Paper-proyecto Neumatica 2015 Ua

8/17/2019 Paper-proyecto Neumatica 2015 Ua

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Abs t rac t — Waste collection have been a local environmentalproblem that have serious repercussions on the populationhealth, in order to give a solution for this problem this paperpropose a pneumatic device with the aim of improving thisprocess, automatizing the waste collection will reduce costsand times of operation. This work has developed a properdimensioning process for the device, which will be able to lift a1Kg waste disposal. For dimensioning basics calculation on thesubject pneumatics were used and at same time a functionaldesign for the mechanism is shown. Through the methodologyproposed for the dimensioning and design we were able toproperly select each component necessary to manufacture andassembling the device, this methodology is shown in detail in

this paper; in addition this prototype device is going to be ascaled to real functioning dimensions, all the necessarychanges and assumptions for making this are presented in thiswork.

keywords — Pneumatic, waste collection, design,dimensioning, methodology of manufacturing.

Resumen — Resumen--- La recolección de basura ha sido unproblema ambiental local que ha tenido graves repercusionesen la salud de la población. Para dar una solución a esteproblema este articulo propone un dispositivo neumático con elobjetivo de mejorar y automatizar el proceso, así se reduciríanlos costos y los tiempos de operación. Este trabajo hadesarrollado un proceso de dimensionamiento adecuado parael dispositivo que será capaz de levantar un contenedor debasura de 1Kg. Para el dimensionamiento de usaron cálculosneumáticos básicos además de realizar un mecanismosfuncional para el mismo. A través de la metodología propuestapara el dimensionamiento y diseño se pudo seleccionaradecuadamente cada componente necesario para fabricar y/oensamblar el dispositivo, esto es mostrado en detalle en esteartículo; también se propone escalar el dispositivo (prototipo)hasta unas dimensiones para el funcionamiento real, todos loscambios y suposiciones necesarias son expuestas en estetrabajo.

Palabras c lave — neumática, recolección de basura, diseño,dimensionamiento, metodología de fabricación.

I. INTRODUCCIÓN La gestión de residuos, es la recolección, transporte,

tratamiento y reciclaje de material de desecho, nuestraciudad ha presentado un gran reto a la hora realizar las

respectivas estrategias para dicha gestión, los métodosconvencionales de recolección por parte de hombres se venen la necesidad de darle paso a técnicas algo más modernasque puedan no solo mejorar el proceso desde el punto devista logístico, sino también a abrir espacio a técnicas decontrol de procesos ; llegando a proporcionar a las personasuna forma de simplificar tareas y de tener un sistema quepermita llevar a cabo acciones comunes con facilidad y sinesfuerzo. El trabajo recolección ha ido simplificándose cadavez gracias a camiones automatizados en la mayoría depaíses europeos e incluso algunos latinoamericanos; esto hallevado a grandiosos resultados. A pesar de los que lossistemas de recolección neumática es una tecnologíamadura, localmente es nulo el avance tecnológico en estecampo. El diseño de un dispositivo neumático queautomatice el proceso trae como consecuencia: ahorros encostos de mano de obra, tiempos de trabajo y al mejorartiempos se mejoran los costes de combustible, además laautomatización de la recolección de basura sería un proyectocon sello verde que impactaría, social y ambientalmente laciudad.

A partir de conocimientos básicos de la neumática y otroconjunto de conocimientos de ingeniería se diseña yconstruye un modelo del sistema semi-automatizado para larecolección, en este trabajo se presenta de manera detallada

el proceso de diseño, dimensionamiento, selección de piezasy/o equipos y construcción del modelo, todo esto bajo basesteóricas de ingeniería que se reportan en la literatura. Estonos permite seleccionar adecuadamente componentesbásicos como son el compresor, las válvulas direccionales yde control del fluido de trabajo además de los actuadoresfinales que serán los encargados de realizar las accionesfinales en el mecanismos, es decir los que proporcionan elmovimiento que se espera, a partir de una carga impuesta de1Kg se dimensiona todo el sistema, eso quiere decir que elsistema tiene límites lo que en la realidad se veríaproyectados como carga máxima por contenedor además deuna forma estándar del mismo.

II. TRABAJOS PREVIOSSe han desarrollado varias investigaciones para

automatizar la recolección de basuras, la aplicación detecnología neumática es ya bastante común y manejada por

Proceso de diseño y fabricación de un dispositivoneumático para la recolección semi-automática de

desechos.Design and manufacturing process of a pneumatic device for

semi-automatic waste collection Carlos Camargo1, Carlos Garcia2, Miguel Rincón3, Eduard Ávila4, Kevin Alvear 5, Robinsón Castaño 6

1Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad del Atlántico, [email protected] de Ingeniería Mecánica, Universidad del Atlántico, [email protected] 3Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad del Atlántico, [email protected]ántico.edu.co

4Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad del Atlántico, [email protected] de Ingeniería Mecánica, Universidad del Atlántico, [email protected]

6Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad del Atlántico, [email protected]


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empresas grandes en países como Alemania, Francia yEspaña en Europa y en México o Uruguay en Latinoamérica,pero el acceso a sus planos de fabricación y metodología deprocesamiento son poco accesibles ya que esto hace partedel Know-How de las compañías, se hizo una revisión de laliteratura para verificar modelos de automatización pararecolección de basuras propuestos, se encontró queSalvatierra [1] propuso un modelo electromecanico que

mejoraría el proceso de reloccecion interno y el manejo delmismo, esto a nivel domestico. Como trabajos previos adispositvos neumaticos de recolección existen desarrollosmuy grandes hecho por compañías como Faun Kirchhoff enalemania y Heil en USA, pero estas metodologías de diseñoestan protegidas, pero por ser un tecnologia tan madura elconocimiento de estas aplicaciones es bien conocido y apartir de el se realizará el proceso propuesto, [2] Creuscompila en su libro una seria de formulas y bases teoricasque sirven de guía en el dimensionamiento para el montaje yconstruccion de los actuadores lineales ademas de laselección de valvulas. Ademas [3] Barber en la seccion 6 y7 expone formar para dimensionamiento y correctofuncionamiento para valvulas sellos y actuadores. A partir deestas bases se hace un criterio teorico con el cualdimensionamos y construimos el dispositivo y a partir deestos metodos de calculo se presenta el desarrollo deltrabajo.

III. PROCESO DE DIMENSIONAMIENTO GENERALYa que el objetivo de la construcción del dispositivo es queluego pueda ser escalado se seleccionan unas medidas apartir de un modelo existente de un camión de la compañíaFaun Kirchhoff de Alemania.

Tabla 1. Dimensiones del camión, además de los limitessuperior e inferior donde se alojara el mecanismo

(mecanismo de recolección lateral)

DIMENSIONES

zoom 100% Proyecto

COTA DIB(mm) REAL (mm) (mm)A 30 2064 516B 9 619,2 154,8C 76 5228,8 1307,2D 24 1651,2 412,8E 20 1376 344F 15 1032 258G 13 894,4 223,6H 50 3586 896,5I 20 1376 344J 10 688 172L 130 8944 2236R 58 3990,4 997,6

factor del dibujo 68,8

escala 4:1

Fig.1 Cotas del camión reflejado en la tabla 1.

En la anterior tabla se presentan las medidas reales tomadasa partir de la imagen anterior con un factor de escala, comoel fabricante no especifica las medidas reales, se procedió amedir directamente sobre la imagen ya que se indica queesta guarda una escala con el real, se calculó la escala a laque está el plano del fabricante en comparación con unamedida entregada que es la de la altura de sus camiones, asíse sacaron todas las medidas necesarias con el error quegenera este tipo de medición. Estas medidas aunque no sonde construcción sirven para ser límite del tamaño delmecanismo a fabricar

IV. DIMENSIONES EN EL MECANISMO GENERAL DELEVANTE:

Las dimensiones de longitudes y carreras son las que hacenque se complete el movimiento necesario para llevar elcontenedor a su posición, estas medidas de longitudes debrazos y carreras fueron tomadas en base a la altura delcamión y la forma en la que se colocará, de forma que elcontenedor llegue correctamente a la superficie del camión.Los datos de la carreas de los cilindros se hicieron de forma

experimental a partir de una representación del modelo semidieron estos datos.

Fig. 2 Dimensionamiento general del mecanismo delevante


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Fig. 3 Se presenta una vista isométrica del mecanismodiseñado.

La selección de piezas móviles es apoyada en un plano dedespiece de un mecanismo existente de la empresa FaunKirchhoff de Alemania y las dimensiones generales como fuedescrito anteriormente.

Se ilustra la enumeración de los cilindros, de esta manera seles nombrará en el artículo.

V. METODOLOGÍA DE DIMENSIONAMIENTO YSELECCIÓN DE LOS ACTUADORES.

A. Proceso de selección de actuadores.En el proceso de selección se usaron métodos intuitivos parala escogencia del tipo de actuador indicado donde a partir de

un mecanismo base, se estableció que para cumplir lamovilidad necesaria y mantener la funcionabilidad se debenutilizar cilindros lineales y puesto que los cilindros seránmanufacturados localmente, se decidió construirlos con elprincipio de funcionamiento de doble efecto ya que alnecesitar carreras bi-direccionales se simplifica el proceso defabricación con respecto a los que tienen retorno por resortesademás, con cilindro de doble efecto podemos controlar,tanto como la carrera de salida como la de retroceso en elcilindro. Los cilindros serán manufacturados a partir de jeringas plásticas disponibles en el mercado, cuyosdiámetros son limitados pero la relación costo/beneficio deusar estas frente al uso de cilindros tradicionales (cuerpo enmateriales metálicos) es mucho más alta, puesto que lascargas impuestas a los cilindros no exigen gran resistenciamecánica en los materiales

B. Análisis de carga estática para eldimensionamiento de actuadores.

Para el dimensionamiento de los elementos de acción delmecanismo, en este caso cilindros lineales de doble efectose realizó un estudio estático para determinar las fuerzas quedebe soportar cada cilindro. Al tener diámetros establecidos en cada jeringa a utilizar, se calcula la presión necesaria enel sistema para lograr las fuerzas establecidas. Los cálculosestáticos se hicieron para encontrar el valor de la presión detrabajo que sería el necesario para levantar cargas de 1kg.

Fig.4 DCL para la sección de carga del mecanismo

0

( sin ∗ ) + ( cos ∗ LBx) − ( 1cosΩ ∗ ) − (1) 0

− 1 − + (2)

0 − − 1 + 0 (3)

Desarrollando las ecuaciones 1, 2 y 3 se obtienen losvalores de fuerzas en los eslabones C y D siendo C eleslabón de interés, es decir, el cilindro. Los cálculos sedesarrollaron para un W1 = 9,81. Además se variaron losángulos que definen la posición del mecanismo para poderdeterminar la posición crítica, donde la fuerza que debesoportar el cilindro es la mayor. Los resultados se ilustran enlas tablas siguientes:

TABLA IDatos para fuerza del cilindro para un W1= 9,81 N

Fc W1 MB Α ẞ Ω 29,15 9,81 0,91 75,00 70,00 90,0032,39 9,81 0,91 85,00 80,00 80,0033,89 9,81 0,91 88,00 83,00 75,0035,41 9,81 0,91 90,00 86,00 70,00


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Fig. 5 DCL para la sección de levante del mecanismo.

Las ecuaciones planteadas son:

0 −( sin ∗ ) +( cos ∗ ) +( sin ∗) − ( cos ∗ ) + ( sin ∗) +( cos ∗ ) 0 (6)

0 − + − 0 (7)

0 − + + − 0 (8)

Resolviendo para 6, 7 y 8 teniendo en cuenta los valoresanteriores, se obtiene: y haciendo FT = FC, se obtiene:

TABLA IIDatos para fuerza del cilindro para un W1= 9,81 N

FV FD FT α ẞ y94,923 38,5109 29,15 75 70 75150,06 41,7208 32,39 85 80 75

174,3 43,4001 34,1 89 84 75

Con Fc y Fv calculamos la presión del sistema a partir delos diámetros de jeringas existentes. A partir de:

/ (9)TABLA III

Presión de trabajo a partir de los valores críticos.

Fc (N) 21,7 Fv 174,30

D (mm) 10,59 D(mm) 30A(m2) 8,8E-05 A(m2) 0,000707P(Pa) 246590 P(pa) 246590P(PSI) 35,7649 P(PSI) 35,7649

Donde Fc es la fuerza de los cilindros 4 y 5 que son los delevante, a partir del diámetro conocido y se obtiene la presiónmostrada, con esa presión se dimensionó el cilindro 3, quees el del alce del mecanismo, teniendo la fuerza Fv quecorresponde a este cilindro y el área transversal del embolode la jeringa (el pistón).

Para simplificación de los cálculos estáticos no se incluyó lainteracción del peso de los componentes del mecanismo conel sistema lo que podría producir una leve desviación en el lapresión de operación de los cilindros.

Para el actuador numero 2 la única restricción posible es lafricción que sufre el pasador contra la madera, en la acciónde la mordaza, como están partes son lubricadas la fricciónes mínima por lo que se puede afirmar que un cilindro del tipo4 bastará para realizar la acción de movimiento. En la acciónde agarre el cilindro debe mantener la presión del sistema.

Para el actuador número 1 se comprobó que un cilindro deltipo 3 funcionará de la siguiente manera

Fig. 6 Representación de las fuerzas en el cilindro 1.

Entonces las fuerza del cilindro será la fuerza de friccióndefinida por la normal y un coeficiente de fricción madera-madera reportado en la literatura, la normal es el peso delmecanismo más el peso de la carga en este caso, 0,595Kgy 1Kg respectivamente.

∗ (10)Donde 0,7 y N= 15,65N

10,95 Teniendo en cuenta la ecuación 9:

El área de pistón a la presión de operación definida:

7 Lo cual es más pequeño que las jeringas comerciales del tipo2, pero que actuaran bien el sistema.


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Fig. 6ACilindro de 19mm diámetro manufacturadolocalmente.

La jeringa fue adaptada para que funcionase como cilindroen donde se remplazó el vástago por uno de acero y seañadieron agujeros para instalar los racores que sirven paracumplir la función de doble efecto.

VI. METODOLOGÍA DE SELECCIÓN Y/OCONSTRUCCIÓN DE ELEMENTOS FINALES CONTROL

DEL MECANISMOPara la selección de las válvulas direccionales del sistemahubo dos criterios el caudal a manejar y la funcionabilidad delsistema.

A. Caudal del sistema.El cálculo del consumo del sistema se basa en las formulasy tablas expuestas por Creus [2]

( ) ( ) ∗ ( / (11)

Fig.7 Grafico para estimar los Kg/mm de consumo a partirde P y d. extraído de Creus [2]

TABLA IVConsumo de cada cilindro en unidades de masa de aire.

N°CARRERA(mm)

D.PISTON(mm)

(Kg/mm)CON-SUMO

CONSUMO(Kg)

1 70 303,50E-

06 2,45E-04

2 50 151,00E-

06 5,00E-05

3 70 303,50E-

06 2,45E-04

4 50 151,00E-

06 5,00E-05

5 50 151,00E-

06 5,00E-05

A partir de aplicar las formulas expuestas anteriormente yobteniendo de la figura 7 los valores de kilogramos deconsumo por carrera, con estos calculamos los valores deconsumo en Kg para cada actuador. Ahora con este valor deconsumo y el tiempo que se estimó para la carrera de cadaactuador se obtiene el consumo en L/s para el sistema estoutilizando las siguientes formulas:

∗ ( ) ∗ 1,2 /3 (12)

( /) ∑ ( ° ∗ = ∗ ∗ (13)

[ + ∗ % + ∗% ∗ % ]∗ 2 (14)

Fig. 8 Tabla extraída del Creus [2] para el factor desimultaneidad según el número de elementos de consumo.


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TABLA IConsumo volumétrico de los actuadores

N° CANTQN(Nm3/s)

F.SIMULT. Q (m3/s)

1,3 3 1,2E-05 0,89 3,2E-052,4,5 2 8,2E-05 0,94 1,5E-04

QT (L/s) 0,19

Con la expresión 12 calculamos la cantidad de aire necesariaen unidad de volumen a partir del consumo de masa, elCaudal de consumo en Nm3/s es obtenido a partir de lasiguiente expresión / (15) con un tiempo t1 =3,5seg para los tipo I y t2= 2seg para los tipo II. Los tiemposse estiman de acuerdo a la criticidad del movimiento.

A partir de la expresión 13 obtenemos la primeraaproximación al consumo volumétrico del sistema, para serconservativos y porque el uso de los actuadores es constantesuponemos Factor de uso= 1 y el factor de simultaneidad esobtenido de la figura 8 y se obtuvo un Caudal total de 0,23L/s, ahora estimamos el caudal corregido con la expresión 14 Para un porcentaje de reserva del 20%, y un porcentaje defuga conservativo debido a la manufactura de calidad mediadel sistema del 30%.

Se obtiene un caudal corregido de 0,47 L/s.

Lo que según la empresa Toresa [4] de ingeniería oleohidráulica, aplica para electroválvulas de ¼”, las cuales seadquirieron localmente.

Fig.9 Electroválvulas 5/2 a la derecha y 3/2 a la izquierda.Las electroválvulas son de conexión nominal a ¼” NPT paratrabajo y descarga a 3/16 ” NPT, acción por solenoide yretorno por resortes, la bobina de la válvula es a 110V AC ala izquierda se ilustra una válvula que tiene 2 posiciones, 5vías ideal para manejar cilindros de doble efecto y laizquierda una de 2 posiciones y 3 vías ideal para cilindros desimple efecto. La escogencia de esta se explicará másadelante.

Además se fabricaron válvulas con jeringas de la capacidadsuficiente para soportar el caudal.

Fig.10 Válvulas de 2 posiciones y 6 vías fabricadas a partirde Jeringas

Estas válvulas son de acción mecánica y tienen unaccionamiento parecido a una válvula neumática de 5 vías ydos posiciones es ideal para manejar cilindros de dobleefecto pero esta es controlada de manera manual, donde lasposiciones son controladas por un vástago que desplazaunos pistones/sellos que intencionalmente sellan o abrenentradas y escapes como se muestra a continuación:

Fig. 11 Ilustración de la primera posición de la válvula 6/2

Fig. 12 Ilustración de la segunda posición de la válvula 6/2

Las representaciones se hicieron de manera ilustrativa,siguiendo las normas de representación actuales.

Se hicieron perforaciones sobre el plástico a partir de untaladrado manual con tornillos porque el material no eracapaz de soportar el esfuerzo de un taladro convencional yen los agujeros instalamos racores de ¼” tipo unión (dosentradas a manguera).Los émbolos son lubricados para facilitar la acción manual,disminuyendo la fricción contra el cuerpo de válvula. Comosujeción de los racores al cuerpo de la válvula se usó acrílico


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líquido que adquiere buenas propiedades luego deendurecer.

El cálculo de caudal de consumo corregido se aprovechapara escoger el punto de operación del compresor.

VII. DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO DELMECANISMO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA

ELÉCTRICO PILOTO

El accionamiento del mecanismo se realiza como se ilustra yexplica a continuación:

Fig. 13 Esquema electro-neumático del sistema derecolección de basura-hecho en fluidsim.

Variando manualmente la posición de la válvula 1se acciona el cilindro 1 que desplaza todo elmecanismo a una posición más cercana al tanquede basura, este movimiento se realiza para reducirel espacio ocupado por el camión al transitar por lascalles.

Mediante la válvula 2 se controla el cilindro 2, quecierra y abre las mordazas para agarrar el tanque.

Luego mediante el primer selector se acciona elcircuito eléctrico que controla el movimiento de loscilindros 3, 4 y 5.

El cilindro 3 sale, los cilindros 4 y 5 entran

libremente gracias a que la distancia entre lospuntos que une se va disminuyendo, logrando asíun movimiento hacia adentro. Cuando elmecanismo toma una posición horizontal, seaccionan los cilindros 4 y 5 mediante un final decarrera mecánico para permitir la salida de dichoscilindros mientras el cilindro 3 sigue saliendo, parallevar el tanque a la parte superior del camión ydisponer la basura en camión.

Estando arriba el tanque, se abre el primer selectorpara desenergizar la bobina de la válvula 5/2 yretorne a su posición principal y el cilindro 1 vuelvaa entrar.

Se abre el segundo selector para desenergizar la

bobina de la válvula 3/2 y permitir el movimientolibre de los cilindros 4 y 5. Cuando el mecanismo llega a su posición inicial,

manualmente se acciona la válvula 2 para liberar eltanque y mediante la válvula 1 accionada

manualmente se permite la entrada nuevamente delmecanismo al camión.

NOTA:Los movimientos se realizan de dicha manera para tenermayor control sobre el sistema, es decir en cada etapa de losmovimientos si no se logró la función deseada debido a algúnerror de operación se pueda corregir.

Ejemplo: El camión no se parqueó en el lugar adecuado pararealizar la recolección de la basura, por ende no selogró una apropiada sujeción del tanque; se puedecorregir regresando a la posición anterior y regresara su operación nuevamente.

El tipo de basura que se recogió por el corto tiempoen la posición superior abandonó por completo eltanque; se puede esperar en dicha posición unossegundos más, mientras la basura cae porcompleto, luego se acciona el retorno delmecanismo.

Debido a que no se tiene la cultura ciudadana en laciudad, representaría un peligro accionar medianteun solo pulsador todos los movimientos de una solavez, pues pueden transitar personas por el lugar derecolección y pueden resultar heridos por elmovimiento del mecanismo.

De esta manera, teniendo los movimientossecuenciales controlados paso a paso por eloperario se tiene un control secuencial de lasposiciones según la necesidad requerida.

VIII.CONCLUSIÓN

Las metodologías de diseño y construcción ayudanal correcto dimensionamiento de un sistema y alaplicar teorías del campo especifico en este caso deneumática el seleccionar y dimensionarcomponentes ayuda aumentar la relación de costobeneficio ya que se seleccionan los elementosadecuados sin sobredimensionar el sistema lo quetrae como gran consecuencia el sobre-costo delproyecto.

A través del proceso de manufactura de losinstrumentos y actuadores necesarios se verifico lacriticidad de un buen sellado en un sistemaneumático en donde las fugas significan perdida depotencia.

Se aplicó un método de pilotaje eléctrico en el que

se verifica que se mejoran tiempos de un proceso alaplicar automatización a un sistema mecánico. Se verifica la criticidad del estudio de movimiento de

un mecanismo y la importancia que tiene sobre elmovimiento de cualquier sistema neumático.


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IX. R eferencias

[1] G. N. Salvatierra, «DISENO Y CALCULO DEPROTOTIPO DE UN RECOLECTOR AUTOMATICO DEDESECHOS DOMESTICOS,» Instituto PolitecnicoNacional , Mexico DF, 2012.

[2] A. Creus Solé, Neumatica e Hdráulica, España:

Marcombo, 2007.[3] A. Barber, Pneumatic Handbook, Elsevier AdvancedTechnology, 1997.

[4] T. S.A, «http://www.toresa.com.ar,» [En línea]. Available: http://www.toresa.com.ar/otros.pdf. [Últimoacceso: 21 Noviembre 2015].

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