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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

DISEO ERGONMICO DE UN DISPOSITIVO SOPORTE PARA MANTENIMIENTO DE CARCAZAS DE TURBO CARGADORES DE MOTORES A DIESEL CON DIMETRO HASTA 1000 mm

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO MECNICO

MAYRA ALEXANDRA YNEZ UNTUAE-MAIL: minimayra_13@hotmail.com

LUIS ORLANDO CHILLAGANA TARAMUELE-MAIL: luis_orlando_es@hotmail.com

DIRECTOR: MSC. MARIO GRANJAmario.granja@epn.edu.ec

Quito, Julio 2015

DECLARACIN

Nosotros, LUIS ORLANDO CHILLAGANA TARAMUEL y MAYRA ALEXANDRA YNEZ UNTUA, declaramos bajo juramento que el trabajo aqu descrito es de nuestra autora; que no ha sido previamente presentada para ningn grado o calificacin profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliogrficas que se incluyen en el documento.A travs de la presente declaracin cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politcnica Nacional, segn lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente

___________________________________________________Luis Orlando Chillagana Taramuel Mayra Alexandra Ynez Untua

CERTIFICACIN

Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por Luis Orlando Chillagana Taramuel y Mayra Alexandra Ynez Untua, bajo nuestra supervisin.

_____________________________Msc. Mario GranjaDIRECTOR DEL PROYECTO

_____________________________Msc. Jorge EscobarCOODIRECTOR

AGRADECIMIENTO

A Dios y a la Santsima Virgen de las Lajas por brindarme la fe, la fortaleza, la salud y la perseverancia necesaria para lograr los objetivos que me he propuesto en el transcurso de la vida.A mis padres Luis y Lastenia, que gracias a su amor, gua, apoyo y a sus enseanzas, he logrado conseguir este objetivo tan anhelado. Me han enseado a encarar los desafos con persistencia, honestidad y alegra.A mis maestros y profesores ya que con su paciencia, motivacin y orientacin han contribuido en mi formacin profesional.Finalmente a mis amigos que me brindaron su ayuda, su atencin, su apoyo y por sobre toda las cosas, su amistad.Luis Orlando

A Dios por su infinita bondad y amor, por guiar cada paso de mi vida, por permitirme llegar hasta este momento y hacer realidad mi sueo anhelado.A mi familia, pilar fundamental de mi vida: sin su apoyo, sacrificio y amor nada de esto fuese posible. Gracias! por nunca dejar de creer en m.A la Escuela Politcnica Nacional y a la Gloriosa Facultad de Ingeniera Mecnica por regalarme los momentos ms gratos de la etapa que culmina, que para m ser la mejor.Son muchas las personar que han formado parte de mi vida a las que me encantara agradecerles, su amistad, apoyo, nimo y compaa, mil gracias Viviana, Andrea, Salom, Danny y Alejandra.MayraDEDICATORIA

Dedico este trabajo a mi amada madre Lastenia, quien con su amor, educacin, y apoyo, hizo y hace de m una persona responsable, honesta y perseverante para afrontar cada etapa de la vida.A mi padre Luis, que con su apoyo incondicional y ejemplo me impulso para alcanzar este gran objetivo.A mi hermano Cristian, por llenar de alegra y jbilo cada rincn de mi corazn, con juegos, risas y burlas, eso hace que nunca me desmaye en el deseo de ser un ejemplo a seguir de l.Y a cada una de las personas que han estado presentes en cada etapa de mi vida, a mis amigos, mis compaeros y profesores. ATAFPQL Luis Orlando

Con todo mi cario y mi amor para las personas que son mi razn de vivir, que sacrificaron todo en la vida para que yo pudiera alcanzar este objetivo, por motivarme y darme la mano cuando senta que el camino se terminaba, este triunfo es nuestro para ustedes papi y mami!A mi hermana Katia, t eres y sers el motivo fundamental para superarme cada da ms. Te quiero mucho aa.Mayra

CONTENIDOContenidoDECLARACINIICERTIFICACINIIIAGRADECIMIENTOIVDEDICATORIAVCONTENIDOVIINDICE DE TABLASIXINDICE DE FIGURASXILISTADO DE ANEXOSXVRESUMENXVIIPRESENTACIONXIXCAPTULO 11ESTUDIO ERGONMICO PARA EL DISEO DE UTILLAJES PARA EL.. MANTENIMIENTO DE CARACAZAS DE TURBO CARGADORES11.1 ERGONOMA11.1.1 RESEA HISTRICA21.1.2 DISEO ERGONMICO31.1.3 EJEMPLOS DE DISEO ERGONMICO:41.1.4 IMPORTANCIA DEL DISEO ERGONMICO111.1.5 CRITERIOS DE DISEO111.1.6 DISEO DIMENCIONAL121.1.7 ALTURA PROMEDIO DE UNA PERSONA EN ECUADOR131.2 UTILLAJES131.2.1 FINALIDAD DE LOS UTILLAJES141.3 TURBO CARGADOR151.3.1 OBJETIVO Y FINALIDAD DE LOS TURBO CARGADORES161.3.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS161.3.3 MANTENIMIENTO171.3.5 COMPONENTES DE UN SISTEMA TURBOCARGADO191.3.6 FUNCIONAMIENTO201.3.7 CLASIFICACIN BSICA DE LOS TURBO CARGADORES Y... COMPARACIN DE USO ENTRES ESTOS GRUPOS221.3.8 DIAGNSTICO DE FALLAS24CAPITULO II26PREFACTIBILIDAD262.1 DEFINICIN DEL PROBLEMA262.1.1 SITUACION ACTUAL262.1.2 SITUACION FUTURA262.2 RESTRICCIONES Y LIMITACIONES272.3 ESPECIFICACIONES292.3.1 PARAMETROS FUNCIONALES302.3.2 NORMA QUE RIGUE EL DISEO ERGONOMICO312.3.3 AMBIENTE TIPO DE TRABAJO Y VIDA UTIL312.3.4 MATERIAL Y PROCESO DE FABRICACIN32CAPITULO III33FACTIBILIDAD333.1 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS333.1.1 SISTEMA SUJECIN DE LAS CARCAZAS333.1.2 SISTEMA DE GIRO DE LAS CARCAZAS363.1.3 SISTEMA DE REGULACIN DE DIMETRO DE CARCAZAS383.2 SELECCIN DE ALTERNATIVAS403.2.1 JUSTIFICACIN DE FACTORES PARA LA SELECCIN403.2.2 SISTEMA DE SUJECIN DE LA CARCAZA423.2.3 SISTEMA DE GIRO DE LA CARCAZA433.2.4 SISTEMA DE REGULACION DEL DIAMETRO DE LA CARCAZA443.3 PROTOCOLO DE PRUEBAS44CAPITULO IV46DISEO DEL DISPOSITIVO SOPORTE464.1 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES Y PARAMETROS DE DISEO464.2 APLICACIN DEL SOFTWARE SAP 2000474.2.1 ENTORNO DE TRABAJO DEL PROGRAMA SAP 2000484.3 CALCULO DIMENSIONAMIENTO Y SELECCION DE ELEMENTOS.504.3.1 SISTEMA ESTRUCTURAL.504.3.2 SISTEMA DE SUJECION DE LAS CARCAZAS664.3.3 SISTEMA DE GIRO DE LAS CARCAZAS714.3.4 SISTEMA DE REGULACIN PARA EL RANGO DE DIMETRO DE... ..CARCAZA A SER MANIPULADA.87CAPITULO V97CONSTRUCCION, MONTAJE, SIMULACION Y MANTENIMIENTO975.1 CONSTRUCCION975.1.2 MQUINAS HERRAMIENTAS Y HERRAMIENTAS975.2 MONTAJE Y MANTENIMIENTO1005.3 SIMULACION100CAPITULO VI102ANALISIS DE COSTOS1026.1 COSTOS DEL PROTOTIPO1026.2 COSTOS DE MATERIALES1036.3 COSTOS DE ELMENTOS NORMALIZADOS1046.4 COSTOS DE MAQUINADO1056.5 COSTO DE MANO DE OBRA1066.6 COSTO DE DISEO1066.7 IMPREVISTOS1066.8 COSTOS TOTALES107CONCLUSIONES108RECOMENDACIONES109BIBLIOGRAFIA110LIBROS CONSULTADOS110TESIS CONSULTADAS111ENLACES WEB111ANEXOS112

INDICE DE TABLAS

CAPITULO IESTUDIO ERGONOMICO PARA EL DISEO DE UTILLAJES PARA EL MANTENIMIENTO DE CARACAZAS DE TURBO CARGADORESTabla 1. 1: Responsabilidad de materia de prevencin de riesgos3Tabla 1. 2: Tipos de utillaje14

CAPITULO IIPREFACTIBILIDADFigura 2. 1: Carcaza central que soporta el dispositivo de mantenimiento27Figura 2. 2: Dimensiones de la carcaza del turbo cargador28Figura 2. 3: Dimensiones agujeros soporte del turbo cargador28

CAPITULO IIIFACTIBILIDADTabla 3. 1: Valoracin de criterios para la seleccin de alternativas.41Tabla 3. 2 Valoracin de alternativas para el sistema de sujecin de la carcaza42Tabla 3. 3 Valoracin de alternativas para el sistema de giro de la carcaza43Tabla 3. 4 Valoracin de alternativas para el sistema de regulacin del dimetro44

CAPITULO IVDISEO DEL DISPOSITIVO SOPORTETabla 4. 1 Propiedades mecnicas acero ASTM A-3656Tabla 4. 2 Propiedades flexionantes de la soldadura82

CAPITULO VIANALISIS DE COSTOSTabla 6. 1. Lista de precio de los materiales103Tabla 6. 2 Lista de precios de elementos normalizados104Tabla 6. 3 Costos de maquinado105Tabla 6. 4 Costos de mano de obra106Tabla 6. 5 Costos Totales107

INDICE DE FIGURAS

CAPITULO IESTUDIO ERGONOMICO PARA EL DISEO DE UTILLAJES PARA EL MANTENIMIENTO DE CARACAZAS DE TURBO CARGADORESFigura 1. 1: Espaldares de automviles antiguos vs actuales5Figura 1. 2: Diversos martillos con diseo ergonmico.6Figura 1. 3: Caractersticas de esferos para diestros y zurdos7Figura 1. 4: Tijeras para zurdos7Figura 1. 5: Altura de bancada superior al operador8Figura 1. 6: Utilizacin de soporte para facilitar manejo del torno9Figura 1. 7: Altura inferior de la mesa con respecto al operador10Figura 1. 8: Altura correcta de la mesa de acuerdo al operador10Figura 1. 9: Altura correcta de la mesa para un operador de menor estatura11Figura 1. 10: Turbo cargador15Figura 1. 11: Ejemplo de un turbo cargador16Figura 1. 12: Despiece del turbo cargador18Figura 1. 13 Carcaza central que soporta el dispositivo de mantenimiento19Figura 1. 14: Sistema Turbo cargado20Figura 1. 15: Funcionamiento del turbo cargador21Figura 1. 16: Tipos de turbo cargadores22

CAPITULO IIPREFACTIBILIDADFigura 2. 1: Carcaza central que soporta el dispositivo de mantenimiento..... 27Figura 2. 2: Dimensiones de la carcaza del turbo cargador28Figura 2. 3: Dimensiones agujeros soporte del turbo cargador28

CAPITULO IIIFACTIBILIDADFigura 3. 1 Sujecin hidrulica34Figura 3. 2 Sujecin manual perno y tuerca35Figura 3. 3 Engranes36Figura 3. 4 Manivela, pasador y placa divisora37Figura 3. 5 Desplazamiento por medio de tornillo38Figura 3. 6 Correderas39

CAPITULO IVDISEO DEL DISPOSITIVO SOPORTEFigura 4. 1 SAP2000 Advanced V14.0.0 Pantalla de inicio47Figura 4. 2 Lista desplegable para seleccin de unidades48Figura 4. 3 Ventana nuevo modelo NEW MODEL SAP 200049Figura 4. 4 Estructura geomtrica del soporte52Figura 4. 5 Reacciones del soporte de la carcaza52Figura 4. 6 Estructura soporte mvil53Figura 4. 7 Viga soporte54Figura 4. 8 Diagrama del cortante de la viga soporte55Figura 4. 9 Diagrama del momento flector de la viga soporte55Figura 4. 10: Diseo geomtrico de la estructura: a) Diseo 2D, b) Diseo 3D58Figura 4. 11: a) Fuerzas que soporta la estructura b) Fuerzas resultantes58Figura 4. 12: a) Diagrama fuerza cortante Y b) Fuerza cortante mxima y mnima59Figura 4. 13: a) Diagrama fuerza cortante X b) Fuerza cortante mxima y mnima59Figura 4. 14: a) Diagrama momento X b) Momento mxima y mnima60Figura 4. 15: a) Diagrama momento Y b) Momento cortante mxima y mnima60Figura 4. 16: a) Diagrama momento Torsor b) Momento Torsor mximo y mnimo61Figura 4. 17: a) Fuerzas que soporta la estructura b) Fuerzas resultantes61Figura 4. 18: a) Diagrama fuerza cortante Y b) Fuerza cortante mxima y mnima62Figura 4. 19: a) Diagrama fuerza cortante X b) Fuerza cortante mxima y mnima62Figura 4. 20: a) Diagrama Momento Y b) Momento mximo y mnimo63Figura 4. 21: a) Diagrama Momento X b) Momento Flector mximo y mnimo63Figura 4. 22: a) Diagrama momento Torsor b) Momento Torsor mximo y mnimo64Figura 4. 23 Garrucha65Figura 4. 24 Sujecin de la carcaza- placa soporte66Figura 4. 25 a) perno sometido a corte b) perno sometido a traccin68Figura 4. 26 Sistema giro de las carcazas72Figura 4. 27 Diagrama de cuerpo libre del eje73Figura 4. 28 Divisin del eje en tramos73Figura 4. 29 Diagrama de cuerpo libre tramo 174Figura 4. 30 Diagrama de cuerpo libre tramo 274Figura 4. 31 Diagrama de fuerza cortante76Figura 4. 32 Diagrama de Momento flector76Figura 4. 33 Diagrama Momento Torsor77Figura 4. 34 Diagrama de cuerpo libre de la lengeta en el eje.79Figura 4. 35 Esquema de soldadura83Figura 4. 36 Rodamiento tipo pared designacin FY30SD84Figura 4. 37 Placa divisora85Figura 4. 38 Manivela86Figura 4. 39 Sistema de regulacin87Figura 4. 40 Diagrama de cuerpo libre del perfil transversal88Figura 4. 41 Diagrama cuerpo libre del perfil transversal89Figura 4. 42 Tramo izquierdo del perfil - Momentos hiperestticos90Figura 4. 43 Tramo derecho del perfil - Momentos hiperestticos90Figura 4. 44 Tramo izquierdo del perfil - Cargas externas91Figura 4. 45 Tramo derecho del perfil - Cargas externas91

CAPITULO VCONSTRUCCION, MONTAJE SIMULACION Y MANTENIMIENTOFigura 5. 1 Fases de construccin del prototipo98Figura 5. 2 Montaje de elementos101

CAPITULO VIANALISIS DE COSTOSTabla 6. 1. Lista de precio de los materiales103Tabla 6. 2 Lista de precios de elementos normalizados104Tabla 6. 3 Costos de maquinado105Tabla 6. 4 Costos de mano de obra106Tabla 6. 5 Costos Totales107

LISTADO DE ANEXOSANEXO 1:113PROTOCOLO DE PRUEBAS113ANEXO 2114CATALOGO IPAC PARA SELECCIN DEL PERFIL114ANEXO 3:115CATALOGO IPAC PARA SELECCIN DE ANGULO115ANEXO 4:116WPS SOLDADURA DE LA ESTRUTURA116ANEXO 5:117PROPIEDADES DE ELECTRODO 6011117ANEXO 6:118CATALOGO PARA SELECCIN DE GARRUCHAS118ANEXO 7:119PARAMETROS DIMENCIONALES DE TORNILLOS Y TUERCAS METRICAS119ANEXO 8:120CLASES METRICAS DE PROPIEDAD MECANICA DE PERNOS DE ACERO120ANEXO 9:121SELECCIN DE LENGETA Y LENGUETEROS121ANEXO 10:122WPS UNION PLACA SOPORTE Y EJE122ANEXO 11:123PROPIEDADES DEL ELECTRODO E7018123ANEXO 12:124SELECCIN DE CHUMACERA124ANEXO 13:125ECUACIONES DE LA LNEA ELSTICA125ANEXO 14:126DIMENCIONES ROSCAS METRICAS126ANEXO 15:127MANUAL DE USUARIO127ANEXO 16:128PLANOS DE MONTAJE Y DE TALLER128ANEXO 17:129PLANES DE PROCESO129

RESUMEN

El presente Proyecto de Titulacin, aborda el Diseo ergonmico de un dispositivo soporte para mantenimiento de carcazas de turbo cargadores de motores a disel con dimetro hasta 1000 mm, para de esta forma evitar la utilizacin de elementos o instrumentos inadecuados dentro de las operaciones de mantenimiento. Lo cual permite reducir el tiempo empleado en cuanto a su mantenimiento y evita los problemas fsicos de las personas dedicadas a esta operacin. El diseo del prototipo se realiza bajo normas y catlogos que garantizan la funcionalidad, seguridad y esttica de la mquina, por lo tanto el proyecto se encuentra estructurado de la siguiente manera:El captulo I, indica los fundamentos histricos y generales del diseo ergonmico dentro de las mquinas-herramientas, adems de los fundamentos generales de los turbocompresores.El captulo II, investiga el establecimiento de las restricciones, limitaciones y especificaciones del dispositivo para un correcto diseo del mismoEl captulo III, investiga y selecciona las alternativas adecuadas para realizar el diseo y la construccin del prototipo, en relacin a los parmetros funcionales y de diseo previamente establecidos en el captulo anterior.El captulo IV, define y desarrolla toda la informacin del diseo y seleccin de los elementos normalizados que constituyen el soporte, que tiene como respaldo y ayuda los anexos con las tablas y detalles de los diferentes elementos seleccionados, adems cuenta con el respaldo del software SAP 2000 V14 que permiten seleccionar perfiles industriales de acuerdo a restricciones establecidas.

El captulo V, detalla el proceso y montaje del dispositivo basado en la utilizacin de mquinas-herramientas, y de un sistema de montaje que se comprueba bajo el documento de protocolo de pruebas, que asegura un correcto funcionamiento y una correcta construccin del dispositivo segn las hojas de procesos , planos de taller y montaje establecidos en los anexos.El captulo seis, realiza un anlisis de clculo, y compresin detallada de los costos directos necesarios que intervienen en el diseo, construccin montaje y desarrollo del proyecto.Finalmente se proponen las conclusiones y recomendaciones basadas en los resultados obtenidos luego de finalizar el presente proyecto de titulacin

PRESENTACION

El presente Proyecto de Titulacin tiene como principal objetivo disear un dispositivo soporte para mantenimiento de carcazas de turbo cargadores de motores a disel con dimetro hasta 1000 mmActualmente la utilizacin de los turbo cargadores ha ido en constante aumento debido a sus beneficios y aplicaciones, por lo tanto se requiere de un dispositivo que facilite la inspeccin y mantenimiento preventivo y correctivo de los mismos, para evitar el cansancio fsico y probables lesiones dentro de los operarios que realizan determinadas funciones.Los conocimientos adquiridos durante la preparacin universitaria en la carrera de ingeniera mecnica, permiten proponer el diseo y construccin del dispositivo soporte que garantice su funcionamiento adecuado, facilidad de operacin, seguridad al operario, mediante el adecuado diseo y seleccin de los diferentes elementos y materiales de acuerdo a su aplicacin.6

Otro factor importante a considerar para su diseo es la optimizacin del material que se emplea en su fabricacin, con lo cual se reduce los costos de produccin.CAPTULO 1ESTUDIO ERGONMICO PARA EL DISEO DE UTILLAJES PARA EL MANTENIMIENTO DE CARACAZAS DE TURBO CARGADORES Para la realizacin del presente proyecto se comienza estudiando los fundamentos de la ergonoma y sus pertinencias, adems se analizan los fundamentos de los turbo cargadores y sus principales problemas de mantenimiento a ser solucionados. Con un previo estudio en campo se determina los problemas ergonmicos ms usuales que se debe evitar diseando un equipo adecuado para la maniobrabilidad de las carcazas de turbo cargadores al momento de realizar su mantenimiento. 1.1 ERGONOMAErgonoma se deriva de dos palabras griegas: ergo que expresa trabajo y, nomos que expresa leyes o normas, por lo que, en el exacto sentido de la palabra ergonoma significa leyes o normas de trabajo.Este trmino se inserta a mediados del siglo XX por el psiclogo britnico Murrell, con el libro de su autora ergonomics en donde define a la ergonoma como El estudio cientfico de las relaciones del hombre con su ambiente de trabajo.[footnoteRef:1] [1: Wolfgang Laurig, J. V. (s.f.). Enciclopedia de Salud y Seguridad en el trabajo.]

El principio bsico de la ergonoma est enfocado a que los equipos, las herramientas se adapten a las personas ms no lo contrario.

1.1.1 RESEA HISTRICAHace aproximadamente un siglo se reconoce que, las jornadas y condiciones de trabajo de algunas fbricas son intolerables en trminos de salud y seguridad, por lo que era indispensable aprobar leyes que establecieran lmites admisibles en estos aspectos. El establecimiento y determinacin de estos lmites puede considerarse como el principio de la ergonoma.El estudio de estas leyes fue lento hasta la segunda guerra mundial. En donde este acontecimiento aceler el desarrollo de mquinas e instrumentos industriales. Este desarrollo permiti una mayor flexibilidad para la adaptacin del operador. El objetivo ms importante de la industria despus de la posguerra, fue el aumento de la productividad, enfocado a que los equipos sean de mayor facilidad de manejo por el operador. Lo cual es viable para la ergonoma, ya que gran parte de la productividad industrial estaba determinada directamente por el esfuerzo fsico de los trabajadores: la velocidad de montaje, la produccin de movimientos y el levantamiento de pesos.Gradualmente la energa mecnica sustituy al esfuerzo humano. Sin embargo el aumento de mencionada energa provoca ms accidentes los cuales son la consecuencia directa de la aplicacin de la energa en el momento errneo y el lugar equivocado. De esta manera la inquietud de la industria y el objetivo de la ergonoma cambian paso a paso y se relacionan entre s. Constituyendo el nuevo concepto de productividad con seguridad.Estos cambios se dan entre los aos 60s y 70s. En este periodo la mayora del sector industrial decide sustituir la produccin por lotes y el efecto de esta transformacin se da tambin en el operario que pasa de la participacin directa a labores de control e inspeccin.El campo de la ergonoma abarca mucho ms que el de las industrias de fabricacin, sino tambin est la ergonoma del producto o del diseo, es decir la adaptacin de la mquina o el producto al usuario.

1.1.2 DISEO ERGONMICOEl diseo ergonmico o tambin llamado Ingeniera de los factores humanos debe garantizar que se tenga en cuenta las capacidades y limitaciones de la gente que va a utilizar medios como: herramientas, equipos, mquinas o utillajes lo cual se analiza brevemente ms adelante. Es decir, se trata de buscar soluciones a un determinado problema mecnico u operacional, tomando como requisitos y limitaciones las necesidades y capacidades del trabajador que va a utilizar el equipo a disear. Por lo tanto, con un estudio ergonmico previo a cualquier diseo, se pretende conocer los requisitos de trabajo y funcionalidad, optimizando los tres elementos principales que interactan dentro del diseo hombre-mquina-ambiente. La tabla1.1 resume las responsabilidades del diseador y de los usuarios (industrial y operario).

Tabla 1. 1: Responsabilidad de materia de prevencin de riesgosResponsabilidades

Descripcin de medidas de seguridadPrevencinProteccinInformacin

Adoptadas por el diseadorPrevencin intrnsecaProteccin en el diseoDiseo de sistemas de informacin

Adoptadas por la industrialSuministro de equipos de proteccinFormacin supervisin

Adoptadas por el operarioUtilizacin de equipos de proteccin Procedimiento de trabajo seguro.

Fuente: Tcnica Industrial-Febrero 2006Elaboracion: PropiaEn la actualidad, para disear elementos mecnicos que durante su utilizacin o aplicacin estn directamente en contacto con las personas, se deben estudiar cuidadosamente los parmetros pertinentes que garanticen una buena adaptabilidad hacia stas, evitando una serie de problemas de salud y de fatiga personal.Debe quedar claramente establecido que los parmetros de adaptabilidad personal, analizados para el diseo ergonmico, son independientes de las solicitaciones y esfuerzos mecnicos propios del elemento mecnico.En conclusin, un buen diseo mecnico de herramientas, de equipos y mquinas que faciliten las tareas fsicas, tambin deben garantizar una aptitud al uso libre de insoportables secuelas temporales corporales o peor que stas, a futuro se conviertan en daos permanentes para la salud del usuario. 1.1.3 EJEMPLOS DE DISEO ERGONMICO:A continuacin se exponen ejemplos de diseos ergonmicos que han facilitado y han dado comodidad al usuario en una determinada aplicacin. 1.1.3.1 Espaldares de asientos de automvilesEn el presente diseo se analiza la naturaleza corporal del usuario y se le provee al espaldar de una curvatura afn con la curvatura de la espalda y altura. Recurdese que los primeros espaldares de los asientos eran planos y no tenan el apoyo cabeza y en la actualidad se realizan diseos muy sofisticados de los asientos, incorporndolos sistemas de calefaccin o de enfriamiento para garantizar su buena aptitud al uso, como se ilustra en la figura1.1. Luego de analizar estos parmetros de adaptabilidad, se analizan los parmetros tradicionales del diseo mecnico: cargas y esfuerzos, que determinan materiales, dimensiones, etc.

Figura 1. 1: Espaldares de automviles antiguos vs actualesFuente: http://www.todoautos.com.pe/f6/top-10-interiores-de-autos-73549.html

1.1.3.2 Martillo Comn Es un ejemplo sencillo y prctico, el diseo de un martillo de mango. Su diseo va ms all del tipo o del peso, donde su principal caracterstica para su diseo es la adaptabilidad del mango a la mano del usuario. El diseo del mango ha pasado desde una geometra recta hasta una geometra ergonmica que adapta correctamente los dedos y la palma de la mano al mango, asegurando una mejor sujecin y cierto confort en su uso y evitando daos en la mueca del usuario. De acuerdo a lo sealado se poseen los tipos de mangos de martillos ilustrados en la figura 1.2.

Figura 1. 2: Diversos martillos con diseo ergonmico.Fuente: www.captel.com.ar

1.1.3.3 Esferos y tijeras para personas zurdasEn la actualidad se ha determinado que el promedio de vida de las personas zurdas es un tanto inferior al de las personas derechas, por la simple razn de que al ser la mayora de elementos mecnicos diseados para derechos, el estrs y el esfuerzo de adaptabilidad adicional para manejar estos implementos por parte de las personas zurdas hace que se produzca esa diferencia.[footnoteRef:2] [2: C. RADHAKRISHNA RAO, Estadstica y Verdad, Electronic-University Mathematical Books 2, Universidad de Barcelona, Pg. 180]

Unos diseos ergonmicos simples para personas zurdas son los esferos y las tijeras que se muestran en los figuras 1.3 y 1.4 respectivamente.

Figura 1. 3: Caractersticas de esferos para diestros y zurdosFuente: http://www.copycap.com.ar/images/gripajustable.jpg

Figura 1. 4: Tijeras para zurdosFuente: http://www.todoparaelcole.com/images/tijeras-para-zurdosl.gif

1.1.3.4 Mquina Herramienta TornoEl siguiente ejemplo de aplicacin de un buen diseo ergonmico es el de los tornos. El parmetro pertinente para la adaptabilidad del operario es la altura de la bancada y la facilidad con que ste pueda accionar las palancas y volantes de maniobra. Estas mquinas herramientas estn diseadas para personas con una estatura promedio de acuerdo al pas de fabricacin pero para garantizar una buena aptitud al uso y evitar los problemas fsicos que se ilustran en las figura 1.5 se disean con diferente altura de la bancada, proporcionando una comodidad de maniobra al tornero, sea ste alto o de estatura muy inferior. Y de esta manera evitar el uso de soportes para facilitar el manejo del torno como se ilustra en la figura 1.6

Figura 1. 5: Altura de bancada superior al operadorFuente: Propia, Laboratorio de Maquinas-herramientas, FIM-EPN

Figura 1. 6: Utilizacin de soporte para facilitar manejo del tornoFuente: Propia, Laboratorio de Maquinas-herramientas, FIM-EPN

1.1.3.5 Banco hidrulico para trabajos de taller Con el fin de adaptar el banco de trabajo para las operaciones manuales empleadas para el mantenimiento de turbocompresores, la empresa suiza ABB ha diseado bancos de trabajo hidrulicos que regulan la altura del banco segn la altura del operario, facilitando su adaptabilidad y eliminando todo riesgo de posturas innecesarias o de fatiga como se puede observar en la figura 1.7, para as evitar problemas en la salud del trabajador. En las figuras 1.8 y 1.9 se presentan algunas de las posiciones que pueden tener dichas mesas hidrulicas.

Figura 1. 7: Altura inferior de la mesa con respecto al operadorFuente: Propia, Instalaciones ABB Ecuador SA.

Figura 1. 8: Altura correcta de la mesa de acuerdo al operadorFuente: Propia, Instalaciones ABB Ecuador SA.

Figura 1. 9: Altura correcta de la mesa para un operador de menor estaturaFuente: Propia, Instalaciones ABB Ecuador SA.

1.1.4 IMPORTANCIA DEL DISEO ERGONMICOCon el avance de las normativas sobre la prevencin de riesgos laborales y la necesidad de evitar las consecuencias que para la seguridad y la salud del operador se originan del uso de las mquinas, comienza a tener importancia la ergonoma como disciplina unitaria. As como en los proyectos de construccin se hace necesario integrar un estudio de seguridad y salud, tambin es primordial incorporar a los proyectos de diseo de mquinas y equipos industriales los conceptos relativos a la prevencin y a la seguridad.1.1.5 CRITERIOS DE DISEOLa finalidad es disear y construir equipos seguros, si bien es cierto, la seguridad absoluta no existe, porque depende del nivel de riesgo y de la probabilidad de ocurrencia. Los referentes de seguridad a tener en cuenta en los protocolos de diseo son los siguientes: Determinacin de los lmites del equipo: espaciales, temporales, de uso. Identificacin sistemtica de las situaciones peligrosas en las diferentes fases y modos de funcionamiento del equipo: montaje, utilizacin, mantenimiento, mala utilizacin. Reduccin de riesgos mediante prevencin intrnseca: Evitando aristas cortantes, ngulos agudos, partes salientes. Reduciendo la inercia de los elementos mviles. Evitando ruido y vibraciones.1.1.6 DISEO DIMENCIONALEn el campo de la ergonoma, es necesario comprender el tamao de las mquinas y el de las zonas de trabajo, de modo que las posturas que debe adoptar el trabajador no le ocasionen molestias o algn tipo de dolencia pasajera o lo que es peor an que le ocasionen a futuro dolencias permanentes.Las posturas inadecuadas dan lugar a: Sobrecargas en articulaciones, ligamentos y msculos de los miembros superiores. Lesiones msculo-esquelticas acumulativas: lumbalgias, dolores de cuello y espalda, tendinitis, sndrome del tnel carpiano. Mayor riesgo de accidentes.Antes de realizar el diseo se debe realizar un anlisis pormenorizado de las actividades que va a efectuar la mquina y aquellos que debe controlar el operador, con el objetivo de reconocer posturas de trabajo, tiempo de actividades, ciclos de repeticin y orientar as el proceso de diseo.[footnoteRef:3] [3: Mata, C.F., Aproximaciones al diseo ergonmico de mquinas, Febrero 2006]

Existen variables de mucha consideracin en el diseo ergonmico, estas variables son:

La altura del operador. La mxima extensin de las extremidades. Posibilidad de alternar posturas (flexibilidad)El manejo de datos antropomtricos faculta insertar estas variables en el diseo, lo que evita que se tome decisiones apresuradas en la etapa de operacin (en muchos casos prohibitivos) y especialmente consecuencias negativas para la salud humana. Por lo tanto, es imprescindible que las dimensiones del equipo se acoplen a las del operador o por su parte tener la capacidad de regulacin dentro de las limitaciones indicados por los datos antropolgicos.1.1.7 ALTURA PROMEDIO DE UNA PERSONA EN ECUADOREl Ecuador es un pas multitnico y pluricultural, la talla de sus habitantes vara de acuerdo a la gentica y a la nutricin. El genoma humano particular que un individuo transmite y una combinacin de salud y factores del medio, tales como dieta, ejercicio, y las condiciones de vida presentes antes de la edad adulta, cuando el crecimiento se detiene, constituyen el determinante ambiental.La estatura promedio de un hombre ecuatoriano oscila entre: 1,68 [m]1,70 [m].[footnoteRef:4] [4: http://www.forosecuador.ec/forum/comunidad/foro-libre/252]

1.2 UTILLAJESLos utillajes son un conjunto de elementos mecnicos diseados expresamente para optimizar la realizacin determinada de una o varias operaciones dentro de un de un proceso de fabricacin. Al no ser elementos normalizados no se los encuentra en el mercado y son diseados para cada aplicacin puntual.La mayora de utillajes se disean para asegurar el posicionamiento y sujecin de una pieza o conjunto de piezas a un sistema de referencia, para poder ejecutar operaciones de diversa ndole dentro del proceso de produccin de determinado bien, tal es el caso de los conocidos JIG de montaje para la fabricacin de los autos y automotores.Los utillajes tambin constituyen los dispositivos diseados para resolver necesidades de herramientas especiales, topes, calzos, etc. que se utilizan en mecanizados especiales.1.2.1 FINALIDAD DE LOS UTILLAJESEl empleo de los utillajes permite que: Acortar los tiempos de fabricacin Reducir los costos de produccin Considerable precisin en la fabricacin Alto grado de uniformidad Existen varios tipos de utillaje aplicados por determinados parmetros, como se presenta en la tabla 1.2.

Tabla 1. 2: Tipos de utillajeTipos de UtillajeDescripcin

AplicacinEs decir se va a realizar operaciones de tipo mecanizado, ensamblaje, almacenamiento o inspeccin.

MquinaTipo y nivel del sistema de automatizacin de fabricacin.

DedicacinSegn si lo que se tiene en cuenta son el nmero de piezas o el nmero de operaciones de utillaje.

Uso principalYa sea con el objetivo de posicionar y sujetar o actuar de gua para las herramientas

Productividad y versatilidadEn este caso nos encontramos con utillaje estndar, utillaje dedicado a operaciones flexibles o especficas.

Elaboracin: Propia

1.3 TURBO CARGADORTambin llamado turbo compresor, es una maquina dinmica debido al intercambio de energa que se realiza en su funcionamiento. Su principio fundamental es absorber energa de un fluido para transformarlo en energa mecnica, por lo que es considerado una bomba radial (Bomba centrifuga) de ventilacin. (Ver figura. 1.10)

Figura 1. 10: Turbo cargadorFuente: Propia, Termoelctrica de Guangopolo

El turbo cargador debido a que tiene como finalidad incrementar la presin del fluido tambin se lo conoce como Turbo maquina operadora por lo cual es utilizado en sistemas de sobrealimentacin que usan una turbina para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustin interna. Ver Figura 1.11 Generalmente el turbo cargador utiliza los gases de escape del motor para mover la rueda de la turbina a grandes velocidades, dependiendo del modelo y aplicacin de la misma (del orden de 280 000 rpm[footnoteRef:5]). [5: http://www.turbocargadores.com/interesante-detalle.php?cont=16 (25/12/2014)]

Figura 1. 11: Ejemplo de un turbo cargadorFuente: www.mecanica-valles.es.tl/El-turbocargador.htm

1.3.1 OBJETIVO Y FINALIDAD DE LOS TURBO CARGADORESLa finalidad de un turbo cargador es comprimir el aire que entra al motor, lo que permite mejorar la eficiencia del mismo, incrementando la presin cuando el aire est siendo inyectado a los cilindros, logrando as que una mayor masa de oxigeno ingrese a la cmara de combustin, posibilitando agregar ms combustible y de esta forma elevar la potencia y el torque del motor mientras se reduce la emisiones contaminantes del mismo. Cuanto mayor aire y combustible se queme mayor potencia se genera.1.3.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS El uso de un turbo cargador posee las siguientes ventajas y desventajas en cuanto a su funcionalidad:1.3.2.1 Ventajas: Aumenta la potencia de un motor sin redisear el motor utilizado Utiliza como medio propulsor gases de escape En su montaje no requiere que se le haga modificaciones externas al motor Se autoajusta a cualquier altitud debido a que depende de la diferencia de presin entre los gases de escape y el medio ambiente1.3.2.2 Desventajas Los turbo cargadores poseen una respuesta lenta para comenzar a funcionar. El turbo cargador es inutilizable a bajas velocidades Su costo de instalacin es elevado debido a la mano de obra y mantenimiento de sus partes.1.3.3 MANTENIMIENTOPara garantizar la vida til de un turbo cargador generalmente se realiza las siguientes instrucciones que son proporcionadas por el fabricante del turbo cargador: Ejecutar mantenimiento preventivo de manera ordinaria para evitar posibles daos. Al montar y desmontar cada parte debe colocarse minuciosamente cada uno de los elementos respetando su geometra y ubicacin. Respetar metdicamente los intervalos de cambio de aceite Ejecutar el mantenimiento del sistema de filtracin de aire Controlar la presin y temperatura dentro del turbo cargador Para evitar daos en el turbo cargador al momento de encender o apagar el motor se debe mantenerlo en ralent.1.3.4 ESTRUCTURA DEL TURBO CARGADORUn turbo cargador est compuesto de cinco partes principales, como se ilustra en la figura 1.12 La carcaza central La turbina El compresor. La carcaza de la turbina La carcaza del compresor. La carcaza central que se ilustra en la figura 1.13, recibe el aceite lubricante y sirve de soporte al conjunto turbina-eje-rueda compresora, el cual gira dentro de cojinetes planos denominados as por los fabricantes. La turbina posee una rueda que es concntrica al eje central, que gira apoyada en cojinetes planos, acoplados en el interior de la carcaza la misma que recibe la energa de los gases de escape y tiene como funcin impulsar el compresor centrfugo.Debido a que el turbo cargador va estar expuesto a elevadas solicitaciones mecnicas y trmicas, este es fabricado de materiales de alta calidad como aleaciones de iconel, nquel y cromo.

Figura 1. 12: Despiece del turbo cargadorFuente: www.zonatuning.com

Figura 1. 13 Carcaza central que soporta el dispositivo de mantenimientoFuente: Propia, Instalaciones ABB Ecuador SA.

1.3.5 COMPONENTES DE UN SISTEMA TURBOCARGADOUn sistema turbo cargado como se ilustra en la figura 1.14 est conformado de los siguientes elementos que al relacionarse con el turbo cargador permiten un correcto funcionamiento del mismo: Filtro de aire Rueda compresora Mltiple de admisin Intercambiador de calor (radiador)

Figura 1. 14: Sistema Turbo cargadoFuente: http://www.arpem.com/images/tecnica/turbo/esquema_turbo_1.gif

1.3.6 FUNCIONAMIENTOComo se seala al principio del texto un turbo cargador est compuesto por una turbina y un compresor conectado internamente por un eje (Ver seccin 1.3.4), el cual es aadido al motor de combustin interna por lo que la energa del gas del motor es lo que propulsa el funcionamiento del turbo cargador.El gas obtenido de la combustin llega a la carcaza de la turbina y es canalizado hacia el turbo cargador, donde la energa del gas hace rotar la turbina siendo posteriormente desfogado por el escape. La velocidad y la carga del motor determinan la velocidad de giro de la rueda de la turbina, sin embargo, cuanto ms gas pase por la carcaza de la turbina ms rpido girara la rueda de sta. A medida que gira la rueda de la turbina, el eje propulsa la rueda del compresor, permitiendo que esta inyecte aire en la carcaza del compresor y se comprima a medida que las paletas rotan a velocidad alta. La carcaza est diseada para convertir el flujo de aire de baja presin y alta velocidad en un flujo de aire de velocidad baja y presin alta. El aire entra al compresor a temperatura ambiente, no obstante sale de la carcaza del compresor aproximadamente a 200C. A medida que la temperatura del aire aumenta, su densidad disminuye de manera que se puede forzar la entrada de ms aire al motor, sin embargo se enfra mediante el uso de agua o aire en un intercambiador trmico.[footnoteRef:6] [6: https://www.youtube.com/watch?v=-FZ1b12wxG0 (01/12/2014)]

Figura 1. 15: Funcionamiento del turbo cargadorFuente: https://www.youtube.com/watch?v=hGZ8GIXWxys

1.3.7 CLASIFICACIN BSICA DE LOS TURBO CARGADORES Y COMPARACIN DE USO ENTRES ESTOS GRUPOSLos turbo cargadores segn la direccin del flujo se clasifica en 2 tipos, como se ilustra en la figura 1.16: Turbo cargadores axial [footnoteRef:7] [7: http://es.slideshare.net/lordrizon/3-compresores?next_slideshow=1 (12/12/2014)]

Turbo cargadores simples Turbo cargadores dobles Turbo cargadores triples Turbo cargadores centrfugos Turbo cargadores radiales Turbo cargadores diagonales

Figura 1. 16: Tipos de turbo cargadoresFuente: http://es.slideshare.net/lordrizon/3-compresores?next_slideshow=1

A continuacin se hace una descripcin simple de los principales turbo cargadores:1.3.7.1 Turbo cargador axialComo su nombre lo indica se trata de turbo cargadores en el cual la direccin del flujo esta paralela al eje del turbo cargador. Est conformado por varios discos llamados rotores y estatores que llevan acoplados una serie de alabes. La misin de los alabes es aumentar la velocidad del aire y la presin dinmica. El diseo de los turbo cargadores axiales tienen gran importancia en el campo aerodinmico. 1.3.7.2 Turbo cargador centrfugo En un turbo cargador centrifugo la direccin del flujo es perpendicular a la direccin del movimiento del rotor del turbo. En este tipo de mquinas, el fluido se considera comprensible. La forma de comprimir es totalmente diferente al del axial debido a que no genera una presin excesiva.Los turbo cargadores diagonales no son muy corrientes y su teora fundamental no difiere de la de los turbo cargadores radiales. Una caracterstica fundamental es que el diagonal puede suministrar un caudal 2 a 3 veces mayor que un turbo cargador del mismo dimetro con un rendimiento en un 5% mayor.1.3.7.3 Comparacin entre turbo cargadoresEl turbo cargador centrfugo tiene las siguientes ventajas sobre el axial: Mayor robustez y seguridad en su uso. Menor nmero de escalonamientos. Mayor zona de estabilidad de funcionamiento, respecto al fenmeno de bombeo.El turbo cargador axial ofrece las siguientes ventajas con relacin al radial: Mejor rendimiento. Para un mismo gasto msico y presin, mayor nmero de revoluciones. El turbo cargador axial tiene menor volumen, menor superficie frontal, y menor peso para igualdad de gastos msico y de relacin de compresin.Esta ventaja es importante en aviaciones y en motores de combustin interna, debido a que estimulo la evolucin del turbocompresor axial.1.3.8 DIAGNSTICO DE FALLASEl 90% de los fallos que se producen en turbo cargadores se localizan en las siguientes partes y se deben a las siguientes causas:1.3.8.1 Fallas en carcazas (central, turbina y compresor) Cavitacin, debido a la presencia de condensado por la humedad relativa del ambiente. Carcazas de turbina azulada, con trzaduras internas en la base causada por el exceso de temperatura Golpe de ariete, debido al cambio de presin Rayaduras y trizaduras, debido a la presencia de cuerpos extraos en la turbina o en el compresor (filtro de aire deteriorado) Corrosin, debido al ambiente al que se encuentra expuesto. Elevadas temperaturas de gas de escape (deficiencia en el sistema de encendido y de alimentacin)1.3.8.2 Fallas en cojinetes Cojinete azulado por fallas en el sistema de lubricacin Cojinetes rayados debido a la presencia de impurezas en el aceite lubricante (aceite contaminado)1.3.8.3 Fallas en la rueda compresora Rueda totalmente destruida por el ingreso de objetos extraos a la carcaza compresora. Rueda daada por fatiga del material1.3.8.4 Fallas en los alabes de la turbina Alabes de la rueda compresora afectados por el ingreso de objetos extraos (polvo, piedras, pedazos de filtros colapsados, pedazos de guaipe) a la carcaza compresora Alabes de la turbina daados por el ingreso de objetos extraos a la carcaza de la turbina procedentes del motor de combustin.1.3.8.5 Fallas en el sistema de lubricacin Suciedad en el aceite Suministro de aceite poco adecuado (presin de aceite y filtro) Aceite lubricante carbonizado debido al exceso de temperatura o a la mala calidad del aceite Canales de lubricacin taponados debido a carbn y limallas procedentes del motor.1.3.8.6 Fallas en el desmontaje y montaje Este tipo de fallas se da por una errnea manipulacin de cada uno de las partes del turbo cargador al ser desmontado por completo. Es decir no se tiene en consideracin la geometra de los elementos y su forma de encajar en el turbo cargador.

CAPITULO IIPREFACTIBILIDAD

La pre factibilidad permite determinar la definicin del problema del proyecto, el establecimiento de las restricciones, limitaciones y especificaciones del mismo para un correcto diseo de acuerdo a las necesidades del usuario. 2.1 DEFINICIN DEL PROBLEMA La multinacional Suiza ABB por medio de la empresa PRIMATEC ha solicitado la realizacin del diseo ergonmico de un dispositivo soporte para mantenimiento de carcazas de turbo cargadores, dada una serie de problemas de salud laboral que se ha observado durante el mantenimiento de los turbo cargadores. Debido a que la empresa ABB mantiene como filosofa de seguridad que se puede perder trabajos, proyectos y/o dinero pero NUNCA una vida humana ni tampoco exponer a sus trabajadores a riesgos innecesarios que redunden en problemas de salud ocupacional.2.1.1 SITUACION ACTUAL El mantenimiento de la carcaza principal de los turbo cargadores utilizados en la industria petrolera, dadas sus grandes dimensiones y peso, conlleva una serie de posiciones incomodas y esfuerzos por parte de los operarios, que sin los herramentales y utillajes apropiados producen a la larga, dolencias fsicas, con las pertinentes implicaciones que se derivan de esto. 2.1.2 SITUACION FUTURACon los antecedentes expuestos, se disea un utillaje ergonmico de soporte para realizar mantenimiento de carcazas de turbo cargadores, para de esta forma evitar la utilizacin de elementos o instrumentos inadecuados dentro de la operacin. Lo cual permite reducir el tiempo empleado en cuanto a su mantenimiento y evita el cansancio fsico de las personas dedicadas a esta operacin. 2.2 RESTRICCIONES Y LIMITACIONESPara proporcionar las mejores condiciones de funcionamiento y operatividad; existen restricciones y limitaciones que se establecen a continuacin: El dispositivo debe poseer un peso moderado, para que facilite su transportacin y manejo dentro de las instalaciones ABB. El diseo de cada componente del dispositivo debe adaptarse a las condiciones tecnolgicas disponibles en lo que respecta a: disponibilidad de materia prima, elementos normalizados y procesos de fabricacin. Tomar en consideracin las medidas de la Tabla 2.1 que se relacionan con la carcaza del turbocompresor de las figuras 1.17, 1.18 y 1.19 respectivamente; a las cuales tiene que adaptarse el dispositivo para su diseo.

Figura 2. 1: Carcaza central que soporta el dispositivo de mantenimientoFuente: Propia, Instalaciones ABB Ecuador SA.

Figura 2. 2: Dimensiones de la carcaza del turbo cargadorFuente: Propia, Instalaciones ABB Ecuador SA.

Figura 2. 3: Dimensiones agujeros soporte del turbo cargadorFuente: Propia, Instalaciones ABB Ecuador SA.Tabla 2. 1: Parmetros dimensionales del dispositivo soporteRESTRICCIONES Y LIMITACIONES DIMENCIONALES

Descripcin:Medida [mm]

MnimaMxima

Dimetro de la carcaza (D)8001000

Altura mxima de la carcaza (H)7081012

Altura entre el suelo y el borde de la carcaza (h)340350

Distancia entre centros agujeros soporte (L)100110

Dimetro agujeros soporte (d)1820

Fuente: Propia, Instalaciones ABB Ecuador SATodas estas restricciones y limitaciones no afectan en el desempeo y utilizacin del dispositivo soporte. 2.3 ESPECIFICACIONESPara establecer las especificaciones del dispositivo soporte se ha tomado en consideracin el estudio de campo realizado as como las sugerencias de los operarios que realizan mantenimientos a las carcazas de lo turbo cargadores.

2.3.1 PARAMETROS FUNCIONALESEl utillaje a disear es ergonmico, es decir su operacin no produce fatiga, ni dao alguno a los operadores. Por lo cual se considera los siguientes aspectos: Debe ser verstil para poder manipular determinados rangos de peso y de dimetro. En lo posible debe ser de operacin manual. El montaje y desmontaje de las partes constitutivas del equipo a disearse debe ser simple, lo que redunde en un mantenimiento fcil.Por lo tanto para el correcto funcionamiento y adaptacin del dispositivo a los operarios se disea bajo los parmetros que se observan en la tabla 2.2:

Tabla 2. 2 Parmetros funcionales del dispositivo soporteESPECIFICACIONES TECNICAS FUNCIONALES

Soporte mximo de carga 1000 [Kg]

Angulo de giro respecto al eje principal360

Dimensin mnima de soporte800 [mm]

Dimensin mxima de soporte1000 [mm]

FuncionamientoManual /Semi automtico

LubricacinGrasa

Medio de sujecin carcaza soportePasadores / Freno

Fuente: Propia, Instalaciones ABB Ecuador SA2.3.2 NORMA QUE RIGUE EL DISEO ERGONOMICOSi bien no existen muchas normas explcitas para un diseo mecnico ergonmico como tal, existen normas que se refieren a las interacciones entre los operadores y las mquinas durante la instalacin, operacin, preparacin, mantenimiento, limpieza, desmontaje, reparacin y transporte de equipo.Estas normas recomiendan los principios a tomar en cuenta en el momento de disear y operar utillajes, herramientas o mquinas que manipulan las personas, considerando la salud, la seguridad, las capacidades humanas y el bienestar del usuario. Dichos principios son aplicables a todo mbito de las caractersticas y capacidades humanas con el objetivo de asegurar los considerados antes anotados como tambin el comportamiento global des sistema.El presente Proyecto de Titulacin se basa en la NORMA UNE-EN 614-1:2006 + A1:2009, la que trata de la Seguridad de las Mquinas, principios del diseo ergonmico. Esta norma requiere su adecuada interpretacin para que se adapte al uso previsto.2.3.3 AMBIENTE TIPO DE TRABAJO Y VIDA UTILSe refiere al medio en donde va a funcionar el dispositivo y a la carga de trabajo que va a poseer as como el nivel de instruccin que necesita el operario para su correcto funcionamiento: Los usuarios no necesitan experiencia tcnica calificada, simplemente el operador debe poseer nociones bsicas de seguridad industrial, mantenimiento de carcazas y poseer como mnimo instruccin secundaria. El dispositivo va estar sometido a una carga continua de trabajo ya que ser utilizado para realizar mantenimiento entonces funcionara solo en periodos ordinarios.

Debido a que el dispositivo no va a estar sometido a trabajo continuo se estima que la vida til ser aproximadamente 15 aos; realizando mantenimiento regular y adecuado. De tal manera que el dispositivo no sea prescindido por fallas mecnicas si no debido a desarrollo tecnolgico. 2.3.4 MATERIAL Y PROCESO DE FABRICACIN Se considera el uso de materiales que sean de fcil adquisicin en el pas y permitan un funcionamiento adecuado de la mquina. Por lo cual el material utilizado es el acero estructural ASTM A36 para toda la estructura y el acero C1018 para piezas maquinadas. Para su posible fabricacin se utilizan procesos de fabricacin convencionales, tales como torneado, taladrado, fresado, soldadura, etc. los cuales permiten el fcil acceso o fabricacin de los elementos a sustituir.

CAPITULO IIIFACTIBILIDAD

En el presente captulo se analizan las alternativas de prototipos que satisfagan con los requerimientos de diseo previamente identificados.3.1 ESTUDIO DE ALTERNATIVASDel trabajo de campo realizado se determina las caractersticas de funcionalidad del equipo a disearse, por lo que se divide al sistema general en tres sistemas que son: De sujecin de las carcazas De giro de las carcazas y, Sistema de regulacin para el rango de dimetro de carcaza a ser manipulada.Establecidos estos tres sistemas, el estudio de alternativas se realiza para cada uno de ellos y que con la estructura o bastidor conforman el prototipo a disearse.Tomado en consideracin los siguientes factores: Bajo costo de cada uno de sus elementos de construccin Facilidad de construccin y ensamblaje Facilidad de operacin y mantenimiento Seguridad y facilidad de transporte.3.1.1 SISTEMA SUJECIN DE LAS CARCAZASLas alternativas tomadas para este sistema son los siguientes: Alternativa A: Sujecin hidrulica Alternativa B: Sujecin manual3.1.1.1 Alternativa A: Sujecin hidrulica3.1.1.1.1 Descripcin:La sujecin hidrulica es un sistema de agarre de cualquier tipo de elementos, realizando movimientos de apertura, de cierre y de la presin de modo hidrulico como se muestra en la figura 3.1

Figura 3. 1 Sujecin hidrulica

3.1.1.1.2 Ventajas: El proceso de sujecin es seguro Reduce los tiempos de montaje y desmontaje de los elemento a ser sujetos.3.1.1.1.3 Desventajas: Ms costoso que el sistema de sujecin manual Necesita ms mantenimiento. El espacio para su montaje es ms amplio.3.1.1.2 Alternativa B: Sujecin manual por perno y tuerca3.1.1.2.1 Descripcin:Las carcazas poseen en su parte radial de una serie de agujeros que permiten montarlas al resto del turbo cargador. Estos agujeros pasantes se pueden utilizar para fijarlos al utillaje a disear como se muestra en la figura 3.2

Figura 3. 2 Sujecin manual perno y tuerca Elaboracin: Propia Fuente: Solidwork

3.1.1.2.2 Ventajas: Menor costo Menor mantenimiento Utiliza poco espacio3.1.1.2.3 Desventajas: Al realizar una tarea, conlleva ms tiempo Se necesita ms habilidad para su utilizacin3.1.2 SISTEMA DE GIRO DE LAS CARCAZASLas alternativas tomadas para este sistema son los siguientes: Alternativa A: Engranajes Alternativa B: Manivela de giro y pasador de anclaje en placa divisora 3.1.2.1 Alternativa A: Engranajes 3.1.2.1.1 Descripcin:Es un cilindro o rueda dentada, que se utiliza para transmitir movimiento giratorio. Utilizando un par de engranajes se dan el giro y la posicin deseada para las carcazas a ser reparadas, como se ilustra en la figura 3.3

Figura 3. 3 Engranes Elaboracin: Propia Fuente: Solidwork

3.1.2.1.2 Ventajas: Mayor control de giro Rendimiento alto Gran duracin y fiabilidad 3.1.2.1.3 Desventajas: Ruido durante su funcionamiento a grandes velocidades Mayor mantenimiento Mayor costo3.1.2.2 Manivela de giro y pasador de anclaje en placa divisora 3.1.2.2.1 Descripcin:El giro de la carcaza se realiza utilizando una manivela, para luego ubicarla en la posicin requerida para su mantenimiento se emplea una placa, la que cuenta con divisiones como se ilustra en la figura 3.4

Figura 3. 4 Manivela, pasador y placa divisoraElaboracin: PropiaFuente: SolidWork

3.1.2.2.2 Ventajas: Ms barato Su mantenimiento es fcil Se puede utilizar agujeros propios de la carcaza3.1.2.2.3 Desventajas: Menor posiciones de giro 3.1.3 SISTEMA DE REGULACIN DE DIMETRO DE CARCAZAS Las alternativas para la seleccin de este sistema son los siguientes: Alternativa A: desplazamiento por medio de tornillo de potencia Alternativa B: correderas

3.1.3.1 Alternativa A: Desplazamiento por medio de tornillo de potencia3.1.3.1.1 Descripcin:Este tipo de tornillo est destinado a la transmisin de potencia y de movimiento, es decir convierte un movimiento de giro o angular, en un movimiento lineal o de traslacin. Como se muestra en la figura 3.5

Figura 3. 5 Desplazamiento por medio de tornillo Elaboracin: Propia Fuente: Solidwork

3.1.3.1.2 Ventajas Capacidad de trasporte de carga grade Ventaja mecnica Fcil diseo y de fabricacin Bajo costo 3.1.3.1.3 Desventajas Son de baja eficiencia 3.1.3.2 Alternativa B: Correderas 3.1.3.2.1 Descripcin:Es un sistema que consta de dos elementos, en donde, uno de los elementos es fijo y el otro se desliza sobre el otro, este sistema posee un grado de libertad, este grado de libertad est en la direccin en la que se desplaza uno de los elementos como se observa en la figura 3.6

Figura 3. 6 Correderas Elaboracin: Propia Fuente: Solidwork3.1.3.2.2 Ventajas Fcil construccin 3.1.3.2.3 Desventajas Tiene un solo grado de libertad.3.2 SELECCIN DE ALTERNATIVASSe realiza una breve justificacion de los factores mas importantes que se toman a consideracion, para asi obtener la mejor alternativa que cumpla con los requerimientos que se busca para solucionar el problema propuesto. Los criterios tomados en cuenta en cada sistema son los siguientes: Costo Mantenimiento Facilidad de construccin Disponibilidad de materiales Estos criterios son posteriormente cuantificados.3.2.1 JUSTIFICACIN DE FACTORES PARA LA SELECCINPara la seleccin de las alternativas se ocup los mencionados criterios expuestos:3.2.1.1 CostoInvolucra costos de construccin como de mantenimiento. Este es un factor que hace al dispositivo competitivo frente la utilizacin de otros utillajes.3.2.1.2 MantenimientoSe refiere a la facilidad de desmontaje y montaje de cada uno de los elementos que componen el dispositivo con la finalidad de asegurar su correcto funcionamiento t de esta forma evitar contratiempos. 3.2.1.3 Facilidad de construccinInvolucra a todos los procesos y las maquinas- herramientas que se ocupan en la fabricacin del dispositivo as como la obra de mano utilizada. 3.2.1.4 Disponibilidad de materialesSe refiere a facilidad de adquisicin de los materiales utilizados dentro de la industria ecuatoriana. Una vez determinado y justificada cada uno de los factores para la seleccin se procede a dar una valoracin adecuada a cada tem. La determinada valoracin numrica para cada criterio se presenta en la tabla 3.1.Utilizando el mtodo de Brown y Gibson, el cual consiste en una evaluacin ponderada, en este punto se desea seleccionar la alternativa adecuada para cada sistema propuesto, para que dicha eleccin cumpla con los parmetros funcionales y de diseo.

Tabla 3. 1: Valoracin de criterios para la seleccin de alternativasCostoMantenimientoFacilidad de construccinDisponibilidad de materialValoracin

BajoFcilBajoBajo4

MdicoMedioMedioMedio3

AltoDifcilAltoAlto2

Fuente: PropiaElaboracin: Propia

La alternativa que obtenga la mayor puntuacin en cada sistema, ser la que se disee. En las tablas 3.2 a la 3.4 se realiza la ponderacin para cada sistema 3.2.2 SISTEMA DE SUJECIN DE LA CARCAZA

Tabla 3. 2 Valoracin de alternativas para el sistema de sujecin de la carcazaCriteriosSujecin hidrulicaSujecin manualDiseo ideal

Costo244

Mantenimiento244

Facilidad de construccin234

Disponibilidad de material234

Total81416

Porcentaje50%87,5%100%

Fuente: propia Elaboracin: propia

Como se observa en la tabla 3.2 la alternativa con la mayor valoracin para el sistema de sujecin es la manual, por lo tanto se selecciona esta opcin para su posterior diseo.

3.2.3 SISTEMA DE GIRO DE LA CARCAZA

Tabla 3. 3 Valoracin de alternativas para el sistema de giro de la carcazaCriteriosEngranajesManivela de giro y pasador de anclaje en placa divisoraDiseo ideal

Costo234

Mantenimiento234

Facilidad de construccin234

Disponibilidad de material334

Total91216

Porcentaje56.25%75%100%

Fuente: propiaElaboracin: propia

En la tabla 3.3 se visualiza que, de las opciones propuestas la de mayor porcentaje es la manivela de giro y pasador de anclaje en placa divisora, entonces est alternativa se selecciona para el desarrollo del presente proyecto.

3.2.4 SISTEMA DE REGULACION DEL DIAMETRO DE LA CARCAZA

Tabla 3. 4 Valoracin de alternativas para el sistema de regulacin del dimetro CriteriosDesplazamiento por medio de tornillo de potenciaCorrederasDiseo ideal

Costo224

Mantenimiento324

Facilidad de construccin224

Disponibilidad de material324

Total10816

Porcentaje62,5%50%100%

Fuente: propiaElaboracin: propia

En la tabla 3.4 la alternativa con la mayor valoracin es la del desplazamiento por medio de tornillo de potencia, por lo que esta alternativa se selecciona para su posterior diseo. 3.3 PROTOCOLO DE PRUEBAS El protocolo de pruebas es un documento, que consiste en un estudio de los principales parmetros establecidos en el diseo del equipo, y evaluar el correcto funcionamiento y fiabilidad del prototipo.

Algunos aspectos importantes a ser comprobados en el protocolo de prueba son: Datos de la empresa a verificar el prototipo. Dimensiones fsicas del prototipo. Verificacin de la soldadura. Verificacin de los sistemas principales.Pruebas: en este apartado el prototipo se somete a dos pruebas diferentes como son la prueba de vaco y la prueba con carga.En el Anexo 1 se muestra el formato del protocolo de pruebas

CAPITULO IVDISEO DEL DISPOSITIVO SOPORTE

Al empezar con el diseo y seleccin de los elementos del dispositivo soporte, se establecen criterios en los cuales se fundamenta el clculo de la alternativa escogida4.1 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES Y PARAMETROS DE DISEO

Para los clculos respectivos se considera a la carga en forma esttica en cualquier posicin que esta se encuentre, porque la velocidad de uso no sobrepasa los 2,4 m/min. El peso de los elementos adherentes a la estructura no se consideran debido que al ser comparados con el peso de la carcaza son despreciables. El material empleado para la construccin del prototipo es el acero A36 de fcil adquisicin en el mercado nacional. Se puede emplear otro tipo de material especfico para la fabricacin de elementos que lo ameriten. El factor de seguridad escogido es mayor o igual a 2 por ser de uso generalizado, en casos especficos se utiliza el factor de seguridad recomendado. El diseo de los diferentes elementos deben ser sometidos a comprobacin de acuerdo a las normas correspondientes. Se utilizan unidades del sistema internacional de unidades (SI) y si es necesario su equivalencia en el sistema tcnico (ST).

4.2 APLICACIN DEL SOFTWARE SAP 2000

Para facilitar el clculo de las reacciones y los momentos en cada uno de los elementos de la estructura del soporte, se utiliza el software SAP 2000, cuya presentacin se ve en la figura 4.1

Figura 4. 1 SAP2000 Advanced V14.0.0 Pantalla de inicio Fuente: COMPUTERS AND ESTRUCTURES Inc, SAP 2000 Advance V14.0.0 Pantalla de inicio

Este programa se utiliza ampliamente por ingenieros civiles, mecnicos, estructurales Arquitectos y otros, para facilitar el clculo de las estructuras, y es desarrollado por la COMPUTERS and STRUCTURES Inc en California.El objetivo del programa, es el clculo de fuerzas en los diferentes elementos de la estructura que en conjuncin con las secciones, propiedades de los materiales, aplicaciones de cargas, incorporacin de normas, se han convertido en una herramienta prctica para agilitar los procesos del diseo.Hay que tener en consideracin que, por ser un programa no tiene razonamiento. Es decir se puede utilizar el programa para agilitar los clculos pero nunca reemplazara el criterio ingenieril del diseador al analizar una estructura.4.2.1 ENTORNO DE TRABAJO DEL PROGRAMA SAP 2000Para someter a anlisis a cualquier estructura, se debe elaborar un modelo Bidimensional o Tridimensional de la estructura segn lo amerite el estudio a realizarse. Para lograr esto se dispone de un Red o Cuadricula (Grid) entre cuyos nodos se pueden ubicar los elementos de la estructura.Sin embargo se debe tener en consideracin las unidades con las cuales se va a trabajar, en la lista desplegable en la parte inferior derecha de la pantalla, como se ve en la figura 4.2

Figura 4. 2 Lista desplegable para seleccin de unidadesFuente: COMPUTERS AND ESTRUCTURES Inc, SAP 2000 Advance V14.0.0

4.2.1.1 Crear modeloPara comenzar, se debe crear un modelo de la estructura. Dentro del dialogo de Nuevo Modelo (New Model) mostrado en la Figura 4.3 Se encuentran diferentes tipos de modelos a saber:

Figura 4. 3 Ventana nuevo modelo NEW MODEL SAP 2000Fuente: COMPUTERS AND ESTRUCTURES Inc, SAP 2000 Advance V14.0.0

Blank.- Se crea un modelo en blanco, para definir dentro del programa las geometras de la cuadricula. Grid Only.- Se crea solamente la cuadricula del modelo. Beam.- Se utiliza para analizar solamente una viga bidimensional entre 2 o mas apoyos. 2D Trusses.- Para estructuras bidimensionales de celosa. 3D Trusses.- Para estructuras tridimensionales de celosa, especialmente estructuras de torres para comunicaciones y transporte de energa. 2D Frames.- Para prticos con o sin arriostramientos interiores 3D Frames.- Para edificios tridimensionales con o sin arriostramientos interiores, pisos, paredes de cortante, elementos planares, losas, etc. Wall.- Para analizar paredes de hormign armado. Flat Slab.- Para diseo de losas y pisos. Shells.- Para calcular cilindros verticales, semicilindros horizontales, mltiples semicilindros contiguos, paraboloides hiperblicas, esferas parciales, domos esfericos y domos parablicos Staircases.- Para clculo de escaleras y descansos de estas. Storage Structures.- Para clculo de tanques elevados de almacenamiento Underground Concrete.- Para clculo de estructuras enterradas, como parqueaderos, refugios, casas de mquinas, etc. Solid Models.- Para clculo de estructuras masivas de hormign, como represas, anclajes de cables de puentes, etc. Cable Bridges.- Para clculos bsicos de puentes colgantes. Cabaltrans.- Para calcular rieles o cables de transportes como telefricos. Quick Brlm.- Para clculo de puentes de viguetas simplemente apoyadas o trabes de alma llena, para secciones de acero o en hormign. Pipes and Plates.- Para placas, tubos, tuberas y conexiones especiales.

4.3 CALCULO DIMENSIONAMIENTO Y SELECCION DE ELEMENTOS.Para mayor facilidad, el soporte se disea por sistemas, que estn comprendidos en: Sistema estructural. Sistema de sujecin de las carcazas. Sistema de giro de las carcazas. Sistema de regulacin para el rango de dimetro de carcaza a ser manipulada.4.3.1 SISTEMA ESTRUCTURAL.Este sistema se refiere al soporte estructural de la carcaza, en donde va a reposar el peso de la carcaza para su mantenimiento. Por lo que se requiere de una serie de clculos que garanticen la seguridad del operario de mantenimiento.Para este clculo se tienen en consideracin los siguientes parmetros: Peso de la carcaza Fuerza aplicada a la estructura Dimensin radial de la carcaza Factor de seguridadRestricciones: Peso = 1000 [Kg f] Dimensin = 1000 [mm] Factor de seguridad (n) 2La fuerza se calcula en base al peso de la carcaza sin embargo como se debe tener en consideracin los dems elementos de la estructura se tomara 10% del peso de la carcaza como referencia por lo tanto el peso considerado ser de: 1100 [Kg f] que en su respectivo sistema es 10780 [N].4.3.1.1 Diseo geomtricoPara asegurar que la estructura soporte el peso de la carcaza se toma como geometra base un trapecio el cual va a ser respectivamente analizado con las fuerzas obtenidas mediante el uso del software SAP 2000 previamente mencionado. Adems que se debe tener en consideracin que dicho dispositivo debe tener una altura ergonmica apropiada, como se menciona en el apartado 1.1.7.

Figura 4. 4 Estructura geomtrica del soporteFuente: Propia Solidwork

4.3.1.2 Calculo de la fuerza en cada extremo del soportePara el clculo de las reacciones en cada apoyo de la estructura, se realiza un anlisis considerando al peso como carga distribuida, como se ilustra en la figura 4.1.

Figura 4. 5 Reacciones del soporte de la carcaza Fuente: Propia Una vez ubicada la fuerza y reacciones que actan dentro de los soportes de la estructura se realiza un anlisis esttico (Ver Ec. 4.1 y Ec. 4.2) para determinar el valor de cada reaccin:(Ec. 4.1)RA + RB = 10780

(Ec. 4.2)MB = 0RB = = 5390 [N]RA = 5390 [N]

4.3.1.3 Calculo del perfilCon el valor de cada reaccin se procede a determina el esfuerzo cortante y el momento mximo de la parte vertical de la estructura.

Figura 4. 6 Estructura soporte mvil Fuente: Propia- SolidworkPara este clculo se tienen como datos los siguientes parmetros: Longitud de la viga soporte = 300 [mm] Carga puntual = 5390 [N] Factor de seguridad 2En base a estas consideraciones, se presenta el diagrama de cuerpo libre en la figura 4.5

Figura 4. 7 Viga soporte Fuente: MDSolids 4.0 Elaboracin: Propia

Los diagramas del esfuerzo cortante y momento flector se determinan mediante el software MDSolids 4.0 y son representados en las figuras 4.6 y figura 4.7 respectivamente.

Figura 4. 8 Diagrama del cortante de la viga soporteFuente: MDSolids 4.0 Elaboracin: Propia

El esfuerzo cortante mximo (VM) es de 2695 [N]

Figura 4. 9 Diagrama del momento flector de la viga soporteFuente: MDSolids 4.0 Elaboracin: Propia

El momento mximo (MM) es de 404,25 [Nm]4.3.1.3.1 Seleccin del perfilA partir del momento mximo originado en la aplicacin de las cargas mencionadas se selecciona el perfil, utilizando un factor de seguridad (n) mayor o igual a 5Se selecciona acero estructural ASTM A-36 que posee las propiedades expuestas en la tabla 4.1Tabla 4. 1 Propiedades mecnicas acero ASTM A-36Propiedades Mecnicas

Esfuerzo Fluencia MnimoEsfuerzo Traccin MnimaElongacin

Kg/mm2MPaKg/mm2MPa%

25,525040,84002

Fuente: http://www.acerosotero.cl/acero_carbono_astm_a36.html

Mediante la ecuacin 4.3 y otras relaciones se determinan el mdulo de resistencia para un perfil determinado (Ec. 4.3)[footnoteRef:8] [8: MANUAL DE DISEO MECANICO, J. E. SHIGLEY.]

Donde:= esfuerzo permisibleMM = momento mximo Sy = lmite de fluenciaSx = mdulo de resistencia

=125 [MPa] (Ec.4.2)Reemplazando valores en la ecuacin 4.2Sx = 6,468 x 103 [m3]Sx = 6.468 [cm3]De acuerdo al catlogo IPAC que se muestra en el Anexo 2, se selecciona un perfil cuadrado de lado 60 [mm] y de espesor 2 [mm] Adems por diseo geomtrico y la utilizacin de correderas se selecciona un ngulo, que sea la gua de la misma. Ver Anexo 34.3.1.4 Anlisis estructural del soporteUna vez seleccionado el perfil y con el diseo geomtrico de la estructura se hace el anlisis del mismo, por medio de la aplicacin del software SAP 2000 previamente mencionado (Ver seccin 4.2)Sin embargo debido a que la estructura posee un soporte mvil el cual vara su posicin de acuerdo al dimetro de la carcaza que soporta, el anlisis estructural debe ser en dos posiciones puntuales (Ver Capitulo 2, Tabla 2.1): Dimetro mximo de la carcaza a soportar Dimetro mnimo de la carcaza a soportar En las figuras 4.10 a las 4.22 se visualiza el anlisis estructural de la carcaza en sus dos posiciones principales.

4.3.1.4.1 Anlisis estructural para el dimetro mximo

Figura 4. 10: Diseo geomtrico de la estructura: a) Diseo 2D, b) Diseo 3D Fuente: SAP2000 V14 Elaboracin: Propia

Figura 4. 11: a) Fuerzas que soporta la estructura b) Fuerzas resultantes Fuente: SAP2000 V14 Elaboracin: Propia

Figura 4. 12: a) Diagrama fuerza cortante Y b) Fuerza cortante mxima y mnimaFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Figura 4. 13: a) Diagrama fuerza cortante X b) Fuerza cortante mxima y mnimaFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Figura 4. 14: a) Diagrama momento X b) Momento mxima y mnimaFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Figura 4. 15: a) Diagrama momento Y b) Momento cortante mxima y mnimaFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Figura 4. 16: a) Diagrama momento Torsor b) Momento Torsor mximo y mnimo Fuente: SAP2000 V14 Elaboracin: Propia

4.3.1.4.2 Anlisis estructural para el dimetro mnimo

Figura 4. 17: a) Fuerzas que soporta la estructura b) Fuerzas resultantesFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Figura 4. 18: a) Diagrama fuerza cortante Y b) Fuerza cortante mxima y mnimaFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Figura 4. 19: a) Diagrama fuerza cortante X b) Fuerza cortante mxima y mnimaFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Figura 4. 20: a) Diagrama Momento Y b) Momento mximo y mnimoFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Figura 4. 21: a) Diagrama Momento X b) Momento Flector mximo y mnimoFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Figura 4. 22: a) Diagrama momento Torsor b) Momento Torsor mximo y mnimoFuente: SAP2000 V14Elaboracin: Propia

Con los datos obtenidos se concluye que el material y el perfil seleccionado para el diseo cumplen con las caractersticas para soportar las fuerzas ejercidas sobre el mismo.4.3.1.5 Seleccin de soldaduraEl 80% de las soldaduras realizadas en el prototipo se encuentran en la estructura soporte, lo que quiere decir, que los perfiles metlicos de bajo espesor con resistencia a la fluencia igual a 250 [MPa] (36 ksi), son unidos mediante el proceso SMAW mediante la seleccin del electrodo E 6011 de dimetro 3,2 [mm] (1/8) como electrodo de penetracin recomendado segn la norma AISC. En el Anexo 4 (WPS Soladura de la estructura) se presenta los parmetros del diseo de la soldadura a emplearse, adems el electrodo seleccionado es de la marca INDURA E6011, sus caractersticas se detallan en el Anexo 5.4.3.1.6 Seleccin de GarruchasSon elementos que permiten desplazar con mayor facilidad al equipo dependiendo del lugar en donde se realice el mantenimiento de la carcaza. Ver figura 4.23

Figura 4. 23 GarruchaFuente: Catalogo de ruedas y garruchas industriales ecuador

Para esta seleccin se consideracin los siguientes parmetros: Capacidad de carga Superficie de trabajo Condiciones AmbientalesRestricciones: Capacidad de carga (Cc) Se determina dividiendo la carga total por el nmero de garruchas a utilizar.Cc = 275 [Kg f] Superficie de trabajoLa garruchas van estar expuestas a superficies de asfalto, baldosa, cermica, madera y ladrillo. Condiciones ambientalesLas garruchas van a estar expuestas a ambientes de aceite industrial, superficies hmedas y viruta metlica.De acuerdo a lo anteriormente mencionado y con el catlogo de garruchas expuesto en el Anexo 6 se tiene que la garrucha seleccionada es: Rueda de tipo PR de dimetro 150 [mm] 4.3.2 SISTEMA DE SUJECION DE LAS CARCAZASEste sistema se refiere a los elementos que permiten la sujecin de la carcaza hacia la estructura del soporte como se muestra en la figura 4.24 para permitir ubicarla en las diferentes posiciones en las que se debe realizar el mantenimiento de la misma.

Figura 4. 24 Sujecin de la carcaza- placa soporteElaboracin: PropiaFuente: SolidWork4.3.2.1 Diseo de la placa soporteEs aquel elemento que permite la interaccin y el soporte entre la carcaza y el eje que genera el movimiento de la misma. Ver figura 4.24Para el diseo se tiene en consideracin los siguientes parmetros: Material de construccin Espesor Dimetro de orificios para las sujecin de la carcaza Distancia entre centros de los orificios Alto y ancho de la placaRestricciones: Material de construccin: Acero SAE 1018 Espesor Se selecciona un espesor similar al de la carcaza que es de 15 [mm] Dimetro de orificios do = 20 [mm] (De acuerdo a parmetros dimensionales del dispositivo ver Tabla 2.1) Distancia entre centros de los orificios.La distancia es de 110 [mm] (De acuerdo a parmetros dimensionales del dispositivo ver Tabla 2.1) Ancho y alto de la placa Se determina de acuerdo a la distancia entre centros y el dimetro de los orificios, de tal manera que se asegure el soporte de la carcaza, sin que ocurra una fractura del mismo. Por lo tanto las dimensiones son: Ancho = 48 [mm]Alto = 160 [mm] 4.3.2.2 Seleccin de los pernos de sujecin Para seleccionar el perno que cumpla con la funcin determinada, se realiza el anlisis sometindole al mismo a esfuerzos de corte y traccin. Debido a que son las dos posiciones principales en las que el perno va a trabajar.

Figura 4. 25 a) perno sometido a corte b) perno sometido a traccinElaboracin: Propia

Para esta seleccin se tienen en consideracin los siguientes parmetros: Fuerza a soportar Espesor de la carcaza Espesor del elemento soporte Mdulo de elasticidad del perno Cantidad de pernos Dimetro del perno Longitud del pernoRestricciones: Fuerza a soportar F = 5390 Espesor de la carcaza t = 20 [mm] = 0,02 [mm] Espesor del elemento soportel = 15 [mm] = 0,015 [mm] Mdulo de elasticidad del perno (E)E = 30 x 106 [psi]E = 2,07 x 1011 [Pa] Cantidad de pernosNp = 2 Dimetro del pernodp = 20 [mm] = 0,02 [mm] (De acuerdo a parmetros dimensionales del dispositivo ver Tabla 2.1) Longitud del pernoPara determinar la longitud del perno se considera la longitud de cada espesor que va a unir, adems de la longitud de la tuerca. Esta se obtiene de una relacin con el dimetro del perno (Ver Anexo 7) lt (longitud de la tuerca) = 16 [mm] = 0,016 [m] lp = t + l + lt + ex lp = 0.02 + 0.015 + 0,016 + 0,009 = 0.06 [m] = 60 [mm]

4.3.2.2.1 Esfuerzo de precargarea de apoyo (Aa) = dp x t(Ec. 4.2)Aa = 0,02 x 0,02Aa = 0,004 [m2]Esfuerzo de precarga(Ec.4.3)

4.3.2.2.2 Esfuerzo cortante promedio rea de corte (Ac) = (Ec. 4.4) [m2]Esfuerzo cortante (Ec. 4.5)

4.3.2.2.3 Esfuerzo bajo carga(Ec. 4.6)(Ec. 4.7) la = 0,04 [m](Ec. 4.8)

(Ec. 4.9)

Km = 6,36 x 109 Reemplazando las constantes kb, y km en la Ec. 4.7

c = 0.5Reemplazando constante de carga esttica en la Ec. 4.6

4.3.2.2.4 Resistencia ultima mnima a la traccin

Factor de seguridad (n)Como los pernos deben soportar una gran carga para evitar la cada de la carcaza sobre los operarios se toma un factor de seguridad igual 5(Ec. 4.10)Su = 5 x 101,1 Su = 505,5 [MPa]Por lo tanto el perno seleccionado tiene que ser: M20 x 60 con SU 505,5 [MPa] que mediante la tabla de clases mtricas (ver Anexo 8) el perno escogido es de propiedad 8,8. 4.3.3 SISTEMA DE GIRO DE LAS CARCAZASEste sistema se refiere a los elementos que permiten dar giro a la carcaza y ubicar en las diferentes posiciones a la misma para su mantenimiento Ver la figura 4.26

Figura 4. 26 Sistema giro de las carcazasElaboracin: PropiaFuente: SolidWork

4.3.3.1 Diseo del eje Para este clculo se tienen en consideracin los siguientes parmetros: Fuerza aplicada al eje Tipo de materialRestricciones: Fuerza aplicada al ejeFe = 4900 [N] Longitud del eje: 0,160 [m] Tipo de material: Acero de transmisin SAE 1018 que tiene las siguientes propiedades Resistencia a la fluencia Sy = 220 [MPa] Resistencia a la Traccin Sut = 400 [MPa][footnoteRef:9] [9: SHIGLEY; Diseo en ingeniera mecnica; 8va Edicin; Apndice A-20]

4.3.3.1.1 Fuerza cortante mxima y momento flector mximo En la figura 4.23 se muestra el diagrama de cuerpo libre del elemento: con lo que se obtiene la reaccin RA

Figura 4. 27 Diagrama de cuerpo libre del ejeFuente: propia

El clculo de la R1 est dado por la siguiente sumatoria de fuerzas:(Ec. 4.11)

Una vez obtenida la reaccin en A se realiza un estudio por tramos del eje para realizar los diagramas de fuerza cortante y momento flector, como se indica en la figura 4.24 y de esta manera obtener el punto crtico y el momento flector mximo.

Figura 4. 28 Divisin del eje en tramos Fuente: propia Estudio del tramo 1En la figura 4.25 se representa las fuerzas que interactan el tramo 1

Figura 4. 29 Diagrama de cuerpo libre tramo 1 Fuente: propia

Calculo de la fuerza cortante y el momento flector (Ec. 4.12) ; Cuando 0 x 0,076 (Ec. 4.13) Estudio del tramo 2En la figura 4.26 se representa las fuerzas que interactan el tramo 1

Figura 4. 30 Diagrama de cuerpo libre tramo 2Fuente: propia Calculo de la fuerza cortante y el momento flector (Ec. 4.14) ; Cuando 0,075 x 0,16 (Ec. 4.15) Calculo del momento torsor.Potencia generada por brazos ( (Ec. 4.16)[footnoteRef:10] [10: MARKS, Manual del ingeniero mecnico, 17-39, 9-4]

Dnde:t = Tiempo en el que puede producir hp, para el proyecto el valor del tiempo es 2 [s], debido a que el operario no est en constante movimiento, slo se realiza hasta regular la carcaza hasta una posicin determinada. Torque, ((Ec. 4.17)[footnoteRef:11] [11: VALLEJO ZAMBRANO, Fsica vectorial]

Donde: = velocidad angular, la cual se la considera como una revolucin debido a que el movimiento no va hacer continuo.

Diagramas de fuerza cortante, momento flector y momento torsor:

Figura 4. 31 Diagrama de fuerza cortante Fuente: propia

Figura 4. 32 Diagrama de Momento flector Fuente: propia

Figura 4. 33 Diagrama Momento Torsor Fuente: propia

De las figuras 4.27, 4.28, 4.29 se determina que el punto crtico es A obteniendo as los valores mximos de fuerza cortante, momento flector y momento torsor.Vmax = 4900 [N] 4.3.3.1.2 Calculo de esfuerzos (Ec. 4.18) (Ec. 4.19)Reemplazando los valores de momento flector mximo, momento torsor mximo y dimetro de 0,006 [m] en las Ec. 4.18 y 4.19:;;Siguiendo con el clculo de las teoras de falla para el diseo esttico del eje, se aplica la teora de falla de la distorsin: (Ec. 4.20)

Factor de seguridad (Ec. 4.21)Donde: = Esfuerzo permisibleSy = Lmite de fluencia 4.3.3.1.2 Clculo del dimetro del eje asumiendo un factor e seguridad Para mquinas de uso industrial se considera un factor de seguridad mayor a 1 por lo tanto el factor de seguridad a estimar es 1,5. (Ec. 4.22)

4.3.3.1.3 Diseo de la lengetaPara permitir transmitir el movimiento de la manivela al eje y de esta forma ubicar la carcaza en una posicin determinada se realiza el diseo de una lengeta. Mencionado elemento se disea con seccin rectangular para encajarse entre la manivela y el eje que son solidarios entre s, evitando deslizamientos de una pieza sobre la otra. La lengeta debe carecer de juego que pudiese desgastarla o romperla por cizallamiento.Para este clculo se tiene en consideracin los siguientes parmetros: Base de la lengeta Altura de la lengeta Longitud de la lengetaRestricciones Base de la lengeta (b) = 8 [mm] Altura de la lengeta (h) = 7 [mm]Las dimensiones se obtienen a partir de una relacin con el eje, como se muestra en el Anexo 9. Bajo estas consideraciones el elemento representado en la figura 4.30, soporta los esfuerzos cortantes a los que est sometido.

Figura 4. 34 Diagrama de cuerpo libre de la lengeta en el eje. Fuente: Propia

Longitud de la lengeta (le)Para determinar la longitud de la lengeta se considera que: El Material para su construccin sea Acero SAE 1018, cuyo valor de Sy= 220 [MPa].El valor del torque (T) generado en la manivela es: Se obtiene la fuerza generada por el torque (F): (Ec. 4.23) De la teora de falla de distorsin se tiene la siguiente ecuacin: (Ec. 4.24) Los valores obtenidos se remplazan en la presente ecuacin Ec. 4.25 (Ec. 4.25)Donde: Ssy = resistencia al cortante n = Factor de seguridad.

Debido a que los esfuerzos son muy bajos y por facilidad de mecanizado se opta por dar una longitud normalizada con un valor igual a 20 [mm]. 4.3.3.1.3 Diseo de la soldadura para unir la placa soporteLa soldadura es el proceso que sirve para unir el eje y la placa de sujecin. El proceso que se utiliza es SMAW, en el Anexo 10 se presenta el correspondiente WPS con la descripcin del proceso.Las consideraciones para la siguiente memoria de clculo son las siguientes: Se realiza una junta tipo T. Para el desarrollo de los clculos, el esfuerzo acta de manera perpendicular sobre la garganta efectiva del filete. El material est sometido a un momento mximo cuyo valor es: 784 [N*m] Se selecciona un electrodo E70xx, con un lmite de fluencia igual a 420 [MPa].Siguiendo con el proceso se calcula el momento de inercia unitario lu de acuerdo a la tabla 4.2 Tabla 4. 2 Propiedades flexionantes de la soldadura

Fuente: SHIGLEY; Diseo en Ingeniera Mecnica; 8va Ed; Tabla 9.2

El momento de inercia ( (Ec. 4.26)Donde:b = longitud del material baseh = espesor del material base

Se determina la garganta efectiva de soldadura t:

Figura 4. 35 Esquema de soldadura Elaboracin: Propia

De donde se obtiene el momento de inercia de la soldadura ( (Ec. 4.27)

El esfuerzo al que se somete la soldadura ( (Ec. 4.28)

Para el electrodo se calcula (Ec. 4.29) Reemplazando Ec. 4.27 en Ec. 4.28

Por lo tanto se selecciona un electrodo E 7018 de 3mm (1/8) de dimetro, realizando 3 pasadas, de la marca INDURA cuyas propiedades se pueden observar en el Anexo 11. 4.3.3.2 Seleccin de la chumaceraPara seleccionar la chumacera se considera como factor fundamental el dimetro del eje en el cual va estar montada, dicho valor es 30 [mm]. En el catlogo presentado en el Anexo 12 se selecciona una chumacera tipo pared designacin FY30SD, como se ilustra en la figura 4.36

Figura 4. 36 Rodamiento tipo pared designacin FY30SDFuente:http://www.dismagri.com/comercio/catalogo/rodamientos/serie-ucf/rodamiento-ucf206?vmcchk=1

4.3.3.3 Diseo de la placa divisora Es el elemento que permite ubicar en posiciones determinadas a la carcaza para realizar las diferentes operaciones de mantenimiento. Ver figura 4.37

Figura 4. 37 Placa divisoraElaboracin: PropiaFuente: SolidWork

Para este diseo se considera los siguientes parmetros: ngulos de posicionamiento de la carcaza Material de fabricacin Espesor Restricciones: ngulos de posicionamiento de la carcazaPor diseo ergonmico y geomtrico determinada placa tiene forma circular de radio 60 [mm]. En donde de acuerdo a los requerimientos del usuario dicha placa se divide para 6 diferentes posiciones. Por lo tanto la dimensin de los ngulos de posicin es de 60 Material de fabricacin Acero SAE 1018 Espesor Se selecciona un espesor similar al de la carcaza que es de 15 [mm]4.3.3.4 Diseo de la manivela Es aquel elemento que permite girar al eje para mover la carcaza, el cual transmite el movimiento al eje por medio de una lengeta. Ver figura

Figura 4. 38 ManivelaElaboracin: PropiaFuente: SolidWork

Para este diseo se considera los siguientes parmetros: Longitud de la manivela Espesor Material de fabricacinRestricciones: Longitud de la manivela:Por diseo ergonmico se surgiere que la longitud de la manivela sea la longitud promedio de un brazo. Par que de esta forma el girar la carcaza no resulta cansado y de una dificultad considerable. Por lo tanto la longitud sugerida de la manivela est entre: 250 [mm] a 300 [mm] Espesor El espesor recomendado para la manivela es de 15 [mm] debido a que el radio del eje es de 30 [mm] Material de fabricacin Acero SAE 10184.3.4 SISTEMA DE REGULACIN PARA EL RANGO DE DIMETRO DE CARCAZA A SER MANIPULADA.Este sistema se refiere a elementos mecnicos que permitan desplazar y asegurar el soporte mvil de acuerdo al dimetro de la carcaza a realizarle mantenimiento. Dentro de estos dispositivos de acuerdo al estudio previamente mencionado en la seccin 3.1.1 se tienen un tornillo de potencia como se puede visualizar en la figura 4.39.

Figura 4. 39 Sistema de regulacinElaboracin: PropiaFuente: SolidWork

4.3.3.1 Diseo del tornillo de potencia Para garantizar el correcto desempeo al momento de desplazar la estructura mvil se necesita de un mecanismo de fcil manipulacin, el cual es un tornillo de potencia, este mecanismo est sujeto a la estructura rgida del soporte. Sin embargo hay que considerar que el tornillo no va a transmitir fuerza sino a general desplazamiento por lo cual se necesita de un paso lo suficientemente grande. Por lo tanto se opta por disear un tornillo de tres entradas.

Para este clculo se tienen en consideracin los siguientes parmetros: Masa de la estructura mvil Carga de soporte del tornillo Tipo de rosca y tornillo Material de tornillo Lubricante Restricciones: Masa de la estructura mvil Msm= 10 =98.1 Carga de la estructura mvil La imagen 4.40 muestra el sistema hiperesttico para el perfil transversal en donde se encuentran los apoyos incluido el tornillo de potencia.

Figura 4. 40 Diagrama de cuerpo libre del perfil transversalElaboracin: Propia

Para el anlisis de la plataforma se aplica el teorema de Clapeyron o teorema de los tres momentos, el cual permite encontrar las reacciones en sistemas hiperestticos representadas en la figura 4.41:

Figura 4. 41 Diagrama cuerpo libre del perfil transversal Elaboracin: Propia

El teorema de los tres momentos (Ec.4.30)Los puntos A y C, por ser los extremos, presentan momentos nulos: (Ec. 4.31)Entonces: (Ec. 4.32) En base al manual de Pisarenko (Anexo 13), para vigas que soportan fuerzas distribuidas, se tiene:(Ec. 4.33)Reemplazando: Sustituyendo la Ec. 4.33 en Ec. 4.32, se tiene: (Ec. 4.34)Se procede a calcular los momentos hiperestticos:Tramo izquierdo:

Figura 4. 42 Tramo izquierdo del perfil - Momentos hiperestticosElaboracin: Propia

(Ec. 4.35)= 0,77 [N]Tramo derecho:

Figura 4. 43 Tramo derecho del perfil - Momentos hiperestticosElaboracin: Propia(Ec. 4.36)= 0,77 [N]La obtencin de cargas externas se efecta en dos tramos, similar al caso anterior:Tramo izquierdo:

Figura 4. 44 Tramo izquierdo del perfil - Cargas externasElaboracin: Propia

(Ec. 4.37) Tramo derecho:

Figura 4. 45 Tramo derecho del perfil - Cargas externasElaboracin: Propia (Ec. 4.38) Las reacciones finales se establecen con la sumatoria de las dos anteriores:De las ecuaciones (4.35) y (4.37) se obtiene que, (Ec. 4.39) (Ec. 4.40)De las ecuaciones (4.36) y (4.38) se obtiene que,(Ec. 4.41)(Ec. 4.42)Por lo tanto la carga de soporte del tornillo es:Psm= 6,9 Tipo de rosca y tornillo para una rosa de tres entradasTornillo de rosca mtrica cuadrada cuyos datos son:Paso aparente (pa) = 10,5 [mm]Paso real (p) = 3,5 Dimetro nominal (dn) = 30 (De acuerdo tabla anexo 14)4.3.3.1.1 Clculos de dimetrosDimetro de paso (dp) = dn p (Ec 4.43)dp = 30 3,5 = 26,5 Dimetro menor (dm) = dn p/2 (Ec. 4.44)dm = 30 1,75 = 28,25

4.3.3.1.2 Calculo del ngulo de avanceAvance (L)= n x pa (Ec. 4.45)L = 1 x 10,5 = 10,5 Angulo de avance () = tan = (Ec. 4.44)= tan-1 = 3 4.3.3.1.3 Calculo del par de torsin Parmetros: Coeficiente de friccin dinmico (f) = 0,09[footnoteRef:12] [12: SHIGLEY; Diseo en ingeniera mecnica; 8va Edicin; Tabla 8.6]

Coeficiente de friccin del collarn (fc) = 0Dimetro de collarn (dc) = 0 (Debido a que no se utiliza collarn en esta aplicacin)Para desplazar la estructura mvil hacia adelante (elevar) Ts = (Ec. 4.45)Ts = Ts = 12,67 Para desplazar la estructura mvil atrs (bajar)Tb = (Ec. 4.46)Tb = Tb = 4.873 4.3.3.1.4 Calculo de la eficiencia (e)e = (Ec. 4.47)e = 320 Con la eficiencia obtenida queda demostrado que el tornillo de potencia cumple con la finalidad de desplazar la estructura mvil.4.3.3.1.5 Condicin de auto aseguramiento (Ec. 4.48)

4.3.3.1.6 Esfuerzo cortante debido al momento de torsin Ts en el exterior del tornillo = (Ec. 4.49) = = 3,56 x 10-6 Mediante a la informacin obtenida se concluye que el tornillo de potencia no tendr tendencia a deformarse y mucho menos a fracturarse.4.3.3.1.7 Esfuerzo axial nominal = (Ec. 4.50) = = -0,013 4.3.3.1.8 Esfuerzo de apoyo (Ec. 4.51)

4.3.3.1.9 Esfuerzo flexionante en la raz (Ec. 4.52) 4.3.3.1.10 Esfuerzo von Mises y esfuerzo cortante mximo (Ec. 4.53)Reemplazando Ec 4.49 y Ec 4.50 en la Ec 4.53

max = (Ec. 4.54)Reemplazando Ec 4.53 en la Ec 4.54:max = max =26,99

De acuerdo a los esfuerzos obtenidos el material escogido es: ASTM A-36 que tienen las siguientes propiedades mecnicas:Esfuerzo fluencia mnimo: 250 [MPa]Esfuerza traccin mnima: 400 [MPa]4.3.3.1.11 Factor de seguridad (Ec. 4.55) n = 6Por lo tanto se concluye que el material y las dimensiones escogidas son adecuados.

4.3.2.2 Diseo del trinquete:Este elemento se utiliza para ubicar a la carcaza en la posicin requerida por el usuario para el pertinente mantenimiento.Dicho elemento va a trabajar a corte y soporta el mismo momento que la lengeta que acciona la manivela, por lo tanto y como adems trabaja como un pasador determinamos el rea resistente al corte y equivalente al rea de la seccin de la lengeta.(Ec. 4.56)Donde:b: ancho de la lengetah: altura de lengeta

Obtenemos el rea equivalente: (Ec. 4.57)

Po