Avance # 1 Diseño Mecánico de Transportador Helicoidal PDF

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Diseño de un transportador helicoidal destinado para mover 120 toneladas/hora de cemento clinker en la industria para lo cual se requiere un diseño consistente con los requerimientos....

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Escuela Superior Politécnica del Litoral Faculta de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción Integrantes: Hurtado Jordan, Carrera Segundo, Vega Néstor, Woelke Luis. Materia: Diseño Mecánico Profesor: Federico Camacho Paralelo: 101 Fecha: 17-06-21 Avance del Proyecto #1 Diseñar un SISTEMA MECANICO PARA TRANSPORTE DE MATERIAL AL GRANEL mediante un TRANSPORTADOR HELICOIDAL. El diseñador tendrá como objetivo general el DISEÑO TOTAL, del sistema; y, como objetivos particulares, los siguientes:

Definición del Requerimiento (se indicará en clases). Se desea diseñar un transportador helicoidal que transporte material Clinker desde una tolva en el punto A hasta otra en el Punto B. El transportador debe tener una longitud de 15 m, ángulo de inclinación de 0º y debe transportar un volumen de material igual a 120 t/h. Recopilación de Información Técnica para solucionar el requerimiento. Clinker: Se rige por las normativas del INSTITUTO ARGENTINO DE NORMALIZACIÓN (IRAM), representante argentino de la INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARIZATION (ISO) IRAM 50000 establece las especificaciones de CEMENTOS PARA USO GENERAL y la IRAM 50001 establece las especificaciones de CEPENTOS CON PROPIEDADES ESPECIALES, y la IRAM 1685 incluye CEMENTOS DE ALBAÑILERÍA no aptos para usos estructurales. Durante el proceso de fabricación de los cementos, el Clinker no puede faltar, por lo que en el proceso productivo siempre se toma en cuenta su calcinación y clinkerización para poder elaborar el cemento portland, ese que es tan común y por supuesto el más importante componente que posee el hormigón. El Clinker está compuesto por diversos elementos como el aluminato tricálcico, silicato bicálcico y tricálcico y ferrito aluminato tetracálcico, y aunque para conseguir el cemento como tal, se necesita utilizar otros componentes, los componentes del Clinker son los que hacen posible que el cemento reaccione con el agua y le da resistencia, esa que tanto se exige y que desea en las obras que se realizan.

Tabla 1: Características del material cemento CLINKER.

Tabla 2: Lectura del código de características del material.

En base al código del material se detalla que la carga de artesa es 30B (porcentaje de material que ocupará el espacio de transporte en el mecanismo)

-

Definición de los Factores de Influencia para el diseño solicitado.  Densidad del material  Dureza del material  Abrasividad del material  Velocidad  Capacidad  Inclinación  Espacio físico  Peso de la estructura  Cantidad de material Determinación y Selección de la Mejor Alternativa de Solución. Objetivos

Ponderación

Cantidad de material para construcción Potencia requerida Capacidad de transporte Peso de estructura TOTAL

0.20

Alternativa de diseño # 1 Alternativa de diseño # 2 Calificación Ponderación Calificación Ponderación 5 1 7 1.4

Alternativa de diseño # 3 Calificación Ponderación 7 1.4

0.25

9

2.25

10

2.5

10

2.5

0.35

10

3.5

9

3.15

9

3.15

0.20

7

1.4

4

0.8

9

1.8

1

8.15

7.85

8.85

La selección de diseño se reducirá a uno solo por el procedimiento estipulado en FICHA TÉCNICA DE MARTIN PARA MATERIALES, donde establece los pasos para selección y diseño de transportadores helicoidales horizontales. Diseño de forma del equipo y de sus componentes.

Ilustración 1: Diseño conceptual de transportador helicoidal.

Ilustración 2: Diseño conceptual para sistema motriz del transportador.

Diseño de Forma Detallado de los diferentes elementos. 

Diseño de las hélices Diámetro externo: 20” = 508 mm Diámetro interno: 4” = 101.6 mm Paso: 30” = 762 mm Largo: 15000 mm

Ilustración 3. Vista en 3D de las hélices



Diseño de la carcasa Diámetro: 510 mm Largo: 15000 mm

Ilustración 4. Visión 3D de la carcasa.



Diseño del eje Diámetro: 101.6 mm Largo: 15000 mm

Ilustración 5. Visión 3D del eje.



Diseño de la chumacera

Diámetro: 131.6 mm

Ilustración 6. Visión 3D de la chumacera.



Diseño del perfil

Ilustración 7. Visión 3D del perfil.



Ensamblaje de tornillo de Arquímedes

Ilustración 8. Visión 3D del ensamble 1.

Ilustración 9. Visión 3D del ensamble 2.

Determinación de las fuerzas sobre el equipo mecánico. Peso del tubo 𝑊𝑡𝑢𝑏𝑜 = 𝛾𝐴36 ∗ 𝑉𝑡𝑢𝑏𝑜

𝐷𝑒𝑡𝑢𝑏𝑜 2 − 𝐷𝑖𝑡𝑢𝑏𝑜 2 4 0.1076𝑚2 − 0.1016𝑚2 𝑚 𝐾𝑔 = 7860 3 ∗ 9.81 2 ∗ 15𝑚 ∗ 𝜋 ∗ 𝑚 𝑠 4 = 752.87 𝑁

𝑊𝑡𝑢𝑏𝑜 = 𝜌𝐴36 ∗ 𝑔 ∗ 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜 ∗ 𝜋 𝑊𝑡𝑢𝑏𝑜

𝑊𝑡𝑢𝑏𝑜 Peso del eje

𝑊𝑒𝑗𝑒 = 𝛾𝐴36 ∗ 𝑉𝑒𝑗𝑒 𝑊𝑒𝑗𝑒 = 𝜌𝐴36 ∗ 𝑔 ∗ 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜 ∗ 𝜋 ∗

𝐾𝑔 0.0762𝑚2 𝑚 ∗ 15𝑚 ∗ 𝜋 ∗ ∗ 9.81 𝑚3 𝑠2 4 = 5276.51 𝑁

𝑊𝑒𝑗𝑒 = 7860 𝑊𝑒𝑗𝑒

𝐷𝑒𝑗𝑒 2 4

Peso de la hélice 𝑊ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 = #ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒𝑠 ∗ 𝛾𝐴36 ∗ 𝑉ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜 𝐷ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 2 − 𝐷𝑡𝑢𝑏𝑜 2 𝑊ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 = ∗ 𝜌𝐴36 ∗ 𝑔 ∗ 𝜋 ∗ 𝑒ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 𝑃𝑎𝑠𝑜 4 15𝑚 0.1076𝑚 2 − 0.1016𝑚2 𝐾𝑔 𝑚 𝑊ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 = ∗ 7860 3 ∗ 9.81 2 ∗ 𝜋 ∗ 0.005𝑚 4 0.762𝑚 𝑚 𝑠 𝑊ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 = 1500.306 𝑁 Peso del Clinker cargado al 100% en el transportador 𝐷ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 2 − 𝐷𝑡𝑢𝑏𝑜 2 − 𝑒ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 (𝐷ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 ) 4 0.5082 − 0.10162 − 0.005(0.508) 𝐾𝑔 𝑚 = 15𝑚 ∗ 𝜋 ∗ 1415 3 ∗ 9.81 2 ∗ 𝜋 ∗ 4 𝑠 𝑚

𝑊𝑐𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟 = 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜 ∗ 𝜋 ∗ 𝜌𝑐𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟 ∗ 𝑔 ∗ 𝜋 ∗ 𝑊𝑐𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟

𝑊𝑐𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟 = 15𝑚 ∗ 𝜋 ∗ 1415

𝑊𝑐𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟 = 4096 𝑁

𝐾𝑔 𝑚

3 ∗ 9.81

0.5082 − 0.10162 − 0.005(0.508) 𝑚 ∗ 𝜋 ∗ 4 𝑠2

Peso total considerado 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑒𝑗𝑒 + 𝑃𝑒𝑠𝑜ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒 + 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑡𝑢𝑏𝑜 + 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑐𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟 = 11625.706𝑁

Ecuaciones X, Y ∑ 𝐹𝑥 = 0 ∑ 𝐹𝑦 = 0 𝐴𝑥 = 0 𝐴𝑦 + 𝐵𝑦 + 𝐶𝑦 − 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0 Como se tiene 4 incógnitas y solo 4 ecuaciones disponibles no es posible determinar los valores para las reacciones, sin embargo, si se considera al transportador helicoidal como una viga continua con 3 apoyos simples y una carga distribuida rectangular (𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ) se puede utilizar la ecuación de los 3 momentos para vigas hiperestáticas. Ecuación de los 3 momentos 𝑀1 𝐿1 + 2𝑀2 (𝐿1 + 𝐿2 ) + 𝑀3 𝐿2 = −6 (

𝐴1 𝑎1 𝐴2 𝑎2 + ) = −6(𝛼1 + 𝛼2 ) 𝐿1 𝐿2

Como el apoyo C se encuentra en la mitad del transportador los valores para 𝑳𝟏 = 𝑳𝟐 son exactamente iguales (7.5m), los tramos 1 y 2 tienen la misma carga distribuida por lo tanto 𝜶𝟏 = 𝜶𝟐, M1 y M2 tienen valor de cero por encontrarse en los extremos de la viga por lo tanto la ecuación reacomodada sigue como: 4𝑀2 (𝐿1 ) = −12(𝛼1 )

El valor de 𝛼1 (Alpha) se lo selecciona de la tabla 3(Anexos) y corresponde al caso 1 por lo tanto: 4𝑀2 (𝐿1 ) = −12(

𝑤𝐿1 4 ) 24

Donde w es la carga distribuida (peso) en el transportador, reemplazando los valores en la ecuación y despejando 𝑀2 : 𝑀2 = 𝑀𝑏 = −726 . 61 𝑁. 𝑚 Ecuación de momentos respecto a el punto A ∑ 𝑀𝐴 = 0 𝑀𝑏 −

𝐿 ) + 𝐿(𝐶𝑦 ) = 0 (𝑊 2 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

Reacciones en apoyos De la sumatoria de fuerzas en X: 𝐴𝑥 = 0 𝑁

De la sumatoria de momentos respecto a el punto A: 𝐿 −𝑀𝑏 + 2 (𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ) 𝐶𝑦 = 𝐿 𝐶𝑦 = 5860.8 𝑁 De la definición de momento: 2 ∗ 𝑀𝑏 𝐿 2 ∗ 726. 61 𝐵𝑦 = 15 𝐵𝑦 = −96.89 𝑁

𝐵𝑦 =

De la sumatoria de fuerzas en Y: 𝐴𝑦 = −𝐵𝑦 + 𝐶𝑦 + 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑦 = 96.89 + 5860.8 + 11625.71 𝐴𝑦 = 17583.41 𝑁

Ilustración 10 D.C.L Transportador Helicoidal como viga y sus fuerzas (SAP2000) Fuerzas en Newton

ANEXOS Cálculos: Datos: 

Densidad aparente = 75-95 lb/pie3 𝐶𝑚 = 120 𝐶𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎,1 = 𝐶𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎,2 =

𝑡𝑜𝑛 1000 𝑘𝑔 2.20462 𝑙𝑏 𝑙𝑏 ∗ ∗ = 264554.4 ℎ ℎ 1 𝑡𝑜𝑛 1 𝑘𝑔

𝐶𝑚 𝑝𝑖𝑒 3 264554.4 = 3527.39 = ℎ 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 75

𝑝𝑖𝑒 3 264554.4 𝐶𝑚 = 2784.78 = ℎ 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 95

𝐶𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒,1 = 𝐶𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎,1 (𝐶𝐹1 )(𝐶𝐹2 )(𝐶𝐹3 ) = 3527.39(0.67)(1)(1) = 2363.35 𝐶𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒,1 = 𝐶𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎,2 (𝐶𝐹1 )(𝐶𝐹2 )(𝐶𝐹3 ) = 2784.78(1)(1)(1) = 1865.80

𝑝𝑖𝑒 3 ℎ

𝑝𝑖𝑒 3 ℎ

𝑁1 =

𝐶𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒,1 2363.35 = 37.63 𝑅𝑃𝑀 ≈ 38 𝑅𝑃𝑀 < 40 𝑅𝑃𝑀(𝑚á𝑥) = 62.80 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑@1𝑅𝑃𝑀

𝑁2 =

𝐶𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒,2 1865.80 = = 29.71𝑅𝑃𝑀 = 30 𝑅𝑃𝑀 < 40 𝑅𝑃𝑀(𝑚á𝑥) 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑@1𝑅𝑃𝑀 62.80

Datos: 

Diámetro del eje: 3 pulgadas

        

fb = 4.4 Temperatura de operación 500ºF L = 15 m = 49.21 ft Fd = 165 Ff = 1 Fp = 1 Fm = 1.8 Se emplea un motor reductor en cople N = 38 RPM 𝐻𝑃𝑓 =

𝐻𝑃𝑚 =

49.21 ∗ 38 ∗ 165 ∗ 4.4 𝐿 ∗ 𝑁 ∗ 𝐹𝑑 ∗ 𝑓𝑏 = = 1.36 𝐻𝑃 1000000 1000000

𝐶 ∗ 𝐿 ∗ 𝑊 ∗ 𝐹𝑓 ∗ 𝐹𝑚 ∗ 𝐹𝑝 2363.35 ∗ 49.21 ∗ 75 ∗ 1 ∗ 1.8 ∗ 1 = = 15.70 𝐻𝑃 1000000 1000000

𝐻𝑃𝑓 + 𝐻𝑃𝑚 = 1.36 + 15.70 = 17.06 𝐻𝑃 ≥ 5.2 𝐻𝑃 → 𝐹𝑜 = 1

 

Fo = 1 e = 0.95

𝐻𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =

17.06 ∗ 1 = 17.95 𝐻𝑃 = 20 𝐻𝑃 0.95

Se recomienda un motor de 20 HP Ahora para el empuje y expansión térmica:

Calculando el torque: 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 =

63025 ∗ 𝐻𝑃 63025 ∗ 20 = = 33171.05 𝑙𝑏 𝑖𝑛 𝑁 38 43000 𝑙𝑏 𝑖𝑛 > 33171.05 𝑙𝑏 𝑖𝑛

Como el torque calculado es menor al torque maximo que puede resistir el tubo, se elige el tubo de 4 pulgadas de tamaño El eje se elige Estándar Martin C-1045 ya que el torque que soporta es de 34427 lb in El diámetro del perno es de ¾ de pulgada Los pernos del corte serán 2 pernos de grado 5 A307-64, calculando el torque que resiste es de: 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜𝑠 𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 = 16400 (2.5) = 41000 𝑙𝑏 𝑖𝑛 Y los pernos para resistencia de los Barrenos serán 3, resistiendo un torque de 37500 lb in

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =

𝐻𝑃 20 = 0.53 𝐻𝑃 = 38 𝑁

Tabla 3 Selección Alpha en método de 3 momentos

BIBLIOGRAFÍA Martin. (25 de octubre de 2018). Catálogo Sopreta. Obtenido de Componentes y Accesorios para manejo de materiales: http://sopetra.com.br/view/catalogo/transportadores-helicoidaiscompletos-catalogo.pdf Norton, R. L. (2009). Diseño de Maquinaria. Distrito Federal de México: McGRAWHILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.

BITÁCORA: 1er Reunión: Se discutieron temas como los factores de influencia de nuestro diseño y se realizó el análisis de las posibles alternativas que disponemos en base a los criterios de selección detallados en el punto 4. Se investigó acerca de las características y designación del material (Cemento Clinker) para datos como densidad, abrasividad, fluencia y las propiedades misceláneas o peligrosas del mismo.

2da Reunión: Se discutieron temas de selección de componentes en base al código de material proporcionado por las tablas MARTIN. Se investigó e hizo suposiciones sobre el tamaño de partícula de la sustancia (Clinker) a transportar.

3ra Reunión: Se detallan los últimos aspectos faltantes para el primer avance como las fuerzas que actúan sobre el transportador de cemento (Clinker). En esta reunión si estuvimos presentes todos, pero la captura de pantalla se la hizo al inicio y no nos percatamos de esto hasta la 4ta reunión.

4ta Reunión: Ya se obtuvieron todos los puntos, finalizamos el trabajo calculando fuerzas y torque....