UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE MECÁNICA

DISEÑO DE UN SISTEMA MECÁNICO PARA SACUDIR, PESAR Y LAVAR LAS PLACAS DEL FILTRO PRENSA AUTOMÁTICO

Por:

Yvan de Jesus León Oliveros

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Marzo de 2012

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE MECÁNICA

DISEÑO DE UN SISTEMA MECÁNICO PARA SACUDIR, PESAR Y LAVAR LAS PLACAS DEL FILTRO PRENSA AUTOMÁTICO

Por:

Yvan de Jesus León Oliveros

Tutor Académico: Renzo Boccardo Tutor Industrial: Laurent Le Bozec

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Marzo de 2012

iv

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE MECÁNICA

Resumen

Los Filtros Prensa con desunión automática de sus placas filtrantes, están equipados de un

sistema que sacude las placas para despegar el material sólido adherido y un sistema para

pesar las placas que permite controlar que el material sólido haya caído luego del sacudido.

Estos sistemas garantizan un funcionamiento automático sin presencia humana de la máquina.

Sin embargo, éstas no saben detectar cuando se necesita un lavado de placas. Cuando no se

lava la placa el material sólido se adhiere fuertemente a la misma y no cae a pesar del

sacudido, y cuando esto pasa el filtro se para por falla. El sistema de lavado es un equipo

aparte que necesita ser acoplado por el operario. Además, la decisión de hacer un lavado es

según la experiencia de la persona. Por lo tanto, el Filtro Prensa depende de un operador. Si

esta falla ocurre cuando no hay presencia humana la máquina no filtra y por ende baja su

rendimiento. Afín, de concebir un Filtro Prensa que pueda verificar y corregir de manera

autónoma la caída del material sólido, se propone diseñar un sistema mecánico para sacudir,

pesar y lavar las placas del Filtro. Con esto se obtendrá toda la información necesaria para

activar el lavado de placas. Esto permitirá continuar con la producción sin necesidad de

esperar la intervención humana. El diseño debe mejorar: el mecanismo de elevación del

sistema de lavado actual para que ocupé menos espacio en altura, la detección de las placas y

el problema en los agujeros donde se introduce el fluido cargado, que se llenan de material

sólido produciendo un tapón que afecta la filtración. Para diseñar este sistema se sigue el

proceso de diseño del Prof. Rodolfo Milani, que consiste en las siguientes etapas:

Establecimiento de necesidad, aceptación y descripción del problema, concepción del sistema,

estudio de factibilidad, formación completa del sistema, diseño de detalles, fabricación de

prototipo y evaluación final. Las herramientas que se utilizan para el diseño son programas

computacionales. De esta manera, se diseñó un puente con el sistema de lavado, accionado

por dos cilindros neumáticos telescópicos. Se acopló al puente el mecanismo de sacudido y

pesado. Se diseñó y adaptó también un dispositivo para limpiar el agujero de alimentación de

la placa. Se obtuvo una maqueta numérica (3D) del sistema, los planos del mismo y se

ensambló un prototipo funcional del sistema de sacudido, pesado y lavado de placas filtrantes.

Adicionalmente, la empresa Faure Equipements patentó el sistema diseñado.

Palabras Claves: Filtro Prensa automático, Diseño Asistido por Computador, Automatismo.

v

Índice general

Acta de Evaluación de Pasantias Largas………….…………………………………….iii

Resumen………………………………………………………………………………...iv

Índice general…………………………………………………………………………....v

Índice de Tablas.................................................................................................................x

Índice de Figuras……………………………………………………………………......xi

Introducción……………………………………………………………………………...1

CAPÍTULO 1. EMPRESA FAURE EQUIPEMENTS………………………………….7

1.1. Historia……………………………………………………………………………...7

1.2. Dominio de actividad………………………………………………………………..8

1.2.1. El medio ambiente………………………………………………………………...8

1.2.2. La trituración y la cerámica……………………………………………………….9

1.2.3. La minería y los trabajos subterráneos…………………………………………..10

CAPÍTULO 2. FILTROS PRENSA……………………………………………………11

2.1. Finalidad y sus aplicaciones……………………………………………………….11

2.2. Composición del Filtro Prensa…………………………………………………….11

2.3. Funcionamiento……………………………………………………………………12

2.3.1. El cierre del sistema……………………………………………………………...12

2.3.2. Alimentación del Filtro y filtración……………………………………………...12

2.3.3. Compactado para placas de membranas…………………………………………13

2.3.4. Operación “expulsa núcleo de alimentación”……………………………………13

2.3.5. Desunión de placas filtrantes…………………………………………………….14

2.3.5.1. Desunión automática de placas filtrantes……………………………………...14

2.3.6. Accesorios para Filtros Prensa con desunión automáticas de placas filtrantes….16

2.3.6.1. Sistema de lavado de las telas filtrantes……………………………………….16

2.3.6.2. Sistema de sacudido y pesado…………………………………………………17

CAPÍTULO 3. MARCO TEORICO…………………………………………………...19

vi

3.1. Hidrodinámica……………………………………………………………………..19

3.1.1. Caudal……………………………………………………………………………19

3.1.2. Ecuación de continuidad…………………………………………………………20

3.2. Especificaciones técnicas de los jets de agua……………………………………...21

3.3. Cilindro neumático………………………………………………………………...24

CAPÍTULO 4. METODOLOGIA……………………………………………………...26

4.1. Aspectos preliminares de la investigación…………………………………………26

4.1.1. Estrategias y directrices para el diseño del sistema……………………………...26

4.2. Fases del proyecto…………………………………………………………………26

4.2.1. Diseño del sistema de sacudido, pesado y lavado…….........................................27

4.2.2. Diseño del limpiador de núcleo de alimentación………………………………...27

4.2.3. Estudio de la desunión automática de placas 4x 4……………………………….27

4.3. Proceso de diseño………………………………………………………………….27

4.3.1. Establecimiento de la necesidad…………………………………………………27

4.3.2. Aceptación del problema………………………………………………………...27

4.3.3. Descripción………………………………………………………………………27

4.3.3.1. Análisis del problema………………………………………………………….28

4.3.3.2. Especificación de diseño………………………………………………………28

4.3.4. Concepción del sistema………………………………………………………….28

4.3.5. Estudio de factibilidad…………………………………………………………...28

4.3.5.1. Factibilidad técnica…………………………………………………………….29

4.3.5.2. Factibilidad Económica………………………………………………………..29

4.3.6. Formación completa del sistema………………………………………………...29

4.3.7. Diseño de detalles y de los procesos de fabricación……………………………..29

4.3.8. Fabricación y ensayo del prototipo………………………………………………29

4.3.9. Evaluación final………………………………………………………………….29

CAPÍTULO 5. DISEÑO DEL SISTEMA……………………………………………...30

vii

5.1. Necesidad y aceptación del problema……………………………………………..30

5.2. Descripción…………………………….…………………………………………..30

5.2.1. Análisis…………………………………………………………………………..30

5.2.1.1. Modelización del sistema de sacudido y pesado actual………………………..30

5.2.1.2. Modelización del sistema de lavado actual……………………………………31

5.2.1.3. Superposición de los dos sistemas actuales……………………………………32

5.2.1.4. Condiciones generales de Faure Equipements………………………………...33

5.2.2. Especificación de diseño………………………………………………………...33

5.3. Concepción del sistema……………………………………………………………34

5.3.1. Soluciones propuestas para mecanismo de altura reducida……………………...34

5.3.1.1. Sistema Rigibelt………………………………………………………………..34

5.3.1.2. Sistema el Mât telescópico…………………………………………………….36

5.3.1.3. Lavado lateral………………………………………………………………….37

5.3.1.4. Sistema de Pantógrafo…………………………………………………………38

5.3.1.5. Cilindro neumático telescópico guiado lateralmente…………………………..38

5.3.1.6. Sistema con dos cilindros neumáticos telescópicos…………………………...39

5.3.2. Solución retenida para mecanismo de altura reducida…………………………..39

5.3.3. Soluciones propuestas para el limpiador del núcleo de alimentación…………...40

5.3.3.1. Cilindro neumático telescópico y cilindro con unidad de guiado……………..40

5.3.3.2. Cilindro neumático telescópico y placa telescópica sostenedora……………...41

5.3.3.3. Brazo articulado con actuador rotativo………………………………………...42

5.3.4. Solución retenida para el limpiador de núcleo de alimentación…………………43

5.3.5. Solución para el sistema de detección de las placas……………………………..43

5.4. Estudio de factibilidad fase 1 y 2…………………………………………………..44

5.4.1. Factibilidad técnica………………………………………………………………44

5.4.2. Factibilidad Económica………………………………………………………….44

5.5. Formación completa de la fase 1 y 2………………………………………………45

viii

5.5.1. Ensayo de funcionamiento de dos cilindros neumáticos………………………...45

5.5.2. Alimentación de agua al tubo de lavado…………………………………………46

5.5.3. Modificación del limpiador de núcleo de alimentación…………………………46

5.5.4. Sistema completo y animación cinemática………………………………………46

5.6. Diseño de detalles fase 1 y 2………………………………………………………48

5.6.1. Determinación del diámetro de las mangueras hidráulicas del lavado…………..48

5.6.2. Selección de los cilindros neumáticos telescópicos……………………………..50

5.6.2.1. Peso total del tubo de lavado…………………………………………………..50

5.6.2.2. Cálculo de fuerza de reacción de los jets de agua……………………………..50

5.6.2.3. Determinación de la fuerza ejercida por los cilindros telescópicos……………52

5.6.3. Selección del actuador rotativo neumático………………………………………52

5.6.3.1. Selección de cilindro neumático que expulsa el núcleo……………………….53

5.6.3.2. Cálculo del torque requerido del actuador rotativo……………………………53

5.6.4. Dimensionamiento del puente…………………………………………………...54

5.6.4.1. Modificación del soporte motor de sacudido………………………………….54

5.6.4.2. Modificación de la leva de sacudido…………………………………………..55

5.6.4.3. Dimensionamiento de carcasas para protección del sistema de sacudido……..56

5.6.4.4. Mecanismo de desplazamiento del puente…………………………………….57

5.6.4.5. Chasis del puente sacudidor/pesador/lavador………………………………….57

5.6.5. Sistema neumático……………………………………………………………….58

5.6.6. Automatismo del sistema………………………………………………………...60

5.6.6.1. Captores del sistema…………………………………………………………...60

5.6.6.2. GRAFCET del sistema………………………………………………………...61

5.7. Concepción de la desunión automática de placas de 4 en 4……………………….62

5.7.1. Solución de desunión automática de 4 en 4 con carro de desunión actual………62

5.7.2. Determinación de la ganancia de tiempo………………………………………...64

5.7.2.1. Determinación del tiempo de desunión de 1 en 1……………………………...64

ix

5.7.2.2. Determinación del tiempo de desunión de 4 en 4……………………………...65

5.8. Factibilidad de la desunión de 4 en 4 con el carro actual………………………….66

CAPÍTULO 6. RESULTADOS………………………………………………………..67

6.1. Planos del sistema………………………………………………………………….67

6.2. Ensamble del prototipo…………………………………………………………….68

6.2.1. Chasis del puente sacudidor/pesador/lavador…………………………………....68

6.2.2. Cilindros neumáticos telescópicos……………………………………………….69

6.2.3. Tubo de lavado y tubo de alimentación………………………………………….70

6.2.4. Limpiador del núcleo de alimentación…………………………………………..70

6.2.5. Ensamble de las partes…………………………………………………………...71

6.3. Patentes del sistema sacudidor/pesador/lavador…………………………………...76

6.3.1. Principio y dispositivo de limpiado de placas filtrantes de un Filtro Prensa…….76

6.3.2. Dispositivo de despegue de medios de alimentación con fluido cargado

de las placas filtrantes……………………………………………………………80

Conclusiones……………………………………………………………………………81

Recomendaciones………………………………………………………………………83

Referencias……………………………………………………………………………..84

Apéndices………………………………………………………………………………85

x

Índice de tablas

Tabla.6.1. Identificación y ubicación de planos del sistema…………………………...67

xi

Índice de figuras

Figura.1.1. Foto de Filtro Prensa………………………………………………………...8

Figura.1.2. Foto de trituradora……………………………………………………...........9

Figura.1.3. Foto de torno elevador……………………………………………………..10

Figura.2.1. Partes del Filtro Prensa……………………………………………………..11

Figura.2.2. Esquema del sistema en fase de cierre……………………………………..12

Figura.2.3. Esquema del sistema en fase de filtración.....………………………………12

Figura.2.4. Esquema del sistema en fase de compactado………………………………13

Figura.2.5. Esquema operación expulsa núcleo………………………………………..13

Figura.2.6. Esquema del sistema en fase de desunión………………………………….14

Figura.2.7. Explicación del funcionamiento de la desunión automática……………….15

Figura.2.8. Partes del sistema de lavado………………………………………………..17

Figura.2.9. Sistema de sacudido………………………………………………………..18

Figura.2.10. Sistema de pesado…………………………………………………….......18

Figura.3.1. Recubrimiento teórico del jet………………………………………………21

Figura.3.2. Tabla de recubrimiento teórico del jet……………………………………..22

Figura.3.3. Tabla de caudal por jets según la presión de trabajo……………………….22

Figura.3.4. Expresión para cálculo del impacto………………………………………..23

Figura.3.5. Tabla correctiva del impacto del jet………………………………………..23

Figura.3.6. Parámetros del cilindro neumático…………………………………………24

Figura.3.7. Fuerza de extensión y retracción del cilindro……………………………...24

Figura.5.1. Puente sacudidor y pesador………………………………………………...31

Figura.5.2. Sistema de sacudido y pesado……………………………………………...31

Figura.5.3. Puente lavador……………………………………………………………...32

Figura.5.4. Sistema de lavado…………………………………………………………..32

Figura.5.5. Superposición de los dos sistemas actuales………………………………..33

Figura.5.6. El sistema Rigibelt sin la caja de alojo……………………………………..35

xii

Figura.5.7. El Rigibelt bajando el tubo de lavado……………………………………...35

Figura.5.8. El mecanismo del Rigibelt…………………………………………………35

Figura.5.9. Caja de alojo de correas……………………………………………………36

Figura.5.10. El Mât telescópico………………………………………………………...36

Figura.5.11. Mecanismo del Mât telescópico…………………………………………..37

Figura.5.12. Lavado lateral de placas…………………………………………………..37

Figura.5.13. Pantógrafo………………………………………………………………...38

Figura.5.14. Cilindro telescópico con guiado lateral…………………………………...38

Figura.5.15. Sistema con dos cilindros neumáticos telescópicos………………………39

Figura.5.16. Sistema retenido para mecanismo de lavado……………………………..40

Figura.5.17. Sistema cilindro telescópico y cilindro con unidad de guiado……………41

Figura.5.18. Sistema cilindro telescópico y placa telescópica…………………………42

Figura.5.19. Sistemas con actuador neumático rotativo………………………………..42

Figura.5.20. Detectores láser para posicionamiento de placas…………………………43

Figura.5.21. Ensayo de dos cilindros neumáticos……………………………………...45

Figura.5.22. Maqueta numérica del sistema……………………………………………47

Figura.5.23. Modelo 3D limpiador de núcleo………………………………………….47

Figura.5.24. Alimentación del sistema de lavado………………………………………48

Figura.5.25. Diagrama de flujo del sistema de lavado…………………………………49

Figura.5.26. Peso del tubo de lavado…………………………………………………...50

Figura.5.27. Fuerza de reacción tubo de lavado………………………………………..51

Figura.5.28. Peso aparente del tubo de lavado…………………………………………51

Figura.5.29. Cálculo del torque del actuador rotativo………………………………….54

Figura.5.30. Placa soporte motor de sacudido………………………………………….55

Figura.5.31. Modificación eje de sacudido……………………………………………..56

Figura.5.32. Carcasas de protección del sacudidor…………………………………….56

Figura.5.33. Mecanismo de desplazamiento del puente………………………………..57

xiii

Figura.5.34. Puente del sacudidor/pesador/lavador…………………………………….58

Figura.5.35. Esquema neumático del sistema…………………………………………..59

Figura.5.36. Captores del sistema………………………………………………………60

Figura.5.37. GRAFCET del sistema……………………………………………………61

Figura.5.38. Desunión de 4 en 4 con carro actual……………………………………...62

Figura.5.39. Atadura de placas con cables……………………………………………..63

Figura.5.40. Explicación desunión de 4 en 4…………………………………………...63

Figura.5.41. Distancia recorrida desunión de 1 en 1…………………………………...64

Figura.5.42. Distancia recorrida desunión de 4 en 4…………………………………...65

Figura.6.1. Foto parte externa del chasis……………………………………………….68

Figura.6.2. Foto parte interna del chasis………………………………………………..69

Figura.6.3. Foto cilindros telescópicos…………………………………………………69

Figura.6.4. Foto de lavado y alimentación……………………………………………..70

Figura.6.5. Foto actuador rotativo……………………………………………………...70

Figura.6.6. Foto cilindro limpiador núcleo……………………………………………..71

Figura.6.7. Foto ensamble brazo limpiador de núcleo de alimentación………………..71

Figura.6.8. Foto ensamble cilindro telescópico al puente……………………………...72

Figura.6.9. Foto ensamble tubo de lavado……………………………………………...72

Figura.6.10. Foto ensamble de las mangueras hidráulicas……………………………..73

Figura.6.11. Foto ensamble mangueras hidráulicas laterales…………………………..73

Figura.6.12. Foto ensamble sacudidor………………………………………………….74

Figura.6.13. Foto ensamble del pesador………………………………………………..75

Figura.6.14. Foto ensamble limpiador núcleo de alimentación al puente……………...75

Figura.6.15. Prototipo del sistema sacudidor/pesador/lavador…………………………76

Figura.6.16. Patente principio y dispositivo de limpiado de placas filtrantes de un

Filtro Prensa………………………………………………………………77

Figura.6.17. Patente de dispositivo de despegue de medios de alimentación………….80

Introducción

Faure Equipements fabrica un tipo de Filtro Prensa con desunión automática de sus placas

filtrantes. Un sistema realiza el sacudido de las placas filtrantes para despegar de la misma el

material sólido recalcitrante (producto de la filtración). Un sistema para pesar las placas

filtrantes, permite luego del sacudido controlar que todo o casi todo el material sólido haya

caído. Estos sistemas inventados por Faure Equipements garantizan un funcionamiento

automático y autocontrolado sin presencia humana.

Sin embargo, estos filtros necesitan que los operadores hagan un control diario asistiendo a

una desunión completa de todas las placas filtrantes (con un tiempo estimado de 30 min a 1

hora). Durante este control el operador observa el estado de suciedad de las telas filtrantes; el

lavado de las telas es un proceso automático, pero el operador debe desacoplar el sistema de

sacudido-pesado y acoplar el sistema de lavado al sistema de desunión automática.

Un problema habitual que esta generalmente ligado a las condiciones del lodo (mezcla a

filtrar), hace que la filtración no sea óptima y por lo tanto la calidad del material sólido no es

la ideal y por ende este se adhiere a las placas filtrantes, esto no permite la desunión

automática de las placas a pesar del sacudido de las mismas. El Filtro Prensa, se para y emite

una señal de defecto. El lavado de las telas filtrantes es necesario y debe ponerse en marcha

por el operario. Si este problema ocurre en la noche, el lavado de las telas filtrantes no se

realizará, sino hasta el día siguiente con la llegada del operador; y por consecuencia, se

perderían 12 horas de producción, haciendo bajar considerablemente el rendimiento de esta

máquina.

Para resolver este problema Faure Equipements plantea la necesidad de hacer que la

desunión automática de las placas filtrantes del Filtro Prensa sea capaz de verificar y corregir

de manera autónoma <<Inteligente>> la caída de los materiales sólidos; Para ello propone

diseñar un sistema mecánico que permita sacudir, pesar y lavar las placas filtrantes del Filtro

Prensa automático, siendo éste el objeto de estudio del presente trabajo.

Éste sistema propuesto permitirá que el Filtro Prensa automático se convierta en una

instalación <<Inteligente>>. El lavado de las telas filtrantes será lanzado automáticamente.

Para ello una serie de informaciones deberán ser tomadas y analizadas.

Este proyecto deberá asegurar el funcionamiento del conjunto que conforma una estación de

deshidratación y de producir un trabajo continuo bajo poca supervisión del operador. Además,

durante una filtración defectuosa el mismo sistema lanzará un lavado de las placas filtrantes y

no perderá tiempo de producción por la espera de la intervención humana.

2

Antecedentes

Para la realización del presente proyecto se consideraron dos antecedentes que tienen

relación importante con el mismo.

En primer lugar, se tiene la patente francesa registrada en 2005 por la empresa Faure

Equipements, con número FR 2893860 titulada “Dispositivos de desprendimiento del material

sólido de las placas filtrantes de un Filtro Prensa”. Éste dispositivo inventado tiene como

finalidad garantizar el funcionamiento automático del Filtro Prensa considerando tres

objetivos: 1) Sistema de sacudido de las placas filtrantes con el fin de permitir la caída del

material sólido recalcitrante, 2) Sistema de autocontrol por pesado para verificar la caída del

material sólido (se pesa y se compara con el peso de las placas sin el material sólido), 3) El

ensamblaje del sistema (sacudido y pesado) es adaptable sea para cada placa filtrante o para el

conjunto de todas las placas. Ésta patente posee relación con la investigación a realizar,

puesto que la misma fue el estudio preliminar del sistema de sacudido y pesado de las placas

filtrantes de un Filtro Prensa y dicho sistema es parte fundamental del presente estudio.

En segundo lugar, se considera el proyecto de pasantías realizado por Yvan León en el año

2008 titulado “Estudio de un sistema de lavado de placas filtrantes de cuatro en cuatro”. Éste

estudio tuvo por finalidad diseñar un sistema de lavado de placas filtrantes para un Filtro

Prensa 220. Dicho sistema tenia que ser adaptado a la desunión automática de placas filtrantes

de cuatro en cuatro. Ésta desunión automática tenía que ser diseñada de antemano para la

realización del proyecto.

Éste proyecto de pasantías es de relevante importancia para la presente investigación debido

a que fue un estudio del sistema de lavado donde precisa su principio de funcionamiento,

tanto para la desunión automática de placas filtrantes de una en una, como para la desunión de

cuatro en cuatro. Ambos sistemas deben diseñarse para el presente trabajo, por ello la

importancia como antecedente.

Justificación e Importancia del trabajo

El diseño de un sistema mecánico para sacudir, pesar y lavar, las placas filtrantes del Filtro

Prensa automático, permitirá que dicho filtro pueda incorporar o acoplar a su sistema de

desunión automática de placas filtrantes, un sólo sistema capaz de sacudir, pesar y lavar las

placas. Mencionadas funciones agrupadas como un todo (a diferencia del filtro actual que

tiene el lavado separado del pesado/sacudido) convertirán al Filtro Prensa en una instalación

inteligente. Es decir, la desunión automática de las placas filtrantes podrá verificar y corregir

de manera autónoma, la caída de materiales sólidos. De esta manera, el lavado de las telas

3

filtrantes será lanzado automáticamente, para ello una serie de informaciones deberán ser

tomadas y analizadas.

Ésta innovación hará que la máquina sea más productiva y por ende aumente su

rendimiento, puesto que no habrá necesidad de acoplar el sistema de lavado al mecanismo de

desunión automática, en caso de que la placa tenga problemas para despegar el material

sólido. Así pues se evitará perder horas de producción por la espera del operador para acoplar

y poner en marcha el lavado automático, cuando el problema se presentase en horario

nocturno, donde el personal laboral es reducido o nulo.

Adicionalmente, éste nuevo sistema permitirá también automatizar completamente el

proceso de filtración de una estación de deshidratación, debido a que el control y el

seguimiento del mismo será supervisado por menos personas en la cabina de control.

Por otro lado, con las informaciones que serán tomadas y analizadas se podrá identificar si

hay necesidad de un lavado automático. Además, se podrá realizar mantenimiento predictivo

de las telas filtrantes y del proceso de filtración, puesto que el proceso de lavado de telas

filtrantes será activado según alguna de las siguientes condiciones:

• Si el defecto del control de pesado es superior al 10% del total de placas pesadas.

• Aumento progresivo del peso de las placas por encastramiento.

• Programación después de un número de ciclos de filtración, definidos por el operador.

• Variación de tiempo del ciclo de filtración.

Por último, considerando el Filtro Prensa <<Inteligente>>, su automatización beneficiará

los procesos de producción tanto para las industrias que requieran recuperar el material sólido

de sus procesos (cerámica, porcelana, farmacéuticas, plástico,...), como las que necesitan el

material líquido (plantas de tratamiento de agua residuales, alimentarias, purificación,..).Éstas

industrias podrán aumentar su producción con menos supervisión humana, aumentando así el

rendimiento de sus procesos.

Planteamiento del problema

Un Filtro Prensa comprende un chasis fijo que soporta las placas filtrantes, cada una de

estas placas están compuestas por un soporte, una tela filtrante y los agujeros de alimentación

y evacuación.

El filtro es alineado y se pone en posición de trabajo, en la cual uno o dos cilindros

hidráulicos aseguran una gran presión de cerrado del conjunto de las placas, las cuales se

comprimen las unas contra las otras afines de evitar cualquier fuga periférica. Este conjunto

de placas filtrantes constituye un filtro de gran longitud y gran capacidad.

4

El fluido cargado (material a filtrar) es introducido por la alimentación, las partículas de

dimensiones superiores a la malla de la tela filtrante, son retenidas y forman el material

sólido. La parte fluida llamada filtrado que pasa a través de la tela y luego por la evacuación,

es recolectada al salir del filtro.

Al final del ciclo de filtración el filtro es abierto, es decir que las placas filtrantes pueden ser

separadas, para retirarles el material sólido y preparar las placas filtrantes para el siguiente

ciclo. Éste proceso se conoce como desunión automática de las placas filtrantes.

Éste proceso puede ser tedioso porque en función de ciertos fluidos cargados, los materiales

sólidos de cada placa pueden caer por gravedad a causa de la separación, pero también pueden

quedar pegados (adheridos) en la tela.

Con la finalidad de hacer el trabajo más eficaz y menos difícil para los operadores, existe un

sistema para desprender el material sólido de manera totalmente automatizada.

Éste sistema posee un mecanismo para pesar las placas filtrantes, sea todas juntas o

individuales, además tiene otro mecanismos de sacudido por elevamiento y caída que produce

un choque, asegurando el desprendimiento.

Durante el pesado, una balanza digital permite verificar de manera preferencial con respecto

a un valor (peso de la placa sin material) si la placa filtrante o el conjunto de ellas, tiene

adherido total o parcialmente el material sólido generado por la filtración. Si la placa o el

conjunto de ellas esta dentro del límite de tolerancia de peso, el Filtro Prensa esta preparado

para un nuevo ciclo y si el peso no es conforme, se realizará una nueva operación de elevado

y caída de la placa.

Ocurre un problema cuando se alcanza el número máximo de sacudidos, porque el Filtro

Prensa se coloca en modo de defecto y requiere una intervención del operador. El

inconveniente es que el Filtro Prensa se traba y la tela de cada una de las placas deviene cada

vez más retentiva. De manera que en función del fluido tratado y de la frecuencia de defectos,

el operador procede a lavar las telas.

El lavado se realiza industrialmente por jets que son desplazados entre las placas y que

actúan por proyección de agua a presión, para asegurar el limpiado de las mallas de la tela

filtrante. Ésta operación es relativamente larga y por lo tanto, debe realizarse en el momento

oportuno, para no afectar el rendimiento de tales filtros.

Si el operador espera demasiado, la tela se puede ensuciar severamente y en ése caso el

lavado es difícil y largo, pero si el operador lo hace muy seguido el rendimiento del Filtro

Prensa disminuye.

5

El número máximo de ciclos de filtración limita la degradación total de la tela, pero este

número máximo de ciclos no varia en función del fluido tratado, por lo tanto este límite no

está definido ni adaptado al proceso. Actualmente, sólo la experiencia de los operadores

conduce a la decisión del lavado.

Así pues, éste filtro necesita la presencia obligatoria del operador para poner en marcha el

lavado de las telas filtrantes, y además la falta de información para identificar cuando

realmente se necesita el lavado son carencias que posee el filtro actual para que sea totalmente

automático.

Adicionalmente, el sistema de lavado ocupa mucho espacio en altura, puesto que para lavar

las placas filtrantes se necesita una cremallera que hace que el filtro mida hasta cinco metros o

más de altura, esto ocasiona un inconveniente para la implementación del mismo dentro del

espacio de las estaciones de deshidratación. Este problema de tamaño aumenta el costo en

construcción civil en la estación de tratamiento.

Por otro lado, de manera preferencial los Filtro Prensa trabajan sus placas filtrantes de

manera independiente, es decir una después de la otra para una mejor fiabilidad de las

informaciones y para una detección más precisa de eventuales fallas.

Así pues, otro defecto que posee ésta máquina es el posicionamiento de cada placa filtrante.

De hecho, mediante el desplazamiento de las placas, se puede ocasionar un problema de

posicionamiento de la placa a manipular. El sistema de desunión automático para desplazar

las placas consiste en un mecanismo que asegura el empuje de la placa por sus soportes.

Se tiene que, en función del estado del chasis, donde se apoyan y deslizan los soportes, la

placa puede proseguir o interrumpir su carrera y quedar situadas de una manera no adecuada.

Ésta situación genera también frecuentes fallas e intervenciones del operador. Éste problema

de posicionamiento puede también consistir en un defecto de paralelismo, es decir la placa se

posiciona transversalmente.

Por último, subsiste un problema de limpiado de los agujeros de alimentación de cada placa

filtrante. De hecho, cada agujero de alimentación de cada placa es sometido a una gran

presión de alimentación y se forman tapones que son generados durante el ciclo de filtración.

Se entiende además que los agujeros de alimentación se juntan según el sentido

longitudinal. Por lo tanto, los aguajeros de cada placa forman entonces un conducto único de

alimentación sobre toda la longitud del Filtro Prensa.

6

Sin embargo, el lavado de las placas no permite limpiar el núcleo (agujero) de alimentación

de cada placa filtrante, puesto que la presión se ejerce radialmente dentro del agujero de

alimentación, ocasionando la formación de un tapón fuertemente afianzado, y el choque

provocado por el sacudido no es lo suficientemente fuerte para solucionar el problema.

Objetivo General

Diseñar un sistema mecánico que permita sacudir, pesar y lavar las placas filtrantes del

Filtro Prensa automático. El sistema debe reducir en un 33% la altura del sistema de lavado

actual y poseer un mecanismo para limpiar el núcleo de alimentación de las placas, de los

residuos del fluido cargado durante la filtración.

Objetivos Específicos

• Integrar el sistema de sacudido y pesado al sistema de lavado.

• Modificar el mecanismo de cremallera que sube/baja el tubo de jets del sistema de

lavado, por un sistema que ocupe 1/3 de la altura del mecanismo actual.

• Adaptar al sistema lavador/sacudidor/pesador un sistema para detectar la posición de

las placas filtrantes.

• Diseñar al sistema un mecanismo para limpiar el núcleo (agujero) de alimentación de

las placas filtrantes.

• Estudiar la desunión automática de placas filtrantes de cuatro en cuatro.

• Adaptar el sistema lavador/secador/pesador a la desunión automática de placas

filtrantes de cuatro en cuatro.

CAPÍTULO 1

EMPRESA FAURE EQUIPEMENTS

1.1. Historia.

En 1870, Pierre Paul Faure, Ingeniero (des arts et métiers), abre un taller de construcción

para la fabricación de platos de porcelana en Limoges Francia. En 1876, Faure diseña y

fabrica máquinas para la industria de la porcelana. En 1878, construye su primera Trituradora

y en 1890 su primer Filtro Prensa.

En 1903, su hijo André Faure, Ingeniero de artes y manufactura, lo sustituye. Él moderniza

los métodos de preparación de mezclas para cerámicas, y reemplaza el equipo existente por

máquinas automatizadas para la realización de piezas a gran producción. En 1932, entra en el

negocio de equipos mineros. En 1940, crea Filtros prensa de nueva generación y en 1945 hace

las Trituradoras de bolas industriales.

En 1965, La empresa FAURE situada hasta entonces en el centro de la cuidad de Limoges,

se muda para instalarse en la nueva Zona Industrial Magré en el sur de Limoges.

En 1968, François Faure retoma el negocio de su padre después de su muerte, la empresa

cuenta ahora con 152 empleados. En 1970, FAURE diseña en sus locales las placas de los

Filtros Prensa de resina armada, y en 1975 utiliza placas de Polipropileno moldeado.

En 1984, la sociedad entra en crisis y despide una parte de su personal. Luego, es reanudada

por el grupo MILHOUD-CLERO, que es una agrupación de seis sociedades basadas en tres

sitios de producción (Cosne-sur-Loire, Montargis y Limoges).En 1995, Las Trituradoras son

completamente automatizadas.

A finales de 1996, el grupo MILHOUD-CLERO cesa toda actividad. En Marzo de 1997, la

fábrica abre en los mismos locales con 24 empleados, con el nombre de FAURE

EQUIPEMENTS S.A.

Actualmente, Faure Equipements es una de las más importantes constructoras de Filtros

Prensa para las estaciones de purificación urbanas e industriales en Francia. Los Filtros Prensa

se utilizan en los procesos de numerosas industrias: química, farmacéutica, alimentaria,

cerámica….

8

1.2. Dominio de Actividad.

FAURE EQUIPEMENTS diseña y realiza equipos especiales. La empresa fabrica y

comercializa sus equipos principalmente en tres dominios:

• El medio ambiente

• La trituración y la cerámica

• La minería y los trabajos subterráneos.

1.2.1. El medio ambiente.

El tratamiento de fluido cargado industrial y urbano representa el 75% de las ventas de la

empresa. Un fluido cargado es una mezcla de partículas sólidas suspendidas en un líquido. El

tratamiento consiste en la separación de éstos dos componentes. El equipo más utilizado en

esta deshidratación es el Filtro Prensa (ver figura 1.1).

Figura 1.1. Foto de Filtro Prensa.

Dado el rigor de las normas anticontaminantes, los filtros prensa son máquinas muy

utilizadas e interesantes para las empresas que desechan o vierten residuos nocivos para el

medio ambiente. Debido a que, estos filtros controlan los desechos provenientes de los

procesos industriales y urbanos. FAURE EQUIPEMENTS es el líder nacional en fabricación

de Filtros Prensa.

Los Filtros Prensa son utilizados para la deshidratación de fluidos cargados provenientes de

procesos industriales tales como:

9

• Alimentario

• Cerámica tradicional y compuesta

• Química

• Farmacéutica

1.2.2. La trituración y la cerámica.

Este dominio representa alredor del 20% de las ventas de la empresa. Las Trituradoras de

bolas son utilizadas para la pulverización fina de materias duras o blandas, incluso muy

abrasivas como el cuarzo, la arcilla, la arena, etc. Es posible triturar distintas materias al

mismo tiempo, permitiendo de esta manera, la utilización de la trituradora como mezclador

(ver figura 1.2).

Figura.1.2. Foto de Trituradora.

Su principio de funcionamiento es muy simple: se trata de un cilindro en rotación en torno a

su eje central, en los cuales se colocan bolas. Al girar, éstas caen sobre las materias que deben

triturarse y las reducen en “polvo” de algunos micrómetros.

FAURE EQUIPEMENTS pone a disposición de sus clientes, trituradoras de varias

capacidades: de 1 a 15 litros para las trituradoras de laboratorios y hasta de 30.000 litros para

las trituradoras industriales.

Entre sus aplicaciones se tienen no sólo para la fabricación en pequeña cantidad de

productos triturados, sino también para hacer ensayos de trituración con el fin de determinar

las condiciones óptimas de utilización. Además, en el caso de productos nuevos, permiten

buscar las posibilidades de trituración dada una granulometría.

Las Trituradoras de bolas se utilizan en distintos dominios como la cerámica, la pintura, los

laboratorios, la cosmética, la química industrial.

10

1.2.3. La minería y los trabajos subterráneos

Esta actividad representa alrededor del 5% de las ventas de la empresa. La empresa

distribuye varios productos para este sector como las estructuras, los tornos elevadores, las

jaulas de ascensores, los elementos de fijación (de los cuales es prácticamente el único

productor en Francia), los cables, las poleas (ver figura 1.3).

Figura.1.3. Foto de torno elevador.

FAURE EQUIPEMENTS proporciona todo el material necesario para un lugar minero.

Además, las materias que resultan de las minas deben triturarse y tratarse; esto implica pues la

venta de Filtros Prensa y de Trituradoras.

Tirantes Cabezal cilindro

Cabezal móvil Placas

Soporte de la placa para la désunion

Cilindro hidráulico

Pies Central hidráulica

Cabezal posterior

CAPÍTULO 2

FILTROS PRENSA

2.1. Finalidad y sus aplicaciones.

Los Filtros Prensa son máquinas que permiten separar elementos sólidos que están en

suspensión en un líquido. Por lo tanto, existen dos grandes aplicaciones:

• Recuperación de la fase sólida, como para la deshidratación de las cerámicas y de los

productos farmacéuticos.

• Recuperación de la fase líquida (filtrado), como para el tratamiento de aguas

provenientes de procesos tanto urbanos como industriales.

2.2. Composición del Filtro Prensa.

Los filtros prensas se dividen en varias partes (ver figura 2.1.):

• Los cabezales para colocar en posición las placas.

• Dos tirantes laterales para soportar las placas.

• Uno o dos cilindros hidráulicos para ejercer la presión.

• Las placas para retener el material sólido y los soportes para hacer la desunión.

• La central hidráulica para dar la presión a los cilindros.

• Los pies para la conexión al suelo.

Figura.2.1. Partes del Filtro Prensa.

12

2.3. Funcionamiento.

Existen varias fases durante un ciclo de funcionamiento:

2.3.1. El cierre del sistema.

En primer lugar, se procede a dar una presión de 250 bares al cilindro hidráulico, con el fin

de que comprima las placas filtrantes la una contra la otra. La compresión debe ser lo

suficientemente importante para que no haya fuga periférica en la unión de las placas (ver

figura 2.2).

Figura.2.2. Esquema del sistema en fase de cierre.

2.3.2. Alimentación del Filtro y filtración.

En segundo lugar, se envía el fluido cargado dentro del Filtro Prensa. Éste va a comprimirse

sobre las telas que cubren las placas, y en consecuencia la parte líquida del fluido cargado (el

filtrado), va a pasar a través de las telas, para luego ser transportada hacia el exterior del filtro

donde se recolecta. La presión en el sistema va aumentando progresivamente hasta una

presión máxima de 15 bares (ver figura 2.3.).

Figura.2.3. Esquema del sistema en fase de filtración.

---- : Telas filtrantes

Cilindro hidráulico

Placas recubiertas de telas filtrantes

Fluido cargado

Filtrados

Formación del material

sólido

Tela filtrante

13

2.3.3. Compactado para placas de membranas.

Algunas placas se equipan de un sistema de membranas. Después de la formación del

material sólido, éste se vuelve a comprimir, enviando agua a presión en las membranas. El

principal interés de este tipo de sistema es el aumento importante de la productividad

(disminución del tiempo de ciclo) del 20 al 50%. Se logra también una mejor sequedad (+10%

al +15%) y un mejor despegue del material sólido (ver figura 2.4).

Figura.2.4. Esquema del sistema en fase de compactado.

2.3.4. Operación “expulsa núcleo de alimentación”.

La siguiente etapa consiste en evacuar el núcleo de alimentación, del fluido cargado restante

durante la filtración. Para esto, se inyecta aire comprimido durante unos cuarenta segundos en

el interior del orificio de alimentación, con el fin de expulsar el núcleo (tapón) al depósito de

fluido cargado, para luego ser filtrado en un nuevo ciclo (ver figura.2.5.).

Figura.2.5. Esquema operación expulsa núcleo.

Membrana

Fluido cargado

Material sólido compactado

Placa

Agua a presión

Filtrado

Inyección de aire comprimido para expulsar el fluido

cargado

Material sólido

14

2.3.5. Desunión de placas filtrantes.

Luego de retraer el vástago del cilindro hidráulico, se separan las placas de forma manual o

automática, para permitir que el material sólido se desprenda y caiga. Para facilitar la

ejecución de esta operación, existen distintos equipos como un lavador de placas filtrantes y

un sistema de desprendimiento del material sólido (ver figura.2.6.).

Figura.2.6. Esquema del sistema en fase de desunión.

2.3.5.1. Desunión automática de placas filtrantes.

Los Filtros se equipan de un sistema de desunión automática de placas, para ello, un

conjunto de dos mecanismos, llamados carros de desunión, se encargan de separar

automáticamente las placas las unas de las otras, logrando así el espacio necesario para que el

material sólido se desprenda y caiga.

Cada carro de desunión posee dos “dedos” cuyos movimientos de rotación son dependientes

por un sistema de leva con resortes. El desplazamiento de los carros a lo largo del Filtro

Prensa, es realizado por dos correas dentadas que son accionadas por un motor hidráulico.

Cuando se separa la última placa y cae el último material sólido, se comienza un nuevo ciclo

(ver figura.2.7).

Material sólido desprendido

Placas separadas Cilindro retraído

15

Figura.2.7.Explicación del funcionamiento de la desunión automática.

Carro de desunión

Dedos en posición inicial impuesto por el

resorte

Soporte Placas

Desplazamiento en avance para buscar

una placa

Mov. en avance

Contacto entre el soporte y el dedo

Mismo desplazamiento angular de los

dedos

Mov. en avance

Contacto entre el soporte y el dedo

Ambos dedos aumentan su ángulo en la

misma proporción

Se para el Mov. en avance y se cambia de sentido

Contacto entre el soporte y el

dedo

4

1 2

3

El carro junta la placa contra el cabezal móvil

Los dedos buscan su posición inicial

Contacto entre el soporte y el

dedo

Dedos en Posición inicial

Mov. en retroceso

Contacto entre el soporte y el dedo y el carro mueve la placa El carro no

puede seguir su movimiento y la

presión aumenta y se pilotea el cambio de sentido para buscar otra

placa

Cabezal móvil

Mov. en retroceso

Desplazamiento en retroceso

5 6

7 8

16

2.3.6. Accesorios para Filtros Prensa con desunión automática de placas filtrantes.

Los Filtros Prensa con desunión automática de placas, pueden ser equipados de accesorios

para que funcionen de manera más automatizada, y tener menos operadores para supervisar su

funcionamiento. Estos accesorios se acoplan manualmente sobre los carros de desunión. Estos

accesorios complementarios son:

• El sistema de lavado de las telas filtrantes.

• El sistema de sacudido con o sin controlador por peso de las placas.

2.3.6.1. Sistema de lavado de las telas filtrantes.

El sucio o el atascamiento de partículas en las telas filtrantes, va a conducir a una

degradación progresiva de los resultados de filtración; como el aumento de la duración de un

ciclo (el aumento de presión es más rápido o la alimentación del filtro es más lenta), y

además, el material sólido se adhiere más en las placas durante la desunión automática.

Cuando se necesita una operación de lavado de las telas. Esta se efectúa entre dos placas,

por un tubo de lavado equipado de jets que proyectan el agua a 100 bares, para poder lavar las

superficies de las telas filtrantes. Una transmisión de piñón/cremallera accionada por un moto-

variador (el cual es posible regular la velocidad), permite subir y bajar verticalmente el tubo

de lavado a lo largo de toda la superficie de la placa.

La presión en el agua es generada por una motobomba, que está conectada a un tanque

situado a proximidad del filtro. Este tanque, destinado a controlar el suministro a la

motobomba, se abastece continuamente de agua potable fría (o agua industrial fría filtrada a

200µ).

El sistema de lavado de las telas está formado por (ver figura.2.8.):

• Un puente de lavado colocado sobre el filtro.

• Un conjunto de tanque y motobomba conectado por mangueras hidráulicas al puente

de lavado.

• Un mecanismo moto reductor con piñón/cremallera.

• Un tubo de lavado equipado de Jets.

17

Mecanismo moto reductor

piñón/cremallera

Puente de lavado

Llegada de agua (100 bares)

Manguera hidráulica

Jets proyectan el agua a 100 bares

Tubo de lavado Sistema de guiado del tubo de lavado

Figura.2.8. Partes del sistema de lavado.

2.3.6.2. Sistema de sacudido y pesado.

Cada vez que se separa una placa, el carro de desunión detiene su movimiento y un

sacudidor aplica al soporte de la placa repentinos choques, para desprender de la tela filtrante

posibles residuos de material sólido aún adheridos a la misma (ver figura.2.9).

18

Cilindro neumático

Balanza digital

Figura.2.9. Sistema de sacudido.

Para asegurarse de la efectividad del sacudido, se pesa la placa sacudida con un sistema de

elevación y descenso. El valor del peso se registra en una balanza digital. El peso de la placa

se compara con su peso de referencia. En caso de exceso de peso, se reanuda el sacudido. Si la

divergencia continúa al cabo del décimo sacudido, una alarma se activa y se suspende la

desunión automática de placas, hasta la espera de una intervención manual, luego de la

intervención del operador, se prosigue con el proceso de desunión (ver figura.2.10).

Figura.2.10. Sistema de pesado.

. CAPÍTULO 3

MARCO TEORICO

3.1. Hidrodinámica.

En esta sección se definirán dos conceptos fundamentales de la hidrodinámica como lo son:

el caudal y la ecuación de continuidad.

3.1.1. Caudal.

Caudal Q es el volumen de fluido por unidad de tiempo que pasa a través de una sección

transversal a la corriente. Si la velocidad de la corriente es paralela a la superficie transversal

el caudal que la atraviesa es nulo. Si la velocidad tiene cualquiera otra dirección se

descompone la misma y sólo la componente normal produce caudal.

Si la superficie a través de la cual se calcula el caudal es finita es evidente que la dirección

de la velocidad puede variar de un punto a otro de la misma, y además la superficie puede no

ser plana. Llamando dA al elemento infinitesimal de área, siendo cn la componente de la

velocidad normal a ese elemento se tendrá:

dQ cn dA⋅:=

Q Acn⌠⌡

d:=

Si cm es la velocidad media normal a la sección A, entonces de la ecuación anterior se

deduce:

Q cm A⋅:=

Siendo la velocidad media:

cm

Acn⌠⌡

d

A

Q

A=:=

20

Así, por ejemplo en una tubería circular de diámetro D:

(Velocidad media en una tubería)

3.1.2. Ecuación de continuidad.

La ecuación de continuidad en un hilo de corriente cumple:

• No entra ni sale fluido lateralmente porque la velocidad es tangencial al hilo de

corriente.

• En régimen permanente el hilo de corriente es estacionario.

• No se crea ni se destruye masa, ni puede haber concentración o dilución de masa en

ninguna sección del mismo, porque ello supondría aumento o disminución de densidad

del fluido en dicha sección lo que es imposible en régimen permanente.

Luego la masa que entra en el tubo infinitesimal es igual a la masa que sale, por tanto:

ρ1 c1⋅ dA1⋅ ρ2 c2⋅ dA2⋅ Ctte=:=

Donde ρ1 y ρ2 son las densidades del fluido en las secciones 1 y 2. c1 y c2 son las

componentes normales de las velocidades en las secciones 1 y 2. Si el fluido es incompresible

las densidades son constantes y por lo tanto:

c1 dA1⋅ c2 dA2⋅ Ctte=:=

Asimismo, la ecuación de continuidad para un fluido incompresible y un hilo de corriente:

dQ c dA⋅ Ctte=:=

La ecuación de continuidad para un tubo de corriente y un fluido incompresible, se obtiene

integrando la ecuación anterior:

cm4 Q⋅

π D2⋅

:=

21

Q Ac⌠⌡

d Ctte=:=

De esta manera, la formula práctica de la ecuación de continuidad:

Q cm A⋅ Ctte=:=

Donde; Q: caudal volumétrico

A: área de una sección transversal del tubo

cm: velocidad media normal a la sección considerada

3.2. Especificaciones técnicas de los jets de agua.

Según las especificaciones del fabricante de los jets Spraying Systems Emani, el

recubrimiento teórico de los diferentes tipos de pulverización, son función del ángulo de

dispersión y de la distancia de pulverización desde el orificio de la boquilla del jet (ver

figuras.3.1 y 3.2.).

Figura.3.1. Recubrimiento teórico del jet.

22

Figura.3.2. Tabla de recubrimiento teórico del jet.

El caudal de cada jet depende de la presión de servicio de los mismos (ver figura 3.3.).

Figura.3.3. Tabla de caudal por jets según la presión de trabajo.

23

El impacto o proyección de las gotas durante una pulverización sobre una superficie puede

ser expresada de diferentes maneras. El valor de impacto más utilizado en lo que concierne al

desempeño de los jets de pulverización es el impacto por centímetro cuadrado. Este valor

depende del caudal por jet y el ángulo de dispersión (ver figura.3.4).

Figura.3.4. Expresión para cálculo del impacto.

Luego de determinar el impacto total teórico se puede obtener el impacto total real como lo

indica la figura.3.5. El resultado es el impacto en kgf/cm² a 30 cm de distancia de la boquilla.

Figura.3.5. Tabla correctiva del impacto del jet.

24

3.3. Cilindro neumático.

El cilindro neumático posee dos parámetros determinantes: la carrera (L) y el diámetro (D)

(ver figura.3.6).

Figura.3.6. Parámetros del cilindro neumático.

La carrera es función de la longitud de desplazamiento. La carrera puede estar limitada por

los dos topes de los extremos internos del cilindro, o puede ser limitada exteriormente a un

extremo o a dos extremos, sea por el trabajo a realizar (cerrado, marcado,...), sea por un tope

fijo o ajustable.

El diámetro del cilindro depende de la fuerza teórica axial (Fa) desarrollada y la presión (P)

de alimentación (ver figura.3.7.).

Figura.3.7. Fuerza de extensión y retracción del cilindro.

Durante el desplazamiento el cilindro puede desarrollar sólo una parte de la fuerza teórica

axial, una tasa de carga permite calcular la fuerza dinámica real desarrollada. En el trascurso

del movimiento la fuerza axial es siempre inferior a la fuerza axial teórica, se utiliza una tasa

de carga (t) definida por:

tcarga real⋅

carga teorica⋅1≤:=

D

L

Fa Fa P S⋅

P π⋅ D2

⋅

4=:=

Fr Fr P Sr⋅

P π⋅ D2

d2

−( )⋅

4=:=

d

25

Esta tasa de carga (t) depende de la fricción interna del cilindro y de la contra presión de

escape. Para cargas dinámicas a lo largo de la carrera que es lo más general (cilindro de

transferencia, levantamiento de una carga, accionador de un mecanismo,..), para este caso de

carga dinámica la tasa de carga esta alrededor del 60% (t ≈ 0,6).

Para cargas estáticas, normalmente al final de la carrera del cilindro donde se aplica la

fuerza estática (cilindro de cerrado, de marcado, de prensado,..), para este tipo de cargas

estáticas, la tasa de carga esta alrededor del 100% (t ≈ 1).

.

CAPÍTULO 4

METODOLOGÍA

4.1. Aspectos preliminares de la investigación.

El objetivo principal del presente trabajo es diseñar: un sistema mecánico para sacudir,

pesar y lavar las placas filtrantes del Filtro Prensa automático, un mecanismo con altura

reducida para el sistema de lavado, un sistema de limpiado para el agujero de alimentación de

la placa y la desunión automática de cuatro en cuatro. Este trabajo establece un enlace directo

entre los tutores y el pasante, a fin de coordinar las actividades referentes al proceso de

diseño. El manejo de la información se realiza por medios de esquemas, bosquejos y planos.

El proyecto se desarrolla en las instalaciones de la empresa Faure Equipements,

específicamente en el Departamento de Estudios de Ingeniería.

4.1.1. Estrategias y directrices para el diseño del sistema.

El siguiente proyecto está concebido de la manera que las técnicas e instrumentos de

recolección de información son realizadas por medios de bocetos, esquemas y planos, que

principalmente son obtenidos por los programas de: Diseño Asistido por Computador (CAD

3D) CATIA V5 R17 y Dibujo Asistido por Computador AUTOCAD R14.

Asimismo, el principal objetivo de éste trabajo es obtener la maqueta numérica

(modelización 3D) del sistema propuesto, así como los planos de fabricación del mismo.

Además, el proceso y análisis de la información obtenida será a través de los planos de

fabricación, que a su vez éstos se obtienen a partir del boceto 3D. Así pues, las herramientas

fundamentales para el diseño del sistema son estos dos programas.

4.2. Fases del proyecto.

Para lograr el diseño de las diferentes partes de éste proyecto, es necesario dividirlo en

diferentes fases; las cuales se especifican a continuación:

27

4.2.1. Diseño del sistema de sacudido, pesado y lavado.

En esta parte se va a integrar el sistema de sacudido y pesado al sistema de lavado, se va

diseñar o implementar un mecanismo de subida/bajada de altura reducida para el sistema de

lavado y se adaptará al sistema sacudidor/pesador/lavador un sistema de detección de las

placas.

4.2.2. Diseño del limpiador de núcleo de alimentación.

En esta fase se diseñará un sistema para limpiar el núcleo (agujero) de alimentación de las

placas filtrantes. Este limpiador tiene que ser adaptado al sistema sacudidor/pesador/lavador.

4.2.3. Estudio de la desunión automática de placas 4 x 4.

Este estudio consistirá en diseñar una desunión automática de placas de cuatro en cuatro,

luego se tiene que adaptar el sistema sacudidor/pesador/lavador a la desunión automática de

cuatro en cuatro.

4.3. Proceso de diseño.

Afín de concebir las fases establecidas, éste proyecto se basará según el proceso de diseño

del Profesor Rodolfo Milani, publicado en su libro Diseño para Nuestra Realidad. De esta

manera, a continuación se citará textualmente cada una de las fases del proceso de diseño y su

explicación según Rodolfo Milani, las cuales serán utilizadas en este diseño:

4.3.1. Establecimiento de la necesidad.

Como resultado de esta primera fase del proceso de diseño deberá existir un enunciado que establezca,

aunque sea un poco vagamente y en términos muy generales, cuál es la necesidad a resolver. Al

enunciar una necesidad debemos evitar el ligar la misma a un sistema o un aparato en particular.

4.3.2. Aceptación del problema.

Aceptar un problema significa asumir toda la responsabilidad del mismo. Muchas veces nos

introducimos en un problema con la mejor intención y al cabo de poco tiempo descubrimos que no

tenemos ni el interés, ni las calificaciones para llevarlo hasta el final. Una aceptación consciente del

problema lo ayudará a determinar si usted tiene la habilidad, el tiempo, la energía y la decisión de

llevarlo hasta el final así como decidir si el problema está de acuerdo con su esquema de prioridades

para su desarrollo profesional.

4.3.3. Descripción.

Para introducir esta fase del proceso debe tenerse claro lo siguiente: las ideas para resolver un

problema son simplemente maneras de llegar a donde uno quiere llegar: eso son, ni más ni menos. Si

no se tiene a donde ir (objetivos poco definidos del problema) las ideas no serán de mucha ayuda, de

aquí la necesidad de que un problema esté claramente definido, claramente descrito para que se

28

puedan buscar soluciones en una forma productiva y directa sin estar divagando y caminando en

direcciones al azar. En la fase de descripción podemos distinguir claramente dos subfases: análisis del

problema y especificación de diseño.

4.3.3.1. Análisis del problema.

El análisis puede parecer una etapa fastidiosa y árida en el proceso (aunque indispensable para poder

pasar a fases más interesantes del mismo) si no es entendida como una fase igualmente interesante

donde se produce la mayor parte del aprendizaje. Es un estado donde el conocimiento que se posee se

revela a la conciencia, se ordena, y donde nuevos conocimientos son fácilmente adquiridos porque lo

que ya se conoce esta pronto a ser utilizado para relacionarlo.

4.3.3.2. Especificación de diseño.

Es el puente necesario entre el análisis y la fase posterior de concepción. Lo que se trata de hacer es

una descripción concisa tanto cualitativa como cuantitativa de la comprensión que se tiene del

problema hasta este momento y una descripción de las características (especificación), alcance y

limitaciones que el sistema a diseñar debe tener.

4.3.4. Concepción del sistema.

Esta es la fase de diseño más creativa porque se tiene una libertad muy grande de acción. Se requiere

cierta experiencia puesto que aunque no se entra en el diseño y cálculo de los detalles, es necesario

tener siempre presente la factibilidad de las soluciones propuestas. Al concluir está fase deberán

existir esquemas de conjunto del sistema, modelos tridimensionales del mismo (cuando es necesario)

que indiquen la posibilidad cierta de resolver los problemas funcionales o espaciales. Así mismo,

deberán estar especificados los subsistemas para permitir que grupos especializados puedan proceder

en forma paralela al diseño de los detalles.

4.3.5. Estudio de factibilidad.

Es necesario hacer notar que hasta este momento ha participado en el diseño un grupo pequeño de

personas; así mismo, los recursos materiales utilizados han sido limitados: dibujos, modelos

tridimensionales, adquisición de información, algunos viajes. Sin embargo, a partir de este momento

el diseño se multiplica: habrá varios grupos trabajando en el diseño de los diferentes subsistemas, será

necesario realizar alguna investigación, construir y ensayar un prototipo funcionante del sistema y

diseñar los procesos de fabricación en serie del mismo. Si consideramos el costo del proyecto, es

evidente que lo que hemos gastado hasta ahora es poco comparado con lo que hay que gastar en las

fases siguientes, por lo que es necesario tomar la decisión de si vale la pena continuar con el diseño o

por el contrario es preferible dejarlo estar o aplazarlo hasta otra oportunidad.

4.3.5.1. Factibilidad técnica.

El sistema no contraviene ninguna de las leyes de la ciencia. No hay incompatibilidad entre los

componentes del sistema (por ejemplo la presencia de motores eléctricos puede influir negativamente

en sistemas de control electrónico).Los componentes del sistema existen y no están por inventarse o

desarrollarse.

29

4.3.5.2. Factibilidad Económica.

Las piezas o componentes pueden ser fabricados a niveles competitivos. Las materias primas o

componentes se consiguen con facilidad, sin peligros de suspensión del suministro. Las características,

precio y costos del sistema lo hacen competitivo con otros similares en el mercado.

4.3.6. Formación completa del Sistema.

… trataremos de aclarar todos los puntos oscuros, de completar la especificación y de observar cuando

sea necesario el funcionamiento simulado (analógico, digital o híbrido) del sistema o partes del

mismo. Además se comenzará la investigación sobre los subsistemas o elementos que puedan impedir

el avance del diseño en caso de no ser resueltos. También pueden hacerse en esta fase modelos o

prototipos simplificados para constatar el buen funcionamiento de alguna nueva idea utilizando

madera plástico o cualquier otro material fácil de trabajar.

4.3.7. Diseño de detalles y de los procesos de fabricación.

Durante el diseño de los detalles, aunque se trabaje en grupos, existirá un coordinador que funcionará

de enlace y mantendrá la concepción del todo. Si fuese necesario hacer algún cambio en las

especificaciones de algún subsistema, y como éste está asociado con los demás, el coordinador junto a

los grupos establecerá las modificaciones y los compromisos necesarios en todos los subsistemas. Al

finalizar esta fase deberán estar dibujadas y especificadas todas las piezas y elementos del sistema

incluyendo materiales, tolerancias y procesos de fabricación. Hay que diseñar para función y para

fabricación, pues si no se toman en cuenta ambos aspectos el diseño será un fracaso.

4.3.8. Fabricación y ensayo del prototipo.

El procedimiento de fabricación del prototipo puede diferir sustancialmente del que se usará para la

fabricación en serie debido a que tratándose de una sola unidad los procedimientos serán menos

automatizados. Construido el prototipo se procede a ensayarlo para ver si cumple con las

especificaciones. Se somete el sistema a pruebas aceleradas para detectar posibles fallas en la

resistencia de algunas piezas. Se dan los últimos toques a la apariencia externa. Se estudia con

detenimiento la interfase hombre-máquina, o sea la forma de operar y controlar el sistema, lo que

incluye todo lo referente a señalización y mando. Naturalmente habrá que rediseñar y corregir todo

aquello que resulte defectuoso.

4.3.9. Evaluación final.

Una vez ensayado y ajustado el prototipo se hace la evaluación completa del mismo antes de proceder

a la Fabricación en serie puesto que esto implica la construcción de una cantidad de implementos,

herramientas, utillajes y moldes que suelen ser muy costosos.

.

CAPÍTULO 5

DISEÑO DEL SISTEMA

5.1. Necesidad y aceptación del problema.

La necesidad así como se definió en la introducción es hacer que la desunión automática de

placas filtrantes del Filtro Prensa sea capaz de verificar y corregir de manera autónoma

<inteligente> la caída de los materiales sólidos. Para eso se propone diseñar un sistema

mecánico que permita sacudir, pesar y lavar las placas filtrantes del Filtro.

5.2. Descripción.

Para describir y comprender bien el sistema a concebir se consideran: el análisis y la

especificación de diseño.

5.2.1. Análisis.

Afín de comprender mejor el problema y clasificar todo lo que se conoce con respecto a la

necesidad se hace un análisis del sistema actual y de otros similares.

5.2.1.1. Modelización del sistema de sacudido y pesado actual.

Con la finalidad de comprender el sistema y sus partes. Para ello se observó el

funcionamiento, el filtro en proceso de ensamblaje en el taller de la empresa. Una vez

entendido su funcionamiento, se buscó en la base de datos de la empresa los planos en

AUTOCAD del Filtro y se realiza un modelo tridimensional de cada pieza, para luego ser

ensambladas y obtener el modelo numérico completo del sistema de sacudido y pesado (ver

figuras.5.1. y 5.2).

31

Figura.5.1. Puente sacudidor y pesador.

Figura.5.2. Sistema de sacudido y pesado.

5.2.1.2. Modelización del sistema de lavado actual.

De manera análoga que para el sistema de sacudido y pesado, para comprender el

funcionamiento del sistema de lavado, se realiza un modelo tridimensional de cada pieza, para

luego ser ensambladas y obtener el modelo numérico completo del sistema de lavado (ver

figuras. 5.3. y 5.4.).

32

Figura.5.3. Puente lavador.

Figura.5.4. Sistema de lavado.

5.2.1.3. Superposición de los dos sistemas actuales.

Con el objetivo de tener un punto de partida o una idea del sistema a diseñar, se superpuso

los dos sistemas modelados numéricamente. Luego de superponer los sistemas, se comienza a

pensar como se podría buscar soluciones para el diseño. Además se tiene una estimación de

las dimensiones de los dos sistemas vistos como un todo (ver figura.5.5).

33

Figura.5.5. Superposición de los sistemas actuales.

5.2.1.4. Condiciones generales de Faure Equipements.

Para definir las condiciones del proyecto propuesto y para responder a las necesidades

particulares de la empresa Faure Equipements, se realizaron varias reuniones para fijar el

marco general del proyecto donde la empresa expresó lo siguiente:

• Faure Equipements es una empresa que subcontrata la fabricación de la mayoría de las

piezas de sus máquinas, por lo tanto se debe diseñar el proyecto utilizando en lo

máximo posible las piezas ya existentes.

• Preservar en lo máximo posible el mismo principio para el sistema de sacudido y

pesado.

• Utilizar en lo máximo posible la materia prima existente en el almacén de la empresa

para la realización de piezas nuevas.

5.2.2. Especificación de diseño.

Después de considerar las condiciones generales de la empresa y de comprender los

sistemas actuales y el Filtro, los objetivos específicos del proyecto quedan definidos de la

siguiente manera:

34

Fase 1:

• Integrar el sistema de sacudido y pesado al sistema de lavado.

• Modificar el mecanismo de cremallera que sube/baja el tubo de jets del sistema de

lavado, por un sistema que ocupe 1/3 de la altura del mecanismo actual.

• Adaptar al sistema lavador/sacudidor/pesador un sistema para detectar la posición de

las placas filtrantes.

Fase 2:

• Diseñar al sistema un mecanismo para limpiar el núcleo (agujero) de alimentación de

las placas filtrantes.

Fase 3:

• Estudiar la desunión automática de placas filtrantes de cuatro en cuatro.

• Adaptar el sistema lavador/secador/pesador a la desunión automática de placas

filtrantes de cuatro en cuatro.

5.3. Concepción del sistema.

La superposición de los sistemas permitió obtener las dimensiones del nuevo puente donde

se implementarán los sistemas de sacudido, pesado y lavado, por lo tanto se realiza el modelo

numérico del chasis del nuevo puente y se integran los componentes del sistema de sacudido y

pesado sobre el mismo (ver figura.5.6).

5.3.1. Soluciones propuestas para mecanismo de altura reducida.

Para modificar el mecanismo de cremallera del sistema de lavado, con el fin de implementar

o diseñar un mecanismo que ocupe menos espacio en altura de al menos un tercio de la altura

actual. Se busca información de diversos sistemas de lavado de diversos filtros y se obtienen

diversas soluciones.

5.3.1.1. Sistema Rigibelt.

El sistema Rigibelt es un accionador lineal telescópico que está compuesto por dos correas

que se engranan la una con la otra con un mecanismo estándar, para formar una columna de

tracción o compresión rígida. Las correas son alojadas por los lados luego de que son

desunidas. Este sistema hace el movimiento vertical del tubo de lavado (ver figuras.5.6, 5.7,

5.8 y 5.9).

35

Figura.5.6. El sistema Rigibelt sin la caja de alojo.

Figura.5.7. El Rigibelt bajando el tubo de lavado.

Figura.5.8. El mecanismo del Rigibelt.

36

Figura.5.9. Caja de alojo de correas.

5.3.1.2. Sistema el Mât telescópico.

El Mât telescópico es un cilindro lineal telescópico auto guiado, que es accionado por una

cadena rígida. Este sistema tiene el mismo principio del Rigibelt salvo que es auto guiado. El

ensamblaje de éste sistema sobre el puente, es de la misma manera que el Rigibelt (ver

figuras.5.10 y 5.11).

Figura.5.10. El Mât telescópico.

37

Figura.5.11. Mecanismo del Mât telescópico.

5.3.1.3. Lavado lateral.

Con esta solución se lavan las placas filtrantes de manera lateral girando el tubo de lavado y

con ello obtener una ganancia en cuanto altura se refiere (ver figura.5.12).

Figura.5.12. Lavado lateral de placas.

38

5.3.1.4. Sistema de Pantógrafo.

Un Pantógrafo es utilizado para poder lavar las placas filtrantes de manera vertical, y con

ello reducir el espacio en altura (ver figura.5.13.).

Figura.5.13. Pantógrafo.

5.3.1.5. Cilindro neumático telescópico guiado lateralmente.

El movimiento vertical para el lavado es realizado por un cilindro neumático telescópico, el

sistema es guiado linealmente en cada lado del puente (ver figura.5.14.).

Figura.5.14. Cilindro telescópico con guiado lateral.

39

5.3.1.6. Sistema con dos cilindros neumáticos telescópicos.

El Sistema es compuesto por dos cilindros neumáticos telescópicos que hacen el

movimiento vertical del tubo de lavado (ver figura.5.15).

Figura.5.15. Sistema con dos cilindros neumáticos telescópicos.

5.3.2. Solución retenida para mecanismo de altura reducida.

Al analizar cada una de las soluciones propuestas se tiene que el sistema de pantógrafo es

una solución complicada puesto que depende de muchos elementos y eso podría ocasionar

problemas de mantenimiento. El lavado lateral no es recomendable para este sistema de

lavado, puesto que el sucio eliminado de las placas se esparciría por todas partes pudiendo

afectar otros componentes y al sistema mismo, a diferencia del lavado vertical donde todo el

sucio tendería a ir hacia abajo. El sistema de cilindro neumático con guiado lateral necesita

una mecánica de precisión para el paralelismo y los Filtros Prensa son máquinas robustas y no

requieren tanta precisión, además el ambiente de trabajo de los Filtros es sucio lo que

afectaría el funcionamiento del mecanismo de guiado. Los sistemas Rigibelt y Mât

telescópicos son soluciones sumamente caras y sofisticadas para la función del Filtro que es

una máquina sencilla.

40

Así pues, la solución retenida es el sistema con dos cilindros neumáticos telescópicos,

debido a que con la utilización de dos cilindros se evita la rotación de los vástagos, además,

estos ayudan al guiado del tubo de lavado y por ser dos cilindros la fuerza es duplicada (ver

figura 5.16).

Figura.5.16. Sistema retenido para mecanismo de lavado.

5.3.3. Soluciones propuestas para el limpiador del núcleo de alimentación.

Para resolver el problema a nivel del agujero de alimentación de la placa, donde se necesita

expulsar el material sólido restante en el núcleo de alimentación. Se proponen diversas

soluciones que son adaptadas al puente y al sistema de lavado seleccionados.

5.3.3.1. Cilindro neumático telescópico y cilindro con unidad de guiado.

Con el objetivo de expulsar el material sólido en el agujero de alimentación de la placa, se

propone un cilindro neumático telescópico, al cual se le acopla en su vástago otro cilindro

neumático, de manera que el cilindro telescópico permita subir y bajar el cilindro neumático

para posicionarlo en el agujero de alimentación, y permitir a éste extenderse y retraerse para

expulsar transversalmente el material sólido restante. Además, para evitar el movimiento de la

placa durante la expulsión del núcleo, un cilindro neumático con unidad de guiado ejerce

presión sobre la placa (ver figura.5.17).

41

Figura.5.17. Sistema cilindro telescópico y cilindro con unidad de guiado.

5.3.3.2. Cilindro neumático telescópico y placa telescópica sostenedora.

Análogo al sistema anterior un cilindro neumático telescópico que tiene acoplado en su

vástago un cilindro neumático, de manera que al accionar el cilindro telescópico se pueda

descender y ascender el cilindro neumático para posicionarlo en el agujero de alimentación, y

una vez posicionado, poder ejercer la fuerza transversal para expulsar el tapón de material

sólido. Adicionalmente, éste sistema posee una placa telescópica fijada al cilindro neumático,

la misma tiene un tope para ejercer presión sobre la placa y evitar el movimiento mientras se

expulsa el material (ver figura.5.18).

Superficie superior del puente

42

Figura.5.18. Sistema cilindro telescópico y placa telescópica.

5.3.3.3. Brazo articulado con actuador neumático rotativo.

El brazo articulado que es accionado por un actuador neumático rotativo tiene acoplado en

su extremo un cilindro neumático, cuando el brazo es accionado rotativamente éste puede

posicionarse en el agujero de alimentación para permitir al cilindro neumático extenderse y

hacer caer el material sólido del orificio. Además, solidario al brazo se tiene otro brazo para

hacer tope del recorrido y ejercer la presión sobre la placa para estatizarla (ver figura.5.19.).

Figura.5.19. Sistema con actuador neumático rotativo.

Superficie superior del puente

Placa telescópica

43

5.3.4. Solución retenida para el limpiador de núcleo de alimentación.

Al considerar las tres soluciones propuestas se tiene que, el sistema de cilindro telescópico

con placa telescópica es mecánicamente inestable y además se debe construir la placa

telescópica lo cual hace esta solución poco práctica y complicada. El sistema de cilindro

neumático telescópico y cilindro con unidad de guiado propone tres cilindros y un sistema de

guiado, lo cual encarece el sistema. Por el contrario, la solución del brazo articulado con

actuador neumático es una solución sencilla y práctica, que además puede ser alojada de una

mejor manera sobre el puente, es por esto que ésta última es la solución retenida para el

limpiador de núcleo de alimentación de la placa.

5.3.5. Solución para el sistema de detección de las placas.

Para detectar las placas y evitar un mal posicionamiento de las misma, a causa del

deslizamiento por la inercia que son expuestas las placas en cierto momento. Se colocan en el

chasis del puente dos dispositivos láser a cada lado del puente. Estos a su vez se posicionan a

nivel del eje del cilindro neumático del pesador para garantizar el posicionamiento del puente

en el plano medio de la placa, y con ello evitar fallidos en el pesado, sacudido y lavado. El

dispositivo de detección emite los rayos láser con la finalidad de saber si la placa esta en el eje

necesario para su funcionamiento. En el caso de que la placa no esté bien posicionada, el

puente podrá reposicionarse en el plano medio de la placa gracias a la información

suministrada por los detectores láser (ver figura.5.20).

Figura.5.20. Detectores láser para posicionamiento de placas.

44

5.4. Estudio de factibilidad fase 1 y 2.

En primer lugar se realiza el estudio de factibilidad de la primera y segunda fase del

proyecto, debido a que por exigencias de la empresa la tercera fase se va a realizar, luego de

terminar las dos fases precedentes.

5.4.1. Factibilidad técnica.

Las soluciones seleccionadas para las dos primeras fases están compuestas por componentes

mecánicos tradicionales, y además por el sencillo funcionamiento del filtro, no hay

posibilidad que el sistema propuesto contravenga las leyes de la ciencia. Por otro lado, la

mayoría de los componentes son neumáticos, por lo tanto, no existe riesgo de tener

incompatibilidad con el sistema de control. Por último, lo importante de estos componentes

mecánicos (actuadores lineales y rotativos, rodamientos, sistemas de control,....) que son

sistemas muy utilizados en el diseño mecánico y por consiguiente no hay riesgo de tener

problemas para inventar algún componente. Además, en cuanto a la fabricación de las piezas

mecánicas, éstas pueden realizarse con los procesos de fabricación actuales sin ninguna

complicación técnica (torneado, fresado, corte láser, doblado de placas, soldado,…). Los

materiales para la fabricación por estar bajo la presencia de humedad, son en su mayoría

materiales anticorrosivos que son ampliamente utilizados. Así pues, se considera que a nivel

técnico estas dos fases son factibles para su diseño.

5.4.2. Factibilidad Económica.

Al igual como se mencionó en la factibilidad técnica los principales componentes

mecánicos son comunes y se fabrican en gran cantidad, por ende, el precio de los mismos son

sumamente competitivos. Por ser elementos mecánicos estandarizados se encuentran muchos

distribuidores y fabricantes, por consiguiente, no existe riesgo para conseguir dichos

componentes ni problemas con el suministro. En cuanto, al costo del sistema con la

implementación de este puente sacudidor/pesador y lavador, no se afectará más del 10 % del

precio que tiene con los dos sistemas por separado, puesto que se economiza el dinero del

chasis de un puente, y además se ahorra el dinero de la sustitución del mecanismo de

cremallera y guiado del sistema de lavado. Por ello, se considera que el diseño y fabricación

del sistema va a ser competitivo puesto que con un costo similar de fabricación, el filtro

tendrá innovaciones. De esta manera, se valida la factibilidad económica de estas dos fases

del proyecto. Por lo tanto, el proyecto es factible y se prosigue con el diseño de estas dos

primeras fases.

45

5.5. Formación completa de la fase 1 y 2.

Para verificar el funcionamiento de algunas partes del sistema seleccionado y modificar

ciertos componentes, se tiene esta parte la cual está compuesta por las siguientes secciones:

5.5.1. Ensayo de funcionamiento de dos cilindros neumáticos.

Con el objetivo de verificar el funcionamiento en paralelo de los cilindros neumáticos

telescópicos, se realizó un ensayo donde se colocaron dos cilindros neumáticos fijados a una

viga, y la misma se fijó en la parte superior del puente sacudidor. Para simular el tubo de

lavado se acopló a los extremos de los vástagos una placa, además esta placa también permite

vincular los dos cilindros. Adicionalmente, se cortan los conductos de aire comprimidos a la

misma longitud, para que la alimentación de ambos cilindros sea la misma (ver figura.5.21).

Figura.5.21. Ensayo de dos cilindros neumáticos.

Con la instalación prevista se procedió a extender y retraer los vástagos de los cilindro y se

observó un funcionamiento sin problema, es decir la placa simuladora descendía y ascendía al

mismo tiempo sin problema. Luego se obstruyó intencionalmente uno de los conductos de

aire y se obtuvo que uno de los cilindros continuaba con su movimiento y el obstruido bajaba

más lento, lo que ocasionó una deformación elástica de la placa simuladora. Pero una vez

retirada la obstrucción el sistema siguió trabajando sin inconvenientes.

46

Las conclusiones obtenidas de este ensayo son en primer lugar; el sistema con doble cilindro

neumático puede funcionar pero hay que prestar atención al diseño de la seguridad del mismo,

para evitar obstrucciones en cuanto a la alimentación o al movimiento. En segundo lugar, los

cilindros neumáticos tienen que estar lo más cerca posible a fin de evitar la flexión del tubo

lavador en caso de problemas de obstrucción. Además, la pieza soporte del tubo de lavado,

debe ser lo mas rígida posible para absorber en lo máximo las deformaciones en caso de

inconvenientes en el movimiento de los vástagos.

5.5.2. Alimentación de agua al tubo de lavado.

Para hacer llegar el agua a 100 bares de presión al tubo de lavado (el cual está compuesto

por jets distribuidos a lo largo del tubo), se necesitan mangueras hidráulicas. Pero colocar

estas mangueras encima del puente y con su radio de curvatura, hace que se ocupe un espacio

que sobrepasa la altura de los cilindros telescópicos. Por lo tanto, se decidió colocar

lateralmente las mangueras hidráulicas con la finalidad de ahorrar espacio en la altura.

Además con la implementación de las dos mangueras, se equilibran las fuerzas con que llega

el agua en el tubo y se evita un momento flector sobre los cilindros telescópicos. Para dirigir

las mangueras, las mismas estarán dentro de una cadena porta cable. Por último, se propone

alimentar las dos mangueras hidráulicas laterales, con mangueras hidráulicas alojadas en el

interior del puente.

5.5.3. Modificación del Limpiador de núcleo de Alimentación.

El principio de funcionamiento del limpiador de núcleo sigue siendo el mismo, pero se

propone colocar el actuador rotativo no en la esquina del puente, sino en el centro del mismo,

para facilitar su implementación (el limpiador debe ser diseñado para ser adaptado fácilmente

al puente, puesto que es un accesorio para solucionar una problemática particular). Además,

se propone que el sistema debe poseer reglajes para posicionar bien el cilindro neumático en

el agujero de alimentación, y con ello hacer que el mecanismo sea mucho más adaptable y

práctico para el montaje.

5.5.4. Sistema completo y Animación cinemática.

En este punto luego de las modificaciones planteadas en las secciones anteriores, se tiene la

maqueta numérica 3D del sistema completo de la fase 1 y 2. La maqueta numérica realizada

con el programa CATIA V5 R17 (ver figuras.5.22 y 5.23), muestra virtualmente como se

vería el sistema y sus principales componentes. Para simular como seria el funcionamiento

completo del sistema, se realiza en el mismo programa una animación cinemática del

funcionamiento de la máquina.

47

Figura.5.22. Maqueta numérica del sistema.

Figura.5.23. Modelo 3D limpiador de núcleo.

48

5.6. Diseño de detalles fase 1 y 2.

En esta parte se detallaran todos los elementos que conforman el sistema propuesto.

5.6.1. Determinación del diámetro de las mangueras hidráulicas del lavado.

Por la utilización de dos mangueras hidráulicas para el sistema de lavado, se tiene que el

caudal es divido por dos, puesto que la alimentación de agua proveniente de la motobomba

tiene que llegar a cada extremo del tubo de lavado. Así pues, las condiciones de lavado tienen

que permanecer igual al sistema actual, es decir la motobomba no cambia su caudal y el tubo

de alimentación tiene el mismo diámetro. Además, para hacer llegar el agua al tubo de lavado

las mangueras tienen que ser alojadas en el interior del puente, por lo tanto se tiene que

utilizar un diámetro reducido para poder tener un radio de curvatura reducido en las

mangueras hidráulicas flexibles, y con ello poder alojarlas sin mayor dificultad en el interior

del puente (ver figura.5.24).

Figura.5.24. Alimentación del sistema de lavado.

Para verificar si el diámetro escogido para las mangueras que es de 5/8 de pulgadas,

(diámetro que permite tener un radio de curvatura requerido para alojar las mangueras como

se muestra en la figura anterior) se calcula la velocidad dentro de las mangueras a partir del

caudal que suministra la bomba que es de 9 (m³/ h), ver figura 5.25.

Llegada de agua de la bomba al tubo de alimentación.

Tubo de lavado

Mangueras hidráulicas que llevan el agua a cada lado del tubo de lavado.

49

Q V A⋅:=

V1 V2:=

V1Qb

2 A1⋅:=

Figura.5.25. Diagrama de flujo del sistema de lavado.

Para calcular la velocidad en la manguera se parte de la ecuación de caudal (ver 5.1),

además por ser las mangueras hidráulicas similares y por continuidad se tiene que los

caudales de las mangueras son iguales y la suma de ambos es el caudal de la bomba (ver 5.2).

Según la ecuación 5.3 las áreas se cancelan y queda que las velocidades en las mangueras son

las mismas (ver 5.4). Finalmente, se deduce que la velocidad en la manguera es según la

ecuación 5.5.

(5.1)

Donde, Q: Caudal

V: Velocidad

A: Área de flujo

(5.2)

(5.3)

(5.4)

(5.5)

Qb

Q2

Q1

Qb

Donde; Qb: Caudal de la bomba. Q1: Caudal manguera hidráulica 1. Q2: Caudal manguera hidráulica 2.

Q1 Q2Qb

2=:=

Q1 V1 A1⋅ V2 A2⋅=:=

50

Sustituyendo los valores en 5.5, se obtiene la velocidad en la manguera (V1 = 6,25 m/s). La

velocidad está por debajo del valor de velocidad de erosión y abrasión de la manguera

hidráulica, la cual soporta grandes presiones y velocidades. Así pues, la manguera a utilizar es

de diámetro 5/8 de pulgada. Se selecciona la manguera correspondiente con sus respectivos

accesorios (codos, extremos,…), y se elige la cadena porta cables según el diámetro y largo de

la maguera.

5.6.2. Selección de los cilindros neumáticos telescópicos.

Una vez determinada las características de la manguera hidráulica (codos, extremos,…), se

diseñó completamente el tubo de alimentación y el tubo de lavado (se les colocó las

adaptaciones para roscar los extremos de las mangueras hidráulicas). Para determinar la

fuerza que deben ejercer los cilindros, se necesita calcular el peso del tubo de lavado y el

efecto que ejercen los jets de agua sobre el tubo de alimentación.

5.6.2.1. Peso total del tubo de lavado.

Con las dimensiones y el material del tubo de lavado, se determina su peso considerando el

peso del tubo, el peso de las mangueras y el peso de la cadena porta cable. De esta manera, el

peso total del tubo de lavado es de 170 N (ver figura.5.26.).

Figura.5.26. Peso del tubo de lavado.

5.6.2.2. Cálculo de fuerza de reacción de los jets de agua.

Con la finalidad de determinar el peso aparente que puede tener el tubo de lavado,

ocasionado por la fuerza de reacción de los jets de agua que pulverizan el agua a 100 bares de

presión. Para determinar el impacto que realiza cada jet, se selecciona el jet fabricado por

Spraying Systems Emani. Este jet se ha utilizado siempre en el proceso de lavado y Faure

Equipements sugirió seguir con él.

170 N

51

Según las especificaciones técnicas del jet, se tiene que el mismo dispersa el agua con un

ángulo de 65° y se estima que a 5 cm de la boquilla tiene un área de impacto de 10 cm². Con

respecto al catalogo los jets que trabajan a 100 bares de presión, tienen un caudal por jet de

6,8 l/min. Con el ángulo de dispersión y el valor del caudal por jet, se encuentra que la presión

de impacto a 30 cm de la boquilla es 0,12 kgf/cm² y a 5 cm es 0,02 kgf/cm²

De esta manera, con la presión y el área de impacto se determina la fuerza de impacto por

jet que es de 0,2 kgf o 2 N, la reacción de esta fuerza es la que soporta la barra. El tubo de

lavado posee 28 jets y cada uno esta posicionado a 15° con respecto a la horizontal (ver

figura.5.27.).

Figura.5.27. Fuerza de reacción tubo de lavado.

Por consiguiente, sólo la componente vertical influye sobre el tubo de lavado generando una

fuerza resultante vertical de 15 N y colocando un factor de seguridad de tres se tiene una

fuerza de 45 N. Esto ocasiona que el peso aparente de barra sea 125 N (ver figura.5.28.).

Figura.5.28. Peso aparente del tubo de lavado.

170 N

45 N

125 N

52

tFr

Ft1≤:=

5.6.2.3. Determinación de la fuerza ejercida por los cilindros telescópicos.

Para tener la mayor rigidez en el sistema de cilindros, se escoge el cilindro neumático

telescópico con el mayor diámetro posible en el mercado. El cilindro seleccionado es

fabricado por UNIVER con codificación Rt-1-3-0-063-1400. Este actuador es de tres etapas,

carrera 1400 mm y diámetro mayor del pistón de 63 mm.

La condición más crítica del sistema es que la fuerza total que ejercen las etapas de menor

diámetro de los cilindros, tiene que ser mayor al peso total del tubo de lavado (170 N).

La presión de aire de referencia en las industrias es normalmente de 5 bar. Con ésta presión

de trabajo y con el área de la etapa más pequeña del cilindro (pistón Φ 25 mm y vástago Φ 12

mm) de 377 mm², se determina que la fuerza teórica de retracción minima del cilindro

telescópico es 192 N a 5 bar. Para calcular la fuerza real ejercida se utiliza la ecuación 5.6.

(5.6)

t = 0.6 carga dinámica

Donde; t: tasa de carga

Fr: Fuerza real t = 1 carga estática

Ft: Fuerza teórica

Puesto que, el tubo de lavado tiene que subir y bajar para lavar las placas, se considera

como una carga dinámica, por lo tanto la tasa de carga corresponde al valor de 0,6. Asimismo,

se sustituyen los valores de la tasa de carga y de fuerza teórica en 5.6 y se obtiene que la

fuerza real en un cilindro es 115 N. La fuerza real total es 230 N por los dos cilindros

telescópicos que posee el sistema de lavado.

Por último, la fuerza total real ejercida (230 N), es mayor que el peso total del tubo de

lavado (170 N). Por lo tanto, los cilindros para una presión minima de trabajo de 5 bar pueden

ascender y descender la carga.

5.6.3. Selección del actuador rotativo neumático.

Para seleccionar el actuador rotativo neumático se necesita determinar el peso del sistema

del limpiador de núcleo, y con ello determinar el torque necesario del actuador rotativo.

53

d4 F⋅

P π⋅:=

5.6.3.1. Selección de cilindro neumático que expulsa el núcleo.

En la determinación del peso del sistema, en primer lugar se tiene que seleccionar el cilindro

neumático que expulsa el núcleo de material sólido. Según los ensayos realizados por la

empresa, se necesita una fuerza de 500 N para expulsar el tapón de material restante en el

agujero de alimentación. Además, si se considera una presión una presión de servicio de 5 bar

y con el valor de la fuerza requerida, se puede calcular el diámetro del cilindro neumático

según la ecuación 5.7.

(5.7)

Donde; F: Fuerza

P: Presión

d: Diámetro del pistón

De esta manera, se obtiene que el diámetro mínimo requerido sea de 35 mm, pero el cilindro

estándar con el diámetro más cercano es de 40 mm. Por lo tanto, se escoge un cilindro

neumático compacto de diámetro 40 mm, carrera 125 mm, doble efecto y fabricado por

Kuhnke. Adicionalmente, por seguridad en caso de problemas de suministro de aire en el

cilindro, el mismo se seleccionó con retorno por resorte a pesar de ser doble efecto.

Determinado el cilindro neumático a utilizar, se procede a diseñar los detalles para alojar al

mismo al sistema del limpiador de núcleo.

5.6.3.2. Cálculo del torque requerido del actuador rotativo.

Diseñadas las piezas para soportar el cilindro neumático seleccionado, se sigue con la

determinación del peso total del brazo que debe girar el actuador. Para ello, se considera el

peso de cada pieza, y a su vez éste peso total obtenido es concentrado en el punto más alejado

del eje de rotación del actuador rotativo, que está a 745 mm y con ello simular la condición

más critica (ver figura.5.29.). El peso total del brazo es 38 N y con el valor de la distancia

entre ejes, se puede calcular el torque requerido según la ecuación 5.8.

54

T P R⋅:=

Figura.5.29. Cálculo del torque del actuador rotativo.

(5.8)

Donde; T: Torque

P: Fuerza

R: Radio o distancia

Así pues, se determina que el torque requerido es de 29 N.m. Entonces, se selecciona un

actuador rotativo de paletas, fabricado por Bosch con un torque de 40 N.m. y con codificación

RAK-7D. Este actuador fue elegido porque posee dimensiones reducidas y bajo peso, con

relación al torque que suministra, lo cual es ideal para el sistema de fácil montaje que se

requiere.

5.6.4. Dimensionamiento del puente.

Una vez seleccionados los componentes del sistema, se comienza con la modificación de

algunas piezas del sistema actual y con el dimensionamiento del puente (Chasis) del sistema

de sacudido, pesado y lavado de placas filtrantes.

5.6.4.1. Modificación del soporte motor de sacudido.

A causa de la implementación de las cadenas porta cable para el sistema de lavado, se

modificó el soporte (fijación) del motor de sacudido del sistema actual. Esto se hizo para

poder fijar las cadenas al puente. La modificación consistió en utilizar una placa doblada (para

aumentar la rigidez) de 3 mm de espesor y de acero inoxidable. La misma es soldada al

puente y con ella se permite la fijación de las cadenas y del motor del sacudidor al puente, sin

ninguna interferencia entre ellos (ver figura.5.30.).

38 N

Torque

745 mm

55

Figura.5.30. Placa soporte motor de sacudido.

Como se observó en la figura, la placa soporte permite fijar la cadena porta cable

permitiendo la colocación de los tornillos y además, deja el espacio necesario para el

desmontaje tanto de la cadena como del motor. La placa posee unas ranuras para poder

colocar la correa al motor y tensarla. Debido al aumento de la separación entre los ejes de las

poleas, la correa tiene ahora mayor longitud.

5.6.4.2. Modificación de la leva de sacudido.

Con el sistema de lavado incorporado al sacudido y pesado, las piezas del sacudidor y

pesador están expuestas a gran humedad y suciedad. Por lo tanto, se tiene que proteger en

especial del sucio, al mecanismo de transmisión correa-polea del motor de sacudido en el

interior del puente. Para ello se colocará una carcasa para cubrir la correa. Pero para poder

colocarla en el interior del puente, se necesita modificar la leva del eje de sacudido, y con ello

evitar colisiones de la carcasa con las placas filtrantes durante la desunión automática. La

modificación consiste en aumentar el diámetro del eje de sacudido y la longitud de la leva,

para ganar espacio en altura y poder alojar mejor la carcasa (ver figura.5.31.).

Placa soporte

56

Figura.5.31. Modificación eje de sacudido.

5.6.4.3. Dimensionamiento de carcasas para protección del sistema de sacudido.

Con la modificación del soporte del motor de sacudido, se necesita dimensionar una carcasa

externa para protección o seguridad del personal laboral. Una vez modificado el eje de

sacudido, se requiere dimensionar la carcasa para la protección interna del sistema. Ambas

carcasas son placas dobladas de 1,5 mm de espesor y de acero inoxidable (ver figura.5.32.).

Figura.5.32. Carcasas de protección del sacudidor.

57

5.6.4.4. Mecanismo de desplazamiento del puente.

El mecanismo que permite al puente moverse a lo largo del filtro, y con ello permitir al

puente seguir el movimiento de la desunión automática, no fue modificado. Es decir, se

conservó el mismo mecanismo actual. Este mecanismo está compuesto por dos rieles que

soportan las cuatro ruedas de acero inoxidable del puente. Además, Estas ruedas permiten que

el puente se desplace sobre el riel. Para guiar al puente en su recorrido, éste dispone de un

mecanismo de guiado con reglaje compuesto por rodamientos y topes de nylon. Por último, el

puente posee un mecanismo para enganchar el mismo al carro de desunión y así poder

incorporarse a la desunión automática. Dicho mecanismo de enganche tampoco fue

modificado (ver figura.5.33.).

Figura.5.33. Mecanismo de desplazamiento del puente.

5.6.4.5. Chasis del puente sacudidor/pesador/lavador.

Luego de seleccionar los componentes y diseñar todas las piezas, se termina de dimensionar

y conformar el puente del sacudidor/pesador/lavador. De esta manera, el chasis del puente

está compuesto por perfiles huecos cuadrados de acero inoxidable. Para darle rigidez y

estética a la estructura, la misma está envuelta por una placa de 3 mm de acero inoxidable, la

cual es doblada para obtener la forma del puente (ver figura.5.34.).

Mecanismo de enganche

Riel

Ruedas

Guiado

58

Figura.5.34. Puente del sacudidor/pesador/lavador.

Por otro lado, debido a que el chasis está concebido prácticamente de la misma manera que

el puente del lavador actual, éste último que no ha presentado ningún problema estructural

desde su diseño. Por ésta razón no se realizó análisis mecánico al puente del

sacudidor/pesador/lavador, puesto que se asume que con la modificación del mecanismo de

lavado, donde se sustituyeron varios componentes y piezas por tan sólo dos cilindros

neumáticos telescópicos. Además, esto hizo disminuir el peso sobre la estructura y por ello el

sistema propuesto no corre el riesgo de falla estructural.

5.6.5. Sistema neumático.

El sistema neumático del puente sacudidor/pesador/lavador está compuesto por dos

cilindros telescópicos, un actuador rotativo, dos cilindros, dos válvulas 5/3 con centro

normalmente cerrado accionada por combinación de electro válvula y válvula pilotada y dos

válvulas 5/2 accionada por combinación de electro válvula y válvula pilotada con retorno por

muelle. El esquema neumático del sistema para sacudir, pesar y lavar las placas filtrantes se

muestra en la siguiente figura (ver figura.5.35):

59

Figura.5.35. Esquema neumático del sistema.

Cilindros telescópicos

Actuador rotativo

Cilindro limpiador núcleo

Cilindro pesador

60

5.6.6. Automatismo del sistema.

Una vez diseñado el sistema mecánico completo de la solución propuesta y la neumática, se

realiza el estudio de la automatización. Para ello, en primer lugar se describirá los principales

captores que posee el sistema, para luego explicar de manera general la automatización por

medio de un GRAFCET.

5.6.6.1. Captores del sistema.

Los principales captores que posee el puente sacudidor/pesador/lavador son: captores

inductivos (magnéticos), captores láser y un captor de posicionamiento. En la siguiente figura

se muestra los principales captores del sistema (ver figura.5.36.):

Figura. 5.36. Captores del sistema.

Dos captores inductivos en el cilindro pesador para detectar extensión y retracción del vástago.

Captor de posicionamiento lineal para detectar la posición del tubo lavador

Captor inductivo para posición del actuador rotativo.

Captor inductivo de la leva de sacudido.

Captor láser para posicionamiento de placas

Captores inductivos en el sistema de enganche para detectar el acople del puente al carro de desunión.

Dos captores inductivos en el cilindro limpiador de núcleo para detectar extensión y retracción del vástago.

61

5.6.6.2. GRAFCET del sistema.

El GRAFCET del sistema se muestra a continuación (ver figura.5.37.):

Figura.5.37. GRAFCET del sistema.

Espera un tiempo. Placa bien posicionada. Actuador rotativo posición inicial. Cilindro limpiador de núcleo retraído

Espera un tiempo. Placa bien posicionada. Cilindro telescópico retraído. Enviar agua al tubo de lavado

0

1

2

6

7

9

8

5

4

3

10

11

12

13

14

Puente enganchado. Posición inicial carro de desunión. Comienzo del ciclo

Presencia de placa

Movimiento carro de desunión

Movimiento sentido contrario carro de desunión

Espera un tiempo

Parada carro de desunión

Placa bien posicionada. Leva posición inicial

Accionamiento de motor de sacudido para girar leva

Leva posición inicial. Placa bien posicionada

Elevar placa

Cilindro pesador extendido. Registro de peso

Bajar placa

Cumple tolerancia de peso. Cilindro pesador retraído

No cumple tolerancia de peso. cilindro pesador retraído

Bajar brazo limpiador de núcleo

Actuador rotativo posición final. Placa bien posicionada

Expulsar núcleo

Cilindro limpiador de núcleo extendido

Retraer cilindro limpiador de núcleo

Cilindro limpiador de núcleo retraído. Placa bien posicionada

Subir brazo

Actuador rotativo posición inicial. Cilindro limpiador de núcleo retraído

Bajar tubo de lavado

Cilindro telescópico extendido. Esperar un tiempo

Subir tubo de lavado

Cilindro telescópico retraído. No enviar agua al tubo de lavado

62

5.7. Concepción de la desunión automática de placas de 4 en 4.

Para lograr que el Filtro Prensa sea aún más eficiente, se necesita deshidratar la mayor

cantidad de fluido cargado por jornada. Esto se obtiene disminuyendo los períodos donde el

equipo no filtra el fluido cargado. Para un Filtro Prensa el proceso que toma más tiempo sin

filtrar es la desunión automática de las placas.

De esta manera, Faure Equipements propone estudiar una desunión automática de placas de

cuatro en cuatro, afín de optimizar el tiempo del proceso de filtración. Para la concepción de

mencionada desunión la empresa requiere, que en lo máximo posible se adapte el carro de

desunión actual para desunir las placas de cuatro en cuatro. En otras palabras,

primordialmente se debe ver si es factible separar las cuatro placas con el carro de desunión

actual.

5.7.1. Solución de desunión automática de 4 en 4 con carro de desunión actual.

Como se explicó en el Capitulo 2 el Filtro esta equipado de dos carros de desunión, que

desplazan cada placa por su soporte, a través de un mecanismo de dedos (ver explicación

figura.2.7) a lo largo del Filtro Prensa. El carro de desunión es accionado por un motor

hidráulico por medio de una trasmisión de correa-polea dentada.

Luego del análisis del funcionamiento del carro de desunión actual, se dedujo que la única

manera de desunir las placas de 4 en 4 con el mecanismo actual, es permitiendo que las tres

últimas placas del conjunto de 4 placas, dejen pasar libremente los dedos del carro. Con esto

los dedos sólo buscaran la primera placa de cada conjunto de 4. Además, para obtener el

conjunto de 4 placas, cada placa debe poseer una atadura entre ellas, para garantizar la

desunión. Esta atadura tiene que ser alojada sin problema cuando las placas con compactadas,

y cuando se realiza la desunión ella debe halar cada placa y mantener la distancia entre las

mismas. Así pues, esta solución se muestra en la siguiente figura (ver figura.5.38.):

Figura.5.38. Desunión de 4 en 4 con carro actual.

Grupo de placas

Segunda desunión de 4 en 4

La primera placa del siguiente grupo hala las tres de su conjunto y empuja las tres del conjunto precedente

Limite del movimiento cabezal móvil

Primera désunion de 4 en 4

63

Con respecto a la atadura los detalles de la misma se realizaran en el diseño de detalles si la

solución con el carro es factible. Por el momento con la finalidad de comprender como va a

ser la desunión automática de placas de 4 en 4 con el mecanismo actual, se modela la atadura

con cables para la vinculación de la placas (ver figuras.5.39 y 5.40.).

Figura.5.39. Atadura de placas con cables.

Figura.5.40. Explicación desunión de 4 en 4.

Sistema de cables

Soporte plano Soporte vacío

Primera desunión de 4 en 4

Desplazamiento del carro para buscar la primera placa del segundo grupo de placas

Segunda desunión de 4 en 4

Desplazamiento en sentido contrario para halar el segundo grupo

Los dedos del carro pasan libremente

64

R1x1 2 C⋅ N⋅:=

5.7.2. Determinación de la ganancia en tiempo.

Con la finalidad de cuantificar la ganancia en tiempo con la desunión automática de placas

de 4 en 4, utilizando el mecanismo actual de desunión. Se compara el tiempo de la desunión

de 1 en 1 con la desunión de 4 en 4.

5.7.2.1. Determinación del tiempo de desunión de 1 en 1.

Para analizar la distancia recorrida durante la desunión automática de placas de 1 en 1, se

muestra en la siguiente figura (ver figura.5.41.):

Figura.5.41. Distancia recorrida desunión de 1 en 1.

Como se puede intuir de la figura anterior la distancia total recorrida se determina según la

ecuación 5.9.

(5.9)

Donde;

R1x1: Distancia total recorrida de 1 en 1

C: Distancia entre placas

N: Número de placas

De esta manera, si se considera una distancia entre placas de 400 mm y 100 placas a

desunir. Sustituyendo en 5.9., se tiene que la distancia total recorrida para separar 100 placas

C

Segunda desunión

C

Primera desunión

Donde : C : distancia entre placas movimiento del carro

65

ts

v:=

es 80 m. Asumiendo también que la velocidad del carro de desunión es 0,15 m/s, se puede

determinar el tiempo para desunir 100 placas según la ecuación 5.10. Finalmente, se obtiene

que el tiempo total de desunión es de 9 min.

(5.10)

Donde; t: Tiempo

s: Distancia

v: Velocidad

5.7.2.2. Determinación del tiempo de desunión de 4 en 4.

Al igual que la desunión de 1 en 1 para analizar la distancia recorrida durante la desunión

automática de 4 en 4, se muestra en la siguiente figura (ver figura.5.42.):

Figura.5.42. Distancia recorrida desunión de 4 en 4.

Donde; C : distancia entre placas Ep: espesor de la placa movimiento del carro

4C

Primera desunión

4(C-Ep) 4Ep

4C

Segunda desunión

C C C C

4(C-Ep)

66

R4x4 8 C Ep⋅( )⋅ 2 C⋅ Ep−( ) N 4−( )⋅+:=

Como se intuye de la figura anterior, la distancia total recorrida se determina según la

ecuación 5.11.

(5.11)

Donde;

R4x4: Distancia total recorrida de 4 en 4

C: Distancia entre placa

Ep: Espesor de la placa

N: Número de placas

De esta manera, si se considera una distancia entre placas de 400 mm, espesor de placa de

85 mm y 100 placas a separar. Sustituyendo en 5.11., se tiene que la distancia total recorrida

para desunir 100 placas es 71 m. Asumiendo también que la velocidad del carro de desunión

es de 0,15 m/s y sustituyendo en 5.10. Finalmente, se obtiene que el tiempo total de desunión

es de 8 min.

5.8. Factibilidad de la desunión de 4 en 4 con el carro actual.

La desunión automática de placas de 4 en 4 con el carro de desunión actual, realiza

prácticamente el mismo recorrido que la desunión de placa por placa. Por consecuencia, al

tener la misma velocidad en el carro y prácticamente el mismo recorrido, el tiempo de ambos

procesos se aproxima, así como se dedujo en la sección anterior donde sólo se disminuyó en

un minuto el tiempo de la desunión de 100 placas de 4 en 4.

Por lo dicho anteriormente ésta solución no es factible, puesto que la ganancia en tiempo no

justifica la inversión que se tiene que realizar, para modificar y adaptar el sistema

sacudidor/pesador/lavador a la desunión automática de placas de 4 en 4.

Así pues, para que sea factible dicha solución, es necesario que la desunión del conjunto de

placas sea continua. Es decir, la separación de las placas debe realizarse con un movimiento

en un sólo sentido, para evitar ese tiempo muerto en el regreso del carro para buscar otra

placa.

CAPÍTULO 6

RESULTADOS

6.1. Planos del sistema.

Los planos del sistema sacudidor, pesador y lavador son los principales resultados de este

trabajo. Por ello los mismos se presentaran en el Apéndice, para identificarlos y ubicarlos se

muestra la siguiente tabla (ver tabla.6.1.):

Tabla.6.1. Identificación y ubicación de Planos del sistema.

Titulo del plano N° de Plano Ver Apéndice

Chasis lavador/sacudidor/pesador 219B-360-01 A.1

Placa soporte de flexibles 219B-360-05 A.2

Placa soporte motor sacudido 219B-360-07 A.3

Soporte láser placa lado pesador 219B-360-09 A.4

Soporte láser placa lado sacudidor 219B-360-11 A.5

Chapa soporte cilindro telescópico 219B-360-13 B.1

Placa soporte cilindro telescópico 219B-360-14 B.2

Tubo de lavado 219B-360-16 B.3

Soporte cadena porta cable 219B-360-17 B.4

Tubo de alimentación 219B-360-19 B.5

Eje sacudidor 219B-360-20 C.1

Palanca y eje sistema de enganche 219B-360-21 C.2

Carcasa motor sacudido 219B-360-23 D.1

Carcasa interna 219B-360-25 D.2

Ensamble limpiador de núcleo 219B-370-01 E.1

Brazo mecano-soldado 219B-370-02 E.2

Brazo sostenedor 219B-370-03 E.3

Expulsador 219B-370-04 E.4

Placa de reglado H 219B-370-05 E.5

Placa porta cilindro limpiador núcleo 219B-370-06 E.6

Chapa 219B-370-07 E.7

Chapa con orejas 219B-370-08 E.8

Tubo chivetero 219B-370-09 E.9

Ensamble lavador/sacudidor/pesador 219B-360-26 F

En los planos donde las piezas son chapas metálicas (lamina doblada), no se realizaron los

planos de la lamina sin doblar y con los pliegues, puesto que la empresa subcontratada para

realizar este tipo de laminas solo necesita el plano de cómo será la pieza una vez doblada.

68

6.2. Ensamble del prototipo.

Una vez realizados los planos, las subcontratistas de la empresa construyen las piezas.

Construidas las piezas y comprados los componentes mecánicos, se procede a ensamblar el

prototipo funcional del sistema sacudidor, pesador y lavador de placas filtrantes.

6.2.1. Chasis del puente sacudidor/pesador/lavador.

El chasis del sistema esta compuesto con perfiles cuadrados soldados y una chapa metálica

doblada que envuelve a los perfiles para conformar el chasis del puente

sacudidor/pesador/lavador. Así pues, el chasis del sistema se muestra en las siguientes figuras

(ver figura.6.1.y figura.6.2.):

Figura.6.1. Foto parte externa del chasis.

69

Figura.6.2. Foto parte interna del chasis.

6.2.2. Cilindros neumáticos telescópicos.

Los cilindros neumáticos telescópicos fueron seleccionados con unos soportes delanteros

para poder fijarlos al puente y dos bridas circulares en los vástagos para acoplar el tubo de

lavado a los cilindros. Los cilindros seleccionados se muestran en la siguiente figura (ver

figura.6.3.):

Figura.6.3. Foto cilindros telescópicos.

70

6.2.3. Tubo de lavado y tubo de alimentación

Las partes del tubo de lavado y tubo de alimentación fueron realizados por las

subcontratistas, pero la soldadura de las partes fue realizada en la empresa. De esta manera, el

tubo de lavado y el tubo de alimentación se muestran a continuación (ver figura.6.4.):

Figura.6.4. Foto tubo de lavado y alimentación.

6.2.4. Limpiador del núcleo de alimentación

Al igual que los tubos de lavado y alimentación las partes del limpiador fueron construidas

por las subcontratistas, pero la soldadura de las partes fue realizada en la empresa. Así pues, el

ensamble del limpiador se muestra en las siguientes figuras (ver figuras.6.5, 6.6 y 6.7):

Figura.6.5. Foto actuador rotativo.

71

Figura.6.6. Foto cilindro limpiador de núcleo.

Figura.6.7. Foto ensamble brazo limpiador de núcleo de alimentación.

6.2.5. Ensamble de las partes.

En esta sección se ensamblan todas las partes del sistema sacudidor/pesador/lavador. En

primer lugar, se ensamblan los cilindros telescópicos con la chapa soporte del tubo de lavado

al chasis del puente (ver figura.6.8.). En segundo lugar, se ensambla el tubo de lavado a la

chapa soporte de la misma (ver figura.6.9.). Luego, se acoplan las cadenas porta cables y las

mangueras hidráulicas al tubo de lavado (ver figura.6.10.).

72

Figura.6.8. Foto ensamble cilindros telescópicos al puente.

Figura.6.9. Foto ensamble tubo de lavado.

73

Figura.6.10. Foto ensamble de las mangueras hidráulicas.

Una vez colocadas las mangueras hidráulicas al tubo de lavado, se procede a ensamblar las

mangueras hidráulicas laterales (ver figura.6.11).

Figura.6.11. Foto ensamble mangueras hidráulicas laterales.

74

Posteriormente, se ensambla el motor del sacudidor, el eje sacudidor y el mecanismo de transmisión al chasis del puente (ver figura.6.12.).

Figura.6.12. Foto ensamble sacudidor.

75

De la misma manera, se acopló el cilindro neumático del pesador y los componentes del

mismo (ver figura.6.13.).

Figura.6.13. Foto ensamble del pesador.

Luego de ensamblar el pesador, se ensembla el limpiador de núcleo de alimentación al

chasis del puente sacudidor/pesador/lavador (ver figura.6.14.).

Figura.6.14. Foto ensamble limpiador núcleo de alimentación al puente.

76

Finalmente, luego de haber ensamblado las partes del sistema de sacudido/pesado y lavado

de placas filtrantes, el mismo se ve de la siguiente manera (ver figura.6.15.):

Figura.6.15. Prototipo del sistema sacudidor/pesador/lavador.

6.3. Patentes del sistema sacudidor/pesador/lavador.

Afín de proteger industrialmente el sistema concebido, la empresa Faure Equipements

introdujo la demanda de dos patentes francesas que conforman la invención del sistema

propuesto.

6.3.1. Principio y dispositivo de limpiado de placas filtrantes de un Filtro Prensa.

Esta patente fue introducida el 25/11/2012, con número de demanda 11 60814. La misma

protege industrialmente la invención del sistema de sacudido/pesado y lavado con la

detección de placas y sin incluir el limpiador de núcleo de alimentación. De esta manera, los

bosquejos de la patente se muestran a continuación (ver figura.6.16):

77

78

79

Figura.6.16. Patente Principio y dispositivo de limpiado de placas filtrantes de un Filtro Prensa.

80

6.3.2. Dispositivo de despegue de medios de alimentación con fluido cargado de las

placas de filtración.

Esta patente fue introducida el 25/11/2012, con número de demanda 11 60817. La misma

protege industrialmente la invención del sistema de limpiador de núcleo de alimentación de

las placas de filtrantes. Asimismo, los bosquejos de la patente se muestran a continuación (ver

figura.6.17):

Figura.6.17. Patente de dispositivo de despegue de medios de alimentación.

81

Conclusiones

• Se logró modificar y adaptar el mecanismo de lavado, con un cilindro telescópico

neumático que ocupa un 33% menos de la altura del sistema precedente por ser un

cilindro de tres etapas. Esta solución es aplicable a todas las dimensiones inferiores del

filtro estudiado, puesto que el cilindro seleccionado es el de mayor diámetro y carrera

del mercado. Esta parte del proyecto fue la que más tiempo requirió, puesto que

actualmente la mayoría de los sistemas telescópicos son sumamente costosos y muy

sofisticados para la aplicación demandada.

• Para detectar las placas filtrantes y evitar fallidos en el proceso de desunión se

implementaron dos captores láser, una solución sencilla y efectiva para el

automatismo del sistema.

• El conjunto que permite sacudir/pesar/lavar las placas filtrantes, fue concebido

conservando prácticamente el mismo principio precedente, además esta innovación

logró solo aumentar en un 15% el costo del filtro lo cual implica que es una solución

económica con respecto a las ventajas que ofrece ahora el sistema. Este conjunto

deviene al Filtro Prensa más automatizado, debido que ahora él podrá resolver de

manera autónoma los problemas de la desunión automática de placas, tanto por el

buen posicionamiento del puente con respecto a placa por el sistema de detección, así

como para lanzar el lavado de placas considerando varios parámetros que ahora son

mesurables gracias al diseño del conjunto. En consecuencia, el Filtro Prensa es más

eficiente, puesto que podrá trabajar continuamente bajo poca supervisión y con menos

intervención humana.

• La patente registrada por la empresa, del conjunto de sacudido/pesado/lavado de

placas con detección de las mismas, muestra que la primera fase del proyecto logró

satisfacer la necesidad requerida.

• Se diseñó el limpiador de núcleo de alimentación, implementando un actuador rotativo

y un actuador lineal accionados neumaticamente. Además, éste diseño fue concebido

con la condición de ser un mecanismo de fácil montaje y adaptable al puente, puesto

que su aplicación es para problemas particulares, y es por ello que el mismo se puede

ensamblar al puente sin modificación y sin problema sobre el chasis. Esta ventaja

permite vender el limpiador por separado para adaptarlo a un filtro que haya sido

vendido sin este accesorio. Es por ello, que Faure Equipements patentó por separado

éste dispositivo.

82

• Se obtuvieron los planos de fabricación del estudio como estaba establecido en los

objetivos del proyecto. Además, éstos últimos permitieron construir las piezas y poder

realizar el ensamblaje de un prototipo funcional del sistema, el prototipo no estaba

contemplado en las especificaciones del proyecto, pero debido a su importancia para

las dos primeras fases, se decidió continuar con el mismo.

• Se dedujo que la desunión automática de placas de cuatro en cuatro, con el mecanismo

de desunión actual, tarda prácticamente el mismo tiempo que la desunión de placa por

placa, puesto que el carro de desunión recorre prácticamente la misma distancia. Esto

hace que no sea factible desunir de 4 en 4 con el carro actual, la inversión en modificar

el puente sacudidor/pesador/lavador concebido, no justifica la ganancia en tiempo. Por

lo tanto, se tenía que hacer otro estudio de desunión automática de 4 en 4, y por

limitante de tiempo no se pudo concluir con la última fase del proyecto.

83

Recomendaciones

• Adaptar al limpiador de núcleo de alimentación un parámetro mesurable para su

utilización. Puesto que el sistema diseñado es un accesorio para resolver problemas

particulares, que son generalmente observados por los operadores.

• La desunión automática de placas de 4 en 4 para que represente una ganancia de

tiempo en el proceso, debe separar las placas en continuo sin tener movimientos de ida

y venida o debe separar todas las placas al mismo tiempo.

• La empresa Faure Equipements debería contactar a la empresa fabricante de los

cilindros telescópicos neumáticos, para que estudien la posibilidad de fabricarles de

manera particular unos cilindros telescópicos de mayor diámetro, y con ello ganar

rigidez en el sistema de lavado.

• Se le recomienda a Faure Equipements utilizar la modelización 3D parametrizada,

para ganar tiempo en el diseño de los filtros tradicionales y en la realización de sus

presupuestos.

• En la Universidad la asignatura Dibujo Mecánico debería ampliarse mucho más e

impartirse al menos en dos trimestres, para lograr un conocimiento más integral de la

misma.

84

Referencias

• Claude Barlier y René Bourgeois. « Memotech Productique conception et dessin ».

Cuarta Edición. Edition Casteila, 25 rue Monge 75005 Paris. 1998. PP. 459-461.

• Jean-Louis Fanchon. « Guide pratique des sciences et technologies industrielles ».

Edición Afnor Nathan. 2009.

• A. Chevalier. « Guide du dessinateur industriel ». Edición Hachette Technique. 1999.

• Rodolfo Milani Mistieri. « Diseño para nuestra realidad ». Ediciones de la Universidad

Simón Bolívar, valle de sartenejas, Baruta Edo. Miranda. Equinoccio 1997.

• Claudio Mataix. «Mecánica de fluidos y Máquinas hidráulicas». Segunda Edición.

Ediciones del Castillo S.A. Madrid. 1993. PP. 92-95.

• Spraying Systems Emani. «Ingeniería y fabricación de pulverizadores». Disponible en

Internet: http://www.spray.com , consultado el 20 de Octubre de 2011.

• Comisión de TEG. «Manual de elaboración del Trabajo Especial de Grado del IUT La

Victoria».Trabajo no publicado, Instituto Universitario Experimental de Tecnología de

la Victoria, La Victoria, Edo Aragua, Venezuela.

85

APENDICES

86

EN

SE

MB

LE

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219

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