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DISEÑO CONCEPTUAL DEL CONJUNTO PROPULSOR PARA UN SISTEMA DE TRANSPORTE DE CARGA POR CABLE AUTOPROPULSADO

LUIS ANDREY ARANGO MUÑOZ

CARLOS MARIO CARTAGENA YARCE

Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniería Mecánica

Asesor Jorge Iván Álvarez

Profesor Facultad de Minas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE MINAS MEDELLÍN

2009

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DEDICATORIA

A nuestras familias, quienes nos dieron todo su apoyo en el desarrollo de este trabajo.

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AGRADECIMIENTOS

Los autores expresa sus agradecimientos a: Jorge Iván Álvarez y Edgar Jaime Woodcock, profesores de la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de Colombia, por sus constantes apoyos y guías. Sergio Castrillon y Juan Tamayo, Ingenieros de la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de Colombia, y grandes compañeros, por sus valiosos aportes en el desarrollo de este trabajo. A la Universidad Nacional de Colombia, por brindarnos la posibilidad de capacitarnos.

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CONTENIDO

Pág. INTRODUCCIÓN 8 2. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA 9

2.1. Sistemas de transporte por cable en el medio local 9 2.2. Sistemas de transporte por cable en la Universidad 9 Nacional de Colombia sede Medellín

3. OBJETIVOS 10 3.1. Objetivos Generales 10 3.2. Objetivos Específicos 10

4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 11 4.1. Condiciones de operación 11

5. REQUERIMIENTOS Y ESPECIFICACIONES 12 6. GENERACION DEL CONCEPTO 14

6.1. Aclaración del problema 14 6.2. Alternativas de solución para los subsistemas 17

7. SELECCIÓN DEL CONCEPTO 21 7.1. Metodología 21 7.2. Matrices de evaluación 25

8. CALCULOS BÁSICOS 28 9. SISTEMA DE CONTROL 33 10.CONJUNTO SOLUCIÓN 38 11.CONCLUSIONES Y ANALISIS DE RESULTADOS 39 BIBLIOGRAFIA Y ANEXOS 40

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i. LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 5.1 Especificaciones de diseño 12 Tabla 6.1 Cuadro de alternativas 20 Tabla 7.1 Puntuación relativa para la matriz de proyección 22 Tabla 7.2 Puntuación relativa para la matriz de puntuación 22 Tabla 7.3 Criterios para la matriz de proyección 23 Tabla 7.4 Criterios para la matriz de puntuación 23 Tabla 7.5 Matriz morfológica reducida 26 Tabla 7.6 Conjunto solución a analizar 27 Tabla 8.1 Datos de engranajes 29 Tabla 9.1 Inventario de señales para automatismo 35 Tabla 10.1 Precios y pesos de los componentes de la 38

alternativa solución Tabla 11.1 Comparación de las alternativas en peso 40 Tabla 11.2 Comparación de las alternativas en precio 40

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ii. LISTA DE IMAGENES.

Pág. Figura 6.1 Diagrama de función principal 14 Figura 6.2 Estructura funcional 16 Figura 8.1 Esquema del concepto solución 28 Figura 8.2 Esquema de la caja reductora e inversora 29 Figura 8.3 Tipos de resortes para el freno centrifugo 30 Figura 8.4 Esquema de montaje del bloqueo de 32

contacto positivo Figura 8.5 Esquema del bloqueo por cuña 32 Figura 9.1 Aspectos del PLC SIEMENS 224 36

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iii. LISTA DE ANEXOS.

Pág. Anexo 2 42 Anexo 3 45 Anexo 4 50 Anexo 5 52 Anexo 6 53 Anexo 7 59 Anexo 8 64 Anexo 9 67 Anexo 10 88 Anexo 11 89 Anexo 12 91 Anexo 13 92 Anexo 14 93 Anexo 15 95 Anexo 16 98 Anexo 17 103 Anexo18 104 Anexo 19 107 Anexo 20 108 Anexo 21 109

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INTRODUCCION

Con mercados protegidos por legislación, cualquier ineficiencia de los procesos o equipos era subsanada por un sobrecosto en los productos, que se trasladaba al usuario final. En la actualidad, para la gran mayoría de producto se pueden encontrar en el mercado una gran variedad de marcas, que difieren tanto en calidad como en precio y cobertura, así la decisión de comprar uno u otro producto es asumido por el usuario, siendo una tendencia general seleccionar precios bajos.

Si se fija la calidad de un producto, la forma de disminuir el costo de fabricación de este, es optimizar los procesos de manufactura que a su vez se ven intervenidos por la organización misma de la empresa y su logística de producción. La producción como proceso, contempla la tecnología de fabricación y en este sitio la infraestructura física del sistema tiene una relevancia en las características del producto.

Para lograr que un equipo tenga un bajo costo de adquisición y un bajo costo de sostenibilidad, garantizando la calidad de la misma, se debe hacer una selección adecuada de, materiales, partes estándar, procesos de manufactura, configuración de los sistemas, etc. en términos de criterios como funcionalidad, disponibilidad, montaje, mantenibilidad, costos de adquisición, etc.

La mejor alternativa solución para un problema de diseño de maquinas no es necesariamente la combinación de las mejores soluciones para cada uno de los subsistemas, por el contrario, la mayoría de las veces la alternativa solución es una armonía del los subconjuntos de solución. En este orden, se debe utilizar una metodología de diseño, donde de manera sistémica y sistemática se descarten las alternativas que de acuerdo a los criterios conducentes se presenten como no viables. Aquí se plantea el diseño conceptual de una transmisión desde la fuente de potencia hasta la rueda motriz de un sistema de transporte de carga por cable autopropulsado donde se aplicará una metodología de diseño hasta llegar al concepto de la alternativa solución, el estudio comprende todo el conjunto propulsor que incluye el sistema de arranque y parada, la inversión de marcha, la regulación de la velocidad, el sistema de bloqueo y la transmisión con su respectivo acople a la rueda propulsora.

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2. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA

A pesar de las ventajas competitivas que poseen los sistemas de transporte por cable sobre otros medios de transporte en áreas de difícil acceso, como son las zonas rurales montañosas dado que los agricultores deben transportar las cosechas a lomo de mula, como por ejemplo en los cultivos de caña, los sistemas de transporte de carga por cable no son tan comunes en Colombia como deberían, teniendo en cuenta las condiciones topográficas del país.

2.1 Sistemas de transporte por cable en el medio local

En Medellín existen pocas empresas que se dedican al diseño y fabricación de sistemas de transporte por cable, entre las cuales se destacan “Sistrac” y “Funitel”. En la actualidad estas empresas han diseñado, fabricado e instalado varios de los sistemas de transporte por cable que funcionan en el departamento.

El diseño y fabricación de los sistemas de transporte pos cable en estas empresas es en su mayoría empírico, ya que no se cuenta con un desarrollo estricto de la ingeniería, por otra parte en ninguna de las empresas mencionadas anteriormente se encuentran registros de diseño de un sistema de transporte por cable autopropulsado.

2.2 Sistemas de transporte por cable en la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín

En la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín es donde se encuentra la mayor investigación y desarrollo de los sistemas de transporte por cable, dada la existencia de grupos interdisciplinarios como el “GETIC” Grupo de Estudio de Transporte Industrial y Cable. Como consecuencia, en la Universidad se han realizado varias investigaciones en forma de trabajos de grado (ver anexo 7).

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3. OBJETIVOS

3.1. Objetivo General

Aplicar una metodología de diseño conceptual hasta el predimensionamiento para plantear una solución mecánica del sistema que comprende todo el conjunto propulsor que incluye el sistema de arranque y parada, la inversión de marcha, la regulación de la velocidad, el sistema de bloqueo y la transmisión con su respectivo acople a la rueda propulsora, para un sistema de transporte por cable autopropulsado.

3.2. Objetivos Específicos

• Obtener las especificaciones necesarias para el diseño. • Realizar una búsqueda de antecedentes que sirvan de punto de partida

para la solución del problema. • Identificar los problemas esenciales. • Buscar alternativas de solución para a los problemas esenciales. • Seleccionar una alternativa solución. • Realizar un predimensionamiento de la alternativa solución.

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4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La siguiente información fue suministrada por el cliente, el cual es conocedor de la temática del transporte por cable y el enfoque metodológico de búsqueda de alternativas. Por lo que se valida la información suministrada como aquella que corresponde a una interpretación de las necesidades del cliente.

“Se requiere realizar una serie de 20 vehículos autopropulsados para aplicaciones rurales y que viajen sobre cables. Este vehículo viajará entre dos estaciones en una trayectoria cualquiera y en cada una de las estaciones terminales estará dispuesto un dispositivo de parada; el operario en cada estación enciende el motor después de haber cargado el vehículo y posteriormente acciona el mecanismo de enganche. El vehículo viajará sin tripulante hasta la estación terminal en donde un dispositivo de parada desactiva el avance, apaga el motor y detiene el vehículo sin la intervención de ningún operario”.

Las características principales del vehículo propuesto son:

Carga útil máxima: 300 Kg. Peso propio del vehículo: no exceder los 300 Kg. Pendiente máxima a recorrer en ambos sentidos: 45° (100%). Velocidad de operación: 0.7 m/s, constante. Diámetro de la rueda propulsora: 660 mm.

4.1. Condiciones de operación

Este vehículo esta concebido para operar en una zona rural cualquiera del territorio nacional, independiente de la topografía y el clima, dadas estas condiciones se debe tener en cuenta el funcionamiento para temperaturas de 10 a 40 ° C, con ambientes posiblemente salinos, humedades variables, etc. Se plantea una jornada de trabajo diario de 12 horas, preferiblemente día, en una

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trayectoria de 1000 m, a una velocidad promedio de 0,7 m/s. lo que implica un ciclaje de 15 ciclos por día (un ciclo es entendido como un viaje de ida y vuelta).

5. REQUERIMIENTOS Y ESPECIFICACION DEL SISTEMA MOTRIZ

En la tabla 4.1 se encuentran consignadas las especificaciones del diseño (especificaciones objetivo), calificadas como: requerimientos (R), especificaciones de deseo (W), especificaciones de demanda (D).

Tabla 5.1.Especificaciones de diseño (especificaciones objetivo).

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….Continuación Tabla 5.1

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6. GENERACIÓN DEL CONCEPTO “Un concepto de producto es una descripción aproximada de la tecnología, principios de funcionamiento y formas del producto. Es una descripción concisa sobre cómo va a satisfacer el producto las necesidades del cliente. Por lo general, un concepto se expresa como un bosquejo o un modelo tridimensional tosco y con frecuencia es acompañado por una breve descripción textual”1 6.1. Aclaración del problema 6.1.1. Función principal La función principal del mecanismo es la de transmitir potencia a la rueda motriz de la triada. En el siguiente diagrama se muestra la caja negra del problema.

Figura 6.1. Diagrama de función principal.

1 ULRICH, Karl T. Diseño y Desarrollo de Productos. 3red. México DF: Mc Graw Hill, 2004

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6.1.2. Entradas y salidas del sistema Entrada:

• Fuerza humana: Se entenderá fuerza humana como la energía requerida para accionar un sistema, ya sea por medios digitales (botones), o mecánicos (palancas).

• Combustible: Como la fuente de potencia es un motor de combustión, el

combustible es cualquier sustancia (gasolina, gas, ACPM, etc.) empleada como fuente de energía en dicho motor.

• On/Off Motor: Esta es la señal requerida para poner en marcha el motor.

Entregada al sistema ya sea por medio de un pulsador, una palanca, un control remoto, etc.

• Sentido de avance: Como consecuencia de que el sistema de transporte por

cable autopropulsado debe realizar viajes de ida y vuelta por el mismo cable, esta es la señal ingresada al sistema por un operario para definir la dirección del viaje.

• Arranque: Esta señal es dada por un operario, y corresponde al

accionamiento de la ruada motriz para que se inicie el viaje. Salida:

• Potencia del motor: Esta es la potencia entregada por el conjunto transmisión y motor a la rueda motriz.

• Ruido y calor: Esta salida de energía corresponde a las pérdidas. • Residuos: Los generados por los procesos de combustión • On/Off Motor: Esta es una señal percibida por el operario, que indica el

estado del motor al llegar a una estación.

• Sentido de avance: Esta señal también es percibida por el operario, y es necesaria para reconfigurar el sentido de marcha del nuevo recorrido.

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6.1.3. Subfunciones A continuación se listan las Subfunciones necesarias para llevar a cabo la función principal y se clasifican por su accionamiento (manual/automático).

Fuente de potencia Embrague Cambio de dirección. Reducción de velocidad. Transmisión a la rueda motriz. Bloqueo. Freno. Función de seguridad. Función automática del sistema

Figura 6.2. Estructura funcional.

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6.2. Alternativas de solución para los subsistemas. 6.2.1. Fuente de potencia. Dada la condición de que la fuente de potencia debe ser un motor de combustión interna, las alternativas de propulsión son2:

Motor Otto-Gasolina. Motor Otto-Gas. Motor Diesel.

De la referencia [3] se obtiene la potencia requerida del motor (ver anexo 3), 13 HP. Incluyendo perdidas por los subsistemas. 6.2.2. Embrague, Freno. Los subsistemas embrague y freno se toman como uno solo en este punto, ya que los principios que los rigen son los mismos, Estos son (ver anexo 4):

De contacto positivo. De Fricción. Centrífugos. Magnéticos. De partículas magnéticas. De histéresis magnética.

6.2.3. Bloqueo.

Contacto positivo. Fricción. Mordaza. Magnético.

2 Motores de combustión con otro tipo de combustible no disponibles para la aplicación.

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6.2.4. Reducción de velocidad. Las alternativas apreciadas para la reducción de velocidad son:

Reductor Sinfín-Corona. Reductor Helicoidal. Reductor Helicoidal Cónico. Reductor de dientes rectos. Reductores planetarios. Sprocket-cadena. Polea correa. Reductor cicloidal (ver anexo 6).

6.2.5. Cambio de dirección. Para la selección de la dirección de marcha se debe agregar al sistema un dispositivo de inversión del sentido de giro del eje de salida a la rueda motriz, donde se apreciaran las dos siguientes alternativas (ver anexo 5):

Inversor de tres ejes. Inversor de dos ejes.

6.2.6. Transmisión a la rueda motriz. Para esta función se contemplan las siguientes alternativas:

Sprocket-Cadena Polea-Correa Rueda de fricción. Piñones.

6.2.7. Sistema de seguridad. Para abordar mejor el sistema de seguridad, éste se desarticula en tres variables a controlar. Cada una con algunas alternativas propuestas. 6.2.7.1. Exceso de velocidad crucero en el descenso:

Freno centrífugo.

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Freno Magnético. Freno de fricción.

6.2.7.2. Sobrepeso:

Dinamómetro. Celda de carga. Embrague magnético.

6.2.7.3. Sentido de marcha:

Sensor. Topes. Restricción en el accionamiento.

Estas variables estarán controladas de forma automática. 6.2.8. Función automática del sistema. A continuación se plantean las subfunciónes que se ejecutan automáticamente junto con algunas alternativas de accionamiento: 6.2.8.1. Apagado de la fuente de potencia (motor). 6.2.8.2. Desembrague. 6.2.8.3. Freno.

Plano inclinado. Sensores. Palanca. Leva.

A continuación se presenta la matriz morfológica.

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Tabla 6.1. Cuadro de alternativas.

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7. SELECCIÓN DEL CONCEPTO

7.1 Metodología. A continuación se procede a evaluar las alternativas de cada función con el fin de reducir el grupo y generan uno o más conceptos completos del sistema, que posteriormente se evaluarán. Se presenta una metodología de selección de dos etapas3, la primera etapa se denomina proyección del concepto y la segunda etapa puntuación del concepto, cada una de estás respaldada por una matriz de decisión. La proyección es una evaluación aproximada y rápida, dirigida a producir algunas alternativas viables. La puntuación es un análisis más cuidadoso de estos conceptos para elegir el que conducirá con mayor probabilidad al éxito del producto. 7.1.1 Visualización del concepto Los propósitos de esta etapa son reducir el número de conceptos de manera rápida y mejorarlos. Las consideraciones para la matriz de proyección son:

1. Los criterios (tabla 6.3) se eligen con base en las especificaciones. 2. En la matriz de proyección se le otorga igual peso a cada criterio. 3. Se elige una alternativa de cada función para que se convierta en el

concepto de referencia, contra el cual se califican todos los demás. La referencia por lo general es un estándar industrial o un concepto sencillo.

4. La puntuación para la matriz de proyección se muestra en la tabla 6.1, esta puntuación se refiere a como cada concepto califica en comparación con el concepto de referencia respecto al criterio particular.

5. Después de calificar todos los conceptos, se suma el numero de puntuaciones “mejor que”, “igual que” y “peor que”.

6. A continuación se calcula una puntuación neta, restando el número de calificaciones “peor que” de las calificaciones “mejor que”.

7. Una vez que se realiza la suma se pueden ordenar los conceptos por rango. 3 ULRICH, Karl T. Diseño y Desarrollo de Productos. 3red. México DF: Mc Graw Hill, 2004

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Tabla 7.1. Puntuación relativa para la matriz de proyección. Fuente: ULRICH, Karl T. Diseño y Desarrollo de Productos. 3red. México DF: Mc Graw Hill, 2004

7.1.2. Puntuación del concepto. En esta etapa se pondera la importancia relativa de los criterios de selección y se centra en comparaciones mas refinadas con respecto a cada criterio. Puntos para la matriz de puntuación:

Las puntuaciones de concepto son determinadas por la suma ponderada de las calificaciones.

Se considera agregar mas detalle a los criterios de selección (tabla 6.4). Se emplea una escala de calificación de 1 a 54. Para evitar la compresión de la escala, se utilizaran diferentes puntos de

referencia para los diversos criterios de selección.

Tabla 7.2. Puntuación relativa para la matriz de puntuación.

Fuente: ULRICH, Karl T. Diseño y desarrollo de Productos. 3red. México DF: Mc Graw Hill, 2004

4 El equipo de diseño selecciona esta escala de calificación entre varias recomendadas por la bibliografía, por su familiaridad.

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Una vez que se han ingresado las calificaciones para cada concepto, las puntuaciones ponderadas se calculan multiplicando las puntuaciones de concepto por la importancia de los criterios y dividiéndola por 100. La puntuación final para cada concepto es la suma de las puntuaciones ponderadas.

7.1.3 Criterios de evaluación Criterios para la matriz de proyección:

Tabla 7.3. Criterios para la matriz de proyección.

Criterios para la matriz de puntuación

Tabla 7.4. Criterios para la matriz de puntuación.

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Descripción de los criterios:

1. Peso: Para la evaluación de alternativas se plantea que entre más peso (masa) relativo5 posea una alternativa, peor calificación obtendrá.

2. Independencia energética: Es la capacidad de los dispositivos o mecanismos para funcionar sin conexión a fuentes de energía externa y cuanto mas independiente sea una alternativa, mejor calificación recibirá.

3. Montaje: Para un producto de línea (producción de veinte equipos), la facilidad con la que se fabrican y ensamblan sus partes es de vital importancia, ya que esto puede limitar su fabricación y/o incrementar los costos de la misma.

4. Desmontaje: Dentro de la vida útil de un equipo, en diversas ocasiones es necesario desarmar parcial o totalmente el mismo con fines de mantenimiento o reparación, por esto la posibilidad de acceder a todos los mecanismos o dispositivos del producto, sin necesidad de romper algo, es de relativa importancia dentro de los servicios de garantía.

5. Eficacia: Es la capacidad con la que cuenta un dispositivo para hacer un determinado trabajo.

6. Ciclos de mantenimiento: La característica que se busca como objetivo para el equipo en términos de mantenimiento, es que en toda su vida útil, requiera intervención solo debido a la operación.

7. Disponibilidad de repuestos: La alternativa que cuente con una mayor disponibilidad de repuestos recibirá una mejor calificación.

8. Costo de repuestos: Con el criterio de ciclos de mantenimiento se evalúa parte del costo total de mantenimiento de una alternativa, pero además de esto, el costo específico de un repuesto puede ser una variable restrictiva para la implementación de un dispositivo.

9. Eficiencia: Este criterio hace alusión a la relación entre lo producido y lo invertido. Así en términos de energía, la eficiencia hace referencia a las perdidas siempre existentes ocasionadas por algún dispositivo en particular.

10. Disponibilidad en el mercado local: La disponibilidad en el mercado local de los insumos necesarios para fabricar el equipo, favorece tanto la capacidad de respuesta ante un pedido como el precio del producto terminado.

11. Factibilidad de implementación: Con este criterio se compara la posibilidad que existe de invertir tiempo y recursos en el estudio necesario (mercadeo, desarrollo, etc.) para implementar una determinada alternativa.

12. Cantidad de proveedores: Recibirá una mejor calificación la alternativa que cuente con un mayor numero de proveedores en el medio local, dado que esto garantiza la rápida adquisición de insumos.

13. Responde a las tendencias en novedades en el mercado: En el mercado 5 Relativo: Las alternativas reciben en cada criterio una calificación relativa a la alternativa referencia.

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actual, además de garantizar la funcionalidad del producto, éste debe contar con otros atributos, como son, la ergonomía, las texturas, los colores y en general un concepto innovador que impacte en el cliente.

14. Responde a las tendencias en el uso de materiales: El uso de nuevos materiales para el desarrollo de un equipo, puede facilitar en gran medida tanto la fabricación como el costo y la versatilidad de mismo.

15. Responde a las tendencias en aplicación de nuevas tecnologías: Las nuevas tecnologías, buscan que la fabricación de un producto o de sus partes sea lo mas rápido y económico posible, al mismo tiempo que garantizar la calidad de las piezas fabricadas e incorporar nuevas formas que permitan desarrollar a los diseñadores conceptos novedosos.

16. Costo de los insumos o procesos: Este criterio busca comparar el costo total de adquirir un insumo, ya sea con un proveedor o fabricándolo.

17. Costo de operación: Todo dispositivo o mecanismo requiere una entrada de energía, ya se humana, eléctrica, química, etc. para realizar un trabajo determinado. Este criterio evalúa el costo de la energía necesaria para mantener en funcionamiento dicho mecanismo.

18. Dimensiones: Este criterio evalúa el tamaño de las alternativas, por lo tanto, la alternativa de relativamente mayor tamaño, recibirá una mala puntuación.

19. Manufactura nacional: Con este criterio se da preferencia a las alternativas que sean de fabricación nacional y mas aun si son de fabricación local, sobre los productos importados.

7.2. Matrices de evaluación 7.2.1. Combinación de conceptos Las combinaciones que se plantean son las siguientes. • Reductor helicoidal e inversor de marcha de tres ejes. A continuación se muestra la matriz morfológica reducida.

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Tabla 7.5. Matriz morfológica reducida.

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A continuación se muestra la matriz morfológica reducida.

Tabla 7.6. Conjunto solución a analizar.

No obstante al anterior proceso de evaluación, todos los mecanismos serán sometidos a un análisis en conjunto donde se verifique la compatibilidad de las alternativas seleccionadas. En el caso de la transmisión a la rueda motriz, donde aparecen dos alternativas diferentes, se aclara que estas podrán ser usadas simultáneamente en las diferentes etapas de la transmisión entre mecanismos (no solo a la rueda motriz), según se considere técnicamente adecuado.

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8. CALCULOS BÁSICOS Para realizar los cálculos de los diferentes elementos que componen el mecanismo, se empezara desde la rueda motriz, donde la potencia requerida es 5.4 HP (ver anexo 3) a 22.3 rpm, pasando por todos los mecanismos hasta llegar a el motor de combustión. La potencia es recalcula a la entrada de cada elemento teniendo en cuenta su eficiencia, es decir, la potencia va aumentando de elemento en elemento. En la figura 8.1 se muestra la configuración general del concepto. Los datos conocidos son las rpm del motor (3600 rpm), la potencia requerida (5.4 HP) y las revoluciones de la rueda motriz (22.3rpm).

Figura 8.1. Esquema del concepto solución.

8.1 Sprocket-Cadena. Eficiencia = 98%. Potencia 5.5 Hp Relación: 1.5:1 Factor de servicio = 1.2 (ver anexo 8) Potencia a trasmitir =5.5*1.2=6.6 HP Paso = 100 (1 ¼”) para 2 hileras (ver anexo 8) Número de dientes del piñón conductor = 19 Numero de dientes del piñón conducido = 28

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8.2 Reductor Inversor integrados. La relación de reducción en la caja es de 81:1. En el diagrama 8.2 se muestra la configuración de los engranajes dentro de la caja. Y en la tabla 8.1 las medidas de los piñones. La eficiencia de cada par de piñones es de 98%.

Figura 8.2 Esquema de la caja reductora e inversora.

Tabla 8.1. Datos de los engranajes.

Los piñones son calculados para acero 8620. Para mas detalles a cerca de los cálculos ver anexo 9.

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8.3 Freno. En el lugar del freno hay una potencia de 6HP a una velocidad de 2769 rpm, lo que da un torque de 12.3 N*m = 108.9 Lbf*in. El freno para esta capacidad es un PB 500 del fabricante Warner Electric (ver anexo 10) 8.4 Freno centrífugo. Dado que el freno de emergencia (freno centrifugo) se ubico antes del reductorinversor, la velocidad de operación es de 2769 rpm (22.79 rpm y 0.72 m/s. en la rueda motriz) y la potencia es de 6Hp. De las compañías consultadas para la selección del freno centrífugo, solamente una dio respuesta, con una guía de selección. Por lo tanto el freno seleccionado es de la compañía Hilliard Motion Control Division. El freno centrífugo es seleccionado para una velocidad de enganche de 3000 rpm (24.7 rpm y 0.77 m/s en la rueda motriz). Ref. LD4P-56

Figura 8.3 Tipos de resorte para el freno centrífugo.

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8.5 Polea-Correa Eficiencia = 95 %. Potencia »7 HP Factor de servicio = 1.3 Dos bandas Tipo A Diámetro de la polea conductora 4” (2 canales) Diámetro de la polea conducida 5.2” (2 canales) Para mas detalla a cerca de las poleas y correas ver anexo 11. 8.6 Embrague En le lugar del embrague hay una potencia de 7HP a una velocidad de 3600 rpm. Lo que da un torque de 13.9 N*m = 123 Lbf*in El embrague para esta capacidad es un SF 825 del fabricante Warner Electric (ver anexo 12). 8.7 Motor La potencia requerida del motor es de 7HP. Adicionalmente se debe tener en cuanta un factor de corrección de 1.3 por densidad del aire, calculado para uso en Medellín. Para implementar en otras condiciones se debe recalcular la potencia del motor, teniendo en cuenta las nuevas condiciones atmosféricas (ver anexo 13). Adicionalmente se suma la potencia que se requiere para alimentar los circuitos eléctricos del sistema (0.74 HP) (ver anexo 14 y Capitulo de control 9). Potencia del motor = 9.84 HP Motor: Briggs & Stratton Referencia: 205432 Potencia: 10 HP R.P.M: 3600 Peso: 23.4 Kg. 8.8 Bloqueo Aunque en las matrices de selección (proyección y puntuación) la mejor alternativa para esta subfunción fue un bloqueo de contacto positivo, en un análisis posterior, el grupo de diseño decidió replantear el mecanismo teniendo en cuenta que: el sistema de contacto positivo esta compuesto por dos partes, una fija en rotación y traslación que puede ser solidaria a cualquier parte estructural del mecanismo y otra móvil axialmente y solidaria a un árbol, además de un mecanismo de accionamiento similar al del cambio de dirección en la caja reductora-inversora

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(ver figura 8.4 y plano del inversor-reductor).

Figura 8.4. Esquema de montaje del bloqueo de contacto positivo.

Para no adicionar complejidad al conjunto, se plantea la alternativa de una cuña entre una de las ruedas de la triada y el cable (ver figura 8.5).

Figura 8.5. Esquema del bloqueo por cuña.

Este sistema de bloqueo es comúnmente utilizado en sistemas de transporte por cable con triada.

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9. SISTEMA DE CONTROL Al ser este mecanismo autopropulsado, sumando a eso que durante el recorrido no debe trasladarse operario alguno en el vehículo, se requiere tener control automático de las variables propias del ciclo de viaje. Algunas de estas variables se determinan en los mismos requerimientos del problema como son: Velocidad de operación: 0.7 m/s, constante; Peso total del sistema: 600 Kg; En cada estación un dispositivo de parada desactiva el avance, apaga el motor y detiene el vehículo automáticamente. Se aprecian dos alternativas para controlar todas las variables en tiempo real:

Procesadores programados por alto lenguaje Xz-100 en Fortran Controladores lógicos programables PLC.

El procesador Xz-100 es un dispositivo de transistores muy utilizado en electrónica, que según la polaridad de la corriente alterna, abre o cierra un circuito, además por intermedio de otros medios controla frecuencia y corrige ondas. El inconveniente que presenta es que además del procesador es necesario desarrollar un circuito de control netamente electrónico, el cual no es muy confiable al trabajar a la intemperie. Un controlador lógico programable (PLC) requiere de una programación más simple, no necesita elementos electrónicos adicionales (al menos para este proyecto), y con la protección adecuada puede trabajar a la intemperie. El PLC trabaja con voltaje 120 VAC, como en este proyecto no es posible ubicar PLC´s en las estaciones teniendo control de todas las variables durante el recorrido, es necesario que el PLC esté montado en el vehículo todo el tiempo, que controle las variables durante el recorrido además de las que se necesitan controlar en las estaciones, con esta solución propuesta se requiere de un solo PLC para controlar todo el sistema. Tanto el PLC como los elementos de accionamiento electromagnético y los sensores de control, toman la potencia necesaria para funcionar del alternador; pero como este (el PLC) es un elemento delicado que se puede quemar con los cambios bruscos de voltaje, se requiere instalar un conversor electrónico de 12 VDC a 120 VAC (marca ALECOP), anteponiendo este aparato se asegura que el PLC tendrá siempre la diferencia de potencial requerida para su funcionamiento. En el anexo 16 se presenta el diagrama estructural del conversor. Para conocer el tipo de PLC que se necesita, es necesario primero determinar las

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variables y que tipo de señal eléctrica requieren, en la tabla 9.1 se detallan las variables a controlar con el PLC. Se puede ver que se cuenta con 10 entradas digitales, 2 salidas análogas y 2 salidas digitales. Digital se refiere al tipo de marcaje binario es decir solo tiene dos posibles valores, análoga es aquella variable que se puede controlar respecto a otra y que sigue un patrón de comportamiento no constante, por ejemplo la velocidad del vehículo en el descenso. Se dice que la salida Q4 (apagado del motor) es digital ya que no interesa el medio ni tiempo ni voltaje de salida para dicho fin, tan solo se apaga o no. El tipo de variable llamado bit, solo tiene dos posibles valores: activo (1) o inactivo (0); Word es una variable que está conformada por 16 bits configurados en 2 lugares de memoria (byte), la conmutación de estos bits permite que la variable sea continua y por lo tanto, con el algoritmo correcto, puedan ser obtener diferentes valores para la misma variable. El orden lógico de mando que debe seguir el PLC se da también por los requerimientos del problema. Después de encender el motor, el PLC y embragar, el PLC debe controlar como primera medida de precaución el exceso de carga en el sistema, el correcto sentido de marcha, la velocidad lineal constante de 0,7m/s, cuando el vehículo se este aproximando a la estación terminal, debe empezar a frenar para que la parada sea lo menos drástica posible, y al momento de llegar a la estación el dispositivo controlará el frenado, desembrague y apagado del motor. Aún cuando el motor de combustión este apagado, el PLC debe estar encendido y listo para empezar un nuevo ciclo en diferente sentido de marcha, por eso se requiere poner una batería al PLC, lo que implica adicionar un módulo de batería, lo cual no es problema ya que el PLC puede tener varios módulos de expansión, la pila tiene un tiempo de respaldo de 100 horas (70 horas mínimo a 40º C) con una duración de 200 días. Para controlar el exceso de peso se cuenta con la posibilidad de utilizar el embrague electromagnético, para ello se hacer uso de un elemento de control proporcionado por Warner Electric (Adjustable torque controls CBC 1825R). Se trata de un control ajustable de torque, el cual mediante pulsos de corriente (entradas), sensa el valor de torque en el embrague, si esta señal sobrepasa un valor nominal de torque establecido, el controlador lo ajusta automáticamente al valor nominal, la salida de este controlador se puede ubicar en una entrada del PLC; mediante programación se puede hacer que no haya corriente (No se embrague) en el embrague si el controlador ajusta el valor del torque. En el anexo 17 se puede observar la apariencia de dicho controlador así como la curva de ajuste.

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Tabla 9.1. Inventario de señales para el automatismo.

Si el exceso de peso no es inconveniente, se debe sensar entonces el correcto sentido de marcha en el inversor, para esto se contarán con dos finales de carrera ubicados en de tal modo que puedan ser activados por el movimiento de la palanca de embrague del inversor. Para controlar que en realidad se tome la decisión correcta por parte del operario, se necesita programar una subrutina que muestra mediante una identificación del final de carrera (llamada nombre virtual o nickname) el engrane del piñón correcto en las dos estaciones. Si no se ubica la palanca en el lugar correcto el PLC se resetea y bloquea el proceso. El sistema contará además con sensores de proximidad que permiten el decremento de velocidad cuando el sistema se acerca a la estación. Ante la imposibilidad de poner elementos que puedan llegar a ser sensibles a la luz solar como una fotocelda, se ponen finales de carrera ubicados en la estructura del sistema de transporte de tal manera que cuando sean activados manden una señal que comience a frenar el sistema, estos elementos también se programas en subrutinas con nicknames que permitan conocer a cual estación se acerca el vehículo. Por último al llegar a la estación habrá otros finales de carreras (lo que se denomina control redundante) que se encargan esta vez de enviar una señal de alarma que desembraga, frena totalmente y apaga el motor. Como esta señal de mando sigue un orden lógico se requiere programar otra subrutina con los respectivos nicknames de los finales de carrera.

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El PLC adecuado para este proceso es un SIEMENS CON CPU 224 (ver anexo 18) (CPU compacta de alto rendimiento, Referencia fabricante 6ES7 214- 1BD23 0XB0) tiene 7 entradas digitales, 5 entradas análogas, 1 salida análoga y 7 salidas digitales en la figura 9.2 se puede observar el aspecto de un procesador de este tipo, mirando la notación cabe aclarar que todos los lugares (entradas y salidas) designadas con el número “0” corresponden a las líneas comunes (siempre deben estar activos a nivel alto o en “1” para que funcionen las entradas/salidas. Como se requieren 10 entradas digitales es necesario complementar el PLC con un módulo de expansión digital (ver anexo 20) compatible con la CPU 224 (Referencia 6ES7 221-1BH22-0XA0), y como con este PLC tan solo se tiene una salida análoga también se necesita un módulo de expansión análogo (ver anexo 19) (Referencia 6ES7 231-0HC22-0XA0). La razón por la cual se prefiere este PLC al que tiene CPU 222 (10 entradas digitales sin expansión, pero necesita el módulo análogo) es el precio mientras el 222 vale US$ 430, el PLC 224 con los dos módulos de expansión vale US$ 456 (la CPU US$ 256, cada módulo US$ 100). No se puede olvidar el precio del conversor de 12 voltios que es de US$ 51,16. Los finales de carrera pueden ser normalmente cerrados NC o normalmente abiertos NO, depende del modo como se conecten, los finales de carrera de 2” son a US$ 9 c/u. El controlador ajustable de torque Warner Electric cuesta US$ 500, el precio total del automatismo de control es US$ 1070.

Figura 9.1 Aspecto del PLC SIEMENS 224.

Las salidas del PLC son relés de conexión en el Profibus que pueden variar el voltaje, el embrague debe ser alimentado con 24 VDC, los frenos con 20 VDC, y todos los elementos de entrada trabajan a 24 VDC (elementos electrónicos de 2 watt). La ventaja del PLC es que permite con un solo dispositivo tener un rango amplio de voltajes tanto en entradas como en salidas.

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El PLC con los módulos de expansión y el conversor electrónico de 12 V fueron cotizados en “ALLCONTROLS LTDA”, los finales de Carrera en “SUCONEL” y el Controlador ajustable de torque en “SENSORES Y EQUIPOS” El peso total del sistema de control se divide en: módulos análogos y de expansión 200 gr c/u; módulo central CPU 224 310 gr; conversor 12 VDC a 120 VAC 2 Kg; Controlador ajustable de torque 2 Kg; sensores 500 gr, el peso total del control es de 5.5 Kg.

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10. CONJUNTO SOLUCIÓN

Tabla 10.1. Precios y pesos de los componentes de la alternativa solución.

Un esquema de esta alternativa se puede observar en el diagrama 8.1.

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11. CONCLUSIONES Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para la alternativa estudiada en el informe se planteó un motor de 3600 rpm en vez de uno de 1800 rpm, ya que este último es de un costo más elevado y se consideró que la reducción de 2:1 implicada no representa mayor importancia en peso y precio. No obstante en caso de construir el sistema, es válido plantear todo el conjunto con un motor de 1800 rpm. En términos de peso y precio, la alternativa estudiada, disminuyó en casi 5 millones de pesos en comparación con un estudio previo (1-2007), pero por el contrario para el peso, la alternativa actual incrementó en 33 Kg. Sin embargo se está cumpliendo con la especificación objetivo (máximo 300 kilogramos en peso muerto), dejando un margen de 106 Kg. Para la canastilla de carga y demás elementos necesarios. Aunque la mayoría de los elementos involucrados en este diseño son de fabricación extranjera, todos son de stock nacional, por lo tanto también se cumple con el requerimiento de un 80 a 100 % de elementos del mercado nacional. Pese a que se logró comunicación con uno de los fabricantes de frenos centrífugos, los largos tiempos de espera para recibir respuesta de precios y especificaciones, no permitieron la inclusión de estos datos en el informe (ver tabla 10.1). En un estudio que incluye un reductor cicloidal, posterior al desarrollo de la alternativa (inversión-reducción unidas) ganadora en las matrices, se encontraron los resultados mostrados en las tablas C.1 y C.2, en las cuales se observa la viabilidad que tiene de la alternativa 1C (ver anexo 15). En cuanto al peso, la alternativa 1C (con reductor Cyclo) es 29,5 Kg. más liviana y en cuanto a precio, es $88.650 más costoso. Por lo tanto se toman las dos alternativas como válidas, pero para tomar la decisión se debe tener en cuenta la importancia de los criterios peso Vs. Precio (para mas información sobre las alternativas con reductor Cyclo, ver anexo 15).

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Tabla 11.1. Comparación de alternativas en peso (Verde: alternativa del informe, Café: alternativa cicloidal de menor peso. Ver anexo 15).

Tabla 11.2. Comparación de alternativas en precio (Verde: alternativa del informe, Café:

alternativa cicloidal de menor precio. Ver anexo 15).

Pese al estudio realizado a la alternativa mecánica, la alternativa hidráulica sigue siendo más viable para esta aplicación, tanto en precio, peso y disponibilidad en el mercado (ver anexo 21 extraído de la referencia 3). Además de las ventajas en cuanto a tamaño, cantidad y complejidad de los elementos. Dentro de la alternativa hidráulica se destacan las siguientes características: Velocidad variable, reversibilidad, protección de sobrecarga, tamaño reducido y facilidad de detención (ver anexo 21). El precio y el peso de la alternativa hidráulica son $6.114.800 y 67 Kg respectivamente.

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BIBLIOGRAFÍA

[1] Gerhard Pahl, Wolfgang Beitz. Engineering Design. Darmstadt and Berlin. Summer 1976. [2] C. Arias Atehortua, J. Posada Giraldo. Diseño conceptual de una transmisión mecánica y selección de una fuente de potencia para un sistema de transporte autónomo de carga por cable con mecanismo de triada. Facultad de Minas-Universidad Nacional de Colombia. Medellín 2003. [3] D. Ceballos Rojas, R. Henao Zuluaga. Diseño de un teleférico autopropulsado para transporte de carga. Facultad de Minas-Universidad Nacional de Colombia. Medellín 1999. [4] A. Cartagena Yadeth, C. Restrepo Escobar. Diseño de detalle de un teleférico autopropulsado con sistema de triada y transmisión hidráulica. Facultad de Minas-Universidad Nacional de Colombia. Medellín 2005. [5] R. Norton. Diseño de Máquinas. Editorial Pearson. Primera Edición. 1999. ` [6] C. H. Jensen. Dibujo y Diseño de Ingeniería. Editorial McGraw-Hill. 1984 [7] ULRICH, Karl T. Diseño y Desarrollo de Productos. 3red. México DF: Mc Graw Hill, 2004 [8] INTERMEC. La transmisión de potencia por cadena de rodillos. Tercera edición. [9] FAIRES, Virgil M. Diseño de Elementos de Maquinas. Editorial Montaner y Simón S.A. 1970. [10] MARTIN. Sprocket & Gear, Inc. Catalog 1090. Arlington Texas, USA. [11] SUMITOMO, Drive Technologies. CYCLO, 6000 Series Gearmotor & Speed Reducer.

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ANEXOS ANEXO 2

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ANEXO 3

POTENCIA DEL MOTOR “Para este cálculo se considera la condición más crítica de trabajo a saber: únicamente dos torres separadas 500 metros horizontalmente, una inclinación de 45° del terreno y además en el momento en que el sistema se encuentra llegando a la parte superior, ya que es allí donde se presenta la mayor solicitación del sistema debido a que el ángulo que se forma es mayor. (f = 49.24 )” La fuerza necesaria para iniciar el movimiento del sistema y mantenerlo esta compuesta por las siguientes fuerzas.

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Para cable tipo Lang. Para poleas de 500 mm a 900 mm de diámetro, y cables lang entre 13 y 21 mm de diámetro, se tiene que:

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Entonces la fuerza total es:

La potencia seria:

Utilizando un factor de corrección de 1.2 apropiado para este tipo de accionamiento y partiendo además de la recomendación del fabricante de motores Briggs Stratton de trabajar con una eficiencia de no mayor de 80% (se toma solamente el 75 %). Entonces la potencia corregida es:

Para calcular la potencia requerida del motor es necesario tener en cuenta las pérdidas en cada uno de los subsistemas que lo conforman.

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- Pérdidas ocasionadas por la fricción en los rodillos o rodamientos de bolas ubicadas en las poleas.

- Perdidas ocasionadas por el sistema de transmisión por cadena y sprocket.

(Siempre y cuando la rueda impulsora tenga un número de dientes mayor o igual a 17). - Pérdidas en el sistema de cambio de dirección.

- Pérdidas en el reductor sinfín corona. El reductor que se necesita debe tener una relación de transmisión de i = 20, este reductor según el catalogo de FAMA tiene un rendimiento promedio de 0.84.

- Pérdidas en el sistema de transmisión por correas y poleas.

- Pérdidas en el sistema de embrague-freno.

Entonces la potencia requerida es:

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ANEXO 4

Embrague y frenos Los embragues y frenos se clasifican de la siguiente forma.

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EMBRAGUES DE CONTACTO POSITIVO: Embragues dentados o de sierra que se acoplan mediante interferencia mecánica. Como embragues solo son acoplados a velocidades relativamente bajas (60 rpm máximo para embragues de quijadas y 300 rpm máximo para embragues de dientes). Para pares de torsión elevados sin deslizamiento. El enganche a cualquier velocidad producirá impacto. Absorbe toda la carga de arranque instantáneamente y si la inercia de ésta es alta, puede transmitir impactos destructivos a la transmisión [5]. EMBRAGUES Y FRENOS DE FRICCIÓN: Dos o más superficies son oprimidas entre sí mediante una fuerza perpendicular o normal para crear un par de torsión por fricción. Fuerza normal axial (freno o embrague de disco), fuerza normal en dirección radial (freno o embrague de tambor). Los embragues cónicos suelen tener tendencia agarrar y a negarse a liberarse. EMBRAGUES Y FRENOS CENTRIFUGOS: Se acoplan automáticamente cuando la velocidad de la flecha excede cierta magnitud. Para acoplar el embrague los elementos de fricción son impulsados radialmente hacia fuera, contra el interior de un tambor cilíndrico. EMBRAGUES Y FRENOS MAGNETICOS: por lo general los embragues de fricción se operan de manera electromecánica. Tienen muchas ventajas, como tiempos de respuesta muy breves, facilidad de control, inicios y paros muy suaves, y están disponibles energizados acoplados o energizados desacoplados (a prueba de fallas). Existes versiones tanto de embragues como de frenos, así como módulos combinados embrague y freno. EMBRAGUES Y FRENOS DE PARTICULAS MAGNETICAS: Es posible controlar el par de torsión, modificando la corriente de la bobina; entonces cuando el par de torsión aplicado exceda el valor establecido por la corriente de la bobina, suponiendo un voltaje constante, el dispositivo se deslizará. EMBRAGUES Y FRENOS DE HISTERESIS MAGNETICA: No tiene un contacto mecánico entre los elementos en rotación y, por lo tanto, al desacoplarse tiene un fricción cero. El rotor es arrastrado (o frenado) por el campo magnético establecido por la bobina de campo. Este dispositivo se utiliza para controlar el par de torsión en flechas, en aplicaciones como máquinas bobinadoras, donde deba aplicarse una fuerza constante. El par de torsión en un embrague de histéresis se controla de manera independiente de la velocidad. Estos dispositivos son en extremo suaves, silenciosos y de larga vida, ya que no hay contacto mecánico dentro del embrague, excepto en sus cojinetes.

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ANEXO 5

Inversores de marcha • Inversor de tres ejes: Este sistema recibe movimiento directamente del motor siempre en el mismo sentido, sobre el eje de transmisión de potencia van montados dos engranajes de diferente diámetro que giran sincronizados y sin posibilidad de desplazarse, de modo que un piñón intermedio que puede desplazarse, este en contacto con el engrane de menor diámetro, por lo cual gira en sentido contrario a este. En el eje libre existen dos engranajes similares a los del primero, se puede desplazar axialmente el piñón del eje intermedio (siempre con el motor apagado o desenganchado), pero ahora engrana con el eje libre el cual trasmite gracias a la acción de los dos primeros engranes (los cuales giran en diferentes direcciones).

• Inversor de dos ejes: El inversor de dos ejes es similar al anterior en cuanto a la disposición estática en el eje de entrada de potencia, difiere en que en vez de dos engranajes posee un engranaje y una polea en cada uno de los ejes, la transmisión al eje de salida se da mediante una correa. En el eje de salida se tiene un engranaje recto similar en módulo y número de dientes al que hay en el eje de entrada, pero que se puede desplazar axialmente. Además este sistema tiene un elemento auxiliar de acople que permite desacoplar la polea conductora mientras los dos piñones están engranados

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ANEXO 6

Reductores y Motorreductores Cyclo Serie 6000

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Para conocer el concepto, presentamos un despiece del reductor y una breve descripción de su funcionamiento seguido por sus características adicionales.

Descripción de su Funcionamiento

El eje de alta velocidad soportada en la tapadera posterior mueve una balinera excéntrica que esta en el corazón del reductor, esta balinera excéntrica es la única pieza junto con el eje de alta velocidad que rota a la velocidad alta. Esta balinera empuja los discos cicloidales hacia la circunferencia interior de los casquillos y pines estacionarios. La acción que resulta es similar a una rueda rotando dentro de un anillo, la rueda (el disco cicloidal) al recorrer un sentido horario dentro del anillo (carcasa de pines), ella en si, rota lentamente en su propio eje en el sentido contrario. En el sistema cicloidal, el perfil cicloidal del disco intenta encajar con los pines y casquillos colocados en la carcasa de pines, para producir una rotación inversa a la velocidad reducida. Para cada revolución completa del eje rápido, el disco cicloidal rota un lóbulo (diente) en la dirección contraria. Generalmente hay un lóbulo (diente) menos que el número de pines y casquillos, lo cual resulta en una relación de reducción igual al número de lóbulos del disco cicloidal.

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La rotación reducida es transmitida al eje lento por unos pines que forman parte del mismo y que se encuentran introducidos en los agujeros interiores del disco cicloidal.

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Por todas estas razones Sumitomo y BOMOHSA ofrecemos una garantía ilimitada de dos años en todos los reductores Sumitomo, sin importar el número de horas de uso.

Ficha Técnica del Reductor Cyclo

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Montajes Típicos Reductores Cyclo

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ANEXO 7

ANTECEDENTES

TESIS: “Diseño de detalle de un teleférico autopropulsado con sistema de triada y transmisión hidráulica” “La Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, en su programa de Ingeniería Mecánica ha desarrollado numerosos proyectos de grado relacionados con sistemas de tríada (Figura A7.1.); este es un sistema de transporte autopropulsado el cual emplea un motor de combustión interna junto con un sistema de movimiento constituido por una transmisión hidrostática. Este es uno de los proyectos en los cuales ha trabajado el Grupo de Cables existente en esta Sede, que a su vez ha prestado el servicio de asesoría a varias empresas, solucionando los problemas que surgen en su actividad industrial. Los teleféricos autopropulsados poseen baja capacidad de carga, pero son sistemas con un costo reducido de compra y funcionamiento, fáciles de instalar y operar; además, pueden atravesar terrenos difíciles, algunos de ellos, caracterizados por sus altas pendientes”.

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TESIS: “Diseño conceptual de una transmisión mecánica y selección de una fuente de potencia para un sistema de transporte autónomo de carga por cable con mecanismo de triada” En este trabajo se planteo el siguiente diagrama general de funciones:

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Condiciones iniciales de diseño: DESCRIPCIÓN VALOR

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ANEXO 8

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ANEXO 9

Calculo de los engranajes Para el cálculo de los engranajes se usaron las formular de la referencia [9] (FAIRES, Virgil M. Diseño de Elementos de Maquinas. Editorial Montaner y Simón S.A. 1970).

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Los cálculos fueron realizados en una Hoja de cálculo (Excel) para varias configuraciones que se muestran en las figuras A9.1 a A9.3 y en las tablas A9.2 a A9.4. La eficiencia de cada par de engranajes es de 98 %

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CALCULO DE LOS ÁRBOLES DE LA CAJA REDUCTORA E INVERSORA

Para este cálculo los árboles de la caja reductora e inversora se numeran del 1 al 7, de arriba hacia abajo en la figura A9.3. Para obtener los diámetros mínimos de los árboles, se uso el método de la referencia [9] (FAIRES, Virgil M. Diseño de Elementos de Maquinas. Editorial Montaner y Simón S.A. 1970).

Reemplazando las relaciones anteriores en la formula (1) y despejando, encontramos una formula para el diámetro en términos de datos conocidos ( Kf ,M,T, Su y Sy ).

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Para el trazado de los diagramas de solicitación se uso el software MDSolids (Figuras de la A9.4 a la A9.13). Y para el cálculo de los diámetros, se tabularon los datos y las formulas en Excel. Tablas A9.5 a A9.9.

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ANEXO 10

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ANEXO 11

Polea Correa. Factor de servicio = 1.3 Potencia de Diseño = 7*1.3 = 9.1 HP De la tabla A11. 1, la sección transversal de la polea es tipo A. De la tabla A11.2, el diámetro mínimo de la polea conductora = 3” De la tabla A11.3, y para una relación de transmisión de 1:1.3 Diámetro de la polea conductora = 4” Diámetro de la polea conducida = 5.2” Potencia por banda = 5.91 HP Factor de corrección por longitud de arco = 0.92 Potencia por banda corregida = 5.91*0.92 = 5.44 HP Numero de bandas = 9.1/5.44 = 1.67 (2) Numero de bandas = 2

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ANEXO 12

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ANEXO 13

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ANEXO 14

Para dimensionar el alternador, antes es necesario conocer cual es el requerimiento de potencia de todos los elementos electromagnéticos y electrónicos, datos que se consignan en la tabla A14.1.

Se necesita por lo tanto un alternador que genere 203 watt de potencia, en el mercado local se consigue un alternador de ½ HP (0,37 kilowatt), el cual incrementa la potencia del motor de combustión interna según la relación: Por cada kilowatt a generar, se aumenta en 2 HP la potencia nominal del motor de combustión, así se requiere aumentar en 0,74 HP la potencia del motor. Las especificaciones del alternador se muestran a continuación, el cual fue cotizado en “BOBINADOS Y VENTA DE MOTORES HECTOR PALACIO”

ANEXO 15

Alternativa que incluye un reductor cicloidal. Para explorar la alternativa que incluye un reductor cicloidal, este se ubica en dos posiciones, ver figuras A15.1 y A15.2.

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Y para cada posición se consideran cuatro alternativas: • Posición 1A reducción 1:1 en la transmisión Sprocket-cadena.

• Posición 1B reducción 1:1.5 en la transmisión Sprocket-cadena.

• Posición 1C reducción 1:2 en la transmisión Sprocket-cadena.

• Posición 1D reducción 1:3 en la transmisión Sprocket-cadena.

• Posición 2A reducción 1:1 en la transmisión Sprocket-cadena.

• Posición 2B reducción 1:1.5 en la transmisión Sprocket-cadena.

• Posición 2C reducción 1:2 en la transmisión Sprocket-cadena.

• Posición 2D reducción 1:3 en la transmisión Sprocket-cadena.

En la tabla A15.1 se muestran algunas características de las combinaciones.

Potencia del motor (con reductor cicloidal) • Perdida por sprocket-cadena. 2%. Factor = 1.02

• Perdidas en reductor Ciclo 2%. Factor = 1.02

• Perdidas en inversor 4%. Factor = 1.04

• Perdidas por polea-correa 5%. Factor = 1.05

• Factor de corrección por densidad del aire = 1.3

• Potencia para el alternador = 0.74 HP

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Potencia requerida = 8.7 HP Motor: Briggs & Stratton Referencia: 185432 Potencia: 9 HP R.P.M: 3600 Peso: 27.3 Kg.

ANEXO 16

CONVERSOR 12 VDC a 120 VAC En la siguiente gráfica se muestran los bloques que conforman el circuito electrónico de un Convertidor de 12VDC a 120VAC automático (UPS) con los planos electrónicos y explicación para entender su principio de funcionamiento y ensamble correspondiente.

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Al igual que sucede con todos los circuitos electrónicos, el Convertidor también está conformado por bloques y estos a su vez por componentes que cumplen una función específica. La interconexión de estos bloques da como resultado un circuito completo y muy útil, en este caso un Convertidor automático que siempre tendrá la energía eléctrica disponible y al voltaje necesario.

Como se puede observar, este bloque está cumpliendo la función de un conmutador automático, que utiliza un relé de 110 VAC con doble circuito o suiche ON-OFF. Un circuito (realzado con amarillo en la figura) recibe los 110 VAC de la red y el otro los 110 VAC del elevador. Cuando hay energía de la red, la salida muestra el voltaje de entrada. Cuando no hay, la salida muestra el voltaje del elevador.

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Es el bloque más sencillo, ya que está conformado por un elemento único: Un transformador de 10 – 0 -10 Voltios en el primario y 110 ó 120 V en el secundario. La potencia será de acuerdo a la necesidad planteada y en nuestro caso asignaremos una potencia de 50W.

Está conformado por los transistores de potencia que Amplifican la señal de la tarjeta osciladora (Bloque 2) y aplican su salida al transformador elevador (Bloque 4).

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El bloque 2 es el más complicado de todos por que intervienen varios componentes, sin embargo en esencia es sencillo ya que se trata de construir un oscilador de 60 Hz. Por ser este bloque el más crítico, mostramos como va interconectado con los bloques 3 y 4. La zona en marco verde es del bloque 4 y la del marco rojo es del bloque 3. Unidos todos hacen el circuito completo, solo faltaría el cableado del Bloque 5 y el Bloque 1.

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ANEXO 17

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ANEXO 18

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ANEXO 19

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ANEXO 20

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ANEXO 21

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