hidraulico final 1

INGENIERÍA BÁSICA

PROYECTO DE DISEÑO DE GRUA DE PORTICO MOVIL EN CORPESCA-

ARICA

ANALISIS Y DIMENSIONAMIENTOS DE ACTUADORES HIDRAULICO Y SISTEMAS

DE CONTROL

CO01 - C - MC - 0001

CORPESCA S.A

A Emitido para Aprobación Interna J.MUÑOZ CORPESCA

REV. FECHA DESCRIPCIÓN ING. PROY. J. DISC. J. PROY. CLIENTE

SERVICIOS DE INGENIERÍA BÁSICA

Nº PROYECTO

SI01

PROYECTO GRUA DE PORTICO MOVIL

MEMORIA DE CÁLCULO HIDRÁULICO Página 2 de 31

INGENIERÍA BÁSICA DE DISEÑO DE GRUA PÓRTICO MÓVIL

ÍNDICE

1 GENERAL ......................................................................................................... 3

1.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 3 1.2 OBJETIVO ......................................................................................................... 3 1.3 ALCANCE .......................................................................................................... 3 1.4 NORMAS, CÓDIGOS Y REGLAMENTOS .......................................................... 3 1.5 UNIDADES ......................................................................................................... 4

2 CÁLCULO DE LOS EQUIPOS HIDRAULICOS .................................................. 4

2.1 CRITERIOS DE DISEÑO .................................................................................... 4 2.2 MODELO HIDRAULICO ..................................................................................... 5 2.3 FUERZAS NECESARIAS PARA EL MOVIMIENTO ............................................ 6 2.4 CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL MOTOR DE LAS RUEDAS ............................... 7 2.5 CÁLCULO PARA EL SISTEMA DE DIRECCIÓN Y SELECCIÓN DEL CILINDRO

HIDRAULICO .................................................................................................. 13 2.6 CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LOS MOTORES HIDRAULICO DEL RIEL ......... 17 2.7 SELECCIÓN DEL WINCHE PARA EL LEVANTE DE LOS JUMBOS ................ 21 2.8 FLUJO TOTAL DE LOS MOTORES Y CILINDROS PARA CURVAR ................ 21 2.9 SELECCIÓN DE LA BOMBA HIDRÁULICA PARA EL SISTEMA COMPLETO .. 22 2.10 DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO DE LAS TUBERIAS ................................. 23 2.11 CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE CARGA ............................................................. 27 2.12 CÁLCULO DEL MOTOR QUE ACCIONE LA BOMBA HIDRÁULICA................. 28




1 GENERAL

1.1 INTRODUCCIÓN

Corpesca S.A es el principal productor de harina de pescado a nivel nacional

exportando a distintos países, en el termino del proceso la harina es envasada

en sacos de aproximadamente 1,5 toneladas, la cual es transportada en

camiones dentro de la planta, para su almacenamiento o vaciado en conteiner

para ser exportado a granel, en este proceso se pretende disminuir los tiempos

de descarga actuales construyendo un puente de grúa móvil que descargue de

cuatro unidades a la vez, para cumplir con el objetivo se diseñará con las

normas y cálculos asociados.

1.2 OBJETIVO

El objetivo de este documento es desarrollar la Memoria de Cálculo de las

Estructuras y Piping requeridas para la construcción de un puente de grúa

móvil para la descarga de jumbos, de manera que se cumpla con los Criterios

de Diseño de este proyecto.

1.3 ALCANCE

El alcance de este documento comprende el diseño Hidráulico de un puente

grúa móvil para 6 toneladas para cargar harina de pescado, con sus

respectivos ganchos para levantar los jumbos, de manera de asegurar que la

potencia de los motores, bomba y todos los implementos hidráulicos tengan la

potencia y el tamaño adecuado para que el sistema general pueda cumplir la

labor de levante y transporte que se requiere.




NORMAS, CÓDIGOS Y REGLAMENTOS

Las condiciones mínimas que deberán cumplir los diseños, instalaciones y

equipos, estarán de acuerdo con las normas y códigos que se indican a

continuación:

Normas Para Sistemas Hidráulicos (Piping):

Norma ISO 1219-1 Símbolos para diagramas de circuitos Hidráulicos.

Norma ISO 1219-2 Símbolos para diagramas de circuitos Hidráulicos.

Norma IEC 61131-3 para sistemas de PLC.

Norma ISO 2944: Protección mediante pinturas contra la corrosión de estructuras

metálicas.

Cilindros Hidráulicos Industriales MDT Norma ISO 6020/2 - DIN 2455.

Normas 2006/42/CE, EN13849: 2008, EN301489-3, EN300 220-3, EN60950-1, EN61000, EN55011 y R & TTE 1999/5/CE Referente a los “dispositivos de control remoto para sistemas de elevación”.

1.4 UNIDADES

Todas las unidades de medida que se utilicen en el desarrollo del proyecto,

están basadas en el Sistema Internacional de medidas (SI), tanto en la

memoria de cálculo, como en planos, siempre que ello sea posible.

2 CALCULO DE LOS EQUIPOS HIDRAULICOS

2.1 CRITERIOS DE DISEÑO

Para el modelado y diseño del sistema general se utilizó el software

automation estudio versión 5, considerando Normas IEC 61131-3 para control

lógicos programables.




2.2 MODELO HIDRAULICO

Luego de analizar variadas alternativas de accionamiento, para el

accionamiento de las ruedas y dirección, se optó por la que muestra la figura

N° 1. Las principales razones por las cuales se decidió optar por esta

alternativa son: Fuerza de tracción y por la trayectoria de los circuitos

hidráulicos aplicados en maquinaria pesada.

Fig. 5.0: Diagrama de bloque del sistema propuesto




Figura N° 1: Modelo del circuito hidráulico propuesto.

2.3 FUERZAS NECESARIAS PARA EL MOVIMIENTO

2.3.1 RUERZAS PERMANENTES (FP)

Se consideraron como cargas permanentes, las cargas correspondientes al

peso de la estructura (2.000 kg). Además. Junto a ello se considera la carga

producida por los Jumbos, la cual tiene un valor de 1.500 kg por unidad, los

que en total suman 6000 kg. Peso total del sistema 8000kg.

La ubicación en que se aplicaron estas cargas, se muestra en la figura N° 2.

Figura N° 2: La ubicación en que se aplicaron estas cargas




2.4 CALCULOS DEL MOTOR DE LAS RUEDAS.

1) Cálculos de torque del motor por ecuaciones de catálogo de motores de

rueda:

F: fuerza de tracción (N)

W: Peso del vehículo (kg)

T: torque del motor (Nm)

D: Diámetro externo de la rueda (m)

n : Numero de motores hidráulicos

R: Función “Seno (0°)” de inclinación o “%” de resistencia

a) Fuerza que ejerce la estructura, carga y la resistencia a la tracción de

25% o ángulo aproximado de inclinación 15°:

b) Torque necesario que debe tener el motor para una rueda de diámetro

584 mm según catálogo de ruedas:




Se considera un 20% adicional de torque en equipos móviles para sacar de la

posición de reposo, por lo que el motor debe tener un torque de:

De los cálculos anteriores se concluye que se necesita un motor que produzca

un torque de .




2) Por método del profesor para una inclinación de 15°:

Fig. 2.1: Grúa de Pórtico Móvil Inclinada a 15°




Haciendo momento en la rueda donde va el motor hidráulico:

∑

Rueda Motriz:

∑

20% adicional para sacar de la inercia

Conclusión: por el primer método, según los catálogos de ruedas T=3438 Nm y por el método que utilizó el profesor T=3592, para la selección del motor hidráulico se utilizará el torque mayor, para una presión de trabajo de 250 bar. Selección del Motor Hidráulico:

Se necesita generar un torque máximo de por motor hidráulico, según los

modelos revisados, en algunos modelos no se especifica el torque pero se puede obtener con la siguiente ecuación:

(

)

Los datos de torque de la marca “Poclain-Hydraulics” son para presiones de 450 bar, por lo que se requiere recalcular para una presión de 250 bar, se elige ésta marca porque tienen motores para torques altos, y vienen con el sistema de palier para ser utilizado directamente con la rueda.




(

)

(

)

(

)

Con ese desplazamiento se elige el modelo MS08 de 934 (cm3/rev) (pag. 13, Motores de pistones, catalogo “Talleres Lucas 2012”)

a) Flujo (l/m):

( )

( )

, por 2 ruedas 252 (L/min)

Flujo necesario para la tracción de las dos ruedas: 252 (L/min)

Motor seleccionado MS08:

En el catálogo general de POCLAIN HYDRAULICS (PH) Edición 2012 se

encuentra un motor hidráulico especial para rueda Modelos MS O8 de

cilindrada 934 (cc/rev).




Fig.2.1: Modelo MS y su descomposición por partes

Tab.3.1: Datos del Motor Hidráulico (*).

(*) Según los datos técnicos del motor genera un torque de 6630 (Nm) con

una presión de 450 (bar), pero los sistemas hidráulicos se trabajan con

presiones de 250 bar, por lo que se recalcula el torque.

c) Velocidad del vehiculo:

(

)

(

)

(

)




2.5 CALCULOS DEL SISTEMA DE DIRECCIÓN, FUERZA NECESARIA Y

SELECCIÓN DEL CILINDRO HIDRAULICO.

Fuerza Hidráulica para girar las ruedas delanteras de la grúa móvil:

Fig. 2.3: Diagrama de fuerzas

∑

Para un y

, fuerza necesaria de cada cilindro por rueda delantera




1.- Determinación del factor de corrección según el tipo de montaje del cilindro

El factor de corrección para un cilindro con los 2 extremos articulados es I= ,

donde I: longitud Extendida del vástago y : longitud de pandeo.

Se encuentra dentro del límite:

Fig. 4.0: Tabla para determinar el Diámetro del vástago para un acero SAE 1045 con un

factor de seguridad de 3.

La distancia máxima de los extremos del cilindro para evitar el pandeo es de 50 cm con

una carga de 5000 kg.




2.- Determinación del área mínima que debe tener el cilindro hidráulico:

(

)

Diámetro mínimo que debe tener el cilindro hidráulico:

√

√

o

Características que debe tener el cilindro hidraulico:

Fig. 3.0: Características del cilindro elegido según el catálogo de “parker”




Fig.4.1: Variación del área en un cilindro hidráulico de doble efecto.

Área circular :

Área anular:

Se requiere una velocidad de:

Caudales necesarios para el cilindro hidráulico:




2.6 CALCULOS PARA LOS MOTORES HIDRAULICOS DE LOS RIELES.

Se elige el siguiente modelo de referencia:




Para un peso de 3500 Kg distribuido de la siguiente forma:

Fig. 2.6: Diagrama de fuerzas del sistema de levante

Fig.4.5: diagrama de fuerzas simplificado para un ángulo de 15° (*). (*) se utiliza 15° en el caso de que la grúa esté inclinada, esa serían las fuerzas resultantes, que debe vencer el sistema de riel accionado por un motor hidráulico. Calculo de fuerzas:

∑




Ref: Williams, John A. Engineering Tribology. New York: Cambridge University Press (2005)

∑

Calculo del torque que debe tener el motor de la rueda que mueve la cadena del riel, para un radio de 0,03m:




Selección de un motor hidráulico para un torque de 268 Nm:

Ref. catálogo del talleres Lucas 2012

a) Flujo (l/m):

(

)

( )

, por los 2 carriles 120 (L/min)

Flujo necesario para mover ambos carriles: 120 (L/min)




2.7 SELECCIÓN DE UN WINCHE QUE GENERE UNA FUERZA DE 1750 KGF.

Selección del winche: Se necesita generar una tensión de 1750 Kgf, según el catálogo de “talleres lucas 2012”, solo se mencionan la marca de los winches (pull-master) y el rango de fuerza que tienen, con la marca se selecciona en la página de la marca, el modelo para la tensión requerida

es el modelo “M5” ,

y , con una capacidad de arrastre de 2268 kg.

Tabla 5.0: datos de la fuerza de arrastre según las capas que se van enrollando

2.8 FLUJO TOTAL DE LOS MOTORES Y LOS CILINDROS PARA CURVAR:

Presión de trabajo:




2.9 SELECCIÓN DE LA BOMBA HIDRÁULICO PARA EL SISTEMA COMPLETO:

Se requiere un caudal (Flujo) aproximado de: y una presión de 250 Bar. El Caudal de los winches hidráulicos no se requiere agregarlos, ya que no será utilizado paralelamente cuando se esté moviendo la Grúa. Según el caudal: En el Catálogo “Talleres Lucas, 2012” en la página 7, bombas de pistones de caudal variable marca Sauer Danfoss: El modelo: E130B corresponde al más apropiado para el sistema.

Después de todos los cálculos asociados se selecciona la Bomba modelo

E130B, bombas de pistones de caudal variable marca Sauer Danfoss.

Fig. 2.1: Bomba seleccionada.




2.10 DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO DE LAS TUBERÍAS:

Calculo de diámetro nominal:

El cálculo de la tubería se realiza mediante el teorema de continuidad

: diámetro interno de la tubería

: Caudal del aceite que circula por la tubería

Velocidad del flujo, esta velocidad depende de la viscosidad del fluido para la

aspiración, en la descarga depende de la presión de la presión de trabajo y en el retorno el

rango es más amplio.

Tabla 2.1: Recomendación de las velocidades del aceite hidráulico en tuberías




Viscosidad de los aceites: http://www.shell.com/

Especificación: para sistemas a alta presión, con propiedades anti desgaste y a la corrosión

El cálculo del diámetro de la tubería se calcula mediante el teorema de continuidad

Velocidades para las distintas etapas por donde circula el fluido:

a) Velocidad en tubería de aspiración:

De ambas tablas para una viscosidad de

se tiene una velocidad aproximada de

b) Velocidad e tubería de presión:

De la tabla 2.1, para una presión mayor a 200 bar, se utiliza una velocidad de

c) Para la tubería de retorno:

De la tabla 2.1 se establece un rango de

a

tomando una velocidad adecuada

para el retorno de

Cálculo del diámetro para las distintas etapas por donde circula el fluido:

1) Diámetro para la tubería de aspiración:

Suponiendo una velocidad de

según la recomendación de la tabla de velocidades

con el caudal de la bomba

http://www.shell.com/




√

√

√

2) Diámetros para las tuberías de presión:

a) Diámetro para las tuberías de presión del motor de las ruedas, para una velocidad de

y un caudal de

√

√

√

b) Diámetro para las tuberías de presión de los cilindros que hacen girar la rueda de

dirección, para una velocidad de

y un caudal de

y

√

√

√

√

√

√

c) Diámetro para las tuberías de presión del motor que hace girar los rieles de ambas

vigas, para una velocidad de

para una presión de 175 bar y un caudal de

√

√

√

d) Diámetro para las tuberías de presión del motor de los winches hidráulicos, para una

velocidad de


√

√

√




3) Diámetro para las tuberías de retorno:

a) Diámetro para las tuberías de retorno del motor de las ruedas, para una velocidad de

y un caudal de

√

√

√

b) Diámetro para las tuberías de retorno de los cilindros que hacen girar la rueda de

dirección, para una velocidad de

y un caudal de

y

√

√

√

√

√

√

c) Diámetro para las tuberías de retorno del motor que hace girar los rieles de ambas

vigas, para una velocidad de


√

√

√

d) Diámetro para las tuberías de retorno del motor de los winches hidráulicos, para una

velocidad de


√

√

√




Selección de tuberías según los diámetros:

Tabla 6.0: tuberías de acero estiradas en frio, sin soldadura y recocido

2.11 CÁLCULO DE PÉRDIDA DE CARGA EN LA TUBERÍA, PARA EVITAR QUE

UNA RUEDA GIRE PRIMERO Y DESPUES LA OTRA:

Por la ecuación de “Darcy-Weisbach”

: depende del n° de Reynolds y la rugosidad relativa.

El número de Reynolds en la entrada es:

El número de Reynolds para el aceite de retorno es:




Como el n° de Reynolds es menor a 2000 en ambos casos: Re < 2000

Pérdidas de cargas en ambas tuberías:

(

)

(

)

=

2.12 CÁLCULO PARA DEL MOTOR QUE ACCIONE LA BOMBA HIDRAULICA:

El sistema Hidráulico trabajará a una presión de 250 Bar, la bomba hidráulica a una

velocidad de 500rpm como mínimo y 2600 rpm como máximo.

(

)

(

)

Según los datos se elige el modelo: CUMMINS ISBe185-30 MOTOR DIESEL para los vehículos

Fuente: http://www.sino-cummins.com/product/cummins-isbe185-30-diesel-engine-for-

vehicle.htm

http://www.sino-cummins.com/product/cummins-isbe185-30-diesel-engine-for-vehicle.htm

http://www.sino-cummins.com/product/cummins-isbe185-30-diesel-engine-for-vehicle.htm




Curva de potencia de Cummins ISBe185-30 para motores diesel para vehículos

CUMMINS ISBe185-30 MOTOR DIESEL para los vehículos

General de CUMMINS ISBe185-30 para motores diesel para vehículos

Desplazamiento 5.9L

Agujero 102 mm

Cilindros 6

Carrera 120 mm

Sistema de combustible Bosch a alta presión Common-Rail del sistema

Datos de rendimiento de CUMMINS ISBe185-30 para motores diesel para vehículos

La velocidad de ralentí 600 ~ 800r/min

Máximo en vacío la velocidad regulada 2850r/min

Máxima capacidad de exceso de velocidad (15 segundos máximo) 4200r/min

Altitud máxima de operación continua 2000m

Torque del compromiso en 800r/min 500N.m

Cuando se utiliza frenos de escape

Power anunciado 136kW @ 2500r/min

Fuerza máxima 700N.m @ 1500r/min




Válvulas Hidraulicas de control eléctrico

Comando proporcionales PVG: válvulas de control de trabajo suave, que operan con el principio de “load sensing”, con 8 funciones proporcionales

Cotizaciones anexas:




Sistema Hidráulico: Cotización de los equipos principales, sin el motor de combustión interna:

Ítem Unid. Cantidad

Precio unitario total

motor de rueda 2 2.833.000 5666000

Bomba hidráulico 1 3.489.000 3.489.000

Comando de Válvula para los 8 equipos 1 7.650.000 7.650.000

Winche Hidráulico 1 5.850.000 5.850.000

Control remoto para las 8 válvulas 1 1.933.000 1.933.000

llanta 4 337.000 1348000

neumático industrial macizo 4 196.000 784000

total sin IVA 26720000

IVA 19% 5076800

TOTAL de los equipos principales 31796800

Sistema de giro: Sistema recomendable para el sistema de giro de la rueda se requiere considerar el

siguiente equipo:

hidraulico final 1

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