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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO “ASCENSOR DE CARGA AUTOMÁTICO” T E S I S Que para obtener el titulo de: INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL PRESENTAN: BOTELLO BAEZ JOSÉ ROBERTO PALMA DE JESÚS GABRIEL VILLEGAS GARCÍA JAVIER ASESORES: M. EN C. GUILLERMO AMÉZQUITA MARTÍNEZ ING. JOSÉ ANTONIO JAVIER ÁVILA MÉNDEZ MEXICO, D.F. 2008 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL QUE PARA OBTENER EL TíTULO DE INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL DEBERÁN DESARROLLAR LOS CC. BOTELLO BAEZ JOSÉ ROBERTO PALMA DE JESÚS GABRIEL VILLEGAS GARCíA JAVIER "ASCENSOR DE CARGA AUTOMÁTICO" Se presenta esta tesis como un compendio de conocimientos y técnicas adquiridos durante la formación profesional cuyo objetivo es diseñar maquinaria para facilitar el trabajo del ser humano. EL TEMA COMPRENDERÁ LOS SIGUIENTES PUNTOS: 1.- GENERALIDADES. 2.- ANÁLISIS Y SEGUIMIENTO DE LAS OPERACIONES DEL SISTEMA. 3.- DISEÑO MECÁNICO Y ESTRUCTURA ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA. 4.- ESTUDIO DE COSTOS. México, D.F. a 22 de septiembre del 2008. \\\0ENlc~'4 <;)'1(, Xi~l.t ~~ AS¡ESOR f~~ ~ .~ '\ ASESOR / ~fj ~~ ~ / ; ~m /j M. en C. GU~O AMÉZQUr::" IPN !;::. JO::::TONI:JAVIER ÁVILA MARTíNEZ TITULACiÓN MÉNDEZ PROFESIO 1'1 AL E ~ M &.~~ hl~CPó1~~~R .. ~. ING. JORGE GÓMEZ VILLARREAL NOTA: Se sugiere utilizar el Sistema Internacional de Unidades. AT- 228/2008 P. S. 00 - 07 /. I _ JGV/FVC/9~ Este trabajo esta dedicado en primer lugar a DIOS, en segundo a mis PADRES y HERMANOS que nunca dudaron en brindarme su apoyo cuando los necesite, y por ultimo a todos mis grandes amigos (Luis, Fernando, Yvonne, Thania, etc.) que estuvieron ahí para brindarme palabras de aliento, una sonrisa y para jugarme una broma en el momento indicado. ROBERTO BOTELLO A G R A D E C I M I E N T O A mis padres por brindarme su apoyo y motivación en todo momento para terminar con mis estudios, ya que son el motor de mi vida para salir adelante de todos mis proyectos y sueños que he realizado y que realizare. A mi hermana, gracias por estar en todo momento con tus muestras de apoyo para que terminara mis estudios e impulsarme a seguir cumpliendo todas mis metas. A mis amigos que me brindaron su amistad en los momentos que necesitaba un apoyo al cursar mis estudios y que supieron estar en los buenos y malos momentos que pasamos en la carera. Gabriel Palma de Jesús. Agradecimientos: A mis padres; por todo su apoyo moral, su comprensión y entendimiento. Por darme el animo a seguir adelante con su ejemplo y su amor; demostrándome que no existen impedimentos para hacer las cosas. Así como al estar conmigo en los buenos y malos tiempos. A mi hermana, por su apoyo incondicional, su cariño y por compartir el legado de nuestros padres. A mi familia; por su empeño a motivarme a seguir adelante, así como sus deseos de buena fortuna hacia mí. Y a mis amigos y compañeros ; por creer en mi y demostrarme su admiración. Javier Villegas García. 1 ÍNDICE ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS.......................................................................................................................................4 ÍNDICE DE TABLAS........................................................................................................................................6 RESUMEN.........................................................................................................................................................8 INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................................9 OBJETIVO GENERAL.................................................................................................................................11 CAPÌTULO I Objetivos de Investigación................................................................................................................................14 1.1 ANALISIS DE FACTIBILIDAD...............................................................................................................14 1.1.1 Factibilidad..............................................................................................................................................16 1.1.2 Posibles Soluciones.................................................................................................................................19 1.1.3Justificación..............................................................................................................................................21 1.1.4 Agentes a considerar...............................................................................................................................21 1.1.5 Factores para el desarrollo del sistema...................................................................................................22 1.2 MAANEJO DE MATERIALES...............................................................................................................23 1.2.1 Accesorios para el manejo de carga........................................................................................................24 1.3 SEGURIDAD EN TRASPORTE DE CARGA………..............................................................................24 1.4 PATÌN HIDRÁULICO..............................................................................................................................25 1.5 PARTICULARIDADES DE MONTACARGAS ELECTRICO..............................................................26 1.6 EXCLUSIVAS DE LOS MONTACARGAS ELÉCTRICOS..................................................................27 1.7 SUMARIO.................................................................................................................................................27 CAPÌTULO II 2.1 FUNCIONAMIENTO DE ASCENSOR DE CARGA AUTOMÁTICO……..........................................29 2.2 NORMA OFICIAL MEXICANA..............................................................................................................30 2.3 CONFIGURACIÒN DEL MONTACARGAS AUTOMÁTICO...............................................................30 2.3.1 Sistema electrónico-eléctrico...................................................................................................................30 2.3.2 Sistema hidráulico...................................................................................................................................31 2.3.3 Sistema mecánico....................................................................................................................................31 2.4 CARACTERISTICAS DE INTEGRACIÓN DEL SISTEMA..................................................................33 2 ÌNDICE 2.4.1 Principios de potencia hidráulica............................................................................................................34 2.5 TANQUE Y ACCESORIOS......................................................................................................................38 2.6 MOTOBOMBA .........................................................................................................................................38 2.7 VÀLVULAS..............................................................................................................................................40 2.8 MOTORES DE CORRIENTEDIRECTA.................................................................................................40 2.8.1 Clasificación de motores de C.D.............................................................................................................41 2.8.2 Principios básicos del motor de C.D.....................................................................................................41 2.8.3 Las conexiones de los motores de C.D.................................................................................................42 2.8.4 El arranque de los motores de C.D......................................................................................................43 2.8.5 Motores de C.D. sin escobillas.............................................................................................................44 2.9. BATERÌAS...............................................................................................................................................44 2.9.1 Acción electroquímica de una batería ....................................................................................................45 2.9.2 Descarga y Recarga.................................................................................................................................45 2.9.3 Factores que influyen en la vida y rendimiento de una batería............................................................46 2.9.4 Especificaciones...................................................................................................................................47 2.9.5 Limpieza...............................................................................................................................................47 2.9.6 Prueba de densidad especifica..............................................................................................................48 2.9.7 Prueba de medición de voltaje..............................................................................................................49 2.9.8 Almacenamiento...................................................................................................................................50 2.10 TARIMAS...............................................................................................................................................50 2.11 SUMARIO..............................................................................................................................................51 CAPÌTULO III 3.1 CÀLCULO DE UNIDAD MECÁNICA....................................................................................................53 3.1.1 DISEÑO DE ENGRANES Y DIÁMETRO CORRESPONDIENTE A FLECHA.................................53 3.1.2 CÀLCULO DE CUÑA............................................................................................................................58 3.2 DISEÑO DE UÑAS................................................................................................................................... 59 3.3 DISEÑO DE RIEL......................................................................................................................................61 3.4 DISEÑO DE COLUMNA DE LLANTAS.................................................................................................63 3.4.1 DISEÑO DE VIGA PARA LLANTAS...................................................................................................65 3.4.2 RUEDAS PARA TRABAJO EXTRA PESADO....................................................................................67 3.5 DISEÑO DE PRISMA CORTO.................................................................................................................67 3 ÌNDICE 3.5.1 DISEÑO DE SOLDADURA PARA UNION PERFIL – RIEL..............................................................69 3.6 DESCRIPCIÒN DEL MANUBRIO...........................................................................................................70 3.7 CÀLCULO DE UNIDAD HIDRÁULICA ................................................................................................71 3.7.1 CÀLCULO DE DIÁMETRO DE PISTÓN ............................................................................................71 3.7.2 CÀLCULO DE BOMBA HIDRÀULICA...............................................................................................74 3.7.3 CÀLCULO DE ACUMULADOR...........................................................................................................75 3.7.3.1 PROPOSITOS DEL FLUIDO..............................................................................................................77 3.7.3.2 VISCOSIDAD......................................................................................................................................78 3.7.4 CEDULA DE TUBERIA.........................................................................................................................79 3.7.4.1 SELECCIÒN DE TUBERÍA ...............................................................................................................81 3.7.5 TANQUES Y ACONDICIONADORES DEL FLUIDO........................................................................83 3.7.5.1 DISEÑO DE LAS PAREDES DEL TANQUE....................................................................................83 3.7.6 DIAGRAMA HIDRÁULICO .................................................................................................................87 3.8 SISTEMA ELÈCTRICO -ELECTRONICO...............................................................................................88 3.8.1 MODO DE OPERACIÓN DE MOTORES.............................................................................................88 3.8.2 ELECTROVALVULA DIRECCIONAL................................................................................................90 3.9 SUMINISTRO DE ENERGÍA ...................................................................................................................92 3.10 ETAPA DE POTENCIA...........................................................................................................................94 3.11 ETAPA DE CONTROL..........................................................................................................................102 3.11.1 MICROCONTROLADOR...................................................................................................................103 3.11.2 PROGRAMACIÒN ............................................................................................................................106 3.11.3 DIAGRAMAS DE FLUJO..................................................................................................................108 3.12 DIAGRAMA ELECTRONICO..............................................................................................................110 3.13 SUMARIO..............................................................................................................................................112 CAPÌTULO VI 4.1 DEFINICIÒN DE PROYECTO................................................................................................................114 4.2 DEFINICIÒN DE COSTO........................................................................................................................114 4.3 ESTUDIO DE COSTOS...........................................................................................................................115 4.4 MATERIA PRIMA...................................................................................................................................115 4.5 COSTOMECÁNICO................................................................................................................................116 4.6 COSTO HIDRÁULICO...........................................................................................................................1174 ÌNDICE 4.7 COSTO ELECTRICO – ELECTRÓNICO...............................................................................................117 4.8 DETALLE DEL COSTO ENGRANE – PIÑÓN......................................................................................118 4.9 DETALLE DEL COSTO DEL PISTÓN HIDRÁULICO .......................................................................120 4.10 JUSTIFICACIÒN ECONÓMICA..........................................................................................................122 4.11 SUMARIO..............................................................................................................................................123 CONCLUSIONES GENERALES..................................................................................................................124 REFERENCIAS..............................................................................................................................................125 ANEXO 1-A....................................................................................................................................................129 ANEXO 2-A....................................................................................................................................................134 5 ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS CAPÌTULO I 1.1 TINA PARA MATERIAL A GRANEL.....................................................................................................23 1.2 TARIMA DE DOS CARAS.......................................................................................................................24 CAPÌTULO II 2.1 PERSPECTIVA DE ELEVACIÓN ...........................................................................................................31 2.2 MANUBRIO CON INCLINACIÓN..........................................................................................................32 2.3 ACOPLAMIENTO DE TRANSMISIÓN...................................................................................................32 2.4 PATÍN ESTÁNDAR...................................................................................................................................33 2.5 ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA HIDRÁULICO ........................................................................35 2.6 PARTES DE UN CILINDRO.....................................................................................................................36 2.7 CILINDRO TELESCÒPICO......................................................................................................................37 2.8 EMBOLO BUZO........................................................................................................................................37 CAPÌTULO III 3.1 DIAGRAMA X-Y CORTANTES FLEXIONANTES...............................................................................56 3.2 DIAGRAMA Z-X CORTANTES FLEXIONANTES................................................................................56 3.3 FUERZA TANGENCIAL DE LA CUÑA..................................................................................................58 3.4 UÑA DEL PERFIL TIPO “C”....................................................................................................................59 3.5 VIGA DE UÑAS.........................................................................................................................................59 3.6 RIEL DE UÑAS TIPO RECTANGULAR.................................................................................................61 3.7VIGA DE RIEL ..........................................................................................................................................62 3.8COLUMNA DE LLANTAS........................................................................................................................63 3.9 COEFICIENTES DE RELACIÓN DE ESBELTEZ..................................................................................64 3.10 COLUMNA Y VIGA DE LLANTAS......................................................................................................64 3.11 VIGA DE LLANTAS...............................................................................................................................65 3.12 RUEDAS A UTILIZAR............................................................................................................................67 3.13 PRISMA CORTO.....................................................................................................................................68 3.14 CARACTERISTICAS DE UNION DE SOLDADURA..........................................................................69 3.15 VISTA FRONTAL DE MANUBRIO –TRANSMICIÒN .......................................................................70 3.16 COLUMNA DEL PISTÓN ......................................................................................................................72 6 ÍNDICE 3.17 LUBRICACIÒN DE LAS PARTES DE OPERACIÓN ..........................................................................78 3.18 FUERZAS QUE ACTUAN EN EL TANQUE.........................................................................................84 3.19 FUERZAS ACTUANDO EN LA PARED DEL TANQUE.....................................................................84 3.20 DEPOSITO DE ACEITE .........................................................................................................................85 3.21 DIAGRAMA HIDRÀULICO...................................................................................................................87 3.22 MOTOR ELECTRICO.............................................................................................................................89 3.23 GRAFICA DE EFICIENCIA DE MOTOBOMBA..................................................................................90 3.24 ESTRUCTURA INTERNA DE LA VÁLVULA.....................................................................................90 3.25 VALORES DE INSTALACIÓN DE UNA VÁLVULA..........................................................................92 3.26 GRAFICA DE EFICIENCIA DE LA BATERÍA ....................................................................................94 3.27 ESTRUCTURA DEL MOC 3041.............................................................................................................95 3.28 ESTRUCTURA DE UN RELVADOR.....................................................................................................97 3.29 CONSTITUCIÒN DE UN RELEVADOR...............................................................................................98 3.30 DIAGRAMA DE REGULADORES LM.................................................................................................99 3.31 ETAPA DE POPTENCIA.......................................................................................................................100 3.32 DIAGRAMA DE ACCIONAMIENTO DEL MOTOR..........................................................................101 3.33 SIMBOLO ESQUEMATICO DEL TRIAC...........................................................................................102 3.34 ESTRUCTURA DEL PIC 16F84...........................................................................................................104 3.35 BANCO DE REGISTROS DEL PIC 16F84..........................................................................................105 3.36 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA.......................................................................................108 3.37 DIAGRAMA DE ACCIÒN DEL MOTOR...........................................................................................109 3.38 DIAGRAMA DE CIRCUITO ELECTRÓNICO....................................................................................1103.39 INTEGRACIÒN DE LOS ELEMENTOS..............................................................................................111 7 ÍNDICE ÍNDICE DE TABLAS CAPÌTULO I CAPÌTULO II 2.1 RANGOS COMPARATIVOS DE BOMBAS............................................................................................39 2.2 ESPECIFICACIONES DE BATERÍAS PLOMO-ÁCIDO........................................................................47 2.3 DENSIDAD DE BATERÍAS......................................................................................................................49 2.4 PRUEBA DE MEDICIÓN DE VOLTAJE A LA BATERÍA....................................................................49 2.5 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE TARIMAS...................................................................................50 CAPÌTULO III 3.1 CARACTERISTICAS DE ELECTRODOS REVESTIDOS......................................................................69 3.2 COMPARATIVA DE MOTOBOMBAS....................................................................................................74 3.3 SELECCIÒN DE CEDULA DE TUBERIA...............................................................................................80 3.4 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE ELECTROVALVULA...............................................................91 3.5 BOBINAS DE CORRIENTE CONTINUA PARA ELECTROVALVULA..............................................91 3.6 CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE BATERÍA ..................................................................................92 3.7 CONSTITUCIÒN DE BATERÍA ..............................................................................................................93 3.8 CAPACIDAD Y MODELO DE BATERÍA ..............................................................................................93 3.9 RANGOS MÁXIMOS DEL MOC3041.....................................................................................................96 3.10 CARACTERISTICAS TÉCNICAS DEL 7805........................................................................................99 3.11 CARACTERISTICAS TÉCNICAS DEL 7812......................................................................................100 3.12 CARACTERÌSTICAS TÉCNICAS DEL TRIAC..................................................................................102 3.13 FACTIBILIDAD DEL MICROCONTROLADOR ...............................................................................103 CAPÌTULO IV 4.1 ESTUDIO DE COSTOS...........................................................................................................................120 4.2 COSTO ANUAL DE MANTENIMIENTO.............................................................................................122 8 RESUMEN RESUMEN Un montacargas es un vehículo de uso rudo e industrial, el cual se utiliza en almacenes y tiendas de autoservicio para transportar tarimas con mercancías y acomodarlas en plataformas. Aguanta cargas pesadas, que ningún grupo de personas podría soportar por sí misma, y ahorra horas de trabajo pues se traslada un peso considerable de una sola vez en lugar de ir dividiendo el contenido de las tarimas por partes o secciones. Los montacargas son técnicamente pesados vehículos de metal o de acero que están elaborados por una plataforma que desliza por una guía lateral o vertical rígida o bien por dos guías rígidas paralelas, ambas unidas a la estructura. Se utilizan para subir o bajar materiales pesados. Hay una gran variedad de montacargas, los cuales se caracterizan por la capacidad que tienen al transportar distintos tipos de carga, ya sea material a granel en contenedores, maquinaria, materia prima o algunos otros objetos que se requieran trasladar a lo largo de algún proceso o actividad en la industria. En la actualidad los montacargas de gasolina, gas L.P. y eléctricos difieren de un montacargas de uñas ( patín hidráulico), ya que su costo es mas elevado y de difícil acceso en espacios reducidos; un montacargas de uñas es operado manualmente por una o dos personas generando un esfuerzo físico, que en ocasiones por este tipo de problemas disminuye el tiempo de traslado y abastecimiento en la producción, cabe mencionar que con el tiempo el operador puede sufrir algún daño físico. Se propone diseñar un ascensor de carga automático, el cual contendrá el diseño del sistema de transmisión mecánica y eléctrica, un dispositivo que controle la elevación de las uñas por medio de un pistón hidráulico, accionado por un control ubicado en el manubrio, el cual regirá la velocidad de avance, encendido y apagado del sistema de transporte automático, cabe mencionar que el abastecimiento de energía se realizará por medio de baterías recargables. Teniendo en consideración las características, requerimientos y propuestas de diseño que se deben cumplir (las cuales se proponen posteriormente), se presenta esta investigación. 9 INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN A lo largo de la historia el transporte se convirtió en una necesidad del hombre, al poder llevar consigo pertenencias y objetos, inicia hace muchos años con la creación de la rueda, la cual constituye una parte integral de la mayoría de los vehículos y sistemas de transporte terrestre.[Enciclopedia Libre,2006] Una dificultad que presentaba la rueda era el poder vencer la fricción, ya que en ese tiempo los caminos presentaban relieves y obstáculos naturales, por ello, las antiguas civilizaciones aprovechaban al máximo todo recurso natural posible. Con la Revolución Industrial comenzó el avance en la evolución tecnológica. Los inventos técnicos (motor de explosión, la hélice, la maquina de vapor, etc.), aceleraron el desarrollo del transporte. El vapor de agua y más tarde, la electricidad y el petróleo fueron la nueva fuerza motriz utilizada por transportes marítimos y terrestres. El desarrollo de transportes en el mundo a generado una gran economía, pero sobre todo a desarrollado un grado muy elevado de movilidad alrededor de las industrias. En el presente, tanto las personas como las mercancías pueden trasladarse fácil y rápidamente, es por ello que el transporte interactúa con las vías de comunicación convirtiéndose en un factor importante. Hoy la movilidad y la flexibilidad caracterizan a las unidades de producción independiente, industrias, fabricas, oficinas, mediante los diversos sistemas de transportes estudiados actualmente, aún así la coordinación de los diversos tipos de transporte es un enorme problema, se ha intentado resolver mediante diversos transportes tanto de carga pero sin flexibilidad en su manejo, recorriendo grandes distancias y con unidades más pequeñas y móviles para las distancias más cortas. Con la implementación de las nuevas tecnologías y la tendencia actual de las industrias, la superación constante y competencia mutua tanto en calidad, producción, implementación de nuevos sistemas como el ahorro de espacios. El uso de maquinaria es para aumentar la capacidad de producción del individuo, haciendo que el producto llegue al medio donde se tiene menor grado de adquisición. 10 INTRODUCCIÓN Tomando en cuenta el peso que continuamente se es transportado, los aparatos de fabricación que tienen que manejarse con los materiales, se aprecia hasta cierto punto, la importancia de adoptar medios disponibles de transporte necesario de los materiales. Las industrias tienen problemas con el transporte de sus materiales, son pocas las que realizan estudios en donde se revela el peso total de material que es transportado diariamente para realizar sus productos. Los aparatos para efectuar el transporte de materiales son elegidos de acuerdo al servicio que requieranlas industrias. Pudiendo tener sistemas de transporte como: rodillos, bandas, polipastos, grúas, carretillas manuales o eléctricas, etc.; hasta ascensores de carga, los cuales son impulsados por medio de motores de gasolina, gas LP, diesel y otros son impulsados por motores eléctricos. 11 OBJETIVO GENERAL OBJETIVO GENERAL. Diseñar un sistema para un ascensor de carga automático el cual agilice el transporte de carga, aplicando los conocimientos obtenidos en la carrera de Ingeniería en Robótica Industrial. • Evaluar el problema que actualmente se tiene. • Considerar la mejor alternativa. • Definir cada uno de los componentes a utilizar en los sistemas, mecánico, eléctrico y electrónico. • Realizar el diseño mecánico, eléctrico, electrónico y la programación. • Determinar los costos que engloban el sistema, así como, el desarrollo de un producto viable. 12 OBJETIVO GENERAL Por medio del objetivo mencionado y la investigación que se realiza, es posible cumplir con un proyecto de investigación, el cual comprenderá cuatro capítulos. Capítulo I Generalidades de los componentes principales y estudio general del ascensor de carga. Capítulo II Análisis y seguimiento de las operaciones del sistema. Capítulo III Contiene el diseño mecánico de sus elementos, la integración de estos, así como la estructura electrónica como su programación. Capítulo IV Contempla el estudio completo de costos y si el proyecto es viable para el mercado. Nota: Los artículos o información específica que mencionan algunos puntos en esta tesis a un tema determinado se presentan en los anexos. 13 CAPÌTULO I CAPÍTULO I En este capítulo se hablara de las generalidades del ascensor de carga ,su utilización, componentes principales, características y la factibilidad de este. 14 GENERALIDADES INTRODUCCIÓN. Dados los avances de la tecnología es de vital importancia el poder contar con mejoras en productos, materiales, objetos, transportes, etc.; los cuales son manejados por el ser humano, uno de ellos es el patín de uñas hidráulico, a lo largo de este capitulo se estudiarán las características y soluciones principales para contemplar la mejor alternativa. OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN: Desarrollar el estudio e investigación para crear un sistema de transporte automático (ascensor de carga automatico), facilitando la actividad y reduciendo el esfuerzo físico del operador. Obteniendo un sistema confiable, flexible y de fácil manejo tomando en consideración una solución económica viable. 1.1 ANALISIS DE FACTIBILIDAD. Necesidad: “Facilitar el traslado de carga en áreas reducidas de trabajo”. REQUISITOS: • Capacidad de carga máxima de 3 Toneladas. • No exceder medidas estándar ( 90x160cm.). • Control de velocidad máxima de 1 m/s. • Manejo flexible. • Cumplir con las normas de manejo y almacenamiento de materiales. • Sistema Automático. 15 GENERALIDADES COMPONENTES MECÁNICOS: Flechas, vigas, sistema de transmisión, engranes, pistón hidráulico, bujes y rodamientos. COMPONENTES ELECTRÓNICOS: Microcontrolador, tips, interfases, potenciómetros, controles de velocidad. COMPONENTES ELÉCTRICOS: Motores, Motobomba, Electro válvula, Baterías. CARACTERÍSTICAS: • Se propone una capacidad de 3 toneladas, pero se buscara la mayor capacidad posible sin exceder las metas de diseño. • El diseño se hará bajo las normas de seguridad establecidas en México (NOM) Expedidas por la Secretaria del Trabajo y Previsión Social. • Se hará un estudio de las áreas de trabajo de medianas, pequeñas, y micro empresas, mercado el cual se contempla para el diseño del montacargas. • Tomar en cuenta el mercado existente de tarimas y contenedores para transporte dentro de los montacargas de patín. 16 GENERALIDADES 1.1.1 FACTIBILIDAD. En la actualidad el transporte de carga se realiza por medio de montacargas de patín, de gasolina o gas L.P, gatos hidráulicos, etc; que son de acuerdo a las necesidades propias en las industrias correspondientes a sus espacios, ya que algunas empresas cuentan con áreas reducidas para trasladar su producto, maquinaria, materia prima, etc; por lo cual; se requiere que exista mayor versatilidad en el trasporte de productos dentro de empresas, almacenes, bodegas, etc. Es necesario agilizar este tipo de transporte dentro de los procesos de fabricación y/o hasta llegar a su punto de venta. IMPLEMENTACIÓN. Haciendo hincapié en las deficiencias y problemas que tienen los aparatos existentes para transporte de cualquier tipo de materiales es posible implementar el diseño de un ascensor de carga automático, para agilizar el traslado de materiales, el cual podrá manejarse dentro de espacios reducidos, el posible daño físico el cual sufren los trabajadores puede ser eliminado, el control de avance será regido por el operador y se disminuirán los costos a comparación de un montacargas de $200,000 pesos, eliminando problemas existentes en el trasporte, es posible que el patín de uñas hidráulico automático sea aplicable a cualquier proceso para aumentar la eficiencia. ESTADO DEL ARTE. Se encontró información necesaria para la investigación de montacargas comenzando por las ventajas y desventajas existentes las cuales se deben de tomar al seleccionar este tipo de aparatos para distintas industrias ya que algunos utilizan como suministro la gasolina otros son eléctricos para distintos tipos de áreas de trabajo existentes en empresas. Contemplar el uso de motores eléctricos o motores de combustión interna y realiza un estudio entre la flexibilidad de cada tipo de trasporte ya que por norma se deben de utilizar para las necesidades que convengan. La capacidad de cada aparato de traslado es variable por lo cual con esta investigación nos auxiliaremos en el estudio técnico para selección de motores, pero sin duda complementaremos la información que se tiene para montacargas ya que este proyecto de investigación 17 GENERALIDADES menciona características que cumplen los ascensores de carga y cual seria la opción más viable para utilizar un aparato de transporte como estos.[Vallado,1975]. Contemplando diversos factores es posible el relacionar las diferentes fases de operación y mantenimiento de los elementos eléctricos y electrónicos que contienen los sistemas de los montacargas, específicamente en los suministros se tienen que considerar cualidades y características posibles al usar baterías para el abastecimiento de los sistemas, ya que posiblemente el problema más grave es la secuencia de mantenimiento y limpieza de baterías por otro lado es de vital importancia la limpieza de esta, ya que sin mantenimiento adecuado la alimentación puede ser dañada. Al utilizar motores eléctricos para el desplazamiento del montacargas se especifica el uso adecuado y capacidad de este tipo de elementos ya que son el centro del sistema.[Cárdenas,1996] Para implementar un mejor sistema hidráulico existe la posibilidad de auxiliarse con otra investigación ya realizada, la cual hace hincapié en los componentes hidráulicos, como: actuadores, válvulas, moto-bombas, y demás dispositivo hidráulicos que requiera este proyecto. Considera el funcionamiento de los diferentes tipos de actuador, como lo son: • De simple acción. • De doble efecto. • Diferenciales. • No diferenciales.[Santos,2004] Con respecto a el diseñohidráulico se puede considerar como mejor opción el uso de un cilindro hidráulico que podría ayudarnos a tener una altura considerable en la elevación de uñas, dando paso a una mejor versatilidad. Por otro lado es posible el tomar ideas para los cálculos mecánicos los cuales conllevan a auxiliarnos en investigaciones anteriores de como podemos desarrollar el diseño de capacidad máxima del sistema de elevación, por lo la investigación la cual observamos nos ayudará como referencia para el calculo del montacargas en los tres sistemas en que esta dividido ( eléctrico, hidráulico, mecánico) considerando una tarima colocada sobre las uñas del montacargas y partir de ahí para obtener las capacidades y características de todos los componentes. Del proyecto de investigación que se reviso es posible tomar consideraciones como el calculo de capacidad máxima para el diseño, este calculo fue tomado en base al peso total de vehículos, ya que se propone el 18 GENERALIDADES desarrollo de un elevador para estacionamiento por lo cual en la parte mecánica y de diseño proponemos auxiliarnos por medio de esta investigación.[Cabello,2002] Se tomará información detallada del sistema de elevación, la cual se propone mejorar para que la altura de los ascensores de carga sea más flexible. La suspensión la cual tiene el vehículo se deberá calcular en base a la carga y desplazamiento, se puede referirla estudio de un a suspensión de un vehículo tipo mini baja, con la finalidad de estudiar su comportamiento bajo condiciones de trabajo se consideran para los cálculos: el comportamiento con respecto a la fricción, gravedad y fuerzas que ejercen sobre este.[Méndez,2002] Estos parámetros son de mucha ayuda ya que el ascensor va a trabajar bajo condiciones que requieran considerar los aspectos antes mencionados. En el sistema de control se hace referencia al estudio sistemático con relación al tipo de alimentación que tienen las maquinas y como es controlado. Tomaremos en cuenta los cálculos y estudios realizados para los sistemas de arranque de motores y control.[Crespo,etal.2004] Propiamente es posible aprovechar al máximo de las referencias antes mencionadas para cada uno de los sistemas que contempla el diseño del ascensor de carga automático, ya que deseamos crear un sistema intermedio entre los gatos de patín de uñas hidráulico y los montacargas motorizados, es posible el disminuir costos y posiblemente introducir el diseño del montacargas de uñas automático en cualquier tipo de área reducida para trasporte. 19 GENERALIDADES 1.1.2 POSIBLES SOLUCIONES. TRASLADO DE CARGA DE MANERA MANUAL. Al trasladar cargas, maquinaria o productos manualmente genera un esfuerzo físico para el trabajador, cabe mencionar que al realizar esta actividad el personal puede sufrir lesiones ocasionadas por el exceso de carga en el cuerpo y traslado inadecuado de esta. Obligando al patrón a realizar exámenes médicos al personal periódicamente. Como el transporte es realizado por este, cabe señalar que el producto puede ser dañado en el tiempo el cual es transportado. TRANSPORTE MANUAL (TRABAJADOR) MONTACARGAS DE PATIN GATO HIDRÀULICO MONTACARGAS MOTORIZADO ASCENSOR DE CARGA AUTOMATICO T IE M PO D E TR A N SL A D O FL EX IB IL ID A D V EL O C ID A D D E R ES PU ES TA À R EA S R ED U C ID A S C O ST O SGRAFICA DE FACTIBILIDAD ESTUDIO VIABLE ESTUDIO NO VIABLE X X X X XX X X X X X X 20 GENERALIDADES En el traslado de carga manual no existe una velocidad de respuesta pero a su vez puede que no exista flexibilidad viable, genera a futuro costos para la empresa, ya que el operador puede sufrir una lesión al no tener los cuidados adecuados por levantar peso, el operador realiza un esfuerzo físico. TRANSPORTE POR MEDIO DE MONTACARGAS Para poder operar este tipo de maquinaria, se requiere de capacitación y adiestramiento, esto genera costos para la empresa. Haciendo hincapié de igual manera que estos sistemas tienen una transmisión trasera y esto hace mas complejo su manejo, por otro lado los montacargas de gasolina, gas L.P. o eléctricos son utilizado en medios industriales en los cuales se tenga un espacio apreciable para que puedan conducirse dentro de los pasillos. Con un montacargas motorizado existe velocidad de respuesta y flexibilidad, la capacitación para el operador generara costos a la compañía, sus suministros o insumos son el gas o gasolina que también generan costos. TRANSPORTE DE CARGA POR MEDIO DE MONTACARGAS DE PATÌN Y GATO HIDRÁULICO Estos dos sistemas cumplen con el mismo principio, ya que el sistema de elevación es manual, así como también el traslado de este. En ocasiones para transportar una carga de gran peso, se requieren hasta 3 operadores, generando hora hombre inútiles. Todo esto implica la ineficiencia de este sistema El patín de uñas o Gato Hidráulico carece de velocidad de respuesta pero es flexible así mismo tiende a generar esfuerzos físicos al estar manipulando el gato mecánico para elevar la carga, por otro lado su tiempo de traslado no es factible. TRANSPORTE POR MEDIO DE ASCENSOR DE CARGA AUTOMÁTICO. El ascensor de carga automático es flexible tiene velocidad de respuesta, su insumo esta dado por la batería para suministrar energía al sistema, su manejo puede ser confiable agilizando la entrega de cargas por lo cual, también presenta flexibilidad. 21 GENERALIDADES 1.1.3 JUSTIFICACIÓN En la actualidad existen diversos sistemas para el transporte de carga, claro esta que difieren en sus capacidades, a continuación se mencionan algunos: TIPO DE TRANSPORTE CAPACIDAD Patín hidráulico de 500 a 2500kg Montacargas Electrico de 4000 a 7500kg Montacargas de gasolina de 4000 a 1000kg o más Grúas viajeras / polipastos de 500kg a mas Al proponer una opción mas se consideran ciertos requerimientos ya que es posible la implementación de este tipo de sistemas pensando en áreas de difícil acceso, que a comparación de otros no requiera capacitación, esfuerzo alguno mas que el de caminar, y que sea tan seguro que cualquier persona lo pueda usar, se propone una solución que no genere otras necesidades. Por lo anterior, es posible la utilización en las medianas, pequeñas y micro empresas, que por lo regular carecen de naves o infraestructuras de gran capacidad, áreas definidas para carga y descarga, personal necesario y capacitado para el manejo de sistemas más complejos altos costos de mantenimiento 1.1.4 AGENTES A CONSIDERAR Los agentes que se tomaran en cuenta para el desarrollo del ascensor de carga automático deberán cumplir con las siguientes requerimientos: • Capacidad de carga máxima de 3 Toneladas. Actualmente en el traslado de materiales por medio de montacargas de patín o gato hidráulico la capacidad oscila de 0.5 a 1 tonelada, por lo cual se desea rebasar esa capacidad. 22 GENERALIDADES • No exceder medidas de 90x160cm. La capacidad en cada pasillo es diferente, es por ello que el diseño no deberá exceder las medidas mencionadas. • Control de velocidad máxima de 1 m/s. Al manejar dispositivos manuales es difícil mantener el control de velocidad para un avance constante ya a una persona le es difícil el jalar cargas sumamente pesadas por lo cual necesita ayuda de otra persona. • Manejo flexible. El manejo debe ser fácil y sencillo para los operadores. • Cumplir con las normas de manejo y almacenamiento de materiales. La Norma Oficial Mexicana NOM-006-STPS-2000, menciona condiciones de operación, almacenamiento, seguridad y diseño para este tipo de transportes, es por ello parte del diseño se regirá pornormas. • Sistema Automático. El elemento de transporte que proponemos diseñar se manipulara de manera automática, tomando en cuenta que el operador regirá el movimiento del montacargas por medio del pequeño panel de control a diseñar. 1.1.5 FACTORES PARA EL DESARROLLO DEL SISTEMA. La implementación del sistema contempla factores los cuales deben cumplir con necesidades especificas por lo tanto se podrá dar solución. • Suministro. La alimentación para el accionamiento de los elementos que componen el sistema lo realizarán baterías recargables para disminuir costos y optimizar el funcionamiento. • Optimización y Traslado. 23 GENERALIDADES Utilizando un control de velocidad se puede realizar una mayor eficiencia en el transporte de cualquier tipo de carga como también optimiza la entrega de materiales. • Seguridad Por una parte cumpliremos con las normas de seguridad, por otro lado también es posible reducir el malestar físico que al operador le ocasione. 1.2 MANEJO DE MATERIALES. El manejo de materiales es recoger y depositar, trasladar en un plano horizontal o vertical y por cualquier medio, materiales o productos de cualquier clase. Por otro lado, cuando nos referimos a aparatos de manipulación: son todos los mecanismos utilizados en el transporte de los materiales junto a los dispositivos auxiliares que sean necesarios para completar el trabajo. El material a granel se refiere a las substancias que se encuentran sueltas en polvo, granos o terrones, como: carbón, trigo, harina, etc.(Fig. 1.1) Fig.1.1 TINA PARA MATERIAL A GRANEL. El material de embalaje son las cajas de cartón, cestas, canastas, sacos o costales y también los recipientes descubiertos en los cuales se contiene distinto tipo de materiales. 24 GENERALIDADES 1.2.1 ACCESORIOS PARA EL MANEJO DE CARGA Al trasportar los materiales se toma en cuenta las tarimas para el desplazamiento, esta consiste en dos tableros separados por travesaños estando destinados a ocupar ese espacio para facilitar la inserción de la orquilla en este. Las tarimas se pueden construir de madera ya que su costo es bajo, en ocasiones cuando la calidad de la madera es pésima infiere en los costos de la empresa, por lo cual es indispensable el pensar en que las tarimas se pueden realizar con madera de alta calidad. Podemos apreciar los diferentes tipos de tarimas para la manipulación de materiales por medio del montacargas de uñas dependiendo las necesidades en el trasporte. Existen las tarimas estándar llamadas de dos caras ya que la superficie inferior es plana, la cual permite apilar las cargas una encima de otra, esto hace que se puedan apilar innumerables cargas y facilita el acomodo ya que se pueden colocar tableros por encima de los ringleros de carga para evitar accidentes. (Fig. 1.2) Fig. 1.2 TARIMA DE DOS CARAS. 1.3 SEGURIDAD EN TRASPORTE DE CARGA El tipo de material que se utilice para el transporte dependerá del producto. Sin embargo, el principio básico en embalaje es conocido como el concepto de “carga unitaria” o “unitarización”. La “unitarización” se basa en que todos los transportistas deberían empacar la carga de manera que pueda ser movida y manipulada durante toda la cadena de distribución con equipo mecánico, como montacargas y grúas. Esta práctica reduce la mano de obra, la manipulación de cajas y una cantidad de daños. Igualmente agiliza la carga y descarga con el equipo apropiado, hace más eficaces las operaciones. 25 GENERALIDADES En la práctica, el concepto de “carga unitaria” significa que artículos pequeños, sumamente caros, como calculadoras, se colocan primero en cajas de madera o en contenedores de pared doble, o incluso triple, totalmente cerradas para evitar así robos y cualquier daño. En segundo lugar, habrá que asegurar las cajas o contenedores a las tarimas con cintas de acero (flejes) o con envoltorio termoencogible. Los artículos más grandes se pueden fijar directamente a la tarima, asegurándose que estén adecuadamente protegidos contra daños.[Susta,2006] Los materiales de empaque se seleccionar dependiendo el producto y de las condiciones ambientales, como temperatura, humedad, atmósfera deseada alrededor del producto, resistencia del empaque, costos existentes, especificaciones del comprador y regulaciones gubernamentales. Los procedimientos de empaque deberán cumplir con las recomendaciones que se mencionan: 1. E producto debe estar apropiadamente acolchado o bloqueado por encima de las tarimas o contenedor para evitar que se mueva o que se maltrate. 2. Se debe seleccionar el tamaño y estilo de tarima que sea más apropiado. Una tarima accesible por los cuatro costados permite que un montacargas o una carretilla elevadora se le acerque desde cualquier dirección, facilitando así su manipulación. Además, las dimensiones estándar de una tarima, 1000 mm por 1200 mm (40 pulgadas x 48 pulgadas). 3. Tratar toda superficie ferrosa con un anticorrosivo para que el producto llegue al punto de destino sin herrumbre o corrosión. 4. No se debe intentar llenar demasiado cada contenedor, puesto que el peso podría exceder sus límites. 1.4 PATÌN HIDRÁULICO La operación de estos sistemas es confiable, cabe mencionar que a pesar de la manipulación que realiza el operador en el mecanismo de elevación sin duda alguna es preciso para utilizarse en cualquier lugar, debemos tomar en cuenta que la capacidad máxima de un patín es de 2500kg, es importante el poder incrementar este rango y hacerlo aún mas confiable en su utilización. El patín hidráulico se considera como una nave de trasporte y de acuerdo con las normas no es un montacargas, para cambiar esa perspectiva realizaremos mejoras a este sistema estándar y obtendremos una nave intermedia entre patín y montacargas mas barato y con una aplicación más amplia. 26 GENERALIDADES 1.5 PARTICULARIDADES DE MONTACARGAS ELECTRICO. Los montacargas propulsados por energía eléctrica tienen las siguientes exclusivas: • Son limpios, silenciosos y libres de escapes tóxicos. • Los costos de operación y mantenimiento son menores. • No consumen aire por no haber combustión (no generan contaminación). Los montacargas eléctricos pueden tener uno o dos motores de tracción, y están equipados con circuito electrónico que controla la potencia eléctrica aplicada a los motores de tracción, permitiendo el máximo aprovechamiento de la energía al interrumpir el paso de la corriente en el momento de soltar el acelerador o suspender una maniobra de levantamiento. Además el ensamble directo entre los motores de tracción y la unidad motriz, permite aumentar la eficiencia de la carga de la batería. Por otra parte los montacargas eléctricos son muy eficientes en el trasporte de cargas ligeras, así como en espacios reducidos, donde su pequeño radio de giro les confiere una excelente maniobrabilidad. Pero los montacargas eléctricos también tienen sus limitaciones. Sus menores costos de operación compensan la mayor inversión inicial en proporción directa al tiempo que el equipo funcione. Esto coloca a los montacargas eléctricos en desventaja en aquellas industrias de naturaleza cíclica, donde el equipo permanece inactivo parte del tiempo. Por lo cual el mantenimiento regular y cuidadoso de los circuitos eléctricos y sus componentes, es un medio para conservar el montacargas en óptimas condiciones, pero también es un paso necesario para garantizar el máximo rendimiento y seguridad de operación. 27 GENERALIDADES 1.6 EXCLUSIVAS DE LOS MONTACARGAS ELECTRICOS • Silencioso: Los dispositivos que utilizan motores eléctricos son más silenciosos que los de combustión interna, motivo por el cual es posible utilizarlo en distintas áreaspor otro lado los de combustión son limitados por el sonido que generan. • Aceleración: Para los motores de combustión se necesitan dos pedales para regir la aceleración en cambio para los eléctricos solo se necesita un pedal pudiendo regular el avance suavemente. • Medio ambiente: Los sistemas de combustión generan contaminación y es posible que puedan dañar la atmósfera de trabajo cuando las áreas son cerradas en cambio los eléctricos no generan contaminación. • Tiempo inoperante: los sistemas eléctricos tienen un menor tiempo inoperante el cual es aproximadamente de 3% comparado con el 12% de los sistemas de combustión interna. [Vallado, 1975] 1.7 SUMARIO Al término de este capítulo se cumplió con la prioridad de definir correctamente el problema basándonos en la necesidad planteada, esto se logró debido al estudio de factibilidad, analizando las características del problema y las posibles soluciones existentes tomando en consideración ventajas y desventajas. Al desarrollar un sistema de transporte para facilitar dicha actividad y reduciendo el esfuerzo físico del operador, se obtiene un sistema confiable, flexible y de fácil manejo tomando en consideración una solución económica viable. El costo de la inversión será recuperado conformé al desempeño del producto. También se definió el principal aspecto de este proyecto, el cual es el transporte de carga, desde su surgimiento, sus diferentes etapas de transporte y evolución de los mismos. En el siguiente capítulo se describirán los sistemas que conforman el elemento de transporte para dar una solución al problema. 28 CAPÌTULO II CAPÍTULO II Este capítulo comprende el estudio general de los componentes principales, así como las disposiciones y seguimientos que deben de cumplir los componentes a utilizar. 29 ANALISIS INTRODUCCIÓN A lo largo del capitulo anterior se observaron las características posibles para el desarrollo de los sistemas de trasporte, por otro lado, en el presente capitulo se estudiará cada uno de los componentes que contemplan el funcionamiento del ascensor de carga y definiremos algunas características de los subsistemas. 2.1 FUNCIONAMIENTO DEL ASCENSOR DE CARGA AUTOMATICO ELEVACION DE UÑAS: La principal función del ascensor de carga es elevación y descenso de las uñas, por medio de un pistón hidráulico, para la elevación de una carga que en la mayoría de los casos estar sobrepuesta en una tarima. Esta función será controlada por electro válvulas. Con el objetivo de trasladar cargas. TRANSLADO: El traslado del móvil con la carga sobrepuesta en las uñas se llevara acabo a una velocidad máxima de 1m/s por medio de un motor eléctrico que será controlado por un dispositivo colocado en el manubrio, por medio de un sistema de paro de emergencia que anclara el motor. OTRAS FUNCIONES: • Apertura y cierre de uñas: para el paso por áreas reducidas, como también diversas formas de cargas y tarimas. • Brazo de palanca: dispositivo para facilitar la rotación de eje de la dirección. • Indicadores: dispositivo de indicación de carga y estado hidráulico. 30 ANALISIS 2.2 NORMA OFICIAL MEXICANA Para el desarrollo del sistema del ascensor de carga automático debemos considerar las normas establecidas para carga y traslado de materiales, por otro lado los requerimientos los cuales se deben seguir el la implementación de sistemas de trasporte, es por ello que en el anexo 1-A se mencionan a detalle las normas mexicanas que por ley se exigen. 2.3 CONFIGURACION DEL ASCENSOR DE CARGA AUTOMATICO: Para una mejor comprensión del sistema se ha propuesto en tres subsistemas de la siguiente manera: 2.3.1 SISTEMA ELÈCTRICO-ELECTRONICO ALIMENTACIÓN. Proporcionada por baterías conectadas en serie, proporcionando la energía necesaria para el movimiento de los elementos. CARGA. Sistema de carga que convierte corriente alterna de 127 V. a corriente directa. Instalado en el lugar o área de resguardo del montacargas. Esta interfase del sistema de carga a las batería del montacargas se efectuar por medio de un cable y conector bipolar. CONTROL. Circuito electrónico que por medio de un microcontrolador efectuará todas las operaciones para las cuales esta diseñado este sistema de ascensor de carga automático. ABASTECIMIENTO. Se abastecerá de la corriente que requiere el motor, bomba hidráulica, Control, y dispositivos indicadores control y carga. 31 ANALISIS 2.3.2 SISTEMA HIDRÁULICO. ACTUADOR. Por medio de un pistón hidráulico se llevara a cabo la elevación de las uñas del ascensor, impulsado por el fluido hidráulico a presión dada por una bomba o impulsor hidráulico, controlado por una electro válvula. Este fluido será llevado al pistón y a un acumulador por medio de tubería flexible de alta presión. 2.3.3 SISTEMA MECÁNICO. MECANISMO. Por medio de un mecanismo se transmitirá el movimiento vertical del vástago del actuador a las uñas del montacargas (Fig. 2.1); dándole la elevación o descenso a estas. Fig. 2.1 PERSPECTIVA DE ELEVACIÒN. DIRECCIÓN. La dirección es delantera accionada por el giro del eje de rotación de las dos ruedas delanteras, que será el mismo del eje del manubrio dándole al operador el control de la dirección del sistema de ascensor de carga automático. En manubrio contara con una articulación, que por medio de un seguro la liberara dándole un ángulo de inclinación para que así se pueda tener un mejor control en situaciones de difícil rotación del eje. (Fig. 2.2) 32 ANALISIS Fig. 2.2 MANUBRIO CON INCLINACIÒN. TRANSMISION: Un motor colocado sobre el eje de rotación de la dirección (III), dará movimiento de desplazamiento al sistema de montacargas, por medio de un juego piñón-engrane. Mismo motor , por medio de un ángulo de desplazamiento de forma horizontal del eje donde esta situado el motor(IV), se desacoplara al engrane que trasmite el movimiento de las ruedas delantera(I) y se acoplara a otro engrane que dará la apertura y cierre de las uñas(II). (Fig. 2.3). Fig. 2.3 ACOPLAMIENTO DE TRASMISIÒN (MOTOR-UÑAS, MOTOR -AVANCE) 33 ANALISIS APERTURA Y CIERRE DE UÑAS Por medio de un tornillo sin fin y un juego de tuercas de roscas opuestas una de la otra se hará el cierre y apertura. A continuación se muestran las medidas estándar las cuales marcan las normas para el diseño de estos aparatos, se tomaran estas medidas para el diseño del sistema de ascensor de carga automático el cual no las rebasará. (Fig. 2.4) Fig. 2.4 PATIN ESTÀNDAR.[Montacargas del Valle de México, 2002] 2.4 CARACTERÍSTICAS DE INTEGRACIÓN DEL SISTEMA. 2.4.1 PRINCIPIOS DE POTENCIA HIDRÁULICA. El término hidráulica es utilizado para el estudio de la aplicación de los aceites sometidos a presión para reducir el trabajo. El movimiento del liquido involucra trasferencia de energía potencial o de presión, calorífica o de resistencia al flujo (fricción) y energía cinética o energía en movimiento.[ Schrader Bellows,2006] 34 ANALISIS La energía calorífica la produce un líquido a través de un tubo o componente el cual crea fricción entre el líquido y el medio de conducción, esta fricción se origina por la resistencia y se manifiesta en calor, por lo cual la energía potencial disminuye. Las causas más comunes que originan la transformación de energía potencial a calorífica son: • Tuberías de gran longitud. • Área inadecuada en las tuberías. • Conexiones inadecuadas • Tamaño inadecuado de válvulas y accesorios. • Exceso de viscosidad de fluido. Para realizartrabajo con un líquido debemos hacer que se mueva (cinética). Con el movimiento se transforma la presión estática a presión dinámica. Las perdidas de energía cinética en un sistema hidráulico aumentan directamente proporcional con la velocidad del líquido. Factores que pueden causar aumento en la velocidad de un sistema. • Tuberías con área reducida. • Tamaño inadecuado de válvula de control. • Restricción causada por los dispositivos. En un sistema hidráulico es fundamental mantener la presión del sistema lo más próxima a la presión que entrega la bomba, por lo cual es imperante mantener la velocidad y la fricción del fluido en un mínimo. Los componentes básicos de un sistema hidráulico son: fuerza motriz, bomba, válvulas de control de presión, válvulas de control de flujo, válvulas direccionales y actuadores. (Fig. 2.5) Los sistemas hidráulicos a base de aceite fueron desarrollados en la década de los años veinte y, desde aquellos lejanos tiempos, han ido perfeccionándose e incorporando nuevas tecnologías de control.[Cibernautica.2004] 35 ANALISIS Fig. 2.5 ESQUEMA BÀSICODE UN SISTEMA HIDRÁULICO.[Cibernautica,2004] Esencialmente un sistema hidráulico comprende la producción, transmisión y control de energía hidráulica, utilizando aceite como fluido. Se suministra energía al aceite, por lo general en forma de presión, mediante bombas, y se conduce a través de tuberías hasta motores o cilindros hidráulicos que se encargan de transformar la energía en trabajo. Las presiones utilizadas son relativamente elevadas. Así pues, las bombas aspiran el aceite de un depósito, previamente hay que introducir un filtro que elimina posibles impurezas. Las bombas son generalmente de tipo rotativo, a base de engranajes, pero también pueden ser de pistón. Las bombas son accionadas directamente por motores eléctricos o bien van acopladas al motor principal. Los cilindros hidráulicos constituyen el sistema de accionamiento más sencillo, pero cualquier bomba de las anteriormente descritas puede transformarse en motor con sólo suministrarles fluido a alta presión. La diferencia entre unos y otros es que los cilindros efectúan un desplazamiento lineal y los motores o bombas convertidas generan un movimiento rotativo. En los sistemas hidráulicos y neumáticos la energía es transmitida a través de tuberías. Esta energía es función del caudal y presión del aire o aceite que circula en el sistema. El cilindro es el dispositivo mas comúnmente utilizado para conversión de la energía antes mencionada en energía mecánica.(Fig. 2.6) 36 ANALISIS La presión del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de ese fluido es quien establece la velocidad de desplazamiento del mismo. La combinación de fuerza y recorrido produce trabajo, y cuando este trabajo es realizado en un determinado tiempo produce potencia. Ocasionalmente a los cilindros se les llama "motores lineales".[Sapiesman,2006] Fig. 2.6 PARTES DE UN CILINDRO.[Sapiesman,2006] Los cilindros diferenciales son de doble acción, son llamados así debido a que el área de presión en el cilindro es diferente en cada una de sus dos cámaras. Por otro lado los no diferenciales son de doble acción pero el área de acción de la presión es igual en ambas cámaras del cilindro. Con respecto al diseño existen variantes en la forma del embolo o vástago y pistón, los vástagos pueden ser sólidos o telescòpicos. El cilindro de embolo es el más sencillo de los actuadores y es de simple acción. Posee una cámara para fluido y ejerce una fuerza en una sola dirección, van montados verticalmente y el retroceso es por la fuerza de gravedad que actúa sobre la carga. El cilindro telescòpico se utiliza cuando su longitud ya retraído debe ser más corta que la que se obtendría con un cilindro normal, es posible el usar hasta 4 ò 5 secciones; aún cuando la mayoría son de simple acción, se pueden obtener elementos de simple acción. 37 ANALISIS Tienen dos o más buzos telescópicos y se construyen con un máximo de cinco. Usualmente son de simple efecto del tipo empuje como la figura siguiente, o de doble efecto. Fig. 2.7 CILINDRO TELESCOPICO. [Sapiesman, 2006] Los buzos se extienden en una secuencia establecida por el área, sale primero el mayor y en forma subsiguiente los de menor diámetro. En estos elementos, el fluido desplaza al vástago que esta empaquetado por la guarnición existente en el cabezal delantero. Para el cálculo de fuerza, el área neta a tomarse en cuenta esta dada por el diámetro de vástago. (Fig. 2.8) Fig. 2.8 EMBOLO BUZO. [Sapiesman, 2006] 38 ANALISIS Este componente que encuentra su aplicación fundamentalmente en prensas hidráulicas, retorna a su posición original por acción de la gravedad, resortes internos o externos o cilindros adicionales que vemos en la figura anterior. 2.5 TANQUE Y ACCESORIOS El tanque no es únicamente para el aceite, también ayuda a que se cumplan funciones como: • Capacidad de reserva. • Limpieza de fluido. • Temperatura de fluido. • Eliminación del aire del fluido que regresa. • Eficiencia de entrada de la bomba. La capacidad de los tanques puede variar, sin embargo se considera 3 veces la capacidad de la bomba en GPM para que los tanques sean adecuados. El fluido hidráulico trasmite energía, lubrica partes en movimiento, sella los componentes internos del sistema y disipa el calor. Para cumplir estas funciones, el fluido se debe caracterizar por: Antioxidante, antiespumante, antiherrumbe, antiemulsionante, estabilidad y anticorrosivo. La principal característica que debe cubrir es la viscosidad. [Schrader Bellows, 2006] 2.6 MOTOBOMBA La bomba proporciona el caudal al ser impulsada por el elemento motriz, podemos contemplar motobomba de tipo: • Engranes. • Paletas. • Pistones. 39 ANALISIS El motor de engranes desarrolla una torsión en la cual la presión actúa sobre las superficies de los engranes. Cuenta con dos engranes que giran conjuntamente, pero solo uno esta acoplado al eje del impulsor. Es posible realizar la inversión de giro, solamente invirtiendo la dirección del flujo. Los motores de este tipo están limitados a la presión de operación de 2000psi. y alrededor de un porcentaje de 2400RPM. Sus principales ventajas son su simplicidad y tolerancia a las impurezas, por otro lado la desventaja es la baja eficiencia debido a su alta tolerancia.[SANTOS,2004] En un motor de paletas, la torsión se obtiene al actuar presión sobre las superficies libres de paletas rectangulares que se deslizan hacia adentro y fuera de las ranuras del rotor. Este tipo de motor permite la operación en cualquiera de las dos direcciones, sin necesidad de balancines ni válvulas de vaivén. La presión que se crea en el orificio de entrada o salida del fluido, se dirige a dos cámaras interconectadas dentro del motor, las cuales están separadas 180º, las cargas laterales se generan una opuesta a la otra por lo que se anulan entre si. Para los motores de pistones el fluido proveniente de la bomba actúa sobre la mitad de los orificios del block de cilindros, ejerciendo una fuerza sobre los pistones de estos orificios en forma radial desde el eje del block. Estos pistones solo pueden moverse radialmente y girar a un punto sobre el contorno del estator, que este más lejos del eje del block.[SANTOS,2004] Se pueden clasificar las bombas por presión y máximo caudal que proporcionan. El desplazamiento de un bomba es la cantidad teórica del fluido que proporciona por cada revolución . La eficiencia de una bomba no es al 100% ya que las fugas internas en una bomba no hace posible la entrega del volumen teórico del fluido. Tabla 2.1 RANGOS COMPARATIVOS DE BOMBAS.TIPO DE BOMBA RANGO - PRESION (PSI) EFICIENCIA % PESO Lbs X HP. Engranes externos. 2000-3000 80-90 0.5 Engranes Internos. 500-2000 60-85 0.5 Paletas. 1000-2000 80-95 0.5 Pistones Axiales. 2000-10000 90-98 0.25 Pistones Radiales. 3000-10000 85-95 0.25 [Schrader Bellows, 2006] 40 ANALISIS 2.7 VÁLVULAS Los sistemas hidráulicos están diseñados para trabajar en un determinado rango de presión, este rango es una función de las fuerzas de los actuadores, la cual debe ser controlada y limitada, ya que al ser excesiva puede dañar todo el sistema. Las válvulas son las que controlan esta función, por medio de limitar el descargado excesivo del fluido cuando la presión se incrementa.[ Schrader Bellows,2006] Las válvulas pueden desempeñar diferentes funciones en un sistema hidráulico, entre las cuales se encuentran: • Limitar la presión del sistema. • Pueden reducir la presión en una parte del sistema. • Determinan la presión a la cual debe entrar el fluido en un sistema. • Descargan parte de un circuito, como en una bomba. • Seleccionan y ordenan los movimientos de diferentes actuadores. • Permiten las presiones diferentes en distintos ramales de un circuito. • Previenen o frenan movimientos evitando que la inercia de las cargas desbalanceen un sistema. Las funciones mencionadas anteriormente las realizan las válvulas de: Alivio, secuencia, reductoras de presión, la hi-low, la contrabalance y la overcenter. 2.8 MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA El motor de C.D. es similar a un generador de C.D., de hecho, desde el punto de vista constructivo es la misma máquina que puede actuar como motor o como generador, la única diferencia es que como un generador la FEM es mayor que el voltaje terminal, en tanto que como motor, el valor generado de FEM (fuerza contra electromotriz) es menor que el voltaje terminal, por lo tanto, el flujo de potencia se invierte, es decir, el motor eléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica, o sea, el proceso inverso al del generador.[ENRÌQUEZ,2005] 41 ANALISIS Los motores de C.D. se puede decir que son máquinas muy versátiles, son más adaptables a procesos industriales que demandan alto grado de flexibilidad en el control del par y la demanda un alto grado de flexibilidad en el control del par y la velocidad y sólo tienen competencia en ciertos casos, con aquellos motores de corriente alterna (C.A.) que usan accionamientos electrónicos (Drives) para el control de velocidad. Un motor de C.D. puede proporcionar un alto par de arranque, así como también un alto par de desaceleración para aplicaciones que requieren de frenados rápidos o inversiones de sentido de rotación. 2.8.1 CLASIFICACIÒN DE LOS MOTORES DE C.D. En la misma forma que los generadores de C.D., hay en general tres tipos de motores de C.D.: tipo serie, tipo derivado o shunt y tipo compuesto. El motor tipo serie se usa ampliamente debido a sus excedentes características de par de arranque, cada tipo de motor tiene sus características de operación bien definidas, por lo que para su aplicación es esencial conocer los requerimientos de la carga. En la máquina con excitación separada, el devanado de campo está conectado a una alimentación por separado, cuando el devanado de campo se conecta en paralelo con la armadura, se obtiene una conexión shunt. Un motor con conexión compuesta, puede tener la conexión con conexión shunt larga, o bien conexión shunt corta, dependiendo de si el devanado de campo está conectado antes o después del devanado de campo en serie. 2.8.2 PRINCIPIOS BÁSICOS DEL MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA La relación entre el par desarrollado, la corriente directa en el conductor que es atravesado por un flujo magnético y la densidad del flujo, indica que la magnitud de la fuerza mecánica ejercida sobre un conductor lineal o recto por el que circula una corriente eléctrica, que está situado dentro de un campo magnético perpendicular.[ENRÌQUEZ,2005] La dirección del par desarrollado se puede determinar de una vista externa de los conductores y de los polos magnéticos desde la posición de la batería. La dirección del flujo, debido a que la dirección conocida de la corriente fue determinada por “la regla de la mano derecha” y la dirección de la fuerza mecánica sobre cada 42 ANALISIS conductor, debida a la interacción de los campos magnéticos fue determinada por el efecto agrupado del flujo. 2.8.3 LAS CONEXIONES DE LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA Para producir la potencia mecánica, un motor requiere de una armadura y de al menos un campo. Este campo se puede conectar en paralelo con la armadura, o bien en serie con ella, o también puede haber dos campos; uno en serie y el otro en paralelo. Cada una de estas conexiones da como resultado diferentes características de los motores. La conexión en serie las corrientes de armadura y del campo son idénticas, el devanado del campo en serie consiste de pocas espiras de alambre de sección gruesa que tiene baja a resistencia. En los motores de este tipo, cualquier incremento en la carga se manifiesta como una mayor corriente circulando a través de la armadura y el devanado de campo. Como la intensidad del campo opuesto se incrementa con este incremento en la corriente, la velocidad del motor se reduce. Por el contrario en la medida que la carga se reduce, el campo se debilita y entonces la velocidad aumenta. Con valores de cargas muy ligeras, la velocidad puede llegar a ser excesiva. Por la razón anterior, los motores en conexión serie se conectan directamente o están acoplados a la carga para prevenir la sobre velocidad. El incremento en la corriente de armadura con un incremento en la carga produce un aumento en el par, de modo que los motores en conexión serie son particularmente útiles para ciclos de trabajo en donde se requiere un par de arranque pesado y en donde se pueden esperar sobrecargas severas. Los motores en conexión paralelo o shunt, el valor de la corriente de alimentación debe alimentar tanto la corriente de armadura como la corriente de campo. En los motores con devanado de compuesto, la variación de velocidad debida a los campos en la carga es mucho menor que en los motores con conexión serie, pero mayor que en los motores con conexión paralelo o derivado (shunt). Tiene también untar de arranque mayor que los motores que en conexión en paralelo (shunt) y tiene capacidad para soportar sobrecargas pesadas. Sin embargo, tiene un rango más estrecho de 43 ANALISIS ajuste de velocidad. Estos motores usan, tanto los devanados de campo paralelo (shunt) como serie, y conjunta las características de ambos. Asimismo, dependiendo de la manera en cómo se conectan se pueden tener cuatro clases de motores en conexión compuesta (compound) : • Shunt largo acumulativo. • Shunt largo diferencial. • Shunt corto acumulativo • Shunt corto diferencial. Los motores con devanado compuesto se usan cuando el arranque de la carga es muy pesado o cuando los cambios en la carga se dan en forma intempestiva, como es el caso de las bombas recíprocas, las máquinas de presión o de perforado. 2.8.4 EL ARRANQUE DE LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA En el instante del arranque la fuerza contraelectromotriz es cero debido a que justo en ese instante la armadura no está girando, por ejemplo si se arranca un motor alimentado a 230V que tiene una resistencia de armadura RA = 0.25 , el valor de la corriente de la armadura podría alcanzar un valor de: 230/0.25 = 920ª, tal valor de corriente de armadura podría fundir fusibles y desconectar al motor de la alimentación. Por lo tanto, es necesario insertar alguna resistencia en serie con el circuito de armadura para limitar el valor de la corriente. En la medida que el motor aumenta su velocidad, esta
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