinan los diámetros tentativos necesarios por cada uno de los aspectos a

evaluar.

Por Carga estática:

Plano XZ

Dónde:

77

.

√

√

17

√

Remplazando:

√

Se selección aun acero AISI 1040…Véase (Anexo 6)... para poder determinar un

diámetro inicial reconfirmado por los siguientes criterios.

Torque máximo entrego al sistema:

17

TECM (Teoría del esfuerzo cortante máximo).

78

Dónde:

.

.

Remplazando:

√

√

Para la sección que se encuentra al cantiléver:

√

Remplazando:

79

√

√

Por rigidez se tiene:

Plano XZ, Ecuaciones de singularidad:

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

∫ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

∫ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

∫ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

Se halla la constante de integración; remplazando (x) para cuando el ángulo de

deflexión sea cero, entonces se toma un valor de distancia en los rodamientos

donde

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

⟨ ⟩

Ahora se procede a verificar si los diámetros anteriormente hallados por carga

estática no fallan.

En la distancia.

Con;

80

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

Entonces se sabe que:

Dónde:

Remplazando:

Se procede a evaluar la deformación angular que en el caso los soportes por

rodamientos se establece una deformación recomendable no superior a

no mayor a 0. 3º, para el caso de superar este valor se considera que el diámetro

hallado anteriormente debe ser recalculado.

En la distancia.

81

Con; d= .

⟨ ⟩

Cómo:

Entonces se recalcula el diámetro de esta sección.

⟨ ⟩

√

Para el extremo del eje donde se encuentra cantiléver se calcula la deflexión

cuando:

En la distancia.

Con;

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

⟨ ⟩

82

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

Esta es la deflexión sufrida en el extremo del eje al cantiléver; mas sin embargo se

recalcula el diámetro con un eje de dimensiones más comercial y disminuyendo

esta deflexión.

En la distancia.

Con;

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

De los cálculos obtenidos en el plano XZ se acepta el diámetro calculado de

para el extremo cantiléver.

Plano XY, Ecuaciones de singularidad:

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

∫ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

∫ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

∫ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

83

Remplazando en la distancia:

Se halla la constante de integración.

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

En la distancia punto:

En la distancia:

⟨ ⟩ ⟨ ⟩

En la distancia.

⟨ ⟩ ⟨ ⟩

84

En el tramo cantiléver.

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

Se replantea el diámetro con 25.4 mm para reducir la deflexión el extremo

cantiléver:

⟨ ⟩ ⟨ ⟩ ⟨ ⟩

Los diámetros tentativos para las secciones del eje son las siguientes calculados

para evitar fallos por carga estática y rigidez:

85

Ilustración 36. Esquemático general de los diámetros requeridos.

Fuente: elaboración propia, del autor.

El diámetro tentativo de dimensiones mm no falla por fuerzas cortantes,

ni por rigidez estática. A continuación se evalúa el diámetro mínimo por fatiga

comparando con los datos anteriores.

Por Fatiga:

Para el diseño de este, hay que considerar las propiedades físicas del material en

el cual se desea la elaboración del eje; para ese cálculo se establece que el eje se

va construir en un acero AISI 1040… véase (anexos 6), debido a su tenacidad y

resistencia.

Acero 1040.

Torque requerido por el sistema:

Véase…sección 4.2.5.4…

Entonces:

86

Dónde:

De la siguiente expresión se puede calcular el diámetro en las dimensiones

requeridas expresión denotada del criterio de falla ASME elíptica:

*

* (

)

(

)

(

)

(

)

+

+

Dónde:

87

Ahora según en ejes giratorios con flexión y torsión constantes los factores de

se pueden igualar a cero18.

Reduciendo la expresión así:

*

* (

)

(

)

+

+

Para la resolución de la anterior expresión es necesario considerar diferentes

factores que modifican el límite a la resistencia; véase Apéndice E.

Donde se presentan:

Remplazando:

*

* (

)

(

)

+

+

18

Diseño en ingeniería mecánica, shigley, 8va edición, cap. 7, pág. 357.

88

Véase Apéndice E.

Donde se presentan:

Remplazando:

*

* (

)

(

)

+

+

Como resultado de los cálculos por resistencias a la carga estática, rigidez y fatiga

en el eje trasportador se concluye que los diámetros mínimos para su elaboración

serán:

Una sección de 20 mm del punto (0 a 0.5 m) del eje y otra sección de 25,4 mm

desde el punto 0.5 m a 0.85 m; para lo cual se decide por facilidad en la

instalación hacer el eje en un diámetro continuo de 25.4 mm valor comercial, para

la sección de la polea un diámetro de 24 mm Véase (anexo plano del eje).

89

Ilustración 37. Esquemático final del eje transmisor.


Cuña:

Se selecciona una cuña paralela de dimensiones rectangulares tipo estándar para

ejes de diámetros entre 22-30 mm. Véase Apéndice E. el material de la cuña a

emplear es un acero AISI 1010 de uso general, que tiene una resistencia a la

fluencia de

Este elemento se diseña con el fin de acoplar la trasmisión hecha por parte de la

polea al eje del tornillo sinfín, se diseña esta con un factor de seguridad menor que

el del eje con el fin que si surgiese una sobrecarga sea la que admita la gran

mayoría del daño y no el eje. Véase Apéndice E…Tabla E8…

Dimensiones de la cuña:

Ancho 8mm.

Largo 20 mm

Alto 7mm:

90

4.2.7 Selección de rodamientos y soportes. Para la selección de los

rodamientos se tienen en cuenta los esfuerzos sufridos por causa de las fuerzas

axiales y radiales en cada uno de los rodamientos.

Del catálogo de SKF para selección de rodamientos, se toman los parámetros de

verificación para rodamientos.

Datos a tener en cuenta.

Fuerza axial

Fuerza radial en rodamientos 1.2:

√

√

Vida útil de trabajo de trabajo; se diseña el cambio de total de rodamientos para la

ensacadora en un tiempo de 5 años a 8 horas diarias de trabajo.

91

Dónde:

La obtención de este resultado se calculó mediante la ayuda de graficas descritas

por los fabricantes, donde se establece la duración nominal de trabajo en horas y

las rpm de operación. Véase Apéndice F…Tabla F1….

Dónde:

Por medio de una interpolación lineal se halla el valor correspondiente a 14400 en

Ahora se halla:

Dónde:

Entonces para el rodamiento 1.

Ahora selecciona el factor de seguridad para este elemento de consideraciones por

gravedad de diseño se escoge un . Véase (Anexo 1).

92

Ilustración 38. Verificación de rodamientos rígido de bolas.

Fuente: Catálogo de selección SKF, [En línea]. [Consultado 10 Febrero.2012]. www.skf.com/portal/skf/home.

93

Entonces:

Como se evalúa que sea menor que entonces se procede ya que dio

paso a la continuidad a la selección.

Se halla el índice de rodamiento por medio de tabla con la relación de

.Véase Apéndice F…Tabla F2…

De la…Tabla F2… escogemos los factores axiales y radiales del rodamiento,

1.34

Entonces

La carga dinámica equivalente del rodamiento está dada por:

94

Entonces para rodamiento 1:

Entonces para rodamiento 2:

95

Ilustración 39. Selección de rodamientos SKF.

Fuente: SKF Colombia, Selección de productos. [En línea], [Consultado 15 Febrero 2012],http://www.skf.com/skf/productcatalogue/jsp/viewers/productTableViewer.jsp?&lang=es&tabl

eName=1_1_1&presentationType=3&startnum=14.

Del diseño anterior se concluye que los rodamientos tienen una carga radial y axial

baja y por ello se pueden utilizar rodamientos rígidos de bolas a una hilera, en la

(Ilustración 39), se muestran los rodamientos que cumplen con los requerimientos

de diseño hallados; más sin embargo, un limitante para este tipo de selección es

el ambiente donde se va efectuar el trabajo del rodamiento, para el caso del

cemento mortero se considera un ambiente de trabajo abrasivo, el proveedor

recomienda mejorar el diseño con una selección del soporte del rodamiento.

Para la selección del soporte del rodamiento se tienen los parámetros a

considerar:

96

Protección a la abrasividad.

Soporte Rígido horizontal.

Acogimiento completo del rodamiento,

Fácil instalación y mantenimiento.

Por recomendación del proveedor; SKF recomienda un soporte de pie de dos

piezas, con manguito de fijación al eje, anillos de fijación y obturaciones laterales,

para un rodamiento de bolas de la serie (SLN); brindando así una protección

contra materiales granulares. Véase características del soporte (anexos 12).

Ilustración 40. Conjunto soporte rodamiento seleccionado.


97

4.2.8 Soporte estructura. Es el elemento mecánico en el cual se van a soportar

los componentes rígidos y móviles de la máquina, con el fin de consolidar en un

solo elemento los componentes de la misma.

4.2.8.1 Dimensiones de la estructura. La estructura se dimensiono a partir del

potencial de trabajo que tiene una persona según la posición y lugar de trabajo; en

base en esta consideración las dimensiones correspondientes a la estructura

tienen el fin de brindar un mejor desempeño en el operario que pondrá y retirará la

bolsa llena de 25 kilogramos de producto. Véase Apéndice G.

De los datos tabulados en el…Apéndice G…se obtiene que el rango de operación

adecuado para una persona de estatura promedio, es de [700mm a 900mm];

donde se puede ejercer desde levantamiento de elementos pesados, hasta

realizar movimientos de rapidez y gran amplitud. Adicionalmente se consideran

dimensiones que abarquen en su totalidad los componentes de la máquina.

La mesa soporte de la ensacadora tendrá las siguientes dimensiones.

98

Ilustración 41. Dimensiones de la estructura.


4.2.8.2 Cálculo de perfiles para la estructura. Para la construcción de la

estructura es necesario saber qué tipo de perfil y material se va a utilizar, estos

deberán soportar las cargas estáticas ejercidas por los pesos de los componentes,

en este caso la empresa ofrece materiales de construcción estructural para la

elaboración de la máquina, por consiguiente se debe evaluar la flexión ejercida por

las cargas estáticas y así determinar el grado de deflexión en los perfiles

ofrecidos; corroborando la aceptación rechazo de dichos materiales.

La aceptación de estos materiales se hace con respecto a la carga crítica que

deberá soportar, esta es mencionada a continuación.

Soporte de la tolva y salida prismática. Esta estructura estará soportada en

cuatro perfiles; la empresa ofrece el perfil de acero estructural ASTM- A36…Véase

anexo 1, Tabla 2…con las dimensiones descritas en la (Ilustración 42), a

continuación se hará la verificación para determinar si es avalado en el punto más

crítico que corresponde al centro de longitud dada, en este punto se analizara la

99

deflexión generada por el peso del conjunto de la tolva, salida prismática, y

capacidad máxima de trabajo (peso del material 300 kg).

Entonces:

Ilustración 42. Diagrama de fuerzas y dimensiones perfil.


Para lo cual las reacciones de los puntos A y B son iguales,

Por lo tanto se puede suponer que:

Del diagrama de cuerpo libre:

100

Ilustración 43. Diagrama de cuerpo libre viga soporte.


Dónde:

Entonces se plantea la ecuación de curva elástica de la siguiente manera donde

se integra dos veces con respecto a x:

∫

∫

Se halla las constantes de integración cuando .

101

Remplazando:

.véase Apéndice H.

Adicionalmente se realizan los cálculos de manera tal que se puedan corroborar

estos materiales en la construcción de las columnas de las bases de la mesa tal

que se pueda conservar la homogeneidad en la construcción de la estructura.

Véase apéndice H, verificación de la deflexión ejercida por la carga en el material

otorgado por la empresa en la viga y columna respectivamente.

La viga en el punto más crítico y con la mayor carga posible tiene una deflexión de

0.91 mm deflexión permisible para esta aplicación; los resultados para el material

otorgado por la empresa en calidad de soporte vertical demuestra que el límite de

carga para que llegase a ver un pandeo en este material por el método de pandeo

de Euler, es igual a 218.9 kN carga mucho mayor a la soportada en la operación

estructural de la mesa de la ensacadora.

Por tal motivo se avala la construcción de la mesa soporte con dichos materiales,

valores comerciales del perfil, Ángulo Estructural de

Material

suministrado por la empresa.

102

4.3 DISEÑO Y SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN ELÉCTRICA Y

ELECTRÓNICA.

En la siguiente sección se describe la selección y diseño de los componentes

electrónicos y eléctricos necesarios para el funcionamiento de la máquina.

Ilustración 44. Diagrama PI&D de componentes electrónicos.


En la (Ilustración 44), se muestran los componentes electrónicos a utilizar para el

funcionamiento semiautomático del proceso de llenado de la bolsa y detención de

la máquina; en el esquema PI&D de conexiones19, se presenta el esquemático de

la instrumentación a utilizar como: sensor de peso, visualizador, transductor de la

señal del sensor, controlador, generador motriz, controlador de frecuencia, y

acondicionador de la fuente eléctrica. Tales elementos se describen a

continuación.

19

Norma ISA S.5.1, Diagramas de proceso de Instrumentación.

103

4.3.1 Motor. El motor es el elemento encargado de la generación motriz,

cumpliendo la función de girar el tornillo sinfín a través del eje transmisor, así

transportando el material para su dosificación en la bolsa valvulada; Como se

observó en la…sección 4.2.5.4…La potencia mínima necesaria para transportar el

material es de 1.0123 HP 754.87 watts; a una velocidad mínima de

… véase sección 4.2.5.3…Entonces se hace la solicitud de requerimiento para la

compra del motor adecuado para esta función, con los siguientes parámetros y

sus similares en datos comerciales:

Motor eléctrico.

Alimentación eléctrica de 220 v a 60 Hz.

0.1012 Hp de potencia 1.5 Hp de potencia comercial.

Velocidad 1174,17 rpm 1200 rpm comercial.

La empresa como respuesta de compra da la opción de adquirir un motor de

mayor capacidad por un costo similar al del motor sugerido, comprando así un

motor de las siguientes condiciones:

Motor Trifásico

Alimentación eléctrica de 220 v a 60 Hz.

2 Hp de potencia.

A 1750 rpm.

Marca Nord. (anexos 7).

Dicho motor cumple con las especificaciones mínimas de diseño para el

funcionamiento del tornillo sinfín.

104

Ilustración 45. Motor.

Fuente: Nord Drivesistems, Colombia, catálogo de existencias, [en línea], [consultado el 14 de

septiembre 2011],http://www2.nord.com/cms/es/product_catalogue/motors.

4.3.2 Variador de velocidad. El variador de velocidad es seleccionado con el fin

de facilitar la automatización en el proceso de llenado, adicionalmente este

elemento permite una protección al motor en cuanto a los altibajos de voltaje y a

los incrementos de temperatura provocados por las sobrecargas que pudiesen

llegar a tener; características de selección para el variador de velocidad.

Variador monofásico con salida trifásica 220v.

1.5 k watts de potencia a 60 Hz.

La potencia y tensión requerida en el variador es igual a la carga soportada, en

este caso es la carga requerida por el motor a controlar con las características

anteriores, se compra el variador de velocidad marca Invertek Optidive que

adicionalmente cumple con otras funciones, tales como : véase (anexo 8)

Facilitar el proceso de control.

Operaciones más suaves del motor en la producción.

Programación de arranques suaves, paradas y frenos en motores.

Amplios rangos de velocidad, par y potencia.

Bucles de velocidad.

Factores de potencia unitarios.

105

Protección integrada del motor sobrecargas y temperaturas.

Marchas paso a paso.

Ilustración 46. Variador de velocidad Optidrive.

Fuente: Invertek Drives, Optidrive, Catálogo de variadores de velocidad en existencias. Sección E2.

4.3.3 Celda de carga. La celda de carga es el dispositivo encargado de censar la

variación en el peso durante la dosificación en la bolsa valvulada, variación que

será interpretada por el transductor y utilizada por el controlador, brindando así el

parámetro de entrada a utilizar en la automatización del proceso.

La selección de este dispositivo se realiza con respecto al peso de operación y

capacidad máxima de trabajo.

Debido a que se trata de una capacidad de peso de operación menor a , y

se requiere una fácil instalación en la máquina, se escoge una celda mono

bloque, que junto a las condiciones excelentes de trabajo descritas por el

proveedor como resistencia a la humedad y resistencia límite al impacto; Se

selecciona una celda de carga mono-bloque en aluminio endurecido, de la serie

SP 05, marca Lexus. Véase anexos (9).

106

Ilustración 47. Celda de carga.

Fuente: BCI Ingeniería, [en línea]. [Consultado 8 de febrero. 2012], http://www.bciltda.com/

4.3.4 Indicador electrónico. La selección de este dispositivo se realizó teniendo

en cuenta los requerimientos de diseño planteados por la empresa…sección

3.1.3…Donde se plantea la condición de observar el peso a lo largo del llenado.

Se selecciona un dispositivo electrónico con pantalla tipo led, en acero inoxidable

de la marca Holbright; que adicionalmente cumple con la función de transductor

para la señal transmitida por la celda de carga, esta señal es interpretada por el

visualizador y es acondicionada para una fácil manipulación de uso general en la

instrumentación y control de procesos industriales, esta señal es de naturaleza

analógica y se expresa así:

(4 miliamperios a 20 miliamperios) ó

(0 voltios a 10 voltios).

107

Ilustración 48. Visualizador Electrónico.


El indicador visualizador electrónico seleccionado es de marca Holbright

ref.HB8215. Véase (anexo 10).

4.3.5 PLC. Controlador Lógico Programable, como su nombre lo indica es el que

controla el proceso de automatización en la dosificación del material, este

elemento es un dispositivo con una gran versatilidad en la función de los procesos

en general, ya que la limitante de este se basa generalmente en el diseño de las

rutinas de trabajo. Las características básicas a tener en cuenta para la selección

de este en la automatización de la máquina ensacadora son las siguientes:

Accesibilidad precio.

Programación.

Número de entradas digitales.

Número de salidas digitales.

Entradas y salidas Análogas.

Robustez.

108

En la (Ilustración 51), se describe el proceso general de la máquina donde se

denota la necesidad de 4 entradas de naturaleza digitales; distribuidas así: una

entrada digital para el selector on /off, una entrada para el iniciador del proceso en

este caso el pulsador start, una entrada para el selector de posiciones (opcional) y

finalmente la entrada del botón de paro de emergencia. La necesidad de salidas

digitales se denota de la siguiente manera; una salida de inicio del proceso en el

variador; y dos salidas digitales adicionales para la activación de la función de

multi-velocidades; Finalmente es necesario que este elemento cuente con una

entrada de naturaleza analógica estándar, para poder adquirir la señal generada

por el transductor del sensor de peso.

Teniendo en cuenta lo anterior junto a los requerimientos de selección se escoge

un PLC marca Koyo ref. Clic, ya que este dispositivo cumple con las siguientes

condiciones de operación en comparación a otros fabricantes. Véase (anexo 11).

En comparación a otros PLC de condiciones similares de trabajo, este es

más económico ya que posee módulos de trabajo incorporados sin la

necesidad de pagar por ellos adicionalmente.

La programación de este PLC puede hacerse en el programa Ladder,

programa muy conocido nacionalmente.

4 Entradas digitales Suficientes para el proceso a seguir.

4 salidas digitales Suficientes para el proceso a seguir.

4 entradas y 4 salidas analógicas; dos de voltaje y dos de corriente.

109

Ilustración 49. PLC (Controlador lógico programable).

Fuente: Click Project Loader user guide, Koyo, Catálogo de programación, pág. 1.

4.3.6 Transformador elevador. El Transformador elevador es el elemento que se

encarga de transformar electromagnéticamente la tensión adquirida en una toma

corriente común en la necesaria para dar funcionamiento a los componentes

eléctricos que componen la máquina ensacadora; efectuando con el requerimiento

planteado en la…sección 3.1.5… a petición de la empresa de manejar toda la

máquina con una tensión común monofásica de 110 v a 60 Hz.

Las características requeridas demandadas por el diseño de la máquina son las

siguientes:

Transformador elevador.

Tensión de entrada 110 V monofásica a 60 Hz.

Tensión de salida 220 V monofásica 60Hz tensión exigida por el motor.

Potencia de operación requerida 1.5 K watts, potencia demandada por la

carga del variador.

110

Ilustración 50. Transformador monofásico.

Fuente: Tu veras, Descripción del transformador, [En línea], [consultado el 24 Septiembre del

2012], http://www.tuveras.com/transformador/eltransformador.htm.

Se compra un trasformador de la casa de transformadores el Wattio20, cumpliendo

con las características de funcionabilidad planteadas.

4.3.6 Gabinete de control. El gabinete de control es el módulo donde se

almacenaran los dispositivos electrónicos cuya función no intervienen

directamente en el proceso del ensacado de la bolsa valvulada, pero que de su

buena operación depende el funcionamiento correcto en la automatización del

proceso de llenado; adicionalmente este funcionará como soporte del visualizador

y controles de mando que manipulara el operario.

Este elemento se escoge normalmente para el acogimiento total de los

componentes electrónicos a utilizar; el gabinete seleccionado es un gabinete de

uso general en acabado electroestático, con las siguientes dimensiones véase

(tabla 9):

20

Empresa dedicada a la elaboración de elementos transformadores y reguladores de potencia energética,

Centro Industrial el Dorado, Bogotá Colombia.

111

Tabla 9. Dimensiones del gabinete de control.

Gabinete de Control

Dimensiones en (mm)

Alto 500

Ancho 300

Largo 200


4.3.7 Esquema de control para la ensacadora. Durante la junta técnica realizada

por la empresa en el mes de diciembre del año 2011 con participación del gerente

general e ingenieros de proyectos, se estableció que el control de la ensacadora

debía ser práctico, de fácil manejo para el operario y que le permitiera a este

realizar futuros cambios de ser necesario. Además se determina que se debe

usar un control de tipo secuencial alternativo, ya que en el proceso de llenado de

la bolsa se describe un proceso lineal unidireccional que conlleva a un sólo

propósito, controlando la variable peso, por medio de una señal análoga generada

por el transductor del sensor.

A pesar de que la estructura secuencial es la más sencilla y fundamental de todas

es de fácil comprensión y su proceso es funcional según el caso. El orden en que

se ejecutan las instrucciones es en secuencia por pasos, es decir si no se ordena

lo contrario, después de la instrucción inicial seguirá la instrucción secundaria,

esto significa que después de la instrucción 1 sigue la 2, luego la 3 y así

sucesivamente hasta cumplir con lo establecido en el algoritmo de programación;

en la siguiente Ilustración se describe de manera general la secuencia de control

que guiara el proceso de llenado de la bolsa.

112

Ilustración 51. Diagrama general del proceso de llenado


4.3.8 Dispositivos del panel de control. Los elementos requeridos para la

sujeción, conexión y manipulación de los elementos incluidos en el gabinete de

control.

113

Tabla 10. Elementos requeridos en el panel de control.

Elemento

Característica

Cantidad

Observaciones

Figura

Riel omega 1 m Sujeción de los

dispositivos electrónicos

Canaleta Plástica 2 m

Protección del cable en el gabinete de

control

Fuente de voltaje

Voltaje: 220v a 24 voltios

1 Utilizada para

suministrar voltaje al PLC

Pulsador Normalmente abierto 1 Utilizados para

iniciar el proceso

Selector Maneja tres posiciones

1 Utilizado para

seleccionar peso.

Selector Maneja dos posiciones

1

Utilizado en el prendido y

apagado de la máquina

Indicar lumínico

Led luz verde, a 220 v 1 Sera el indicador

de marcha del motor

Pulsador tipo hongo

Pulsador con enclavamiento

mecánico 1

Se utilizara por medida de paro de emergencia

114

Elemento

Característica

Cantidad

Observaciones

Figura

Gabinete de control

Medidas:

30 cmX50cmX20cm 1

Utilizado para el almacenamiento

de los dispositivos electrónicos.

Cable Vehicular nr16 5 m

Utilizado para la conexión del gabinete de

control

Totalizador Totalizador 220 V a 10

A 2

Será el que brinde o

interrumpa la energía al

gabinete de control.

Fuente: Elaboración Propia, del autor.

Ilustración 52. Montaje del tablero electrónico.

Fuente: Elaboración Propia, del autor.

115

4.4 PROGRAMACIÓN Y CALIBRACIÓN DE LA ENSACADORA.

En esta sección se describen los requerimientos, observaciones y consideraciones

necesarias que se requirieron para el funcionamiento de la máquina, cumpliendo

con los objetivos planteados, y logrando alcances previstos por el diseñador.

4.4.1 Montaje de la celda de carga. En este proceso se asumieron las

instrucciones de montaje planteadas por el proveedor, ya que de la fiabilidad del

montaje se garantiza la precisión descrita en el datashett del producto véase

(anexo 9), la celda de carga seleccionada Sp 05, tiene un rango en la aplicación

de la fuerza vertical de 40X50 centímetros21; una vez pasado este rango la señal

entregada por esta será errónea no garantizando un buen pesaje. De igual manera

la estabilidad y sujeción de esta es tan importante que se debe hacer a un

elemento rígido y sólido para que la medición sea interrumpida evitando

sobresaltos de la señal.

21

LEXUS, Electronic Weighing, Celda de carga mono-bloque modelo Sp 05, Data Shett, Ver 2 (2001/10).

116

Ilustración 53. Montaje de la celda.


4.4.2 Calibración del visualizador electrónico. Instalada la celda de carga es

necesario obtener la señal generada por esta, con el fin de establecer control

sobre el proceso de llenado. Adicionalmente se requiere observar la variación del

peso a lo largo del llenado, para tal cometido es preciso generar unos parámetros

iniciales en el visualizador que indicará la variación de fuerza ejercida en la celda

de carga (peso) visualizándolo en el display digital. Los pasos requeridos para la

calibración interna del visualizador a través de las funciones descritas en el

parámetro “calibración” son los detallados en la (tabla 11).

Tabla 11. Parámetros iniciales del visualizador.

Numeral Función interna

Número Descripción Observaciones

1 F 02 Unidad de peso Se trabaja con la unidad de

peso internacional Kg.

2 F 11 Velocidad de

transmisión

9600 Baudios, coherente con

la velocidad de recepción del

117

PLC

3 F 31 Salida análoga

Se establece que la señal

entregada será una señal de

(4 -20 miliamperios).

4 F 50 Rango del cero

Valor asignado a la TARA del

indicador entre más pequeña

sea la tara mejor será el ajuste

del peso; se escoge un

Aproximado del 2 % de la

capacidad máxima

5 F 51 Ajuste de

decimales

Se ajustara el valor decimal a

dos decimales.

6

F 52 Mínimo de

divisiones

Se establece un min de

división de 2

7 F 53 Capacidad

máxima

La capacidad máxima para dar

el rango de señal análoga la

tomaremos con 50 kg

8 F 54 Ajuste del cero

Para el ajuste del cero es

necesario hacerlo con el

soporte de la bolsa para que

este peso se tome como peso

muerto.

9 [F 55,F 56,F 57] Span de

calibración

En estos parámetros se debe

acudir a una pesa matriz o

peso patrón ya que el

indicador tomara este como el

valor verdadero del peso

indicado.


4.4.3 Calibración del variador de velocidad. El variador de velocidad al igual

que el visualizador debe contar con unos parámetros iniciales que proporcionan

fiabilidad al proceso, este dispositivo cuenta con una serie de parámetros que

generalmente concuerdan con las características eléctricas y físicas del motor,

118

entre las cuales está presente la velocidad de operación, velocidad que fue

necesaria establecer por medio de pruebas de toma de datos de tipo empírico,

aprovechando la experiencia y conocimientos adquiridos por la empresa.

A lo largo del proceso de calibración para el variador de velocidad, se destacaron

algunos inconvenientes para lograr un funcionamiento acorde entre la velocidad

de llenado y el porcentaje de error en el material ensacado, esto se debe a la

inercia generada por el tornillo sinfín en el sistema.

Para brindar una solución al proceso se tomaron datos de llenado mediante las

siguientes condiciones:

Material de trabajo, Cemento mortero.

Capacidad de trabajo, a la totalidad de llenado en la tolva de almacenaje.

Temperatura ambiente 15º C.

Lugar de pruebas, Instalaciones de la empresa Pegomax S.A. Soacha,

Cundinamarca.

Los datos obtenidos proporcionaron como resultado las gráficas enumeradas en la

(Ilustración 54), donde se describen los tres parámetros a considerar en el

ensacado de la bolsa, Tiempo, velocidad de llenado y porcentaje de error.

Parámetro graficados a continuación:

119

Ilustración 54. Gráficas de medición en el ensacado.

(a) (b)

(c) (d)

Velocidad Tiempo Peso % de error

1200 18,00 25,95 3.8

1100 27,00 25,90 3.6

1000 36,00 25,83 3.32

900 60,60 25,76 3.04

800 68,40 25,70 2.80

700 88,20 25,50 2.00

600 99,00 25,32 1.28

500 111,00 25,27 1.08

400 120,00 25,24 0.96

300 135,85 25,12 0.49

200 148,76 25,03 0.11


120

De la gráfica anterior se puede concluir que, a través del aumento de velocidad se

produce un error ascendente, adicionalmente hace que dicho proceso se realice

en un tiempo menor acorde a los requerimientos de diseño; por tal motivo para dar

una solución se establecen tres velocidades con el fin de mantener un tiempo y

porcentaje de error admisibles a las peticiones empresariales, velocidades

establecidas de la siguiente manera:

Tabla 12. Selección de velocidades en el llenado.

Nº Velocidades (rpm) Rango de operación en el llenado

Observaciones

1 1200 [0 - 80 %] Se escogieron estos valores con el

fin de disminuir el tiempo y el error

en el llenado, dando como resultado

un llenado aproximado en 25 s, y un

error de ± 1% del peso total en la

bolsa.

2 700 [80% - 96%]

3 300 [96% - 100%]


Una vez establecidas las velocidades más acordes al buen funcionamiento en el

llenado de la bolsa se calibra el variador de velocidad con los parámetros descritos

a continuación. Véase (tabla 13).

121

Tabla 13. Parámetros del Variador de velocidad.

Nº Parámetro interno Número

Descripción Valor Observaciones

1 P 10 Velocidades nominales

del motor en Hz o Rpm.

1 Se establece de esta

forma para que todas las

velocidades descritas se

presenten en rpm.

2 P 01 Máxima velocidad del

motor.

1750 rpm Es el valor máximo de

revoluciones ejercidas por

el motor comprado.

3 P 02 Velocidad mínima del

motor.

0

4 P 03 Tiempo de aceleración 2 s Por defecto tiene una

rampa de aceleración de 5

s para alcanzar la

velocidad máxima en la

aplicación no es

conveniente dejar este

tiempo ya que demora el

llenado de la bolsa.

5 P 04 Tiempo de

desaceleración

0.1 s Es el tiempo min que el

variador permite, en la

aplicación es mejor tener

un tiempo corto para evitar

el llenado por inercia

6 P 07 Voltaje del motor 220 V

7 P 09 Frecuencia del motor 60 Hz

8 P 15 Multi velocidades 2 En este parámetro se

activan la secuencialidad

de diferentes velocidades,

por medio de un orden

lógico booleano, esta

función se establece para

disminuir el error de

llenado por inercia y

mejorar tiempos.

122

9 P 20 Velocidad 1 0 0 Máxima velocidad

10 P 21 Velocidad 2 1 0 Velocidad al 58 60%

11 P 22 Velocidad 3 0 1 Velocidad al 25%


4.4.4 Programación del PLC. Establecido el funcionamiento acorde de la celda

de carga, transductor y el funcionamiento del motor con sus respectivas

velocidades de trabajo, se procede por medio del lenguaje de programación

Ladder a realizar las rutinas de operación que básicamente se basan en: inicio,

selección de peso, arranque del motor, graduación de velocidades y fin del

proceso véase código ladder en… Anexo 14…

En la (Ilustración 55). Se observa las diferentes condiciones en la rutina de trabajo

de la máquina ensacadora. donde como inicio fundamental de la máquina está

presente el hecho de encenderla y pulsar el botón (Start) para dar comienzo al

llenado; posteriormente hay tres posiciones de peso pre establecidas que de

manera manual se indican (25 Kg, 30 Kg y 10Kg), una vez dada alguna de estas

condiciones la rutina obliga al inicio del motor quien dependiendo del porcentaje

de llenado estará sujeto a girar a tres velocidades; velocidad de llenado grueso,

velocidad de llenado intermedio y velocidad de llenado lento, dosificando así en un

tiempo y % de error en el peso concordantes con los requerimientos.

123

Ilustración 55. Diagrama de flujo del proceso de llenado de la bolsa valvulada.


124

4.4.5 Diagrama eléctrico de conexiones. El cableado de conexiones eléctricas

se genera de acuerdo a las rutinas de trabajo, estas conexiones en los elementos

se muestran en la siguiente ilustración.

Ilustración 56. Esquemático de conexiones eléctricas.


125

4.4.6 Costo de la Ensacadora. Basados en los requerimientos establecidos y en

el presupuesto aprobado para la construcción de la máquina se seleccionaron,

compraron y construyeron los elementos mecánicos y eléctricos para la

elaboración y finalización total de la ensacadora de cemento mortero para bolsa

valvulada; generando así un costo total de $ 6’287.000, con un margen de

imprevistos de $ 600.000, debido a contratiempos en pagos de transportes e

incumplimiento de terceros…Véase tabla de costos en (anexos 15)…

4.4.7 Ensacadora Finalizada.

La máquina se terminó a satisfacción de la empresa, el día 29 de abril del año

2012 según los parámetros y funcionamiento establecido inicialmente. A

continuación se presenta una fotografía de la ensacadora entregada. Ver carta de

entrega; (anexo 13).

126

Ilustración 57. Ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada.

Fuente: Elaboración propia, del autor

127

5. CONCLUSIONES

1. La construcción de la máquina ensacadora de cemento mortero para bolsa

valvulada, permitió a la empresa realizar los controles de calidad consistentes

en verificar el comportamiento de las bolsas, el tiempo real en el llenado,

sellado, resistencias de elongación, escapes de producto, y estibamiento de las

bolsas.

2. Aunque en el diseño y la construcción de los elementos mecánicos se

tuvieron en cuenta los cálculos necesarios y normas establecidas; en la

elaboración de la tolva de almacenamiento, se percibió aun así, que se

posiciona material en sus paredes, limitando así la velocidad de llenado debido

a que el flujo no es constante, probablemente la utilización de elementos

alternos como vibradores en las placas de acero o paletas circundantes al

interior de la tolva mejorara este proceso. Las demás piezas y ensambles

diseñados fueron acordes y óptimos para la construcción final de una máquina

ensacadora con los requerimientos establecidos inicialmente, esta elaboración

de piezas permitió reconocer el uso apropiado de los materiales en la

construcción, no obstante es un punto de partida para mejoras posteriores de

la máquina.

3. Evidenciado en la respuesta y desempeño final de la ensacadora se concluye

que el tipo de transportador por tornillo sinfín, es el ideal para este tipo de

ensacado en el empaque elaborado por la empresa Idealpack S.A.S, ya que

permite un rápido llenado, y una constante dosificación de material en la bolsa

sin almacenamiento excesivo de aire, logrando así requerimientos como

tiempo de empaque y peso esperado.

128

4. El sistema de control implementado tipo secuencial junto con la adecuada

calibración y programación de estos elementos electrónicos a través de las

pruebas realizadas, condujeron a la adecuada selección de velocidades para

dar cumplimiento a una rata de llenado en un tiempo de 25 segundos

aproximadamente; para una bolsa con un peso de 25 kg. Y un porcentaje de

error menor o igual al 1%. Con el fin de optimizar este proceso podríamos

utilizar un control más avanzado como un control proporcional o proporcional

integral con el fin de mejorar el tiempo de llenado sin aumentar el porcentaje de

error.

5. Se implementó un sistema de visualización, tal que le permite al operario estar

atento al peso generado en la bolsa durante el proceso de llenado en cada

instante de tiempo, adicionalmente se elaboraron rutinas de trabajo de fácil

entendimiento y accesibilidad para establecer cambios en el peso y

velocidades de llenado, de ser necesario para futuras pruebas de la bolsa

valvulada.

6. Finalmente se obtuvo una herramienta para demostrar ante los actuales y

futuros compradores la practicidad y eficiencia de la bolsa valvulada, principal

producto comercial de Idealpack., además el diseño y la construcción de la

ensacadora de cemento mortero sirvió como base personal enriqueciendo los

conocimientos teórico prácticos obtenidos en la universidad, brindando

herramientas fundamentales para el desarrollo como futuro ingeniero a cargo

del progreso y mejora de la industria del país.

129

BIBLIOGRAFÍA

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edición, Mc Graw Hill. México, 2007.

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WAGNER, Mario. Polvos redispersables, La revolución de los mortero, Revista

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132

APÉNDICES

133

APÉNDICE A. DESCRIPCIÓN Y SELECCIÓN DEL FACTOR DE SEGURIDAD.

El factor de seguridad es la cantidad adimensional que se considera para preveer

fallas de tipo insierto en el diseño realizado; la necesidad de este tipo de factores

se basa en el grado de incertidumbre que se puede tener con respecto al analisis

matematico o al buen modelamiento realizado por el diseñador, si el conocimiento

de los diferentes factores encontrados en el analisis son veridicos con pruebas

realizadas no sera necesario un factor de seguridad alto; pero si por lo contrario el

analisis, modelamiento es incierto se debe considerar un factor mas grande que la

unidad incrementando según el grado de incertidumbre.

En el libro Diseño de Máquinas de Robert L. Norton, se presenta la tabla que

describe cual puede ser el factor de seguridad para materiales dúctiles a tener en

cuenta según condiciones de diseño.

134

Tabla A1. Factores utilizados para la selección de un factor de seguridad en

materiales dúctiles.

Fuente: Robert l Norton, Person, Prentice hall, Cap. 1, pág. 21

135

APÉNDICE B. CÁLCULO Y OBTENCIÓN DE LOS FACTORES DE POTENCIA PARA TORNILLOS SINFÍN TRANSPORTADORES SEGÚN CEMA (CONVEYOR EQUITMENT MANOFACTURE ASSOCIATION).

Tabla B1. Factor de diámetro.

Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H, pág H 24

Gráfica B1. Idealización de los factores de diámetros.


136

Ecuación característica:

Para la obtención de este factor fue necesario hacer una aproximación a través de

una extrapolación cuadrática, para tener el tentativo correspondiente a el valor de

diámetro del transportador, ya que el CEMA no contiene dentro de sus datos el

diámetro de (2 ½ “); el resultado obtenido a través de la ecuación característica es

Fd = 12

Factor de rodamiento. El tipo de rodamiento descrito en la clasificación del

material proporcionado por el CEMA y codificado en la (tabla A4) de este

APÉNDICE, muestra que la selección del rodamiento es de tipo H donde el factor

de rodamiento véase (tabla A2), para este material a trabajar es de 4.4. Factor de

rodamiento.

Tabla B2. Factor del rodamiento.


137

Factor de la hélice. Está basado en la escogencia de la hélice según sea el caso

en este caso el tipo de hélice seleccionado es un tipo estándar cuyo factor es de 1

para cualquier tipo de porcentaje de carga. Factor de hélice

Tabla B3. Factor de hélice


Factor del material. Este factor es descrito por el CEMA como un dato netamente

experimental de los estudios realizados a traves de la experiencia realizada vease

(tabla A4), donde se describen algunos datos de los materiales con los que se ha

enrriquesido esta investigación donde para el material cemento mortero se le

asigan un factor de material de 3.0. factor de material.

138

Tabla B4. Factor de material.


Factor de sobrecarga. Es un factor basado en los inconvenientes previstos en

motores de bajo caballaje que por sus condiciones pueden presentar sobre

esfuerzos e inevitablemente dañarse, por esto se ha determinado un factor de

sobrecarga para las potencias cuyas sumatorias presenten un resultado mayor a

5.2 su factor será 1; y para sumatorias de potencias por debajo deberán acudir a

la (tabla B5) donde se describe que factor utilizar.

Sumatoria de potencias:

.

Factor de sobrecarga es de.

139

Tabla B5. Factor de sobre carga.


Para este caso el factor de sobrecarga visualizado es de 2.75.

Factor de eficiencia en la transmisión. Descrita por varios tipos de transmisión

donde se observa el elemento de transmisión por correa en V, se utilizará este tipo

de transmisión por aspectos a considerar en la…sección poleas y bandas… El

factor de transmisión enmarcado es de 0.88. Factor de eficiencia en la transmisión

es de:

Tabla B6. Eficiencia en la transmisión.


140

APÉNDICE C. CÁLCULO DEL TORQUE NECESARIO PARA TRANSPORTAR EL MATERIAL.

Figura C1. Esquemático del tornillo sinfín.


= Fuerza radial que ejerce el cemento sobre la hélice del tornillo sinfín:

=Fuerza axial que ejerce el cemento sobre la hélice del tornillo sinfín:

141

Figura C2. Fuerzas ejercidas en la Hélice del tornillo.

Elaboración propia, del autor.

Figura C2. Fuerzas ejercidas en el material.

Elaboración propia, del autor.

∑

142

∑

∑

∑

Remplazamos :

Del segundo diagrama:

∑

De lo cual obtenemos:

Ahora remplazamos en:

143

Bueno como se tiene un paso de 0.093 m obtenemos el ángulo y el peso

de material es de entonces desarrollamos con un factor de tabla de

3.0:

:

144

APÉNDICE D. CÁLCULO Y SELECCIÓN DE POLEAS Y BANDAS.

Datos a tomar en cuenta:

En la…sección 4.3.1… se presenta la necesidad de utilizar un motor de

condiciones mayores a las requeridas, los cálculos expresados para la selección

de las bandas se hará con este valor así garantizando un desempeño mayor de

ser necesario.

Motor eléctrico, trifásico de corriente alterna.

Potencia requerida, 2 HP a 1800 rpm.

Aplicación: Transportar material cemento mortero a través de una artesa o

boquilla.

Relación de reducción

, 1.5 reducción;

Figura D1. Esquemático de una polea por transmisión abierta.

Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shigley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw

Hill, Octava Edicion, Cap 17.

145

Factor de Servicio. Para el diseño y escogencia de las bandas se prevé un factor

de servicio de la (tabla D1). Donde se describe el tipo de carga que se va a mover

Ligera, Normal, pesada, muy pesada con relación a la máquina en cantidad de

horas de trabajo/ día.

TABLA D1. Factor de servicio.

Fuente: Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Ing. Gonzalo González Rey. Edición elaborada para la asignatura Componentes Mecánico, ISPJAE, Facultad de ingeniería La

Habana, Cuba.

El factor de servicio previsto para un motor síncrono trifásico, a una relación de

trabajo máxima de 8 horas de trabajo / día, y una carga de operación ligera es de

1.0.

Sección de banda. Se procede a determinar mediante la (Tabla D2), el tipo de

sección a escoger dependiendo las secciones de tipo estándar; donde se observa

que la sección (A) tiene como rango de trabajo motores cuyos caballajes están

entre (¼ HP y 10 HP), teniendo en cuenta el caballaje requerido es de 2Hp para

la sección (A), se determina utilizar esta sección para las bandas.

146

TABLA D2. Tipos de secciones de bandas


Hill, Octava Edicion, Cap 17, pág 879

Cálculo de diámetro de las poleas. Adicionalmente en la tabla anterior se

observa como limitante un diámetro mínimo en la polea trasportadora no debe ser

inferior a , Comercialmente datos obtenidos por el catálogo de MAGIC-

GRIP ver (ANEXO 4), el valor siguiente en diámetros comerciales de poleas

trapezoidales es de 80 mm; por tal razón se determina que el diámetro comercial

para la polea motriz será este.

La relación existente entre los diámetros de las poleas está dada por la siguiente

expresión:

22

Dónde:

22

. Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Ing. Gonzalo González Rey. Edición elaborada

para la asignatura Componentes Mecánico, ISPJAE, Facultad de ingeniería La Habana, Cuba

147

Remplazando:

Calculando la velocidad de la banda , la velocidad máxima está dada por la

siguiente expresión:

(

) 23

Dónde:

(

)

(

)

Remplazando:

(

)

Distancia entre centros (c). La distancia entre centros de las poleas debe ser

planteada tal que no sea ni muy corta ni muy larga para que existan choques entre

sí. Estas consideraciones están planteadas en la norma alemana DIN 7753, que

recomienda:

23

Ibíd

148

Donde

Entonces se establece una distancia tentativa de 0.4 m que por dimensiones de

trabajo en la maquina parece ser una buena distancia, y se procede a evaluar

entre los rangos.

Remplazamos:

Longitud de paso de la banda. Una vez elegida la distancia tentativa entre

centros (0.4 m), puede ser calculada la longitud de banda correspondiente a

través de la siguiente expresión:

Remplazamos:

149

El perímetro interior de la banda es igual a la siguiente expresión:

El aumento de longitud de banda se plantea en la (tabla D3), a continuación:

Tabla D3. Aumento en la longitud de banda.



Remplazando:

En la (Tabla D4), se selecciona el el tamaño inmediatamente menor al que nos

indico el cálculo; indicando que comercialmente es una banda trapezoidal de

sección A 42.

150

Tabla D4. Tamaños estandarizados para la cada sección correspondiente.

. Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shigley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw


Cálculo de potencia nominal en bandas V. Con el cálculo de la potencia se

pretende establecer el valor de transmisión ejercido por una banda; donde la

expresión siguiente establece los factores a relacionar:

151

*

(

)

(

)+ (

)

Donde los factores ; los obtenemos de la tabulación recopilada en la

(tabla D5), listada a continuación

Tabla D5. Factores de cálculo de potencia.


Hill, TerceraEdición, Cap 17, pág 881

Y el factor

(

)

(

) (

)

Remplazando:

152

(

) (

)

(

)

*

(

)

(

)+ (

)

Ángulo de contacto de la banda.

La capacidad de potencia se basa en un ángulo de contacto de banda polea de

180º por ese debe hacer una corrección de potencia para ángulos menores,

Como se tiene un ángulo de º se procede a encontrar el de las

(tablas D6, D7).

Remplazando:

153

Para el requerimiento, es suficiente con una polea de estas condiciones, mas sin

embargo si se desea transmitir la potencia del motor es necesario dos.

Tabla D6. Cálculo de factor de correlacion K2.

.


Hill, TerceraEdición, Cap 17.

154

Tabla D7. Cálculo de factor de correlacion K2.

Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shigley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw Hill, TerceraEdición, Cap 17,

Cálculo de reacción en los lados de las poleas.

.

En poleas de tipo abierto la banda tensa hace que se afloje en la misma cantidad

su opuesta.

Esto se puede expresar en las siguientes formulas tomadas de los apuntes para el

cálculo de transmisión por correa, del Ing. Gonzalo González Rey:

155

24

(

)

Dónde:

Para los valores de y , se pueden utilizar las tablas sugeridas por los

proveedores.

Tabla D8. Coeficiente de ángulo para ángulos de contacto comunes.

Tabla D9. Factor de tensado según provedores.

Fuente: Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Ing. Gonzalo González Rey. Edición elaborada para la asignatura Componentes Mecánico, ISPJAE, Facultad de ingeniería La

Habana, Cuba.

24

Apuntes para el cálculo de transmisiones por correas en V, Ing. Gonzalo González Rey. Edición elaborada

para la asignatura Componentes Mecánico, ISPJAE, Facultad de ingeniería La Habana, Cuba

156

Remplazando:

(

)

157

APÉNDICE E. FACTORES MODIFICADORES EN EL LÍMITE DE RESISTENCIA A LA FATIGA.

A tener en cuenta:

Véase (anexos 6).

Acero 1040

Para lá distancia de:

*

* (

)

(

)

+

+

Dónde:

158

Se procede a encontrar cada uno de los factores modificadores a la resistencia de

la fatiga.

Factor de superficie:

Tabla E1: Factor de superficie.

Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 280.

Para este caso se determina que se hará en maquinado en frio el eje.

Entonces:

Remplazando:

159

Factor de tamaño:

Tabla E2.Factor de tamaño.


Donde se determina el tamaño de selección en mm así encontrando el factor de

diámetro.

Factor de carga:

Tabla E3. Factor de carga.


El factor de carga seleccionado es de 1 ya que en el caso el peor de los casos es

el mayor, y en el eje se ven involucrados torsión y flexión.

160

Factor de Temperatura:

Tabla E4. Factor de temperatura de operación.


Para este caso el eje operara en condiciones normales de temperatura ambiente;

161

Factor de confiabilidad:

Tabla E5.Factor de confiabilidad.


Se presenta un porcentaje de fiabilidad del 90 % donde

Concentradores de esfuerzos y sensibilidad a la muesca.

162

Tabla E6. Sensibilidad a la muesca.


En la (tabla E6) buscamos la curva correspondiente para el punto y se

intersecta con la sensibilidad a la muesca .

Ahora se debe tener en cuenta los concentradores de esfuerzos previstos en el

esquemático del eje (Ilustración 36), donde se observa que hay un cambio de

diámetro de 20 mm a 25.4 mm ejerciendo así:

Para el caso de esfuerzos combinados se tiene que:

163

Límite a la resistencia a la fatiga:

Tabla E7. Límite a la resistencia a la fatiga.


Donde se presentan:

164

Tabla E8. Sensibilidad a la muesca.

Fuente: Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Cap. 6, pág. 291.

Agujero de soporte es de ,

Entonces

165

Tabla E9. Factor kts.

Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Anexo A 16.

Tabla E10. Factor kt.

Fuente: Diseño En Ingeniería Mecánica de shigley, Mc Graw hill 8ª Edición, Anexo A 15

166

Cuña:

Para diseñar las cuñas en distancia de sujeción de la polea, tenemos en

cuenta el diámetro de la sección del eje correspondiente, estos datos

determinaran el acho (b), y la altura (h) de las cuñas, ya que son valores

normalizados. Para el presente caso se toman los valores para que dicha cuña

sean cuadradas, y solo se calculara su longitud, por medio del esfuerzo cortante y

el esfuerzo de aplastamiento que se generan en la cuña. El valor del factor de

seguridad se disminuye, para que la cuña se dañe al colocarle sobrecarga, en vez

de que se dañe el eje.

El diseño del eje se realizó con para el caso d la cuña se diseña con un

.

167

Se selecciona una cuña rectangular de (8X7) mm, paralela para hacer la sujeción

de la polea:

Tabla E8. Chaveteros.

Fuente: Tamaños de las chavetas comerciales (mm), [En línea], [Consultado 15 Enero 2012].

http://www.cadersa.es/Pag72.htm

8

Dónde:

168

De lo anterior se concluye que el aplastamiento que se ejercerá en la cuña es

mínimo ya que la longitud requerida para el sistema es de tan solo un milímetro,

por lo consiguiente se escoge un valor de 2 cm para ejes de una pulgada.

169

APÉNDICE F. SELECCIÓN DE FACTORES PARA RODAMIENTOS RÍGIDOS DE BOLAS.

Tabla F1. Valores de Ca/Pd para diferentes duraciones en horas de

funcionamiento.

Fuente: Mantenimiento y recambio de rodamientos. Departamento y desarrollo de recursos

humanos de Aceralia Corporación siderúrgica, segunda Edición, pág. 58.

170

Tabla F2. Índice del rodamiento.

Fuente: Mantenimiento y recambio de rodamientos. Departamento y desarrollo de recursos

humanos de Aceralia Corporación siderúrgica, segunda Edición, pág. 64.

171

APÉNDICE G. DIMENSIONES DE TRABAJO ÓPTIMO PARA UNA PERSONA DE EN PIE.

Figura G1. Esquemático de distancias de trabajo para personas de pie.

Fuente: Lic. Jorge Luis Melo, Ergonomía desde el punto de vista de la higiene y seguridad industrial, [En línea], [Consultado 24 Noviembre 2011], http://www.fiso-

web.org/files/Antropometria_Lic.%20Melo.pdf

172

Tabla G1. Consideracies para trabajos ejercidos por una persona de pie.

Fuente: Lic. Jorge Luis Melo, Ergonomía desde el punto de vista de la higiene y seguridad industrial, [En línea], [Consultado 24 Noviembre 2011], http://www.fiso-

web.org/files/Antropometria_Lic.%20Melo.pdf.

173

APÉNDICE H. CÁLCULOS DE MOMENTOS DE INERCIA, Y VERIFICACIÓN DE PERFILES.

Figura 1. Perfil seleccionado.

Fuente: Elaboración propia.

Figura2. Momento de Inercia en el perfil.

Fuente: Elaboración propia

174

Figura 3. Deflexion en el perfil otorgado por la empresa.


175

Figura 4. Perfil seleccionado en soporte vertical.


Figura 5. Perfil seleccionado en soporte vertical.


176

Figura 6. Cálculo de pandeo en el perfil.


177

ANEXOS

178

ANEXOS 1.

Propiedades del acero en lámina Hot Rolled ASTM A 36

179

Tabla 1. Propiedades físicas de láminas de acero A36.

Fuente: Proveedor local.

180

Tabla 2. Propiedades de algunos materiales usados en ingeniería.

Fuente: Conceptos Básicos sobre el diseño de máquinas, Apéndices B.

181

ANEXOS 2.

Diámetros comerciales de tuberías en acero inoxidable.

182

Tabla 1. Diámetros de tuberia en acero inoxidable

Fuente: La Española & CIA LTDA, Catálogo de productos, Bogotá Colombia.

183

ANEXOS 3.

Propiedades de los materiales clasificación según el CEMA.

184

Tabla 1. Características de los materiales.

Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H,

185

Tabla 2. Lectura de los codigos CEMA.

Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H.

186

Tabla 3. Codificación de los materiales.

Fuente: Stock y MTO Screw Conveyor Components, Martin, Secion H.

187

ANEXOS 4.

Dimensiones de poleas comerciales catálogo de Magic - Grip

188

Figura 1. Esquema de dimensiones.

Fuente: Magic Grip, poleas para correas trapezoidales,Sociedad industrial de trasnmisiones S.A, catálogo de existencias, pág 5.

189

Tabla 1. Dimensiones de poleas comerciales.

Fuente: Magic Grip, poleas para correas trapezoidales,Sociedad industrial de trasnmisiones S.A, catálogo de existencias, pág 6.

190

ANEXOS 5.

Características de correas.

191

Tabla1. Características de correas trapezoidales.

Fuente: Power V Belt, Catálogo de productos, Correas trapezoidales ISO 5290.

192

ANEXOS 6.

Resistencias a la tension y a la fluencia para algunos materiales Valores ASTM .

193

Tabla 1. Características de algunos Aceros Resistencias y fluencias.

Fuente: Diseño en Ingenieria Mecánica de Shigley, Richard G. Budynas, J Keith Nisbett, Mc Graw Hill, Octava Edicion.

194

ANEXOS 7.

Características del motor

195

Tabla 1. Motor eléctrico.

Fuente: Nord, Catálogo de existencias.

196

Tabla 2.Dimensiones estandar de motores.

Fuente: Nord, Catálogo de existencias.

197

ANEXOS 8.

Variador de velocidad monofásico con salida trifásica.

198

Tabla 1. Características del variador de velocidad.

199

Fuente: Invertek Drives, Optidrive, Catálogo de variadores de velocidad en existencias. Sección E2

200

ANEXOS 9.

Celda de carga Lexus.

201

Tabla1. Características de la celda de carga seleccionada.


202

Diagrama 1. Conexión interna de la celda de carga.


203

ANEXOS 10.

Características Visualizador indicador.

.

204

Tabla 1. Características del indicador.

Fuente: BCI Ingeniería, Catálogo de indicador [en línea]. [Consultado 8 de febrero. 2012], http://www.bciltda.com/

205

Tabla 2. Características del indicador.

Fuente: BCI Ingeniería, Catálogo de indicador [en línea]. [Consultado 8 de febrero. 2012], http://www.bciltda.com/

206

ANEXOS 11.

Características del PLC seleccionado

207

Figura 1. Diagrama de conecciones del plc

Fuente: Click Project Loader user guide, Koyo, Catálogo de programación.

208

Tabla 1. Características del PLC.


209

Tabla 2. Caracteísticas analogicas del PLC


210

ANEXOS 12.

Características del soporte, rodamiento.

211

Tabla 1. Soporte SNL.

Fuente: SKF, Rodamientos, [En línea], [Consultado 21 febrero 2012],

http://www.skf.com/skf/productcatalogue/Forwarder?a ction=PPP&lang=es&imperial=false&windowName=null&perfid=520198&prodid=5201981506

212

ANEXOS 13.

Formato de entrega de la Ensacadora de bolsa Valvulada para cemento mortero.

213

Tabla1. Formulario de entrega para la máquina.

Fuente: Elaboración propia, Del autor

214

ANEXOS 14.

Programación Ladder para el PLC

215

Figura 1. Diagrama ladder de programación


216


217

ANEXOS 15.

Lista de costos de la ensacadora.

218

Tabla1. Presupuesto área eléctrica ensacadora.


219

Tabla 2. Presupuesto área mecánica de la ensacadora.


220

Tabla 3. Presupuesto total de la ensacadora.


221

ANEXOS 16.

Material fotográfico de la construcción de la ensacadora.

222

Tabla 1. Construcción de elementos mecánicos.

a. Salida prismática b. tornillo sinfín

c. Tolva de almacenamiento d. Soporte estructura


223

Tabla 2. Montaje de elementos.

a. Montaje Boquilla de dosificación b. Montaje tolva estructura

c. Conjunto Tornillo, eje, rodamiento y soportes


224

Tabla 3. Ensacadora final.

a. Vista lateral de la ensacadora b. Ensacadora en pruebas sin acabado.

c. Ensacadora final vista frontal d. Ensacadora lateral terminada.


225

Tabla 4. Pruebas de llenado en bolsa valvulada.

a. Pruebas de llenado b. Prueba de llenado vista lateral.

c. Descarga del material reposado d. Estibamiento de las bolsas.

Fuente: Elaboración propia del autor.

226

ANEXOS 17.

Manual de Operación y Mantenimiento.

227

ENSACADORA DE CEMENTO MORTERO PARA BOLSA VALVULADA.

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

228

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LA MÁQUINA

ENSACADORA

INTRODUCCIÓN

Este manual de usuario se realiza con el propósito de otorgar a la empresa

financiadora y usuario en general de la máquina, los datos y conocimientos

necesarios para una adecuada operación. A continuación se describen los

procedimientos en detalle de la debida puesta en marcha de la ensacadora.

ENSACADORA DE CEMENTO MORTERO PARA BOLSAS VALVULADAS.

Esta máquina hace parte del gran conjunto de empacadoras del sector industrial

cementero de nuestro país, básicamente la función esencial de este modelo es el

de empacar cemento mortero en bolsas valvuladas elaboradas y suministradas

por la empresa Idealpack S.A.S.

Para el empacado de dicho material esta maquinaria emplea componentes

mecánicos tanto rígidos como móviles, permitiéndole la dosificación gradual del

cemento; desde una tolva de acopio como elemento almacenador, llevado por un

tornillo sinfín como elemento trasportador hasta el elemento de salida en la bolsa

valvulada como la boquilla de dosificación.

229

El proceso en general se encuentra controlado por una rutina de trabajo ejecutada

desde un PLC (Controlador Lógico Programable); Dicha rutina requiere de la

adquisición de los datos obtenidos por el sensor de peso encargado de verificar en

cualquier instante de tiempo la cantidad de material empacado en las bolsas, la

señal entregada por el sensor de peso será linealizada y amplificada de manera tal

que en la rutina de trabajo se pueda manipular para los diferentes tipos de peso

previstos por el diseñador; pesos que serán establecidos al iniciar el ciclo de

llenado, de manera manual a través del selector de peso en el tablero de mando,

el llenado y paro del proceso se hace de manera autónoma determinando la

velocidad de giro del motor conforme se va llenado el material en la bolsa,

brindando así una fiabilidad de ± 1 % en el peso, a una velocidad de ± 25

segundos para bolsas de 25 kilogramos.

230

MANUAL DE USUARIO

INFORMACIÓN TÉCNICA.

Datos técnicos generales:

Revoluciones de giro máximo, motor 1750 rpm

Revoluciones de operación, transportador 1200 rpm, 700rpm, 300 rpm

Conexión eléctrica 110 V a 60 Hz

Consumo de corriente en arranque 3.1 A

Consumo de corriente en marcha 1.7 A

Potencia total desempeñada 2 Hp

Potencia total requerida 1.2 Hp

Tipo de llenado Semi automático tres posiciones de peso

(10,25, 30) kilogramos.

Tiempo de llenado [10-30] segundos por bolsa de 25 kilogramos

Carga máxima (cemento mortero) ± 300 kilogramos

Capacidad de operación (cemento mortero) ± 250 kilogramos

Peso vacío Aproximado de 180 kilogramos

Peso con carga Aproximado de 430 kilogramos

Dimensiones

Alto ± 2000 mm

Ancho ± 800 mm

Largo ± 800 mm

231

COMPONENTES DE LA ENSACADORA DE CEMENTO MORTERO EN BOLSA

VALVULADA.

1. Elementos mecánicos

2. Elementos electrónicos

3. Programación y calibración.

PARTES DE LA MÁQUINA.

Figura 1. Partes de la máquina

232

RELACIÓN DE ELEMENTOS

N° de

Elemento

Descripción

1 Tolva de almacenaje

2 Salida prismática

3 Eje de transmisión

4 Soportes de rodamientos

5 Soporte estructura

6 Polea transportada

7 Motor

8 Polea motriz

9 Tornillos tipo esparrago de ajuste

10 Soporte motor

11 Sensor de peso

12 Ejes guía para ajuste de peso

13 Canoa de peso

14 Soporte peso

15 Boquilla de dosificación

233

SUBCONJUNTOS

Conjunto almacenamiento salida.

Figura 2. Tolva salida


N° de

elemento

Cantidad Descripción

1 1 Flanche de terminación.

2 1 Tolva de acopio Acero ASTM A- 36

234

3 2 Flanches de sujeción Acero ASTM A -36

4 1 Salida prismática Acero ASTM A-36

5 12 Agujero pasante, Tornillo hexagonal rosca

ordinaria de 3/8” X 11/2”, arandela y guasa de

sujeción.

6 1 Retenedor axial para ejes en nitrilo marca skf

de 1“de diámetro interno.

Conjunto tornillo sinfín.

Figura 3. Tornillo sinfín

235


N° de

elemento


1 1 Eje transmisor de una pulgada en acero 1040.

2 1 Hélice den acero de ¼ “ de espesor y 350 mm

de longitud

3 2 Agujero roscado, pasador de ¼” de espesor

por ¾ “ de longitud

4 2 Perfil de soporte rodamiento

5 2 Soporte de pies de la serie SNL de la casa

SKF con manguito de sujeción y rodamiento

rígido a bolsa.

6 1 Polea trapezoidal de trasmisión, correas

sección A.

236

Conjunto pesaje.

Figura 4. Canoa de peso


N° de

elemento


1 1 Brazo de sujeción en aluminio con perno liso y

anillo seeger de sujeción

2 1 Brazo de sujeción 2 en aluminio con perno liso

y anillo seeger de sujeción

237

3 4 Agujero pasante, tornillo hexagonal rosca

ordinaria de 3/8 “X 1”, con arandela y guasa

de sujeción.

4 1 Brazo de sujeción 3 en aluminio

5 2 Perfil soporte canoa de peso.

6 4 Agujero roscado interno ordinario 3/8” X 2”.

7 5 Agujero pasante 5/16”

8 4 Agujero pasante, tornillo hexagonal rosca

ordinaria de 3/8 “X 1”, con arandela y guasa

de sujeción.

9 1 Canoa de pesaje Acero ASTM A-36

10 2 Guías en acero Plata

11 1 Boquilla de dosificación en acero Inox

238

TABLERO DE MANDO

Figura 5. Control de mando.


N° de

elemento


1 1 Visualizador electrónico, transductor del

sensor

2 1 Fuente de voltaje 220 V Ac – 24 V Dc

3 2 Indicador lumínico de encendido del motor

4 1 Selector de prendido y apagado de la

máquina

5 2 Pulsador de inicio del proceso

239

6 1 Selector de pesos

7 3 Canaletas de sujeción y protección de las

conexiones

8 1 PLC

9 1 Variador de velocidad

10 1 Totalizadores eléctricos

11 1 Paro de emergencia

PROGRAMACIÓN

La programación de hace de manera directa para cada uno de los componentes

que así lo dispongan para la programación del variador y PLC se tendrán en

cuenta los requerimientos de diseño establecidos y con los cuales se denotaran

como punto de partida para estos elementos.

240

VARIADOR DE VELOCIDAD

Nº Parámetro interno

Número

Descripción Valor Observaciones

1 P 10 Velocidades nominales del

motor en Hz o Rpm.

1 Se establece de esta forma para

que todas las velocidades

descritas se presenten en rpm.

2 P 01 Máxima velocidad del motor. 1750 rpm Es el valor máximo de

revoluciones ejercidas por el

motor comprado.

3 P 02 Velocidad mínima del motor. 0

4 P 03 Tiempo de aceleración 2 s Por defecto tiene una rampa de

aceleración de 5 s para alcanzar

la velocidad máxima en la

aplicación no es conveniente

dejar este tiempo ya que

demora el llenado de la bolsa.

5 P 04 Tiempo de desaceleración 0.1 s Es el tiempo min que el variador

permite, en la aplicación es

mejor tener un tiempo corto para

evitar el llenado por inercia

6 P 07 Voltaje del motor 220 V

7 P 09 Frecuencia del motor 60 Hz

8 P 15 Multi velocidades 2 En este parámetro se activan la

secuencialidad de diferentes

velocidades, por medio de un

orden lógico booleano, esta

función se establece para

disminuir el error de llenado por

inercia y mejorar tiempos.

9 P 20 Velocidad 1 0 0 Máxima velocidad

10 P 21 Velocidad 2 1 0 Velocidad al 58 60%

11 P 22 Velocidad 3 0 1 Velocidad al 25%

241

PLC

Para la programación de este elemento es necesaria una conexión previa con el

computador ya que el cambio y montaje de las rutinas de trabajo solo se puede

efectuar a través de este; para lo cual es indispensable tener un cable de

conexión USB a serial, y serial RJ 12, ya que este es el plug de entrada al PLC,

ver la siguiente figura.

Figura 6. Conexión PLC, PC

Una vez hecha la conexión con el computador se debe abrir la interfaz de

conexión especificando el puerto a utilizar y la velocidad de comunicación de la

transmisión de datos. 9600 baudios

242

Figura 7. Parametros de la conexion

Hecha y establecida la conexión con el computador es necesario abrir el software

de programación del PLC para este caso este software es uno otorgado por el

proveedor llamado Click de koyo. La ventana de aceptación del PLC deberá verse

de la siguiente manera:

Figura 8.Conexion establecida.

243

En la cual se describe que la conexión se encuentra hecha y que el usuario puede

ejercer dos tareas la de abrir un documento para realizar una rutina de trabajo, o la

de leer directamente del PLC las rutinas almacenadas si es el caso. El programa

que se encuentra archivado en el PLC es el programa de las rutinas de llenado y

cambio de velocidad para las diferentes bolsas, dándole leer desde el PLC la

ventana de navegación deberá mostrar las rutinas programadas con las que la

máquina ha trabajo; se vera de la siguiente manera en el lenguaje de

programación ladder.

244

Figura 9. Programación ladder

246

Para realizar algún cambio en este programa basta con realizarlo directamente

ene le código, y sobrescribir los cambios de nuevo en el PLC, para esto hay que

asegurarse que este se encuentre en modo de stop, de lo contrario la rutina no

podrá sobre escribirse, una vez sobre escrita deberá cambiar el modo de (stop) a

(Run) para poder ver el comportamiento del programa.

Figura 10. Puesta del PLC en Stop y Run.

NORMAS GENERALES DE SEGURIDAD

Es importante aclarar que la integridad física, eléctrica y del personal; está sujeta

únicamente al buen uso que el operario o personal que opera esta máquina le dé

durante la instalación, funcionamiento, limpieza y mantenimiento que se elaboren.

247

SEGURIDAD PERSONAL

1. El personal a operar debe estar atento en cualquier momento del proceso a

cualquier irregularidad presente durante el llenado de la tolva, dosificación

de la bolsa, y retiro de la misma.

2. El personal debe utilizar los implementos de seguridad industrial descritos

por la empresa para este proceso, Guantes, gafas de protección visual,

tapabocas, casco, botas de punta acerada.

3. El personal no deberá operar la máquina en estado de alicoramiento o bajo

cualquier sustancia que le impida su buen funcionamiento psicomotriz.

SEGURIDAD DEL ÁREA DE TRABAJO

1. El área de trabajo donde seste dispuesta la máquina debe encontrarse en

preferencia seca y libre de elementos contaminantes.

2. La superficie del área de trabajo de la máquina debe encontrarse a nivel, de

no ser así no es aconsejable soportar con cuñas u otros elementos de

andamiaje.

3. La máquina se debe operar en un lugar de ventilación libre y no en lugares

cerrados debido a la liberación de material particulado al momento del

llenado.

248

SEGURIDAD ELÉCTRICA

1. Verificar el tipo de conexión eléctrica a disposición de la ensacadora.

2. No se recomienda la conexión de la máquina en lugares donde la variación

eléctrica sea fluctuante y poco estable.

3. No golpear el tablero de mando, ni exponerlo a humedad excesiva.

4. No utilizar elementos electrónicos ajenos a los especificados en su uso, no

cambiar ni introducir cableado externo en el interior del tablero.

NORMAS ESPECÍFICAS DE SEGURIDAD

1. El operario por ninguna razón durante el proceso deberá introducir los

dedos o cualquier otra parte física o externa dentro de la boquilla de

dosificación; esta labor solo se debe efectuar durante el proceso de

mantenimiento siguiendo las recomendaciones previstas.

2. En caso de algún atascamiento en el proceso el operario deberá

asegurarse de cortar la alimentación eléctrica, antes de continuar con el

proceso de des atascamiento en la máquina.

3. El operario no introducirá un elemento ajeno al material a empacar a través

de la tolva de almacenamiento.

4. El operario ni ninguna persona externa deberá colocar elementos ajenos en

la tolva de almacenamiento de manera directa o superpuesta, para evitar

volcamientos de la estructura.

5. El operario no se colgara en la tolva de almacenamiento para alcanzar

lugares visibles, en cambio utilizara el escalón de acceso.

249

OPERACIÓN DE LA MÁQUINA

1. Instalación

2. Alimentación eléctrica

3. Encendido apagado

4. Operación

INSTALACIÓN

La localización de la máquina podrá ser cualquiera que cumpla con las

condiciones de seguridad previstas para el área de trabajo y condiciones

eléctricas. Teniendo en cuenta que la programación y condiciones de llenado

están pre establecidas y almacenadas en los componentes del tablero de mando;

y podrán ser cambiadas en cualquier momento a disposición de la empresa.

ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA

La máquina está diseñada con el fin de ser alimenta por una conexión de tipo

general y común, como lo es una red de corriente alterna de tipo monofásica de

110 v a 60 Hz, siguiendo las recomendaciones de seguridad eléctricas.

250

ENCENDIDO Y APAGADO

La máquina cuenta con un selector (1), de encendido y apagado de los

componentes electrónicos que forman parte del control en el proceso de llenado,

adicionalmente esta cuenta con un totalizador (2), el cual interrumpirá la corriente

en todos los elementos electrónicos así apagando por completo la ensacadora.

Para encender la máquina es necesario ver si los totalizadores se encuentran

apagados de ser el caso se deberán encender y posteriormente dar encendido en

el selector de encendido y apagado en el tablero; Ver la siguiente figura.

Figura 11. Encendido y apagado


1

2

251

OPERACIÓN

La ensacadora de cemento mortero para bolsa valvulada tiene como inicio en su

operación de llenado el acopio de material en la tolva de almacenamiento labor

que debe hacer el operario siguiendo los requerimiento de seguridad pertinentes,

entre las cuales se denota el no introducir ningún elemento ajeno al del producto

almacenar, adicionalmente si en el interior de la tolva se encuentra algún elemento

extraño se debe retirar; una vez que el operario halla almacenado el material a

trabajar procede a dar inicio con el encendido de la máquina, recordando que se

tiene dos elementos a verificar el totalizador, y el selector de encendido y apagado

de la máquina, con la máquina encendida se selecciona manualmente el peso

previsto para el empaque por medio del selector de peso, ahora ya seleccionado

el peso, el operario deberá posicionar la bolsa valvulada en la boquilla de

dosificación sobre la canoa de peso y de manera tal que la boquilla se introduzca

en la válvula de la bolsa, asegurando que la bolsa se encuentra en posición para

el llenado se procede a dar inicio al proceso por medio del pulsador de inicio, este

proceso de llenado y paro de la máquina se hace de manera autónoma dando

finalizando en el momento en que el peso del material empacado en la bolsa

llegue al peso establecido con anterioridad en el mando; una vez que la máquina

llegue al peso pre establecido se detendrá y el operario deberá retirar la bolsa

llena del producto, para una nueva rutina se deberá colocar una bolsa nueva para

un posterior llenado.

252

Figura 12. Secuencias de pasos para operar la ensacadora.


1. LLenar la tolva

• Se hará de forma manual , siguiendo las consideraciones de seguridad, se retirara todo objeto extraño al material a empacar.

2. Encender de la máquina

• Verificando los totalizadores del tablero y el selector de encendido y apagado

3. Seleccionar el peso

• Se selecciona el peso de manera manual a traves del selector en el tablero de mando.

4. Posicionar la bolsa

• El operario posiscionará la bolsa en la boquilla de dosificación, asegurandose que esta este introducida en la válvula de la bolsa y sobre la canoa de peso.

5. Iniciar el proceso.

• Se iniciara el proceso mediante el pulsador de inico en el tablero de mando.

6. Nuevo llenado

• El operario debera repetir el paso de posicionar la bolsa (4) y continuar (5,6).

253

MANTENIMIENTO

La Ensacadora de cemento mortero en bolsa valvulada, está fabricada de manera

robusta, simple y de fácil operación, es eficiente, precisa en el pesaje y durable.

Toda máquina requiere de mantenimiento constante atención y cuidado tanto del

responsable del mantenimiento como del operario, con limpieza y lubricación.

La máquina presenta un sistema de lubricación en los rodamientos y bujes dónde

se recomienda el uso de grasa por lo menos dos veces por semana.

TIPO DE GRASA: SKF LGMT 2/0.4 Grase de base mineral con espesante de

jabón de litio (o similar).

La empacadora requiere de poco mantenimiento programado, pero se recomienda

brindar especial atención a los siguientes aspectos:

Cuando no esté en uso, la empacadora debe permanecer vacía para evitar

compactación del material.

Lubricar semanalmente los acoples de los bracitos del sistema de pesaje

para evitar la infiltración de polvo, manteniendo así la sensibilidad del

sistema en el sensor de peso.

Mantenga bien engrasados los rodamientos del eje transmisor, para así

evitar sobre cargas en sistema.

254

Tensione la polea transmisora generando una buena tensión entre correa y

polea para evitar pérdidas de potencia.

Es útil realizar una buena limpieza de polvo en el tablero electrónico cada

15 días, este procedimiento se puede realizar manualmente o mediante el

uso de aire comprimido a baja presión; el uso de aire a altas presiones

puede conllevar al desprendimiento de algunos componentes electrónicos

de su lugar.

RECOMENDACIONES PARA MANTENIMIENTO Y OPERACION

Efectúe el mantenimiento y limpieza de la máquina, asegúrese que el

equipo no esté conectado.

Diariamente y al final de la jornada, deje la empacadora vacía para evitar

compactación.

Lubrique los rodamientos, bujes y partes articuladas por lo menos una vez a

la semana.

Mantenga el interior de la caja de comando siempre libre de polvo y

productos. (Limpiar con AIRE).

Durante el empacado, mantener el sistema de la balanza libre de fuerzas

ajenas.

Ajuste regularmente la tornillería de la máquina.

tolva tronco piramidal

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