REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA DEL

ESTADO BOLÍVAR

ESPECIALIDAD: MECÁNICA

PERIODO: 2006 - I

REDISEÑO DE UNA MAQUINA COMPACTADORA

DE BLOQUES DE ADOBE

Facilitador: Integrantes:

Prof. Roger Medina Zambrano Roimer C. I.: 14.518.485.

Gómez Petra C. I.: 14.779.390.

Flores Karluzzy C. I.: 18.159.433.

Acosta Kendrish C. I.: 18.621.421.

Ciudad Bolívar, Junio del 2006.

ÍNDICE

Pág.

Planteamiento Del Problema……………………………… 3

Objetivo General…………………………………………... 4

Objetivos Específicos……………………………………… 4

Limitaciones……………………………………………….. 5

Alcance……………………………………………………... 5

Justificación………………………………………………... 5

Marco Teórico……….……………………………………. 6

Cálculos De Trabajo……………………………………… 12

Conclusiones Y Recomendaciones……………………… 24

Bibliografía………………………………………………... 25

Planos……………………………………………………… 26

Planteamiento Del Problema

Actualmente se han conformado a nivel Nacional un gran número de

cooperativas que laboran en función del beneficio y desarrollo de las comunidades,

entre ellas vale destacar las de construcciones de viviendas fabricadas con bloques de

adobe debido a que la elaboración con este tipo de material reduce los costos.

Por consiguiente, estas cooperativas han diseñado diversos equipos para la

elaboración de materiales, entre ellas la maquina constructora de bloques de adobe

que en principio se utilizo un sistema de palanca manual para proporcionar la presión

de compresión del material.

No obstante, se observo que el producto final presentaba deficiencia en cuanto

a la compactación de dicho material, ya que fracturaban al momento de extraerlo de

la maquina. Esta irregularidad se produjo debido a que la presión ejercida no era la

necesaria para lograr una buena compresión del producto.

Sin embargo, surgió la necesidad de mejorar este sistema utilizando un

conjunto de transmisión de poleas. Este mecanismo presento el mismo inconveniente

del sistema anterior.

Finalmente, se pretenderá rediseñar una maquina compactadora de bloques de

adobe con funcionamiento hidráulico.

Objetivo General

Rediseñar una maquina compactadora de bloques de adobe, utilizando un

sistema hidráulico que permita garantizar la calidad del producto.

Objetivos Específicos

Identificar las variables del diseño, con el fin de obtener los parámetros técnicos

que establecerán el diseño de la máquina.

Realizar una evaluación económica, que determine la viabilidad del diseño.

Rediseñar la máquina compactadora de bloques de adobe, con el fin de

dimensionar correctamente la estructura de la maquina.

Seleccionar cilindros hidráulicos y demás componentes hidráulicos.

Especificar mensulas.

Limitaciones

Dependencia de la energía eléctrica para el accionamiento del circuito hidráulico.

Se requieren ciertos conocimientos, por parte del operador, en la hidráulica para

una correcta operación.

Por última limitante tendríamos los costos para la fabricación de la misma.

Alcance

Obtención de los parámetros técnicos que permitan establecer el diseño de la

maquina.

Contar con los costos necesarios para cubrir la investigación a realizar.

Rediseñar la maquina compactadora de bloques de adobe utilizando los

conocimientos adquiridos en el transcurso de la carrera.

Diseñar planos del equipo.

Justificación

Este estudio es importante, ya que permite determinar un instrumento adecuado

para los procesos productivos de bloques de adobe establecidos.

Rediseñando la maquina compactadora de bloques de adobe mejoraran las

condiciones de funcionamiento de esta y a su vez la calidad del producto.

La investigación se realiza para facilitar el trabajo a las cooperativas, mostrando

ayuda a las comunidades con productos de buena calidad a precios accesibles.

MARCO TEÓRICO

Bloque de Adobe

Consiste en una masa de barro mezclada con paja o heno moldeada en forma

de ladrillo y secada al aire, que se emplea en construcciones rurales.

Estructura

Armadura que constituye el esqueleto de algo y que sirve pata sostener un

conjunto. Estas pueden ser chapas de acero unidas por pornos o soldadura,

dimensionadas de tal manera que no sufran deformaciones permanentes a las cargas

máximas de trabajo.

Hidráulica

Aplicación de la mecánica de fluidos en ingeniería, para construir dispositivos

que funcionan con líquidos, por lo general agua o aceite. La hidráulica resuelve

problemas como el flujo de fluidos por conductos o canales abiertos y el diseño de

presas de embalse, bombas y turbinas. En otros dispositivos como boquillas, válvulas,

surtidores y medidores se encarga del control y utilización de líquidos.

Sistema Hidráulico

Un sistema hidráulico es un conjunto integrado de mecanismos orientados a

trasmitir potencia de una parte a otra, a partir de la utilización de un fluido como

medio de trabajo.

Los fluidos, como fuente trasmisora de potencia, han sido utilizados desde

principios del siglo XIX con relativa importancia. Hoy en día continúan usándose

extensamente, debido a la amplia diversidad de aplicaciones que ofrece la ingeniería

de los diseños de tales sistemas.

Principios de Hidráulica

El funcionamiento de los sistemas hidráulicos está basado en un conjunto de

principios muy simples. Tales principios determinan el diseño y el aprovechamiento

de estos sistemas:

Los líquidos no tienen forma propia. Por lo tanto, adquieren la forma del recipiente

que los contiene. Gracias a esta condición, el aceite puede circular en cualquier

dirección y a través de tuberías de muy variado diámetro o sección.

Los líquidos no son compresibles.

Los líquidos trasmiten en todas direcciones la presión que se les aplica. Esta

condición es muy importante para los sistemas hidráulicos en el aprovechamiento de

energía.

Los líquidos permiten multiplicar la fuerza aplicada. Esto es mediante el diseño

adecuado de las secciones de los cilindros.

Condiciones de Operación

Ningún sistema de transmisión de potencia es perfecto. Los sistemas

hidráulicos tienen algunas desventajas que representan inconvenientes a considerar en

materia de diseño y en cuanto a su lubricación.

Son sensibles a contaminación. Por lo tanto, requieren de una limpieza estricta y

del empleo de líquidos adecuados. Los equipos pueden averiarse fácilmente por el

óxido, la corrosión, la saciedad y descomposición de los líquidos.

Son propensos a fugas, a consecuencia de las altas presiones a que son sometidos.

Componentes del Sistema

Los sistemas hidráulicos constan de por lo menos seis (6) elementos básicos

mencionados a continuación:

Tanque o Reservorio del Fluido

Su propósito fundamental es proveer espacio para almacenaje del fluido

hidráulico por lo general, el tanque está separado del área de trabajo. Sin embargo, en

los sistemas relativamente pequeños está instalado con los demás componentes de un

conjunto compacto.

La Bomba

Esta convierte la energía mecánica en energía cinética y de presión en el

fluido. Existen varios tipos de bombas. La más adecuada depende de la aplicación,

espacio físico, presiones y flujo de trabajo. Las más utilizadas en los sistemas

hidráulicos son las de engranajes, de alabes o paletas.

La elección de una bomba para condiciones determinadas dependerá de la

velocidad de giro del motor que la acciona. Si la curva característica de una bomba

para una velocidad de giro dada es conocida, la relación entre la altura y el caudal

para velocidades de giro distintas puede deducirse a partir de ecuaciones.

Bombas de Engranajes

Son las más sencillas desde el punto de vista mecánico, por lo que resultan las

más económicas. Existen varios tipos de bombas de engranajes, entre las cuales son

más conocidas y utilizadas las de engranajes externos de dientes rotos.

Las características típicas de uso de este tipo de bomba son:

Capacidad: Hasta 4.000 Lts/min a 1.000 rpm.

Presiones: Hasta 500 psi para tipo general y hasta 3.000 psi para alta presión.

Eficiencia Volumétrica: De 20% a 60% para bombas estándar y hasta 95% para

engranajes de alta presión.

Bombas de Paletas o Alabes

Tienen una alta aplicación en sistemas de mediana presión y mediana

capacidad. Tienen varias ventajas sobre las bombas de engranajes, principalmente el

hecho de que pueden ser balanceadas y tener desplazamiento variable. Además, su

eficiencia no se ve tan afectada por el desgaste, ya que sus alabes siempre están en

contacto con el anillo exterior. Sin embargo, son muy sensibles al fluido hidráulico

utilizado.

Sus características típicas de uso son las siguientes:

Capacidad: Desde muy baja a mediana.

Presiones: Baja o razonablemente alta (1500 psi)

Eficiencia Volumétrica Máxima: De 75 a 80%

Tuberías y Conexiones

Las tuberías, mangueras y conexiones son las que permiten que el fluido

transmita la fuerza de un punto a otro. Deben considerarse el tamaño y el material, de

manera de controlar la fricción del fluido hidráulico.

Válvulas y Elementos de Control

Existen básicamente tres tipos de válvulas: De control de presión, de control

de flujo y de control de la dirección del flujo.

Válvulas de Control de Presión

Más conocidas son las válvulas de alivio de bola regulables. Su función

consiste en impedir que la presión se incrementa demasiado en el sistema. Son

sensibles a los depósitos o contaminantes que se puedan acumular en el asiento de la

bola o en la bola misma.

Válvulas de Control de Flujo

Las válvulas más usadas son las de compuerta, las de globo y las de aguja. Las

válvulas de compuerta están diseñadas para trabajar completamente abiertas o

completamente cerradas.

Si se utilizan semi abiertas pueden sufrir erosión en la compuerta. Se ven

afectadas por la acumulación de sucio.

Válvulas de Control de Dirección del Flujo

Pueden ser rotativas, de carrete y de disco. Las válvulas rotativas son

controladas mecánica o eléctricamente, y tienen la característica de trabajar

eficientemente aún en presencia de depósitos y partículas abrasivas. Las de carrete

son usadas extensamente en sistemas hidráulicos, sin embargo son sensibles a los

depósitos formados por el aceite.

El Actuador

El actuador hidráulico convierte la energía disponible en el fluido (cinética y

de presión) en energía mecánica, pudiendo producir un movimiento recto o rotativo.

El más común de los actuadores y, a su vez, el más sencillo, es el motor de

pistón o cilindro, el cual produce un movimiento lineal. Su diseño exige que el pistón

y el cilindro tengan un acabado superficial muy fino, por lo que elementos abrasivos

en el aceite pueden destruir rápidamente ese acabado y causar fugas que se traducen

en pérdida de eficiencia.

El Fluido Hidráulico

Los primeros sistemas hidráulicos usaban el agua como fluido de trabajo. Las

restricciones de temperatura de uso, características corrosivas y sus propias

propiedades lubricantes llevaron a la búsqueda de otros fluidos, actualmente se usa el

aceite mineral.

Existen además, componentes auxiliares que están presentes en algunos

sistemas para aumentar la eficiencia, tales como intercambiadores de calor, filtros de

aceite y acumuladores.

Cada uno de los componentes debe ser considerados cuidadosamente, si se

desea que el sistema en conjunto trabaje bien.

Motor Eléctrico: Es la máquina que convierte la energía eléctrica en energía

mecánica. Esta máquina proporciona alta seguridad de funcionamiento,

características de trabajo satisfactorio.

Tipos:

Motor de Corriente Continua.

Motor de corriente alterna.

CÁLCULOS DE TRABAJO

A continuación serán presentados una serie de cálculos con su respectivo

procedimiento detallado, los cuales ayudaron a determinar las características y

condiciones de funcionamiento de la Maquina Compactadora de Bloques de Adobe,

para su óptimo funcionamiento y alta eficiencia de trabajo.

VARIABLES DE ENTRADA

Componentes de la Mezcla (Cantidad de cada elemento).

34 Cuñetes de tierra roja arcilla limosa (adobe).

1 Saco de cemento.

1 Saco y medio de de cal.

2 Cuñetes de Agua.

“Cantidad de cada elemento”

Densidad “ρ” de la arcilla limosa = 1,71 Kg/m3

Volumen “V” de un galón = 3,35757 m3

Conversiones respectivas:

1 Galón = 5,7 Kg ; 5 Galones equivalen a un cuñete.

1 Cuñete = 28,54 Kg

34 Cuñetes = 970,339 Kg

1 Saco de cemento gris = 42,5 Kg

1 ½ sacos de cal = 31,875 Kg

3 Cuñetes de agua = 57 Lt

1 Carretilla de arcilla limosa = 85,62 Kg

Nota: 1 Carretilla de arcilla limosa equivale a 3 cuñetes.

Con toda esta cantidad de mezcla se obtiene un número de bloques de adobe

equivalente a 148.

Procedimiento:

V = x r2 x L

V = (3,1416 x (7,5)3 x 19 cm

V = 3,820176 m3

Luego conociendo “ρ” y “V” podemos calcular la masa que ocupa un galón

despejándola de la siguiente formula:

ρ= M = M = ρx V

V

19 cm

M = 1,71 Kg /m3 x 3,35757 m3

M = 5,71 Kg

1 Galon = 5,7 Kg

Tiempo para la Elaboración del Bloque.

Se lleva un tiempo aproximado de 1 minuto, cuando la persona lo hace

constantemente se lleve menos de este tiempo estipulado.

Capacidad del Molde

La capacidad del molde, debe ser a una altura uniforme a lo largo y ancho del

molde, es decir, 30 x 15.

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOS ENUMERADOS PASO A PASO

Ø=15

1) La carga requerida para compactar los bloques de manera que garantice su

compactación es de 2800 Kg. Tomando este valor y relacionándolo con la ecuación

carga requerida (P) tenemos que:

P = M x g

P = 2800 Kg x 9,8 m/s2

P = 27,44 KN

2) Se propone elegir el perfil de material correspondiente, de manera que soporte las

cargas de trabajo.

Por tabla: W8 x 10

Acero Estructural ASTM A242 I = 1,282 x 10-5 m4

Sy = 345 Mpa

Diagrama:

ymax = - P x A (3L2 – 4A2) (en el centro )

24 x E x I

ymax yt

yt = L Longitud 5 m

h L

W P

300

yt = 2,666 x10-3 m

ymax = 27,44x103 N x 0,255 m x 3 (10,8 )2 – 4 (0,255)2 m2

24 x 200x109 N/m2 x 1,282x10-5 m4

Cancelación de Unidades: N x m3

1 . = N x m5 = m

N x m4 N x m

4

m2

ymax = 1,887x10-4 m

ymax yt

1,887x10-4 m 2,666x10-3 m

NOTA: Como podemos observar el ymax yt por lo tanto el perfil

seleccionado W8 x 10 cumple con lo establecido para este diseño, ya que soportará

los esfuerzos de trabajo.

GRAFICA DE FUERZA CORTANTE Y MOMENTO FLEXIONANTE

NOTA: Por ser carga céntrica Ra = Rd, entonces:

r = I /A

Ra= 27,44 KN

Rd = 27,44 KN

3) Se procede a trabajar como columna para verificar si resiste.

Formulas a utilizar: ; ;

K = Factor de Fijación

Le = Longitud Efectiva

Donde: r = Radio de Giro Mínimo

Sr = Razón de Esbeltez

Cc = Razón de Esbeltez de Transición

La columna por ser fija en ambos extremos “K” tendrá los siguientes valores:

Valor Teórico: K = 0,5

Valor Practico: K = 0,65

Datos de la Columna:

Perfil = W8 x 10

A = 2,96 Plg2

I = 30,8 Plg4

4) Calculo de la longitud efectiva teniendo en cuenta la manera de fijación de los

extremos.

Le = K x L = 0,65 x 1,2 m

Le = 0,78m

Le = K x L Sr = Le/ r

Cc = 2 x 2

x E

Sy

5) Luego calculamos el radio de giro mínimo de la sección transversal de la columna.

r = I = 30,8 Plg4

A 2,96 Plg2

r = 3,22 Plg

6) Calculamos la razón de Esbeltez, relacionando las ecuaciones:

Sr = K x L = Le Conversión: 3,22 Plg x 1 m = 0,01893 m

r r 39,37 Plg

Sr = 0,78 m .

0,01893 m

Sr = 9,52

7) Calculamos la carga de Esbeltez de transición (Cc) con la resistencia a la cadencia

del acero

Sy = 345 Mpa

E = 207 Gpa

Cc = 2 x 2 x E

Sy

Cc = 2 x 2 x 207x109 N/m2

345x106 N/m2

Cc = 108,8 109 (Aproximado)

Si la razón real, Le < Cc, entonces la columna es corta. En este caso se

realizará el cálculo con la formula de J. B. Jonson.

8) Calculamos ahora las cargas críticas por la formula antes mencionada.

Pcr = A x Sy 1 – Sy (Le / r)2

4 x 2 x E

Pa = Pcr / N

Donde: Pa = Carga segura permisible.

N = Factor de diseño.

Pcr = Carga de pandeo critica

Tomando en cuenta los datos de la columna y el material tenemos que:

Perfil W8 x 10 A = 2,96 Plg2

Sy = 50 Ksi

Pcr = 2,96 Plg2 x 50x103 lb/Plg2 1 – 50x103 lb/Plg2 (9,52)2

4 x 2 x 30x106 lb/Plg2

Pcr = 148 x103 lb x 996,173x10-3

Pcr = 147,43 Kips

9) Se procederá a calcular los esfuerzos cortantes producidos en los elementos de

unión fija (soldadura).

Se pretenderá usar una soldadura de filete debido a que es la más utilizada en

condiciones estructurales, puesto que se adapta con facilidad y firmeza a los perfiles

tomados.

W8 x 10

Espesor del Patín = 0,205 Plg

Ancho del Alma = 3,940 Plg

Material

Acero Estructural ASTM A242

Electrodo Recomendado: E60xx

p = 124 Mpa / 18 Ksi

NOTA: Perfil soldado por el patín.

P = Espesor de soldadura

tpatín = 0,205 Plg = P . Donde L = Longitud de soldadura

tpor tabla = 3/16 Plg L x t L = 2 x Ancho del Patín

tsoldadura = 0,707 x tpor tabla

tsoldadura = 0,707 x 0,1875

tsoldadura = 0,1325625 Plg

Considerando el resultado tenemos que al convertir el resultado en metros nos

queda:

a) tsoldadura = 0,1325625 Plg x 1m =

39,37 Plg

tsoldadura = 3,367x10-3 m

b) L de Soldadura:

L = 2 x Ancho del Patín

L = 2 x 3,94 Plg x 1m 39,37 Plg

L = 0,2 m

c) = 27,44 KN .

0,2 mx 3,367x10-3m

= 41,118 Mpa

NOTA: Este es el lado crítico de la soldadura ubicada en la parte derecha del

cilindro 2.

41,118x106 N/m2 0,0254 m 2 1 lb

1 Plg 4,448 N

= 5,9639 Ksi < adm = 18 Ksi

10) Se calculara el espesor de la pletina del molde para construir los bloques.

Condiciones de la pletina:

Acero Estructural ASTM – A242

Sy = 345 Mpa

N = 3

h1 = Altura del bloque

h = Altura del molde

Donde: L = Longitud del molde

W = Ancho del molde

Vista isométrica de una parte de la lámina.

L = 25cm

W = 10 cm t

ht = = ?

V.F.

P = 27,44 KN (distribuida)

La deflexión en el centro de B

M max = 102,9 N.m

d = 345 Mpa

L

3

d = 115 Mpa

El “S” requerido

S = M

d

S = 102,9 N.m

115x106 N/m2

S = 8,94782x10-7 m3

S = 894,782 mm3

Por ser de sección rectangular:

S = I / C

S = b x h 3

. Donde: h = t

12 (h/2) b = W

S = b x h2

6

Despejamos “h”

h = 6 x S

b

h = 0,00737m

h = 7,37 mm

NOTA: Los cilindros y demás componentes hidráulicos se realizará por catalogo,

debido a que estos componentes ya están previamente estandarizados bajo normas y

calidad.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Después de haber sido realizados los cálculos correspondientes se puede decir

que el equipo mejorará sus condiciones de trabajo ya que suministrará la presión

necesaria para la adecuada compactación del material de los bloques.

Por consiguiente, con la mejora de este equipo se cumple una meta trazada y

se demuestra una vez más que la organización, el trabajo en equipo y un buen

asesoramiento, es posible superar cualquier obstáculo o problema que se presente en

el mundo laboral y contribuye a la formación de futuros profesionales en el área del

diseño de equipos mecánicos.

Como recomendaciones se puede sugerir:

Todos los componentes de una instalación deben comprobarse y limpiarse antes y

después de ser usados.

Estar siempre a la expectativa con los componentes hidráulicos, corregir cualquier

fuga de líquido.

Comprobar la presión de funcionamiento del Circuito Hidráulico para evitar

sobrepresiones.

Mantener el Aceite Hidráulico en perfectas condiciones ayuda en gran medida a la

conservación de todos los elementos de una Instalación hidráulica.

Tomar en cuenta estas recomendaciones ayudará a mantener en buen estado y

opimo funcionamiento el equipo por ello deben ser siempre recordados por los

operarios.

BIBLIOGRAFIA

Mecánica de Materiales y Mecánica de Fluidos Aplicada. ROBERT L. MOTT 4ta

edición 1996.

Máquinas- Herramientas, H. Gerling, Editorial REVERTÉ, S.A. 1984 3era Edición.

http://www.pegasal.es/maqui2.htm

http://www.analitica.com.mx/proc2/Tema8.htm