UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR - Biblioteca central de la

UNIVERSIDAD SIMÓN
BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS
PROFESIONALES COORDINACIÓN DE
INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO Y DESARROLLO DE LA INFRAESTRUCTURA MECÁNICA DE UN
SISTEMA PORTÁTIL DE MEDICIÓN DE TRÁFICO VEHICULAR.
Por:
Jonathan Toledo
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al titulo de
Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Septiembre
2012
UNIVERSIDAD SIMÓN
BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS
PROFESIONALES COORDINACIÓN DE
INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO Y DESARROLLO DE LA INFRAESTRUCTURA MECÁNICA DE UN
SISTEMA PORTÁTIL DE MEDICIÓN DE TRÁFICO VEHICULAR.
Por
:
Jonathan Toledo
Realizado con la asesoría de:
Tutor Académico: Lilibeth Zambrano
Tutor Industrial: Rafael Santelmo
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al titulo de
Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Septiembre
2012
iv
v
RESUMEN
InTech es una empresa que proporciona un servicio de mejora de tráfico
mediante simulaciones, basadas en data recolectada en la calle, gracias a
cámaras instaladas cerca de intersecciones, semáforos, etc. Dicha instalación en
estos momentos requiere un despliegue de gran cantidad de recursos
estructurales, energéticos y logísticos; el presente proyecto de grado pretende
solventar la problemática a la que se enfrenta El Grupo InTech SOLUTIONS, la
cual consiste en diseñar y construir un prototipo cuya estructura sea
transportable en los vehículos de la compañía, de fácil instalación y a su vez,
que sea capaz de elevarse 11 metros de altura; de manera tal que ésta
estructura les permita ser más versátiles y rápidos a la hora de recolectar la
data, lo que se traduciría en una significativa reducción de gastos y a su vez una
mejora del servicio otorgado. La importancia del diseño de este equipo radica en
facilitar a los técnicos de campo trasladarse a una zona, sin importar las
condiciones en la que se encuentre ésta, es decir, se superarían limitaciones
como falta de fuentes de electricidad o de un poste cercano para poder instalar la
cámara. A raíz de esto, se diseñó una estructura mecánica compuesta de un
sistema de poleas para su fácil elevación y de una base desmontable donde se
pueden colocar una variedad de instrumentos electrónicos sin preocuparse por el
espacio. Se fabricaron modelos iniciales en cartón para que los técnicos y el jefe
de desarrollo tuviesen una apreciación física del prototipo y a su vez evaluaran
el desempeño del mismo; gracias a estos modelos fue posible optimizar el
prototipo reduciendo el gasto de fabricación, haciéndolo más sencillo y de fácil
mantenimiento. Esto demuestra la importancia de los modelos en la fabricación
y desarrollo de un prototipo en conjunto con el usuario final del dispositivo.
vi
Dedicatoria
A mi amada
familia, que con amor y paciencia
han hecho de mí el hombre que soy
ahora, A quienes aprecio, quiero
mucho y me han acompañado a lo
largo de toda mi carrera.
.
vii
Agradecimientos y Reconocimientos
En primer lugar quisiera agradecer a Dios por haberme dado el ingenio y
claridad que sumado a mis esfuerzos comienzo a obtener los resultados que hoy
por hoy se empiezan a materializar. Por la salud que me ha dado, la increíble
familia que me ha otorgado y por brindarme la oportunidad de realizarme
integralmente como individuo.
Muy especialmente agradezco a mis padres, que gracias a su apoyo constante,
amor, y por el deseo constante de hacer de sus hijos las mejores personas, por no
rendirse ante los obstáculos que impone la vida y mirar siempre al frente con la
convicción de que nada es imposible; y a mis hermanos, Jennifer y Luis, por
motivarme incesantemente en el alcance de mis propósitos. A todo el resto de
mis familiares, por brindarme su apoyo y formar parte de mi vida, mi más
sincero agradecimiento.
Gracias a Lilibeth Zambrano y Rafael Santelmo por haberme orientado con
dedicación durante la realización de este trabajo. Por guiarme a lo largo del
camino y brindarme la oportunidad de realizar lo que más quiero, gracias a ellos
nuevamente.
Agradezco también a mis compañeros de trabajo por su importante
contribución al proyecto, su ayuda y la disposición de crear un entorno de
trabajo más agradable. Incluyo en este grupo al personal de Desarrollo y
Proyectos, con especial reconocimiento a Rafael Santelmo, Oscar Hurtado,
Marianela Mendoza, Sergio de Jesús y Nestor Eduartes, por sus significativos
aportes. De igual manera a las compañías Optimun E Industrias Malfot por su
apoyo en la fabricación de los prototipos.
viii
Nomenclatura
Tabla de Unidades y Símbolos
Unidad
Símbolo
Cantidades Físicas
A
Reacción de Apoyo
N
b
Base de la Pata
m
B
Reacción de Apoyo
N
CL
Factor de Corrección por Tipo de carga
adimensional
Cd
Factor de Corrección por Tamaño de pieza
adimensional
Cs
Factor de Corrección por Acabado Superficial adimensional
Ct
Factor de Corrección por Temperatura
D
Desplazamiento
Dval
Deformación Máxima
E
Coeficiente de Elongación
F
Fuerza de Pesos Supuestos sobre el SIRD
Fv
Fuerza del Viento
g
Gravedad
h
Altura de la Pata
m/s
m
I
Inercia de Forma
m4
L
Longitud
M0
Momento Máximo
μ
Coeficiente de Fricción
adimensional
Nciclos
Numero de Ciclos
adimensional
P
Presión Total
Pcr
Peso Critico de Pandeo
N
R
Reacción Entre Patas
N
Sy
Esfuerzo a Tension
MPa
σmax
Esfuerzo Máximo
MPa
adimensional
m
Mm
N/m2
N
N
2
m
Nm
kPa
ix
τadm
Corte Máximo Admisible
MPa
τmax
Esfuerzo Cortante Máximo
MPa
Símbolo
Cantidades Físicas
V
Fuerza Cortante
N
W
Peso Total
N
W1
Peso Pata Hueca
N
W2
Peso Pata Maciza
N
Unidad
x
Lista de Abreviaturas
USB
Universidad Simón Bolívar
InTech
Grupo Intech Solutions
SIRD
Sistema Integral de Recolección de Data
AWS
American Welding Society, “Sociedad Norteamericana de
Soldadura”
SMAW
Shield Metal Arc
Welding GMEAG
Gas Metal Arc
Welding TIG
Tungsten Inert Gas
COVENIN
Comisión Venezolana de Normas Industriales
xi
Contenido
RESUMEN ..................................................................................................................... vi
Dedicatoria ................................................................................................................... vii
Agradecimientos y Reconocimientos .......................................................................... viii
Nomenclatura................................................................................................................. ix
Tabla de Unidades y Símbolos ...................................................................................... ix
Lista de Abreviaturas .................................................................................................... xi
Índice de Figuras .......................................................................................................... xv
Índice de Tablas ..........................................................................................................xvii
INTRODUCCION ........................................................................................................... 1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................................... 2
JUSTIFICACION E IMPORTANCIA......................................................................... 3
OBJETIVO ................................................................................................................... 3
ALCANCE DEL PROYECTO ..................................................................................... 4
CAPÍTULO I ................................................................................................................... 5
1.1
MÁQUINAS DE RECOLECCION DE VIDEO ................................................. 5
1.2 MAQUINAS SIMPLES DE ELEVACION ............................................................ 6
1.2.1 PLANO INCLINADO ...................................................................................... 7
1.2.2 TORNILLO ...................................................................................................... 7
1.2.3 EL TORNO ...................................................................................................... 8
1.2.4 LA POLEA ....................................................................................................... 8
1.3 TORRES DE ILUMINACIÓN Y FUNCIONAMIENTO .................................... 10
1.4 DISEÑO ............................................................................................................... 12
1.4.1 DISEÑO EN INGENIERÍA .......................................................................... 13
1.4.2 CLASIFICACIÓN DEL DISEÑO ................................................................. 14
1.5 MÉTODOS DEL DISEÑO .................................................................................. 14
1.5.1 MECANISMOS PARA LA GENERACIÓN DE IDEAS .............................. 14
1.5.2 MÉTODO DE LA TORMENTA DE IDEAS ................................................. 17
1.5.3 MÉTODO DEL ANÁLISIS MORFOLÓGICO .............................................. 19
xii
1.5.4 SINÉCTICA ................................................................................................... 20
1.5.5 ANÁLISIS DE CUALIDADES...................................................................... 20
1.5.6 INNOVACIÓN FUNCIONAL ....................................................................... 21
CAPITULO II ................................................................................................................ 22
DISEÑO CONCEPTUAL DE LA UNIDAD SISTEMA INTEGRAL DE
RECOLECCION DE DATA (SIRD) ............................................................................. 22
2.1 CARACTERÍSTICAS DE CÁMARAS A COLOCAR PARA LA RECOLECTA
DE DATA ................................................................................................................... 22
2.2 CONDICIONES ACTUALES DEL GRUPO INTECH....................................... 23
2.3 REQUISITOS DEL DISEÑO CONCEPTUAL DE LA UNIDAD SIRD ........... 23
2.4 PRESENTACION Y COMPARACIÓN DE MODELOS PRELIMINARES....... 24
2.4.1 MODELO PROPUESTO 1-A BASE CILÍNDRICA...................................... 24
2.4.2 MODELO PROPUESTO 2-A BASE CUADRADA. ...................................... 25
2.4.3 MODELO PROPUESTO 1-B SISTEMA DE ELEVACIÓN TIPO TIJERA.
................................................................................................................................. 26
2.4.4 MODELO PROPUESTO 2-B SISTEMA DE ELEVACIÓN TELESCÓPICO.
................................................................................................................................. 27
CAPITULO III .............................................................................................................. 30
DISEÑO EN DETALLE DE LOS COMPONENTES DE LA SIRD ............................ 30
3.1 CÁLCULOS Y MODIFICACIONES DE DISEÑO DEL PROTOTIPO ............. 30
3.2 VERIFICACIÓN DE PANDEO EN COLUMNAS ............................................ 31
3.3 VERIFICACIÓN A VOLCAMIENTO ................................................................. 35
3.4 VERIFICACIÓN A FLUENCIA .......................................................................... 38
3.4.1 DEFLEXIÓN MÁXIMA DE LAS PATAS ..................................................... 39
3.4.2 FLEXIÓN DE LAS PATAS ........................................................................... 39
3.4.3 ESFUERZO CORTANTE .............................................................................. 40
3.5 VERIFICACIÓN A FATIGA ............................................................................... 42
3.6 ENSAMBLAJE Y PROCESO DE FABRICACIÓN DEL MODELO.................. 44
3.6.1 MODELO DE CARTÓN ................................................................................ 44
3.6.2 MODELO DE METAL .................................................................................. 47
3.7 CÁLCULO DE TORNILLOS Y REMACHES..................................................... 49
xiii
3.7.1 REMACHES .................................................................................................. 49
3.7.2 TORNILLOS Y REMACHES A CORTE ...................................................... 50
CAPITULO IV ............................................................................................................... 52
RESULTADOS .............................................................................................................. 52
4.1
TIPS DE MANTENIMIENTO......................................................................... 56
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................. 57
REFERENCIAS ............................................................................................................ 59
APENDICE A ................................................................................................................ 62
APENDICE B ................................................................................................................ 65
xiv
Índice de Figuras
Figura 1.1 Máquina de Recolección de Video (Scout Unidad de Recolección Portátil,
2011) ................................................................................................................................ 6
Figura 1.2 Plano Inclinado (Tecnosefarad, 2010) .......................................................... 7
Figura 1.3 Tornillo (Tecnosefarad, 2010) ....................................................................... 7
Figura1.4 El Torno (Tecnosefarad, 2010) ...................................................................... 8
Figura 1.5 Polea Fija (Tecnosefarad, 2010) ................................................................... 9
Figura 1.6 Polea Móvil (Tecnosefarad, 2010) ................................................................ 9
Figura 1.7 Sistema Polipasto (Tecnosefarad, 2010) .................................................... 10
Figura 1.8 Torre de Iluminación Wacker (Torres de Iluminación Wacker Neuson,
2012) .............................................................................................................................. 11
Figura 1.9 Despiece Torre de Iluminación (Torres de Iluminación Wacker Neuson,
2012) .............................................................................................................................. 12
Figura 1.10 Proceso Iterativo de Diseño (Milani R, 1997)........................................... 13
Figura 1.11 Concepto de Diseño (Boccardo R, 2006) ................................................... 13
Figura 1.12 Inversión (Milani R, 1997)....................................................................... 15
Figura 1.13 Analogía (Milani R, 1997)......................................................................... 17
Figura 1.14 Diagrama de Producción de Ideas (Milani R, 1997) ................................ 18
Figura 2.1 Cámaras Utilizadas por InTech ................................................................. 22
Figura 2.2 Base Cilíndrica. ........................................................................................... 25
Figura 2.3 Base Cuadrada. ........................................................................................... 26
Figura 2.4 Elevación Tipo Tijera. ................................................................................. 26
Figura 2.5 Elevación Telescópica. ................................................................................ 27
Figura 2.6 Batería (YAKE Solar). ................................................................................ 29
Figura 3.1 Modelo Inicial Rectangular en SolidWorks. .............................................. 32
Figura 3.2 Arreglo de Poleas en Modelo Rectangular ................................................. 32
Figura 3.3 Estudio Pandeo en SolidWorks®................................................................ 33
Figura 3.4 Modelo Cuadrado en SolidWorks®. ........................................................... 34
Figura 3.5 Análisis de Pandeo. ..................................................................................... 34
Figura 3.6 Base Cuadrada con Base para Batería ...................................................... 35
Figura 3.7 Diagrama de Cuerpo Libre (Volcamiento) ................................................. 36
Figura 3.8 Análisis de la Distancia de Volcamiento (Vista inferior) .......................... 37
Figura 3.9 Diagrama de Cuerpo Libre en Conjunto de las Patas ............................... 38
Figura 3.10 Diagrama de Cuerpo Libre de las Patas .................................................. 39
Figura 3.11 Diagrama de Cuerpo Libre para Esfuerzo Cortante ............................... 41
Figura 3.12 Estudio de Corte en las Patas en SolidWorks®. ...................................... 42
xv
Figura 3.13 Diagrama de Wöhler ................................................................................. 43
Figura 3.14 Base Cuadrada en SolidWorks. ................................................................ 44
Figura 3.15 Patrón de Desarrollo en AutoCAD. .......................................................... 45
Figura 3.16 Cortadora de Cartón CNC. ....................................................................... 45
Figura 3.17 Prototipo Inicial en Cartón. ...................................................................... 46
Figura 3.18 Poleas Torneadas. ..................................................................................... 46
Figura 3.19 Poleas Dobles del Modelo de Cartón Tensionadas. ................................. 47
Figura 3.20 Punzonadora Vipros. ................................................................................ 48
Figura 3.21 Prototipo Secundario en Metal. ................................................................ 48
Figura 3.22 Distribución de espacio entre los Remaches (NAI, 2010)........................ 50
Figura 4.1 Primer Modelo Fabricado Cartón............................................................... 52
Figura 4.2 Segundo Modelo en Metal (Elevación). ...................................................... 53
Figura 4.3 Sistema de Elevación Optimizado En SolidWorks. ................................... 53
Figura 4.4 Modelo Final en SolidWorks. ........................................................................ 54
Figura 4.5 Segundo Modelo en Cartón (Base). ............................................................ 54
Figura 4.6 Modelo Final en SolidWorks....................................................................... 55
xvi
Índice de Tablas
Tabla 2.1 Requisitos de la Unidad SIRD ..................................................................... 24
Tabla 2.2 Ventajas y Desventajas de la Base Cilíndrica con Respecto a la Base
Cuadrada. ...................................................................................................................... 25
Tabla 2.3 Ventajas y Desventajas de la Base Cuadrada con Respecto a la Base
Cilíndrica. ...................................................................................................................... 26
Tabla 2.4 Ventajas y Desventajas de la Elevación Tipo Tijera con Respecto al
Mecanismo de Elevación Telescópico. .......................................................................... 27
Tabla 2.5 Ventajas y Desventajas de la Elevación Telescópica con Respecto al
Mecanismo de Tipo Tijera. ........................................................................................... 27
Tabla 3.1 Propiedades del Aluminio 3003 – H18 (MatWeb, 1996) ............................. 30
Tabla 3.2 Velocidades y Presiones del Viento (Cleanergysolar.com, 2011) ................ 37
Tabla 3.3 Fuerzas requeridas para el volcamiento. .................................................... 38
Tabla 3.4 Fuerzas en las Patas .................................................................................... 38
Tabla 3.5 Fuerzas en las Patas .................................................................................... 40
Tabla 3.6 Fuerzas en las Patas .................................................................................... 41
Tabla 3.7 Factores de Corrección ................................................................................. 42
Tabla 3.8 Esfuerzos Actuantes sobre la Patas. ............................................................ 43
xvii
INTRODUCCION
La Ingeniería Mecánica se ocupa del diseño y manufactura de máquinas y
equipos de la más variada índole, así como también del diseño, desarrollo,
instalación, operación y mantenimiento de gran cantidad de procesos y plantas
industriales. Por ende el ingeniero mecánico es un profesional universitario con
ciertas aptitudes que le permitan ser capaz de crear y optimizar soluciones a
situaciones en su entorno, haciendo uso de sus conocimientos, herramientas,
criterios, ciencia y tecnología. El egresado de Ingeniería Mecánica, en general, es
una persona creativa, versátil, curiosa, eficiente, innovadora, intuitiva, segura y
capacitada para desenvolverse con éxito en cualquiera de los campos de
aplicación en donde se pueda desarrollar su vida profesional. (Coordinación de
Ing. Mecánica, 2000)
El Grupo InTech SOLUTIONS es una empresa fundada por emprendedores
venezolanos, comprometidos con el desarrollo de ideas exitosas y sustentables de
negocio que solucionen situaciones comunes y generen bienestar al ciudadano.
Desde sus inicios, la corporación se ha orientado hacia el desarrollo de una gama
de productos y servicios que permitan explotar al máximo la infraestructura ya
existente y, al mismo tiempo, introducir tecnologías nunca antes implementadas
(Grupo InTech SOLUTIONS, 2009).
La constante innovación y desarrollo de la tecnología, ha llevado a que hoy en
día, se abran nuevas oportunidades de trabajo, para casi todo tipo de profesional
en este rubro; un buen ejemplo es la necesidad de la compañía Grupo InTech
SOLUTIONS en desarrollar prototipos que se ajusten a sus exigencias y
permitan mejorar sus productos. La compañía se separa en tres (3) grandes
grupos Tec-Intraf, InTraffic y ViKua; donde cada una realiza distintas
actividades que se explicaran a continuación:
1
2
Tec-Intraf se especializa en el desarrollo de sistemas de recolección,
información, planificación, gestión y control de tráfico vehicular, que permiten al
cliente ejercer influencia sobre las condiciones de la movilidad en tiempo real y
planificar óptimamente los cambios y acciones a implementar.
InTraffic se enfoca en ofrecer al público en general servicios de información
sobre el tráfico en tiempo real, contribuyendo así a la toma de decisiones y el
mejoramiento del flujo vehicular a través de la autogestión.
ViKua
se
especializados
dedica
para
a
la
importación
seguridad,
y
comercialización
sistemas
de
control
de
de
productos
acceso,
telecomunicaciones, software, tránsito y movilidad, garantizando una oferta
competitiva en cuanto a precio/valor.
El diseñar un prototipo de recolección de data, se presenta, debido a los
escasos productos que se adaptan a cámaras y que proporcionan una gran altura
y portabilidad; a raíz de esto, la compañía optó por invertir en el desarrollo de
un prototipo que permitiera una mayor versatilidad con los instrumentos
tecnológicos, portabilidad y extender hasta una altura de aproximadamente 11
metros. Dicho proyecto se desarrollo en el área de Tec-Intraf dentro del
departamento de desarrollo y proyectos.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente para hacer mediciones de parámetros del tránsito vehicular,
mediante el uso de sensores video-analíticos, hace falta el despliegue de una
gran cantidad de recursos estructurales, energéticos y logísticos, que sólo se
justifican en costo y tiempo para implementar proyectos de medición
permanente del tránsito. Dado que existe la necesidad de obtener los datos del
flujo vehicular por cortos períodos de tiempo, dicha situación promueve la
búsqueda de soluciones dando la oportunidad a un proyecto de grado donde se
3
propone la creación y desarrollo de un sistema portátil de medición de tráfico con
la finalidad de aminorar costos y aumentar la versatilidad de estos sistemas.
JUSTIFICACION E IMPORTANCIA
La importancia de este proyecto se basa en mejorar los recursos tecnológicos
para su utilización y aumentar el rendimiento de los servicios proporcionados
por InTech, la cual, proporciona soluciones al tráfico de acuerdo a las mediciones
pertinentes. La instalación de un módulo de observación puede tardar días,
debido a los problemas de corriente, ubicación, instalación, etc. El desarrollo de
un prototipo portátil solventará esta problemática, pues deberá ser auto
suficiente y adaptable a la ubicación donde se requiera.
OBJETIVO
Diseñar un sistema estructural para el soporte de un dispositivo de medición
de tránsito vehicular portátil.
Objetivos Específicos:
•
Establecer condiciones iniciales y restricciones del problema.
•
Investigar las alternativas comerciales, para una futura comparación y
mejora de los diseños ya fabricados.
•
Elaborar propuestas de diferentes diseños, para presentar y seleccionar
los que mejor se adapten en campo.
•
Diseñar, desarrollar y analizar el diseño seleccionado.
•
Acoplar el mecanismo de elevación y ubicar posibles componentes
eléctricos en el sistema estructural.
•
Construcción del prototipo, para evidenciar futuros problemas y atacarlos
a tiempo.
4
ALCANCE DEL PROYECTO
El alcance del proyecto contempla la construcción del prototipo que ofrezca
la solución más adecuada a la problemática que presenta el Grupo InTech
SOLUTIONS, respecto al gasto excesivo de recursos estructurales, energéticos y
logísticos para hacer mediciones de parámetros del tránsito vehicular, mediante
el uso de sensores video-analíticos. Sólo se realizarán los cálculos de los
elementos críticos que garanticen la operatividad del
equipo,
entre
ellos:
Fatiga, fluencia, resistencia al viento y resistencia de las uniones estructurales.
Estos cálculos se realizarán de forma preliminar sin profundizar en el detalle
con la finalidad de no distraer la atención del objetivo general (Construcción
del prototipo) y dejar la oportunidad abierta para trabajos futuros, donde se
podrán adaptar nuevas ideas y se someterán a prueba en el prototipo.
5
CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO
1.1 MÁQUINAS DE RECOLECCION DE VIDEO
Las máquinas de recolección de video, consisten en un sistema que contiene
una cámara de video y un software capaz de analizar, cuantificar y almacenar
datos de los videos. Los datos que generalmente se recolectan son flujos
direccionales (n° de vehículos por hora y por dirección) y velocidades promedio.
De esta manera, los operarios podrán reconocer escenarios de tráfico
remotamente (baja, media o alta congestión), medir la cantidad de vehículos que
circulan a diario en las distintas direcciones y evaluar el comportamiento del
tráfico a lo largo del tiempo.
Un ejemplo de las unidades de recolección de video es la unidad Scout (véase
figura 1.1), es la tecnología más versátil en la industria, para la recolección de
datos precisos de tráfico; es lo suficientemente pequeña para entrar en un
automóvil y puede ser manipulada por una sola persona en menos de diez
minutos. Se requiere de candados para asegurar la estructura mientras se
encuentra en la intemperie. (Scout Unidad de Recolección Portátil, 2011)
6
Figura 1.1 Máquina de Recolección de Video (Scout Unidad de Recolección Portátil,
2011)
La Scout cuenta con una pantalla LCD de 14cm para el manejo del software.
Se puede instalar y sujetar con seguridad en la mayoría de los postes de la calle
y recaudar data para los estudios de tráfico; además contiene un trípode en caso
de que no exista lugar para soportar la cámara. Dicha máquina se extiende 7.6
metros máximo y 1.3 metros mínimo y contiene 72 horas de duración
1.2 MAQUINAS SIMPLES DE ELEVACION
Un mecanismo es un elemento que sirve para facilitar el trabajo humano y es
una máquina que está constituida por varios mecanismos. Las principales
máquinas simples son las que se idearon para ahorrar esfuerzos a la hora de
mover cargas o realizar otras tareas, a continuación se mostrarán algunas:
(Tecnosefarad, 2010)
-
El Plano Inclinado
-
El Tornillo
-
El Torno
-
La Polea
7
1.2.1 PLANO INCLINADO
Permite subir o bajar objetos realizando menos esfuerzos. A mayor longitud
tenga el plano inclinado y menor pendiente menos esfuerzo tendremos que
realizar (Tecnosefarad, 2010).
Figura 1.2 Plano Inclinado (Tecnosefarad, 2010)
1.2.2 TORNILLO
Permite al hombre elevar cargas de forma continua sin apenas realizar
esfuerzo. Por ejemplo cuando se va a realizar un pozo, un tornillo penetra en la
tierra y a la vez que gira para penetrar en ella expulsa la tierra para dejar un
agujero en la misma (Tecnosefarad, 2010).
Figura 1.3 Tornillo (Tecnosefarad, 2010)
8
1.2.3 EL TORNO
Consiste en un cilindro que gira mediante una manivela. Al igual que el resto
de máquinas reduce la fuerza que el hombre debe aplicar para subir o bajar
cargas. Cuanto mayor sea la longitud de la manivela menor será la fuerza que
hay que aplicar (Tecnosefarad, 2010).
Figura1.4 El Torno (Tecnosefarad, 2010)
1.2.4 LA POLEA
Es una rueda acanalada por la que hacemos pasar una cuerda. Con la polea
invertimos el sentido en que aplicamos la fuerza para elevar los objetos
facilitando así la elevación de pesos. Existen tres tipos de poleas, la polea simple,
la polea móvil y el polipasto (Tecnosefarad, 2010).
Polea Fija
La polea es una rueda ranurada que gira alrededor de un eje. Este se halla
sujeto a una superficie fija. Por la ranura de la polea se hace pasar una cuerda,
cadena, correa o cable que permite vencer, de forma cómoda, una resistencia, R,
aplicando una fuerza, F.
Una polea fija se encuentra en equilibrio cuando la fuerza aplicada F, es igual
a la resistencia, R, que presenta la carga, es decir, cuando F = R (Tecnosefarad,
9
2010).
Figura 1.5 Polea Fija (Tecnosefarad, 2010)
La polea sirve para elevar y bajar cargas con facilidad. Se utiliza en pozos,
grúas sencillas, aparatos de musculación, etc.
Polea Móvil
La polea móvil es un conjunto de dos poleas, una de las cuales se encuentra
fija, mientras que la otra puede desplazarse linealmente. Una polea móvil se
encuentra en equilibrio cuando se cumple que F= R/2 (Tecnosefarad, 2010).
Figura 1.6 Polea Móvil (Tecnosefarad, 2010)
De este modo, el esfuerzo realizado para vencer la resistencia de una carga se
reduce a la mitad con respecto a la polea fija. Por ello, este tipo de polea permite
10
elevar cargas con menos esfuerzo.
Si se combinan varias poleas móviles, la fuerza que es necesario aplicar sigue
disminuyendo proporcionalmente al número de poleas móviles del sistema.
Polipasto
El polipasto es un tipo especial de montaje de poleas fijas y móviles. Consta de
un numero par se poleas, la mitad de las cuales son fijas, mientras que la otra
mitad son móviles. Un polipasto se encuentra en equilibrio cuando se cumple
que F = R/2n (Tecnosefarad, 2010).
Figura 1.7 Sistema Polipasto (Tecnosefarad, 2010)
En la igualdad, n es el número de poleas móviles.
Las poleas móviles y los polipastos tienen múltiples aplicaciones como:
ascensores, montacargas, grúas, etc.
1.3 TORRES DE ILUMINACIÓN Y FUNCIONAMIENTO
Las torres de iluminación son torres de luz compactas para trabajo pesado, ya
que ofrecen una iluminación excepcional. Dichas torres se encuentran montadas
11
sobre remolque y se caracterizan por su tamaño compacto y angosto, el cual
facilita su transporte; contiene lámparas elípticas que permiten una proyección
de la luz más directa y un área de trabajo mejor iluminada. Cada lámpara puede
ser ajustada de manera individual sin el uso de herramientas y el cable con
desconexión rápida permite quitar fácilmente las lámparas antes del transporte.
El mástil puede ser rotado en 360 grados permitiendo ajustar la iluminación
mientras éste se encuentra extendido. (Torres de Iluminación Wacker Neuson,
2012)
Figura 1.8 Torre de Iluminación Wacker (Torres de Iluminación Wacker Neuson,
2012)
Dicha maquinaria fue diseñada para lugares en construcción, donde la
electricidad y la luz son escasas. Debido a esto, estas torres tienen un motor
diesel o gasolina junto a un generador para ser autosuficientes y proporcionar
luz hasta una altura de 9 metros, gracias a un mástil de accionamiento manual;
su funcionamiento principal consiste en un juego de poleas móviles y fijas que
por medio de tensiones permite que el mástil telescópico se eleve (véase figura
1.9).
12
Figura 1.9 Despiece Torre de Iluminación (Torres de Iluminación Wacker Neuson,
2012)
1.4 DISEÑO
El diseño se relaciona de forma intuitiva con la creación y desarrollo de un
algo, a pesar de la gran cantidad de definiciones que se pueden conseguir, una
que se adapta bien a los fines utilitarios que realizan los ingenieros es la
definición de el Profesor Milani, Rodolfo donde dice: “el diseño es un proceso
cuyo objetivo es transformar los recursos en sistemas o productos para la
satisfacción de necesidades de cualquier índole” (Milani R, 1997).
El proceso de diseño se inicial al momento de requerir cubrir una necesidad y
la solución de éste problema se da después de varias iteraciones en la cual se
idea algo y se compara con los requerimientos y limitaciones existentes, siempre
tomando en cuenta en cada nueva iteración la información de la anterior (véase
figura 1.10)
13
Figura 1.10 Proceso Iterativo de Diseño (Milani R, 1997)
1.4.1 DISEÑO EN INGENIERÍA
Tomando en cuenta la definición anterior de diseño, lo primero que hay que
destacar es que el diseño es un proceso, es decir, esto conlleva al desarrollo de
una serie de pasos o etapas y para ello existen metodologías para satisfacer las
diversas necesidades. El diseño busca cambiar, transformar, reorganizar,
modificar, en sí se aporta un valor agregado a los recursos disponibles para
convertirlos en sistemas o productos necesarios, útiles, novedosos o mejorados
(Boccardo R, 2006).
Figura 1.11 Concepto de Diseño (Boccardo R, 2006)
14
1.4.2 CLASIFICACIÓN DEL DISEÑO
El diseño se clasifica de acuerdo al desarrollo del producto, se tiene el diseño
novedoso, sustitutivo, evolutivo y adaptativo. Desarmando productos de otro
países para entender su funcionamiento y adaptarlo a las necesidades y
capacidades propias se le denomina “ingeniería inversa” y puede considerarse
como diseño adaptativo. Con el pasar de los años se ha podido observar el
desarrollo y modificaciones que han sufrido los motores de combustión interna y
esto puede considerarse como un diseño evolutivo (Milani R, 1997).
La necesidad de facilitar procesos ha llevado a que se innove nuevas formas de
fabricación suplantando los procesos tradicionales, esto se considera diseño
sustitutivo. Y la satisfacción de una necesidad nunca antes satisfecha se toma
como un diseño novedoso.
1.5 MÉTODOS DEL DISEÑO
Una vez entendidos los tipos de diseños es importante señalar que los métodos
de diseños son herramientas potentes y útiles, ya que son capaces de romper
con la predisposición inicial que representaba el tener de antemano una solución
al problema.
1.5.1 MECANISMOS PARA LA GENERACIÓN DE IDEAS
Como se mencionó al hablar de la predisposición se tiende a seguir los caminos
tomados con la mente por experiencia previa. Si se insiste en ver los problemas
de la misma manera se llegará a la misma solución, en cambio, si se observara
desde otro ángulo es posible llegar a otras soluciones. Para desarrollar éstas
acciones se requieren de los siguientes mecanismos:
15
Inversión
Consiste en invertir el problema como por ejemplo:
-
Si una pieza se mueve y otra permanece fija, probar lo contrario.
-
Si algo encierra otra cosa, invertir la posición.
-
Si se observa algo desde afuera, observarlo desde adentro. Si se observa
desde arriba, obsérvalo desde abajo.
En la figura 1.12 se puede observar la aplicación de del mecanismo de
inversión.
Figura 1.12 Inversión (Milani R, 1997)
16
Otros ejemplos serían:
Subir la carga al camión; que el camión baje la carga. Que el vaso vaya a la
boca; que la boca vaya al vaso
Analogía
Consiste en buscar una analogía al problema a enfrentar, dichas analogías
pueden ser:
-
De la Naturaleza.
-
De otras áreas de la técnica.
-
De otras ramas de la ciencias.
-
De la literatura.
-
Analogías fantásticas.
Principalmente se realiza buscando similitudes entre el problema que se
estudia y los problemas en el medio. Las comparaciones más comunes son de
mecanismos similares, sin embargo se pueden hacer analogía aún más lejanas
como la anatomía y fisiología del cuerpo humano y animal. (Milani R, 1997)
Un buen ejemplo seria el siguiente:
Si el problema es transportar cajas muy pesadas pensamos: ¿por qué no eliminar la
gravedad? El pensamiento se va hacia la forma de eliminar el efecto del peso, por ejemplo:
con globos llenos de helio o flotando las cajas, etc., con lo que el pensamiento comenzara a
fluir en otras direcciones. (Milani R, 1997)
En la figura 1.13 se puede observar esta poderosa herramienta de diseño, con
el problema descrito por el profesor Milani.
17
Figura 1.13 Analogía (Milani R, 1997)
Empatía
Consiste en colocarse en el lugar de la pieza o el sistema que se esté
diseñando, se imagina como si se fuese la pieza para entender mejor las fuerzas,
roces y pérdidas que se pueden obtener simulando su movimiento. La empatía
favorece al pensamiento sensorial del problema, el cual con un poco de práctica
podría llegar a ser una poderosa herramienta (Milani R, 1997).
1.5.2 MÉTODO DE LA TORMENTA DE IDEAS
La tormenta de ideas, también denominada lluvia de ideas, es una
herramienta de trabajo grupal que facilita el surgimiento de nuevas ideas sobre
un problema determinado. Esta herramienta fue ideada en el año 1938 por Alex
18
Faickney Osborn, la idea principal del método es generar ideas creativas
resultado del proceso interactivo de un grupo multidisciplinario, dando la
oportunidad de hacer sugerencias sobre un determinado asunto y aprovechando
la capacidad creativa de los participantes. Es una técnica de grupo para generar
ideas originales en un ambiente relajado (Milani R, 1997).
Dicho método funciona sólo si se cumplen las siguientes reglas:
-
Se desea buscar una gran cantidad de ideas, para que no se analicen
internamente cada una y además la cantidad, en este caso, se traduce en
calidad.
-
No se permite ningún juicio hacia las ideas propuestas.
-
Las ideas deben ser expuestas lo más espontáneo posible.
-
Se debe promover que los miembros del grupo modifiquen o mejoren las
ideas de otros, ya que usualmente esto genera una idea superior a la
inicial.
En la figura 1.14 se puede observar la curva de producción de ideas que genera
la tormenta de ideas.
Figura 1.14 Diagrama de Producción de Ideas (Milani R, 1997)
19
Como se puede observar el método se divide en tres (3) fases, una de
calentamiento, donde hay una baja producción de ideas, ya que los miembros
están conociendo el problema y realizando mecanismos para el desarrollo de
ideas; luego viene la fase de producción donde se genera un punto máximo, esto
se debe a que el grupo ya mencionó las ideas más obvias, justo después de éste
máximo se generan las mejores ideas ya que están son un poco más elaboradas y
por último; se tiene la fase de agotamiento que ocurre al momento en que una
nueva idea tarda mucho en salir.
La duración de las sesiones es variable pero oscila sobre la media hora. El
método es aplicable a cualquier problema que se proponga de forma simple y
directa. Puede ser utilizado en cualquier fase del diseño tanto para fijar
lineamientos como para los detalles (Milani R, 1997).
1.5.3 MÉTODO DEL ANÁLISIS MORFOLÓGICO
El análisis morfológico consiste en desglosar el problema en varios parámetros,
para luego buscar soluciones alternativas a cada parámetro, teniendo las
soluciones de un parámetro se pueden enlazar con las soluciones de otro y así
generar una solución general al problema. Por ejemplo, si un problema tiene tres
(3) parámetros (A, B, C) y de estos podemos obtener varias soluciones como:
-
De A tenemos (a1, a2, a3).
-
De B tenemos (b1, b2).
-
De C tenemos (c1, c2, c3).
Con estas soluciones tenemos una conjugación de (3 X 2 X 3) 18 soluciones
generales al problema; lo bueno de este método es que es capaz de generar ideas
nunca antes pensada y es recomendable analizar cada solución sin importar su
factibilidad (Milani R, 1997).
20
1.5.4 SINÉCTICA
Más que un método de diseño es una nueva escuela creada por William J.
Gordon que se fundamenta en las siguientes premisas:
-
La eficacia creativa de las personas aumenta si se les hace comprender los
procesos psicológicos que se ponen en funcionamiento.
-
En el proceso creativo el componente emocional es más importante que el
intelectual, el irracional es más importante que el racional.
Consiste en un método de diseño conformado por dos (2) personas,
preferiblemente de diferentes profesiones, las cuales junto a un psicólogo que
hará el papel de moderador en las sesiones de diseño, estimula el uso de
metáforas y de analogías directas y simbólicas para tratar de ver el problema de
distintos ángulos (Milani R, 1997).
1.5.5 ANÁLISIS DE CUALIDADES
Este método a diferencia de los anteriores expuestos, es un método que busca
el rediseño de un producto y no el diseñar nuevos sistemas, su fin es desglosar el
proceso de producción para disminuir su costo o aumentar su producción con el
fin de mejorarlo. Este método está muy ligado al área industrial y es muy útil
para la fabricación en masa.
Los pasos a dar según el profesor (Milani R, 1997) son los siguientes:
1. Se crea un grupo de diseño con representantes de varios departamentos
(diseño, manufactura, compras, etc.) y se les entrena debidamente.
2. Se identifican todos elementos del producto a rediseñar, sus funciones, sus
costos y sus cualidades.
21
3. Para cada elemento se procede a la búsqueda de alternativas con costos
más bajos.
4. Se seleccionan los elementos nuevos que sean funcionales.
5. Presentación del rediseño.
El método es interesante y con un poco de imaginación puede ser extrapolable
a otras situaciones en que no se desea el cambio total sino la mejora de algo
(Milani R, 1997).
1.5.6 INNOVACIÓN FUNCIONAL
Este método se utiliza para el diseño alternativo, es decir, cuando se desea
encontrar una solución distinta a la o las existentes para una necesidad. Son diseños
alternativos los diferentes métodos para preparar una comida, este método esta
compuesto por las siguientes fases:
1. Se identifican todos los elementos del sistema existente y se especifica la
función de cada uno.
2. Una vez conocidas las funciones de todos los elementos se define la
función del todo existente.
3. Se establece una nueva función del todo corregida y mejorada.
4. Se procede al
diseño del
nuevo sistema utilizando los métodos
anteriormente descritos.
Lo fundamental de este método es que para poder diseñar un sistema
alternativo al o a los existentes, es preciso conocer lo que hace (la función
completa) el sistema existente (Milani R, 1997).
22
CAPITULO II
DISEÑO CONCEPTUAL DE LA UNIDAD SISTEMA INTEGRAL DE
RECOLECCION DE DATA (SIRD)
Para realizar el diseño conceptual de un modelo, es necesario saber las
necesidades, funciones y requisitos que debe cumplir, ya que éstos limitarán el
alcance del mismo. Es indispensable conocer qué elementos externos se van a
colocar en el modelo, para facilitar su instalación y adaptación al prototipo.
2.1 CARACTERÍSTICAS DE CÁMARAS A COLOCAR PARA LA RECOLECTA DE
DATA
InTech proporciona entre sus gama de servicios, la venta de cámaras para
grabaciones de seguridad, sensores de movimiento, etc. Dichas cámaras son
parte de una subdivisión denominada Vivoteck, (véase figura 2.1) que tiene 3
series de cámaras, de acuerdo a las exigencias y requerimientos del cliente.
Debido a que una de las condiciones de diseño de la unidad SIRD (Sistema
Integral de Recolección de Data) era ajustarlo a varias cámaras, se seleccionó la
cámara más pesada junto a unas posibles celdas solares para realizar los
cálculos correspondientes.
Figura 2.1 Cámaras Utilizadas por InTech
23
2.2 CONDICIONES ACTUALES DEL GRUPO INTECH
El proceso de instalación actual consiste en llevar un grupo de técnicos a los
semáforos, evaluar las condiciones de la zona para determinar los componentes
a instalar. Luego de buscar dichos componentes e instalarlos, se tiene que
colocar la cámara en un ángulo específico para obtener la mayor captura de
data. Sin embargo, esto llevaba tiempo debido a que los semáforos tienen una
altura específica y a veces los camiones obstruyen la vista de la cámara. A partir
de estos inconvenientes, se decidió crear un proyecto que solventara estos
problemas, obteniendo un modelo de altura ajustable y que a su vez permita
almacenar los componentes requeridos para la instalación de la cámara.
2.3 REQUISITOS DEL DISEÑO CONCEPTUAL DE LA UNIDAD SIRD
InTech busca una máquina que pueda elevarse 11 metros de altura y sea de
fácil traslado e instalación, de igual manera que sea autónoma durante 3 días,
que cuente además con diversos sistemas de seguridad como evitar el agua sobre
los instrumentos y actos de vandalismo.
Después de conocer las expectativas de la compañía, se realizó una reunión con
el jefe de proyecto para la familiarización con los sistemas a instalar en el
prototipo y obtener un conocimiento general de las restricciones y limitaciones
del diseño; con esto se obtuvieron los datos de partida, como: tamaño máximo,
forma de transporte, peso de componentes, disponibilidad económica y utilidad
del producto (véase tabla 2.1). Luego de limitar el problema se encontraron
soluciones existentes en el mercado como la Scout (véase figura 1.1), para tener
una mejor perspectiva de la utilización del sistema a diseñar.
24
Tabla 2.1 Requisitos de la Unidad SIRD
Requisitos
Tamaño manejable que pueda ser
transportado dentro de una camioneta no
pick up.
Autosuficiente en lo referente a energía.
Economía a la hora de fabricar los
modelos.
Fácil adaptabilidad, para el ajuste de
varios funcionamientos.
2.4 PRESENTACION Y COMPARACIÓN DE MODELOS PRELIMINARES
En un principio la compañía dividió el proyecto en dos (2) partes, la base y el
sistema de elevación, una vez asignado cada proyecto se procedió a generar ideas
mediante los mecanismos de inversión y analogía, de esta manera se realizó una
tormenta de ideas donde efectivamente se generaron los modelos que a continuación
se comparan y se explican.
2.4.1 MODELO PROPUESTO 1-A BASE CILÍNDRICA.
Este modelo se ilustra en la figura 2.2 es una base cilíndrica, donde se colocará
el sistema de elevación en el centro para luego acoplarse a un mecanismo
neumático o hidráulico que permita accionar dicho sistema. Las ranuras en la
parte exterior son el asiento de las patas que se desplegarían para una mayor
estabilidad. Las ventajas y desventajas se pueden observar en la tabla 2.2.
25
Figura 2.2 Base Cilíndrica.
Tabla 2.2 Ventajas y Desventajas de la Base Cilíndrica con Respecto a la Base
Cuadrada.
Ventajas
Compacto
Fácil acoplar con el sistema de elevación
Fácil mantenimiento
Mas resistente al viento
Desventajas
No tiene espacio para almacenar
Debido a su poca altura las patas no son
muy largas y tiene una alta factibilidad
de volcarse
Alto costo de fabricación
.
2.4.2 MODELO PROPUESTO 2-A BASE CUADRADA.
Este modelo se ilustra en la figura 2.3. Es una base cuadrada donde se
colocará el sistema de elevación en la viga central interna para luego acoplarse a
un mecanismo neumático, hidráulico o mecánico que permita accionar dicho
sistema, la viga esta sujeta por pequeñas vigas para darle mayor rigidez; las
piezas triangulares en las esquinas son las bisagras que sujetan las patas del
modelo. Las ventajas y desventajas se pueden observar en la tabla 2.3.
26
Figura 2.3 Base Cuadrada.
Tabla 2.3 Ventajas y Desventajas de la Base Cuadrada con Respecto a la Base
Cilíndrica.
Ventajas
Tiene espacio para almacenar
Fácil acoplar con el sistema de elevación
Permite acople de patas extensibles
Fácil de transportar
Desventajas
Tiene mayor peso
Menos resistente al viento
Fabricación de bisagras complejo
2.4.3 MODELO PROPUESTO 1-B SISTEMA DE ELEVACIÓN TIPO TIJERA.
Este modelo se ilustra en la figura 2.4. Es un sistema de elevación tipo tijera
(scissor), Se mueve hacia arriba cuando las barras entrecruzadas que se
encuentran debajo de la plataforma suben juntas, empujando el resto del
sistema hacia arriba. Permite al operador adaptar cualquier altura para un
mejor ajuste de la cámara. Las ventajas y desventajas se pueden observar en la
tabla 2.4.
Figura 2.4 Elevación Tipo Tijera.
27
Tabla 2.4 Ventajas y Desventajas de la Elevación Tipo Tijera con Respecto al
Mecanismo de Elevación Telescópico.
Ventajas
Altura ajustable
Ajustable a diversos accionamientos de
elevación. (neumático, hidráulico,
manual)
Fácil mantenimiento
Compacto al estar cerrado
Desventajas
Alto costo de fabricación
Muy grande y pesado para trasportar
Alta factibilidad de pandeo
2.4.4 MODELO PROPUESTO 2-B SISTEMA DE ELEVACIÓN TELESCÓPICO.
Este modelo se ilustra en la figura 2.5 es un sistema de elevación telescópica,
Se mueve hacia arriba mediante un conjunto de poleas (polipasto) sometidos a
tensión. Permite al operador adaptar cualquier altura para un mejor ajuste de la
cámara. Las ventajas y desventajas se pueden observar en la tabla 2.5.
Figura 2.5 Elevación Telescópica.
Tabla 2.5 Ventajas y Desventajas de la Elevación Telescópica con Respecto al
Mecanismo de Tipo Tijera.
Ventajas
Altura ajustable
Bajo peso
Fácil mantenimiento
Compacto al estar cerrado
Bajo costo de fabricación
Desventajas
Posible pandeo
Sistema delicado en la zona de las poleas
28
Luego de plasmar los diferentes modelos, junto a un grupo de ingenieros
analizando las ventajas y desventajas, se determinó que los modelos más
recomendados son la base cuadrada y el sistema de polipasto, ya que eran más
livianos y económicos, además de ser sencillos de fabricar, por ende cumplen
todos los requisitos del diseño; una vez decidido esto, se procedió a analizar cuál
de los posibles mecanismos
de elevación ya existentes, se pueden adaptar y
determinar cual de ellos cumple con los requisitos (véase la tabla 2.6).
Tabla 2.6 Sistemas de Elevación y bases
Bases
Cilíndrica
Cuadrada
Precio de
Fab.
Alto
Bajo
Elevación
Mecánico
Hidráulico
Neumático
Pull/Push
Bajo
Alto
Alto
Bajo
Peso
Portabilidad
Bajo
Medio
Medio
Alto
Medio
Medio
Tiempo
Const.
Alto
Medio
Energia
Media
Alta
+2
piezas
N/A
N/A
Media
Baja
Baja
Media
No
Si
Si
Si
Medio
Alto
Alto
Bajo
Bajo
Alto
Alto
Medio
N/A
N/A
Los sistemas hidráulico y neumático fueron las principales ideas pero son
costosas y pesadas para un sistema portátil, por ende se planteó un mecanismo
manual o pull/push con una base cuadrada, pues proporcionaba más espacio,
fácil de cargar y construir.
Debido a los requisitos ya expuestos en la tabla 2.1; el modelo 1-B fue
descartado,
ya
que
requiere
de
muchos
componentes
para
funcionar
completamente y no cumple con el factor económico; además al plantear un
sistema cilíndrico por etapas como los señaladores telescópicos (modelo 1-A) el
grupo de ingenieros respondió positivamente, sin embargo, acoplar este modelo
con un sistema mecánico pull/push se determinó complicado y con altas
dificultades de construcción. A raíz de esto se modificó el sistema cilíndrico por
29
el rectangular (modelo 2-B); buscando una solución de elevación, se quiso
introducir en el sistema la capacidad de elevarse a cualquier altura que sea
requerida, siempre y cuando se mantenga dentro del rango; por ende se procedió
a desarrollar los modelo 2-A y 2-B de las figuras 2.3 y 2.5.
El desarrollo del SIRD, se divide en dos (2) piezas principales, la base donde se
encuentran los componentes eléctricos y la recolección de data; y el sistema de
elevación, el cual llevará la cámara y posibles celdas solares. Al acoplar las dos
(2) piezas se procede a colocar la cámara en la tapa superior y desplegar las
patas de la base para asegurar el sistema durante la elevación, luego se recoge
el cable de acero mediante un sistema de engranaje que permiten una relación
cómoda para su fácil giro y permitir subir toda la estructura.
En un primer instante por falta de un experto en el área electrónica, se
efectuaron investigaciones sobre los sistemas de alimentación de energía y se
realizaron reuniones con personas experimentadas en esta rama, lo cual llevó a
una búsqueda de baterías que cumplieran con los requisitos mínimos de
alimentación de corriente es decir, los 12 voltios para la cámara y una duración
de al menos 72 horas. Se escogió las baterías YAKE, dado a que esta compañía
también fabrica paneles solares (posible colocación en el prototipo) y son
compatibles para la recarga de la batería (Véase figura 2.6).
Figura 2.6 Batería (YAKE Solar).
30
CAPITULO III
DISEÑO EN DETALLE DE LOS COMPONENTES DE LA SIRD
3.1 CÁLCULOS Y MODIFICACIONES DE DISEÑO DEL PROTOTIPO
Tras determinar los requisitos básicos del prototipo se procedió a definir los
parámetros del mismo, los cuales son:
-
Evitar el pandeo del modelo debido a la altura de alcance del prototipo.
-
Liviano, ya que se busca un prototipo portátil.
-
De fácil uso y mantenimiento.
-
De acuerdo al proceso de fabricación del prototipo se determino que el
material venga en forma de láminas.
Se buscó un material que cumpliera con estas condiciones y se escogió el
aluminio, debido a su baja densidad, fácil manejabilidad y su resistencia a la
corrosión. Se buscaron proveedores para ver qué tipos de láminas existían en el
mercado; y Alinca es el único que proporciona rollos de aluminio de hasta 3mm
de espesor, dichos rollos son de aluminio 3003- H18 con las siguientes
propiedades:
Tabla 3.1 Propiedades del Aluminio 3003 – H18 (MatWeb, 1996)
Propiedad
Modulo de Elasticidad
Radio de Poissons
Modulo de Corte
Densidad
Valor
6.90E+10
0.33
2.50E+10
2730
Unidad
N/m^2
N/A
N/m^2
kg/m^3
31
Resistencia a la Tracción
Resistencia a la Compresión
Resistencia a la Fluencia
Coeficiente de Expansión
Térmica
Conductividad Térmica
Calor Especifico
200000000
185000000
2.32E-05
N/m^2
N/m^2
N/m^2
/K
155
893
W/(m·K)
J/(kg·K)
Una vez obtenidos los requisitos, parámetros y materiales, se comenzó un
análisis de los modelos propuestos, para determinar si soportaban el pandeo,
fatiga, deflexión y cargas cortantes.
3.2 VERIFICACIÓN DE PANDEO EN COLUMNAS
Debido a que el alcance de la estructura debe ser 11 metros de altura, se debe
priorizar el cálculo del pandeo, ya que es muy probable que este ocurra si la
estructura no posee una inercia adecuada, dicho cálculo permite conocer la carga
crítica que soporta la estructura sin pandearse; además, de acuerdo a la forma
en la que se encuentra sujeta la columna, tiene asociado un factor de esbeltez.
Fue escogido el mecanismo de polipasto para el sistema de elevación, ya que es
capaz de proveer una altura ajustable sin accesorios neumáticos o hidráulicos y
solo requiere de una relación de transmisión para el ajuste de tensiones.
Un primer modelo desarrollado fue rectangular con forma de “C” (Figura 3.1)
por su sencilla construcción y mantenimiento, pues, las poleas se ubican una al
lado de la otra y son fácilmente perceptibles para un futuro engrase o cambio,
como se muestra en la figura:
32
Figura 3.1 Modelo Inicial Rectangular en SolidWorks®.
El mecanismo de elevación consiste en un grupo de poleas móviles y fijas, las
cuales unidas a través de un cable de acero al aplicar una tensión las poleas
móviles se trasladaran hacia las fijas, generando la elevación de la estructura
(véase figura 3.2).
Figura 3.2 Arreglo de Poleas en Modelo Rectangular
33
Los primeros cálculos de pandeo, respaldaron lo que se creía en un principio, el
fácil pandeo de la estructura (véase figura 3.3), a pesar de los intentos en reducir
el tamaño del rectángulo, esto se debe, a que la estructura tenía una baja inercia
en dirección del eje x - x; debido al espacio para el engrase de las poleas, además
de una alta factibilidad de que las poleas se trancaran por la poca distancia
entre una y la otra.
Figura 3.3 Estudio Pandeo en SolidWorks®.
Esto llevó a un análisis más profundo del modelo para una mejora; y buscando
productos que trabajen con sistemas de polipastos, que contengan una inercia
mayor y una forma simétrica para simplificar su fabricación y cálculos, se
encontró con las torres de iluminación, las cuales fueron diseñadas para su
transporte a lugares donde no hay fuente de energía, ni ubicación elevada de
iluminación; dicha estructura por sí misma es muy grande y tendría que
trasportarse en un remolque, pero se tomaron ideas de su funcionamiento como
el polipasto y su forma básica, para que se ajuste al modelo.
A partir de esto, fue modificado el modelo para tener una estructura cuadrada
(véase figura 3.4) y así una mayor inercia y simetría, además, fue cambiada la
ubicación de las poleas para que estén alineadas y usando varios cables de acero
para facilitar la elevación del sistema.
34
Figura 3.4 Modelo Cuadrado en SolidWorks®.
El cálculo se modeló como una columna empotrada en la base y libre en la
punta, (véase figura 3.5a), por lo que el sistema tiene un coeficiente de esbeltez
de K=2. Usando la de carga crítica tomando los datos del material de la tabla 3.1
y tomando una longitud total de 11 metros se puede determinar la carga crítica
o máxima que puede soportar la columna sin pandearse, la cual es de Pcr = 2902
N equivalente a 290 Kgf. Dicho cálculo se comparó con el estudio hecho en
SolidWorks (véase figura 3.5b) y fueron semejantes, asimismo se debería
realizar en dos (2) planos, sin embargo, por ser una pieza simétrica la inercia es
igual para ambos ejes, por ende sólo se realizó el cálculo en un solo eje (x-x), y
además para optar por el caso mas desfavorable se utilizó el tamaño de la última
etapa.
a. Diagrama de Cuerpo Libre
b. Estudio de SolidWorks®
Figura 3.5 Análisis de Pandeo.
35
Luego de el análisis en el sistema de elevación, éste se procedió a acoplar con la
base, la cual se diseño tomando en cuenta el modelo 2-A (figura 2.3) se realizó
una reunión con los técnicos de campo que estarán en contacto permanente con
el modelo y dichas personas nos plantearon sus ideas y dudas, de esta manera se
logró optimizar el modelo para una mejor manejo (véase figura 3.6).
Figura 3.6 Base Cuadrada con Base para Batería
3.3 VERIFICACIÓN A VOLCAMIENTO
Para determinar la condición de volcamiento de la estructura se mantuvo la
premisa que subiría 11 metros de altura, de manera tal, que había que decidir
cuál es la velocidad del viento para calcular la longitud de las patas en la base
(véase figura 3.7) y evitar dicho vuelco. Para ello se calculó la velocidad del
viento según la norma COVENIN-MINDUR-2003-86, la cual arrojó como
resultado un viento de 42 Kph aproximadamente, dicho número fue comprobado
con varias páginas de meteorología nacional i donde los vientos máximos
registrados no superaban los 21 Kph (véase tabla 3.2), en condiciones normales.
Para realizar un análisis más exacto se procedió a modelar el viento como una
iTiempo
– Pronostico 14 Días, disponible en: Meteored.com.ve
Tiempo y hora, disponible en: http://tiempoyhora.com/Am%C3%A9rica-delSur/Venezuela/Caracas/Caracas
Unidad Meteorológica, (2010), disponible en: met.ivic.gob.ve
36
fuerza distribuida a lo largo de la estructura arrojando una presión de 98.18 Pa,
utilizando la sección lateral real de toda la estructura; gracias a esto se
determinó la distancia mínima para evitar el volcamiento de la estructura y
fuerza requerida para volcarla.
Figura 3.7 Diagrama de Cuerpo Libre (Volcamiento)
A partir de esto se calculó la distancia mínima de las patas (véase figura 3.7) y
las distintas fuerzas que se deben aplicar en la parte alta, media y baja de la
estructura para que vuelque (véase tabla 3.3); obteniendo con las patas
desplegadas y rectas una distancia “x” de 0.81855 m y la distancia “x” mínima
requerida es de 0.791 m, mas adelante por cambios en la estructura la distancia
de las patas aumento evitando el volcamiento.
37
Tabla 3.2 Velocidades y Presiones del Viento (Cleanergysolar.com, 2011)
En la figura 3.8 se puede observar los 3 rectángulos que representan las
distintas posiciones de las patas, para que haya más distancia entre la línea de
volcamiento y centro de masa.
Figura 3.8 Análisis de la Distancia de Volcamiento (Vista inferior)
38
Tabla 3.3 Fuerzas requeridas para el volcamiento.
Distancia desde la base (m)
Fuerza (N)
11.5
86.52
5
199
1.5
663.3
3.4 VERIFICACIÓN A FLUENCIA
Se analizó el sistema en conjunto de las patas desplegables mediante un
diagrama de cuerpo libre, figura 3.9, para determinar las reacciones en los
apoyos, se tomó en cuenta la situación más desfavorable, es decir, un momento
generado por el viento sobre la cámara instalada en la punta, mientras que la
estructura se encuentra extendida a 11 metros.
Figura 3.9 Diagrama de Cuerpo Libre en Conjunto de las Patas
Los resultados de las reacciones se muestran en la tabla 3.4:
Tabla 3.4 Fuerzas en las Patas
Fuerza
W1
W2
A
B
M
Valor
18.437
24.566
1063
1106
986.294
Unidad
N
N
N
N
N*m
39
3.4.1 DEFLEXIÓN MÁXIMA DE LAS PATAS
A partir de estos resultados se procedió a calcular la deformación máxima que
puede ocurrir, debido al momento M que se genera a raíz de que el sistema de
elevación se encuentra extendido completamente y el viento ejerce la mayor
fuerza posible; utilizando las funciones de discontinuidad (véase tabla 1.1)
dando una deformación 0.797mm; ya que el alto de las patas es de 80mm, el
porcentaje de deformación es aproximadamente 1%, entrando dentro del
porcentaje de elongación máximo según las propiedades del aluminio otorgada
por Metweb. Luego las patas se separaron en dos (2) partes para su análisis
independiente referente a flexión y esfuerzo cortante (véase figura 3.10).
a) Pata Hueca Rectangular
b) Pata Maciza Rectangular
Figura 3.10 Diagrama de Cuerpo Libre de las Patas
3.4.2 FLEXIÓN DE LAS PATAS
Para calcular la flexión a la que se encuentran sometidas las patas, se utilizó
la ecuación de flexión máxima (véase Anexo B), para determinar si es posible
soportar el momento máximo antes de volcar la estructura, sin que se genere
deformación plástica. Para ello se determinó la inercia de forma para cada pata,
tanto hueca como maciza (véase figura 3.10), junto a su distancia más lejana del
eje neutro dando como resultado la tabla 3.5.
40
Tabla 3.5 Fuerzas en las Patas
Pata Hueca (Rectangular)
Variables
M
c
I
σmax
Sy
Valor
986.294
0.040
9.73x10-7
40.547
185
Unidad
N*m
m
m4
MPa
MPa
Pata Maciza (Rectangular)
Variables
M
c
I
σmax
Sy
Valor
986.294
0.034
7.337x10-7
45.707
185
Unidad
N*m
M
m4
MPa
MPa
3.4.3 ESFUERZO CORTANTE EN LAS PATAS
El esfuerzo cortante es importante analizar, ya que las patas por ser
desplegables, una de ellas es hueca y la otra maciza (véase figura 3.11); la pata
hueca es más factible que falle por corte debido al poco espesor de la pieza,
además por su ubicación en el suelo, existe la posibilidad de que una persona se
pare encima de esta, ya sea de forma intencional o no, y podría colapsar la
estructura. A raíz de esto se supuso una carga vertical que superara el peso
promedio de una persona (70 Kgf) y se aplicó un factor de seguridad de 3 dando
como resultado 2066 N, es decir, 210 Kgf aproximadamente para generar el
mayor corte posible; utilizando la ecuación de corte máximo (véase Anexo B) se
procedió a determinar dicho esfuerzo como muestra la tabla 3.6, para luego ser
comparado con un estudio en SolidWorks los números fueron cercanos (véase la
figura 3.12).
41
a) Pata Hueca Rectangular
b) Pata Maciza Rectangular
Figura 3.11 Diagrama de Cuerpo Libre para Esfuerzo Cortante
Tabla 3.6 Fuerzas en las Patas
Pata Hueca
Variables
V
b
h
I
τmax
Sy
Valor
2066
0.040
0.080
9.73x10-7
2.76
185
Unidad
N
M
M
m4
MPa
MPa
Pata Maciza
Variables
V
b
h
I
τmax
Sy
Valor
2066
0.028
0.068
7.337x10-7
1.628
185
Unidad
N
M
M
m4
MPa
MPa
42
Figura 3.12 Estudio de Corte en las Patas en SolidWorks®.
Los resultados que arrojó el SolidWorks® fueron similares al cálculo en
Mathcad, un promedio de 2 MPa para los esfuerzos cortantes máximos en las
dos (2) patas, y de igual manera se obtuvo un esfuerzo a tracción de 50 MPa en
la pata maciza y 42 MPa en la pata hueca.
3.5 VERIFICACIÓN A FATIGA
Se utilizará la teoría de Wöhler, dado a que la carga que genera el viento
sobre la estructura, se traduce en un momento alternante sobre las patas, se
determinaron varios factores de corrección (véase tabla 3.7), que son
indispensables para determinar el número de ciclos que soporta la pata. Luego
se utilizaron las ecuaciones de Wöhler para crear el diagrama (véase Tabla 3.8 y
figura 3.13 y Anexo B)
Tabla 3.7 Factores de Corrección
Factor
Tipo de carga (CL)
Tipo de carga (CL’)
Tamaño de pieza (Cd)
Acabado Superficial
Temperatura
Para
Flexión Alternativa
Flexión Alternativa
Carga Axial Alternativa
Aproximación de Gráfico
T<450°F
Valor
CL = 1
CL’ = 0.9
Cd = 1
Cs = 0.9
Ct = 1
43
Tabla 3.8 Esfuerzos Actuantes sobre la Patas.
Esfuerzo
σmax
Su
Sn’
S10^6
S10^3
Valor (MPa)
45.707
186
93
83.7
167.4
Figura 3.13 Diagrama de Wöhler
Una vez obtenido el diagrama se puede observar que las patas de la estructura
tienen una vida infinita, ya que el esfuerzo generado por la carga es de 45.7 MPa
y se encuentra por debajo del limite de fatiga.
Una vez hechos los cálculos principales se mostró la primera alternativa a los
técnicos de campo (ver figura 3.14) para obtener una realimentación y optimizar
el modelo.
44
Vista Isométrica
Vista superior
Figura 3.14 Base Cuadrada en SolidWorks®.
Para eliminar un poco de peso, se decidió que las barras de soporte, que
ayudan a mantener erguido el sistema de elevación con respecto a la base,
fueran huecas (véase apéndice A, base cuadrada).
3.6 ENSAMBLAJE Y PROCESO DE FABRICACIÓN DEL MODELO
3.6.1 MODELO DE CARTÓN
Durante la fabricación del modelo se encontraron varias dificultades e
inquietudes, principalmente se buscó realizar un modelo económico, por ende se
analizaron los distintos tipos de material con los que se pudiese fabricar el
prototipo, como: cartón, acrílico, metal, etc. ya que fabricarlo de metal o acrílico
no era la opción más económica; se optó por un cartón denso, rígido y económico
capaz de modelar el prototipo sin ningún problema.
Luego se procedió a decidir cuál escala se utilizara en el modelo y se propuso
en un principio fabricar el modelo completo y a escala natural, pero la compañía
no justificaba algo tan grande, ya que el objetivo del prototipo era determinar su
funcionalidad, mejoras y practicidad; para ello no era necesario fabricar todo el
45
prototipo, de manera tal, que se propuso fabricarlo a escala 0.25, pero al
diseñarlo en SolidWorks® se observó de que la escala no era posible de
mantener, ya que el espesor del cartón era la mitad del modelo a escala real.
Una vez superado este desafío, se optó por realizar el modelo a escala 1:2 para
que se mantenga la escala del modelo real, ya que las medidas de las etapas
están sujetas al espesor de las láminas; la desventaja fue que no se fabricó por
completo el modelo, sólo se fabricaron 2 etapas para mostrar su funcionalidad.
Para fabricar el modelo en un principio se creó un patrón de desarrollo de las
piezas, para luego ser introducidos en la máquina que cortará el cartón, se
realizaron en AutoCAD, figura 3.15, para luego cargarlas en la cortadora de
cartón (véase figura 3.16); y al ser reproducidas se doblaron y pegaron los
pliegues para armar todo la estructura.
Figura 3.15 Patrón de Desarrollo en AutoCAD.
Figura 3.16 Cortadora de Cartón CNC.
46
Luego de pegar todas las partes y armar el ensamble, el modelo comenzó a
tener forma como se muestra en la figura 3.17:
Figura 3.17 Prototipo Inicial en Cartón.
Por último se buscaron los materiales para las poleas y los pasadores, para los
cuales se utilizaron una barra de aluminio y una tubería de cobre, de 25mm y ¼
de pulgada respectivamente, la barra de aluminio fue maquinada en un torno
para fabricar las poleas en serie y luego se cortaron una a una (véase figura
3.18).
Figura 3.18 Poleas Torneadas.
Dichas poleas funcionaban para desplegar el sistema de elevación (véase
figura 3.19), las cuales se distribuían en poleas sencillas y dobles para tener una
distribución del peso de las etapas.
47
Figura 3.19 Poleas Dobles del Modelo de Cartón Tensionadas.
Se reunió para mostrar el modelo a los técnicos de campo y ellos pidieron que
se mantuviesen varias condiciones tales como: que fuera impermeable, de fácil
acceso y ruedas para desplazar una vez instalado. También se hicieron ajustes
para fijar las patas para que sea más compacto y sencillo de transportar. Aparte
de eso se encontraron varios detalles que afectaban el prototipo: en primer lugar
las poleas giraban sobre bujes con vaselina, no sobre rodamientos, lo que no
permitía un buen giro de las poleas; en segundo lugar las bases de las poleas no
eran lo suficientemente rígidas. Debido a esto las tensiones aumentaban y la
estructura pandeaba creando dobleces en el material (véase figura 3.19). Para
resolver dicho problema se procedió a fabricar un nuevo modelo pequeño en
metal (véase figura 3.21) que solo permitiera evaluar sí el sistema de poleas
propuesto funcionaba o no de manera correcta.
3.6.2 MODELO DE METAL
Fabricar el modelo en metal es muy parecido a hacer el de cartón, con la
diferencia de que para doblar se debe utilizar una máquina dobladora; primero
se tiene el patrón de desarrollo en AutoCAD para luego cargarlo con el programa
Lantek® (programa que transforma los comandos de la máquina a CNC) para
que se realicen los cortes adecuados en la punzonadora Vipros (véase figura
3.20).
48
Figura 3.20 Punzonadora Vipros.
A continuación se colocan las láminas en la dobladora para obtener la forma en
“c” del modelo; por último, para economizar la fabricación del modelo, se
diseñaron, fabricaron y soldaron las bases para rodamientos para simular las
poleas, ya que la compra de unas poleas aumentaban el precio; se pintó el
modelo para darle un acabado estético para su presentación y demostración
(véase figura 3.21).
Figura 3.21 Prototipo Secundario en Metal.
49
Una vez fabricado el modelo metálico, se probó el sistema, el cual
lamentablemente no funcionó, pues se quedaba atorado; sin embargo, sirvió para
darse cuenta de los inconvenientes que presentaba el sistema; se revisaron los
cálculos y se observó unas discrepancias con los diagramas de cuerpo libre, de
manera tal que la tensión que baja la estructura es mayor que la de subida. Una
vez resuelto el problema, se logró mejorar el sistema haciéndolo mas sencillo y
económico.
3.7 CÁLCULO DE TORNILLOS Y REMACHES
3.7.1 REMACHES
Para la selección de los remaches adecuados se debe multiplicar el espesor
de la chapa más gruesa (tg) que va a utilizarse por tres, y convertirse al
diámetro del remache especificado en la Tabla 1.2. En el caso del SIRD las
láminas a unir son de t = 3mm:
tg x 3 =9 mm.
Este resultado ha de convertirse o redondearse a la medida comercial más
cercana en fracción de pulgada,
encontrándose
que
1/4” (0,25”) es el más
cercano. Por lo tanto, pueden utilizarse remaches de 1/4”.
Conocido el diámetro del remache, ha de seleccionarse su longitud, la cual es la
suma de cada espesor de chapas más una vez y medio el diámetro del remache.
Entonces las sumas de espesores de las láminas
remache (dremac) son:
Slam = t1 + t2 = 3 mm + 3 mm = 6 mm
(Slam) y el Diámetro del
50
L = Slam + 1.5 (dremac) = 10,762 mm.
Donde:
t1 = El espesor de la lamina a juntar.
t2 = El espesor de la otra lamina a juntar.
El espacio entre remaches (Véase la Figura 3.22), debe tomar en cuenta la
distancia desde el centro del agujero al borde y la distancia entre sus centros,
ésta debe ser como mínimo de 2 veces el diámetro del remache y como máximo
ha de ser de 24 veces el espesor de la chapa más fina utilizada (NAI, 2010).
Figura 3.22 Distribución de espacio entre los Remaches (NAI, 2010).
3.7.2 TORNILLOS Y REMACHES A CORTE
Para los tornillos y los remaches se calcula la falla por corte de la misma
forma, cumpliendo que el esfuerzo cortante sea menor que el esfuerzo admisible;
utilizando las siguientes ecuaciones:
=

∗
 =
< 

2∗
(1.1)
(1.2)
Donde F es la fuerza a corte, n el número de tornillos o remaches, A el área del
tornillo, Sy resistencia a fluencia y φ factor de seguridad; para el calculo de los
51
tornillos de las ruedas, se planteó que las patas soportarán 400 Kgf, ya que si
una persona se montaba en las patas, podría comprometer la estructura, se
realizaron los cálculos para determinar si soportan esa carga y dio como
resultado un τ = 10.32 MPa siendo menor al τadm = 13.8 MPa.
52
CAPITULO IV
RESULTADOS
Se logró la construcción de un primer modelo en cartón (véase figura 4.1), el
cual permitió un análisis preliminar y una optimización del mismo; observando
los detalles importantes en ambos sistemas como: la posición de las poleas, la
forma en la que se pasa el cable, su adaptabilidad en campo, su facilidad al
moverse ya instalado, la fijación de las patas, espacio para los componentes, etc.
Figura 4.1 Primer Modelo Fabricado Cartón.
Una vez analizado el primer modelo se procedió a fabricar un pequeño modelo
en metal (véase figura 4.2) para verificar el sistema de poleas, en el cual se
percibió que la forma en la que se pasa el cable no es funcional, dado este
percance se procedió a rediseñar el sistema de elevación, cambiando las poleas
53
dobles por sencillas y eliminando las poleas internas, para economizar y facilitar
su fabricación (véase figura 4.3). Aunque esto fue adicional al concepto inicial
del proyecto, dado que el sistema de elevación no es parte del proyecto, sirvió
para conocer un poco más sobre las máquinas de control numérico y plantas de
pintura electrostática.
Figura 4.2 Segundo Modelo en Metal (Elevación).
Figura 4.3 Sistema de Elevación Optimizado En SolidWorks.
54
A raíz de estas modificaciones se incrementó el tamaño de la base y se
colocaron todos los extras requeridos, también se agregaron los cálculos de
remaches y tornillos para fijar las bisagras de las tapas y las ruedas giratorias
respectivamente, como se muestra a continuación en la figura 4.4.
Figura 4.4 Modelo Final en SolidWorks.
Por último se logró fabricar un segundo modelo final de la base, que cumpliese
con las expectativas de los técnicos de campo y los objetivos planteados, siendo
dicho modelo un poco más grande, con sistema de anclaje de patas, mayor
espacio para los componentes electrónicos y un espacio para colocar las ruedas
que le darán la movilidad cuando este instalado (véase figura 4.5), sirvió para
ilustrar a los técnicos y al jefe de proyecto sobre cómo sería el SIRD portátil.
Figura 4.5 Segundo Modelo en Cartón (Base).
55
No se pudo fabricar el nuevo modelo de elevación por falta de tiempo, sin
embargo se expuso con todos los detalles el modelo final al jefe de proyecto, para
que observase los cambios hechos en el prototipo. También se explicó que
realizar pruebas con el prototipo, no era lo mas recomendado ya que este no
tiene las mismas propiedades mecánicas que el sistema real a fabricar, sólo se
podía apreciar versatilidad, estabilidad y despliegue.
Al modelo real se colocaron manillas y sistemas de retenes para guardar las
patas; se simplificó el sistema de elevación y se ensambló para mostrar a los
técnicos de campo, los cuales se encontraron satisfechos con el modelo y
quedando con un peso total de 120 Kg (véase figura 4.6).
Figura 4.6 Modelo Final en SolidWorks.
56
4.1 TIPS DE MANTENIMIENTO
Es importante tener en cuenta las siguientes recomendaciones, dado a que una
vez construido el prototipo de aluminio que alcanzará los 11 metros de altura va
a requerir de un control trimestral para su óptimo funcionamiento.
•
Cada 3 meses aflojar y lubricar los pernos que sujetan las patas
desplegables, debido a que se encuentran a la intemperie y los pernos
tienden a oxidarse y pegarse.
•
En caso de usar rodamientos con válvulas para engrase, es recomendable
hacerlo cada 3 meses.
•
Cada 6 meses engrasar todos los tornillos del SIRD (patas, retenes,
pernos, etc)
•
Cada año es requerido el desarme del sistema de elevación, para llevar un
control del cable de acero.
57
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Se diseñó un sistema estructural para el soporte de un dispositivo de medición
de tránsito vehicular portátil, el cual, se adapta a las necesidades de la
compañía y cumple con los requisitos básicos.
Se establecieron condiciones y requisitos que delimitaron la problemática de la
compañía, de igual manera, se investigo sobre las posibles soluciones en el
mercado y éstas no cumplían con las necesidades, por ende, se plantearon varias
propuestas, de las cuales se extrajo la más idónea, para después desarrollarla y
analizarla en detalle. Una vez analizado el modelo conceptual se procedió a la
fabricación.
Se logró la construcción de un primer modelo, el cual, a pesar de no funcionar
correctamente, permitió un mejor análisis y revaluación de los conceptos para
una adaptación de lo ya hecho. Se pudo determinar lo importante que son los
modelos y la interacción entre el grupo de personas que estarán en contacto
directo con dicho proyecto, pues a pesar que como ingenieros se tenga la
perspectiva, idea y noción del proyecto, siempre las personas que se verán
afectada por el proyecto comentaran sus ideas para obtener un mejor
rendimiento. Además no solo se construyo un modelo, sino que se pudo fabricar
2 (dos) mas, los cuales permitieron ver el tiempo invertido en el proyecto y los
posibles errores que se tuvieran en el desarrollo.
El acople del sistema estructural con el mecanismo de elevación se logró
exitosamente y se creo un espacio para la colocación de los componentes
eléctricos.
58
Recomendaciones
Es recomendable, determinar la posibilidad de crear una jaula de acero con
ángulos, que tenga la posibilidad de extraerse de la base, para la fabricación de
las bisagras de las patas, ya que siendo de aluminio, hay que fijarlas con
remaches o tornillos debido a que soldar las láminas se considera complicado y
costoso. También es importante calcular una relación entre la altura del sistema
y la extensión de las patas desplegables, dado a que en lugares incómodos o
pequeños, que no permitan el despliegue completo de las patas, no se podrá
elevar toda la estructura, ya que el riesgo de volcamiento aumentaría. Por
último la búsqueda de reducir el peso sería de gran importancia, ya que esto
permitirá que modelo sea aún más versátil y liviano, dando una mayor
maniobrabilidad.
59
REFERENCIAS
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en
Venta
en
Venezuela”.
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61
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consultado el 4 de Julio 2012.
62
APENDICE A
Base Cuadrada
Bisagra y Manilla de la Base
63
Tapas Superiores de la Base
Miembro Estructural 1 (1era Etapa)
64
Miembro Estructural 2 (2da Etapa)
65
APENDICE B
Pandeo de columnas empotradas
Sy := 186MPa = 26.977⋅ ksi
σy := Sy
2
π ⋅ E⋅ I
Pcr
( K ⋅ L)
Donde
2
K := 2
Debido a que la columna esta empotrada en la base y
el otro extremo libre
L := 11.44m
2
A := 1236mm
10 N
E := 6.9⋅ 10 ⋅
Longitud de columna
2
m
I :=
 106mm⋅ ( 106mm) 3  100mm⋅ ( 100mm) 3
 = 2.187 × 10− 6 m4

−
12
12



2
Pcr :=
π ⋅ E⋅ I
( K ⋅ L)
2
= 290.152⋅ kgf
2
σcr :=
π ⋅E
 K⋅L 
 r 


2
= 2.302⋅ MPa
estudio cercano a SolidWorks
K⋅L
r
r :=
I
A
= 0.042 m
= 543.889
Dicho estudio se debería realizar en dos (2) planos sin embargo por ser una pieza simétrica solo se
realizara un calculo por el lado donde la inercia es desfavorable
batería=31.5 kg
Volcamiento
Distancia entre centro de masa y
posición mas desfavorable al
volcamiento
B
Sumatoria de fuerzas en "x" y "z"
2
472.93
mm
se procede a determinar la (X) distancias de la normal para el volcamiento
W
Nc
f − Fv
0
µ := 1.02
66
Fv ⋅ 11.44m − Nc ⋅ X
f
W := 124.031kg ⋅ 9.8
0
m
2
3
= 1.216 × 10 N
s
f := 1.02⋅ 124.031 = 126.512
µ ⋅ Nc
Posición de patas diagonal
La fuerza máxima a calcular que soporta la estructura sin volcarse
OJO dicha fuerza es puntual y se encuentra ubicada en la punta
X := 0.45m
Fuerza máxima en la punta es de 4KgF para evitar el
volcamiento y soportar el viento, sin embargo, dicha fuerza es
muy pequeña para optimizar es recomendable aumentar
dicha distancia para evitar cualquier percance.
W⋅X
Fv :=
= 47.813 N
11.44m
Para realizar un análisis mas exacto se procederá a modelar el viento como una fuerza
distribuida a lo largo de la estructura
asumiendo una fuerza resultante a una altura de 6m
W⋅X
= 91.163 N
Fv :=
6m
Área lateral (costado de estructura)
2
Base := 141550mm
2
Me4 := 249952.78mm
2
Me1 := 270882⋅ mm
2
Me5 := 22402.3mm
2
Me2 := 303306.48mm
2
Me6 := 198014.54mm
2
Me3 := 275714.5mm
2
Me7 := 170948.74mm
2
Areatot := Base + Me1 + Me2 + Me3 + Me4 + Me5 + Me6 + Me7 = 1.633 m
Calculo del viento para Venezuela según Norma COVENIN-MINDUR-2003-86. Comisión
Venezolana de Normas Industriales (COVENIN)
k := 0.010
h := 5m
β := 4.5
zg := 370m
ρ := 1.233
kg
3
m
α := 0.9
V := 70kph
Cf := 1
67
1
2
5m 
Kz := 2.58⋅ 

 zg 
β
δh := 2.35⋅
= 0.381
k
2
1
 5
 9
 
= 0.268
β
Gh := 0.65 + 3.65⋅ δh = 1.627
2
m
2
q z := 0.00485⋅ Kz⋅ α⋅ V = 0.629
2
s
3
m
⋅N
w := q z⋅ Gh ⋅ Cf ⋅ Areatot = 1.671
kg
P :=
ρ⋅ Cd ⋅ ( 42kph )
2
Cd := 1.17
2
= 98.178 Pa
Presión calculada según normal al lateral de la estructura
Recalculando La fuerza resultante de acuerdo a la velocidad del viento en Venezuela
Frv := P⋅ Areatot = 160.302 N
X :=
Fbv :=
Fcv :=
Fev :=
Frv ⋅ 6m
W
= 0.791 m
W ⋅ 0.81855m
5m
W ⋅ 0.81855m
11.5m
distancia obtenida con la pata recta y desplegable
X = 0.81855m mayor que la requerida para soportar el
viento
= 663.3 N
1.5m
W ⋅ 0.81855m
dicha fuerza ejercida por el viento Frv
= 198.99 N
= 86.517 N
Fluencia
Sistema en Conjunto
W1 := 1.880kg ⋅ g = 18.437 N
W2 := 2.505kg ⋅ g = 24.566 N
M o := 86.517 N11.4m = 986.294 J
Fuerza máxima que soporta la estructura en la base, centro y
extremo respectivamente
68
Given
W 1 := 18.437
W 2 := 24.566
M 0 := 986.294
A+B
W1 + W2
B⋅ 0.91
W 1⋅ 0.215 + W 2⋅ ( 0.673) + M 0
A := 1
semillas
B := 1
Fuerzas generadas en los soportes debido a la
fuerza ejercida en el extremo de la estructura
3

 Aval  := Find ( A , B) =  −1.063 × 10 



3 
 Bval 
 1.106 × 10 
A := −1063 N B := 1106N
Deformación máxima (Funciones de Discontinuidad)
−1
0
w
−A ⋅ ( x − 0)
+ W 1⋅ ( x − 0.215) − M 0⋅ ( x − 0)
V
−A ⋅ ( x − 0) + W 1⋅ ( x − 0.215) − M 0⋅ ( x − 0)
0
0
−1
+ W 2⋅ ( x − 0.673)
+ W 2⋅ ( x − 0.673)
0
1
1
−2
−A ⋅ ( x − 0) + W 1⋅ ( x − 0.215) − M 0⋅ ( x − 0) + W 2⋅ ( x − 0.673)
M
1
1
0
v ( x) := A ⋅ ( x − 0) + W 1⋅ ( x − 0.215) − M 0⋅ ( x − 0) + W 2⋅ ( x − 0.673)
−1
0
1
1
⌠
 A ⋅ ( x − 0) 1 + W ⋅ ( x − 0.215) 1 − M ⋅ ( x − 0) 0 + W ⋅ ( x − 0.673) 1 dx → −0.00049019752018878486898⋅ ( 1019.997⋅ x + 1006.790873
0
2
1

⌡
⌠

2
3
d → 1.53454024385736155440965e-7⋅ ( 1042.162⋅ x + 1000.505908)
 0.00047977185888566268968⋅ ( 1042.162⋅ x + 1000.505908) x
⌡
Given
3
0
0
−A ⋅ 0.91
6
−
W1
6
+
W1
6
3
⋅ ( 0.215) −
C1 := 1
⋅ ( 0.91 − 0.215)
W 2⋅ ( 0.673)
C2 := 1
6
3
3
2
W 2⋅ ( 0.91 − 0.673)
(
0.91 )
−M ⋅
+
+ C ⋅ 0.91 + C
0
3
+ C2
semillas
 C1val 
 299.454 
:= Find (C1 , C2) = 

 C2val 
 1.279 
2
6
1
2
69
Given
2
−A ⋅ x
2
W2
2
2
⋅ ( x − 0.215) − M 0⋅ x +
⋅ ( x − 0.673) + C1val
2
2
W1
+
x := 0.2
0
semillas
Distancia donde se encuentra la deflexión máxima
xval := Find ( x) = 0.385
10
E := 6.9⋅ 10
1
I :=
12
x := 0.385 m
(
3
⋅ 0.040⋅ 0.080
) − 1 ⋅(0.0683⋅0.028) = 9.73 × 10− 7
Inercia de la pata hueca
12
desplazamiento máximo
Given
3
−A ⋅ x
E⋅ I⋅ d
6
+
W1
6
d := 0.2
⋅ ( x − 0.215)
3
3
2
W 2⋅ ( x − 0.673)
(
x)
+
+C
−M ⋅
0 2
1val ⋅ x + C2val
6
semillas
−4
d val := Find ( d ) = 7.969 × 10
m
m
−4
d val := 7.969 × 10
m = 0.797⋅ mm
Parte A (Hueca)
I :=
L := 0.48 m
1
12
⋅ 40mm ( 80mm) − 28mm⋅ ( 68mm)
3
3
−7 4
 = 9.73 × 10 m
Given
R
M0
W1 − A
R⋅ L −
W 1⋅ L
A := 1
R := 1
semillas
2
3
 Aval  Find ( A , R)  −2.046 × 10 
=

 :=

3 
 Rval 
 2.064 × 10 
Reacciones
70
Flexion inelástica
M 0 := 986.294N ⋅ m
σmax :=
M 0⋅ 40mm
I
= 40.547⋅ MPa
Menor a Sy que es 186 MPa
Esfuerzo cortante en las patas
2
Ap :=
y c :=
1296mm
2
−4 2
= 6.48 × 10
V := 2066N
m
2( 0.02m) ⋅ 0.04m⋅ 0.006m + 0.003m⋅ 0.04m⋅ 0.006m
Ap
m
= 15.926⋅ mm
El esfuerzo cortante máximo ocurre en
el eje neutro, ya que t es constante en
toda la sección transversal
y := 40mm − y c = 0.024 m
−5
Q := y ⋅ Ap = 1.56 × 10
τ max :=
−7 4
I = 9.73 × 10
V⋅ Q
I⋅ 12mm
3
⋅m
= 2.76⋅ MPa
Esfuerzo cortante máximo
Parte B (Maciza)
L := 0.49
h := 68mm
b := 28mm
3
B := W 2 + Rval = 2.089 × 10
B := 2092N
Reacciones
Flexión inelástica
I :=
1
12
Momento Elástico
σmax :=
M 0⋅ 6
b ⋅h
2
−7 4
3
⋅ b ⋅ h = 7.337 × 10
σy ⋅ b ⋅ h
My
= 45.707⋅ MPa
m
2
6
Menor a Sy que es 185MPa
σmax :=
M 0⋅ 34mm
I
= 45.707⋅ MPa
Esfuerzo cortante en las patas
Q
y⋅ A
V := 2066N
h h
4
3
Q :=   ⋅ ⋅ b = 1.618 × 10 ⋅ mm
4
2
 
Esfuerzo cortante máximo
τ max :=
V⋅ Q
I⋅ b
= 1.628⋅ MPa
El esfuerzo cortante máximo ocurre en
el eje neutro, ya que t es constante en
toda la sección transversal
71
Fatiga
Teoría de wohler
Factor de corrección por tipo de carga (CL)
CL := 1
Flexion alternativa
CLp := 0.9
Factor de corrección por tamaño de la pieza (Cd)
Cd := 1
Carga Axial Alt
Factor de corrección por acabado superficial (Cs)
Cs := 0.9
Grafica no aplica debido a que esta basada en el acero,
sin embargo, se puede estimar un numero
Factor de corrección por temperatura (Ct)
T < 450 °C
Ct := 1
Su := σy = 186⋅ MPa
Sn := 0.5Su = 93⋅ MPa
Sc3 := CLp ⋅ Ct⋅ Su = 167.4⋅ MPa
σmax = 45.707⋅ MPa
Sc6 := CL⋅ Cd ⋅ Cs ⋅ Ct⋅ Sn = 83.7⋅ MPa
interpolando
Nciclo :=
(σmax − Sc6)
⋅ ( 0 − 3) + 3 = 4.362
(Sc3 − Sc6)
3
0
10
1
10
2
10
3
10
4
5
6
Falla de uniones roscadas y remaches por corte
τ
τ adm :=
F
n⋅ A
Sy
2⋅ ψ
< τ adm
ψ := 2.5
= 37.2⋅ MPa
A :=
d t := 11mm
F := 400kgf
π ⋅ dt
4
τ < τ adm
n := 4
debido a que la rosca es incluida en el plano de corte
2
τ :=
F
n⋅ A
= 10.319⋅ MPa
72
Cálculo de remaches
elam := 3mm
d r := elam⋅ 3 = 0.354⋅ in
Slam := t1 + t2 = 6⋅ mm
L := Slam + 1.5d remac = 10.762⋅ mm
d remac :=
1
8
in
t 2 := 3mm
t 1 := 3mm