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Instituto Tecnológico de Nuevo León

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA ANÁLISIS Y SÍNTESIS DE MECANISMOS DISEÑO DE MAQUINA APLASTA LATAS CON MECANISMO MANIVELA-BIELA-CORREDERA INTEGRANTES DEL EQUIPO: o José Enrique Rodríguez Dávila 17481142 o Marcelino García Esparza 17480792 o David Pérez Hernández 17480546 Unidad: 5 Fecha de entrega: 09/12/2019 Docente: Manuel Pérez Ruvalcaba

Guadalupe, N.L. 2019

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Resumen Este trabajo se realizó para demostrar que se puede crear un compactador de envases de aluminio con elementos de máquinas en desuso. Elaborar esta máquina tuvo un costo bajo pues los elementos en desuso son más económicos que nuevos componentes, se utilizaron para la elaboración del circuito eléctrico y mecánico de un mecanismo manivela- biela-corredera. Para la elaboración del contenedor y la estructura se utilizaron bases metálicas. La elaboración y el mantenimiento de estos elementos aseguraron el mejor funcionamiento de la máquina, generando incluso un potencial aumentando en su uso para compactar latas de aluminio. Los resultados de operación del compactador son satisfactorios, pues cumplieron las expectativas y los objetivos planteados del trabajo esperado. La utilización de otros elementos de máquinas en desuso tienes un gran potencial para la elaboración de máquinas, también se demostró que para el proceso de reciclaje se pueden usar elementos reutilizables para elaborar máquinas que interviene en este proceso.

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Índice Agradecimientos Resumen 1.- GENERALIDADES DEL PROYECTO 1.1 Introducción---------------------------------------------------------------------------------------5 1.2 Descripción de empresa-----------------------------------------------------------------------7 1.3 Problema a resolver-----------------------------------------------------------------------------8 1.4 Objetivos (general, específicos) -----------------------------------------------------------10 1.5 Justificación--------------------------------------------------------------------------------------11 2.- MARCO TEÓRICO 2.1 Fundamentos teóricos------------------------------------------------------------------------12 3.- DESARROLLO 3.1 Actividades realizadas------------------------------------------------------------------------20 4.- RESULTADOS-------------------------------------------------------------------------------------32 5.- CONCLUSIONES --------------------------------------------------------------------------------39 5.1 Recomendaciones------------------------------------------------------------------------------40 6.- COMPETENCIAS DESARROLLADAS-----------------------------------------------------41 7.- FUENTES DE INFORMACIÓN---------------------------------------------------------------42 8.- ANEXOS--------------------------------------------------------------------------------------------43 Glosario-------------------------------------------------------------------------------------------------48

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Generalidades del proyecto Introducción En México, el envase que más se recicla son las latas de aluminio, utilizado para la industria de las bebidas, pues de esta forma se reducen las importaciones del insumo. Del total de las latas de aluminio en las que se envasan las diversas bebidas que se venden en el País, se recicla el 100 por ciento, informó Hiram Cruz, director general de la Asociación Mexicana de Envase y Embalaje (AMEE). Cruz refirió que el alto porcentaje de reciclado se debe a que en México no se produce el aluminio para las latas, por lo que se tiene que importar de países como EU o Brasil. Así que una de las formas de reducir esas importaciones y los costos que conllevan es reutilizar el aluminio, agregó. “Como es reciclado se vuelve a utilizar como materia prima secundaria y ya no tienes necesidad de importar”, afirmó el directivo. Es en la industria de las bebidas en la que se usa este material, los refrescos y cervezas son los principales productos que más lo requieren, pues, cada uno, representa alrededor del 40 por ciento de la demanda nacional, mientras que los jugos concentrarían el 20 por ciento restante, detalló. El valor por consumo o de reciclaje alcanza valores más altos que el resto de los materiales que se reciclan, por ejemplo, un kilo puede ser vendido entre 15 y 16 pesos. Mientras que el kilo de PET se vende alrededor de dos pesos y el de papel entre 80 centavos y un peso, pues estos últimos sí se fabrican en el País, destacó. Otro de los principales materiales que se reciclan son el cartón y el papel, pues del total de su consumo se reutiliza alrededor del 70 por ciento, siendo el cartón corrugado para transportar mercancías el producto que más se fabrica con este insumo. Se plantea el diseño y construcción de una maquina compactadora de envases de aluminio que es parte del proceso de reciclado. Siendo parte de la primera fase de la gestión del reciclado que consiste en la compactación de envases. Optimizando de

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mejor forma los costos de procesos productivos perseverando los recursos naturales. En la actualidad las compactadoras son máquinas que tienen una gran importancia ayudando a la recolección y compactación de una materia prima para elaborar nuevos productos. Países como Estados Unidos, Alemania y otras potencias mundiales poseen estas máquinas para reciclar productos específicos como plásticos, metal como el aluminio. Esto ayuda a minimizar los costos altos de importación de los países que quisieran importar dichos materiales. Razón por lo cual se ha visto la necesidad de diseñar y construirá una maquina compactadora de latas de aluminio, usando elementos reciclados, es decir, piezas de máquinas en desuso que sirven para manufacturara el compactador ayudando a reducir el costo de la máquina.

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Descripción de la empresa Como parte del Sistema Nacional de Educación Superior Tecnológica, dependiente de la Secretaria de Educación Pública, el día 1 de Octubre de 1976 fue fundado el Instituto Tecnológico de Nuevo León con el objetivo de difundir en el país los beneficios de la Educación Tecnológica y crear polos de desarrollo de acuerdo a las necesidades regionales convirtiéndose en la primera Institución Federal de Educación Superior en el Estado de Nuevo León y la número 48 del Sistema Nacional de Institutos Tecnológicos. Actualmente el Director del Instituto es el Dr. Mario Alberto Martínez Hernández. Contamos con una planta docente altamente capacitada con estudios de Maestría y Doctorado en áreas afines a las carreras que ofrecemos, lo que los acredita como profesores e investigadores conscientes de la responsabilidad que tienen hacia los sectores sociales en la formación de recursos humanos con una visión integral de calidad, confiabilidad y de cuidado del medio ambiente. Actualmente se imparten siete carreras profesionales y 1 posgrado: 

Ingeniería Industrial

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Ingeniería Ambiental

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Ingeniería en Gestión Empresarial

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Ingeniería en Sistemas Computacionales (Virtual y Presencial)

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Ingeniería Eléctrica

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Ingeniería Electromecánica

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Ingeniería Mecatrónica



Posgrado: Especialización y Maestría en Ingeniería Mecatrónica Las

carreras

de

Ingeniería

Electrónica

e

Ingeniería

en

Sistemas

Computacionales se encuentran acreditadas por CACEI y ya contamos con la acreditación del Posgrado por CONACyT.

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Problemas resolver Las máquinas en la industria facilitan el trabajo y maximizan el sistema productivo cual fuese, en lo cual existen intocables actividades. Desde la revolución industrial, donde se empleaba carbón, para mover la industria, hasta la actualidad ¿, en donde se buscan nuevas fuentes de energía, la contaminación del medio ambiente es latente que con la tecnología reciente, se trata de mitigar esto al encontrar nuevas formas de utilizar tipos de materiales específicos para poder reutilizar y no contaminar al medio ambiente. Los productos de consumos masivos son productos que luego de ser consumidos, sus restos son desechados, generalmente al medio ambiente, sin pensar en las consecuencias que estos podrían ocasionar. Los envases de lata de aluminio, son usados en la industria alimenticia, para almacenar productos consumibles los envases de estos como efecto se los desechan y posteriormente se recolecta para ser reciclados. La recolección de estos envases se realiza en ciudades para tratar de mitigar los desperdicios existentes en las calles. Para poder llevar todo estos a centros de acopio, que luego aran el pase de todo el material recolectado a plantas que dan un uso adecuado a este tipo de materiales. Sin embargo, estos envases al tener diferentes formas y tamaños, provocan un uso de espacio considerablemente relevante, por lo que es necesario compactarlos, para así poder reducir su espacio y poder manejarlos de mejor manera. Por ello, se emplean compactadores hidráulicos, neumáticos o mecánicos para realizar este trabajo sin embargo, los costos de estos son elevados. Todas las razones anteriormente expuestas justifican la realización de este proyecto técnico, que consiste en diseñar y construir una maquina compactadora utilizando piezas y materiales reciclados de otras maquinarias en desuso. Esto permite sustituir importaciones a la vez que permita la agregación de valor a la materia que se recicla. También permitirá que nosotros como estudiantes podamos poner en práctica todos los conocimientos adquiridos a lo largo de nuestra vida académica.

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¿Cómo diseñar y construir una máquina compactadora de latas de aluminio, a partir de los conocimientos adquiridos en la carrera y empleando materiales de otras máquina en desuso?

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Objetivos Objetivo general Diseñar una máquina compactadora de envases de aluminio con un mecanismo manivela-biela corredera, impulsado por un motor eléctrico. Objetivos específicos Investigar las partes que forman las máquinas compactadoras de uso común en la industria y funciones. 1. Estimar la capacidad de la maquina 2. Definir las características de diseño de los componentes o partes de la máquina a construir 3. Seleccionar materiales de acuerdo al diseño 4. Diseñar la estructura de la maquina 5. Estimar el costo final a la propuesta 6. Construir la máquina compactadora 7. Realizar pruebas experimentales y las correcciones necesarias.

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Justificación En México el reciclaje aun no es de alto potencial por falta de infraestructura para el correcto aprovechamiento de los desechos. No es óptimo el proceso de reciclaje en el país pero su tecnología puede ser mejorada junto con su metodología la necesidad de diseñar o construir un compactador de envases de aluminio que permite tener una mejor manipulación y almacenamiento de envases de aluminio ya que el compactado permite reducir el volumen inicial pasándolo a un volumen más manejable se pueden alcanzar beneficios como preservación de los recursos naturales, reducción de volumen de residuos, reducción de costos de producción y nuevos bienes. Clientes como empresas que requieren en sus proceso envases de aluminio tienen la potencialidad de ser interesados en este tipo de maquina ya que la función les permite el volumen de envases rechazados y poder manejarlos de mejor forma. En el país el uso de la creatividad es muy común y concebir la idea de que se pueden realizar nuevas máquinas con elementos de máquinas en desuso hace tener dos escenarios el primero demuestra la creatividad de los profesionales en el país, ya que son capaces de crear productos que son funcionales y tienen una gran utilidad con elementos de máquinas obsoletas y el segundo hacen creer que el tener dos máquinas con piezas de otras máquinas permite que se crea que la maquina va a tener una mala vida útil, por los componentes usados en dicha construcción.

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Marco teórico Fundamentos teoricos Se han realizado algunos proyectos relacionados con diferentes tipos de dispositivos de compactación para residuos, desde mecánicos y eléctricos, hasta neumáticos e hidráulicos, o prototipos que llevan el mismo enfoque. También se han redactado artículos que exponen la necesidad de implementar un dispositivo de compactación de latas de aluminio, entre ellos los siguientes: Escárcega González Óscar investigó que la industria del reciclaje del aluminio en México es casi inexistente si se compara con otras naciones, predominantemente europeas. De acuerdo con datos del Instituto Nacional de Ecología (INE), publicados en la página de internet de la Campaña Conciencia Ambiental a cargo de la productora Locomotora, avalados por la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM.- 2011), en México se consumen 462,689 toneladas de acero y aluminio de las cuales 277,608 son de este último metal . Por otro lado, Martin L. Agrella y Malcolm C. Smith consideraron varias técnicas de reducción de volumen: la compactación, la oxidación biológica - química y la trituración; el análisis indicó que la primera es la más idónea ya que se obtuvo una relación de compactación de 7:1 a partir de los volúmenes de almacenamiento de basura y las tasas de generación de basura previstos. Por ejemplo, los requisitos de diseño de los compactadores de basura de la estación espacial internacional exigen una alta presión de compactación (aproximadamente 276 kPa), bajo volumen, bajo peso, bajo consumo de energía y alta fiabilidad. La conjunción de todos estos requerimientos condujo a la selección de una maquina simple - tuerca husillo. J. Lluís Anglès Nicolás realizó el diseño y automatización de una máquina compactadora de residuos sólidos urbanos, controlada por un autómata, en donde se llevó a cabo el desarrollo de la máquina, una investigación de costos de material y fabricación de piezas, la programación del sistema y su construcción, para así resolver una necesidad que surgió en la región de Cataluña, evidenciando la falta de eficiencia de los compactadores manuales.

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En 2014, en la Universidad Theem de Ingeniería, en la India, diseñaron un compactador neumático de latas totalmente automático, con el propósito de lograr un nuevo concepto de máquina que fuera pequeña y fácil de transportar, para facilitar el reciclaje de latas en cualquier lugar. Se realizó el modelado de la máquina en un software de CAD, el diseño del circuito de control para automatizarla, así como los cálculos referentes a la fuerza que necesita ejercer el pistón para comprimir la lata. Arabia Saudita, y el Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad Juárez, llevaron a cabo pruebas comprimiendo latas de aluminio para encontrar la fuerza necesaria para hacerlo, encontrando que 40 kgF fue la mínima requerida para una de las pruebas y 55 kgF fue la máxima, que equivalen a 392.266 N y 539.366 N, respectivamente. Con estos resultados construyeron una prensa para latas compacta, impulsada neumáticamente, controlada por un micro controlador y un solenoide. Hay varias empresas en el país que fabrican y venden máquinas compactadoras de aluminio como: GH Maquinaria y Equipo Industrial, MIL-TEK México, Fluidica etc. Esta última es una empresa especializada en la compactación de latas de aluminio y otros metales, por ejemplo las prensas compactadoras modelo FAC de Fluidica, son totalmente automáticas y trabajan continuamente mientras las latas estén entrando en la cámara de compactación; este tipo de compactadoras cuenta con apagado automático al estar vacía la tolva. El modelo FAC-300 cuenta con un motor eléctrico de 7.5 HP y ejerce una fuerza máxima de compresión de 40 Toneladas; sólo compacta latas de aluminio a 180 kg/hr. La dimensión del bloque resultante es de 280X250X200 mm, pesa entre 9.6 y 10.5 kg y cuenta con un sistema automático controlado por un PLC marca Siemens (Serie S7-200) y un contador de piezas. Los mercados en donde más se comercian las compactadoras de aluminio, son el europeo, el estadounidense y el chino, siendo estos últimos los mayores fabricadores de equipo de compactación.

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Mecanismos de transformación de movimiento rotacional a movimiento lineal Un mecanismo es una combinación de elementos cuya función es producir, transformar o controlar un movimiento. Los mecanismos se construyen acoplando varios operadores mecánicos (bielas, flechas, levas engranes, etc.) entre sí, de forma que el movimiento de salida de un operador se convierta en el movimiento de entrada del siguiente operador. Para este proyecto en particular, se consideraron ciertos mecanismos para transformar el movimiento rotacional (entrada) del motor a uno lineal (salida), y se describen brevemente a continuación. Banda polea El arreglo banda-polea, se emplea para transmitir la potencia proporcionada por el eje del motor entre dos ejes separados entre sí una cierta distancia. La transmisión del movimiento se hace por medio de bandas, las cuales se desplazan sobre las poleas cuando giran. El agarre de la banda sobre la polea depende sobre todo de la tensión y de la resistencia de ésta a la tracción: es decir, del tipo de material con el que está construida (cuero, fibras, hilos metálicos recubiertos de goma, etc.) y de sus dimensiones. Este tipo de transmisión, también se puede modelar como uno de engrane-cadena. La diferencia que existe entre éstas radica en que la transmisión hecha por cadena, generalmente se emplea en accionamientos con ejes dispuestos a mayor distancia entre centros, además de requerir mayor potencia y precisión en su movimiento. Para el sistema banda-polea, en relaciones de transmisión hasta seis, aunque pudieran emplearse como máximo hasta diez, tienen una eficiencia del 97-98 % sin manifestar deslizamiento en su funcionamiento.

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De acuerdo con la Fig.II.3 se puede obtener la velocidad a la que giran las poleas y la relación que guardan estas con la siguiente expresión:

Biela-manivela Este mecanismo es capaz de transformar el movimiento circular en movimiento lineal alternativo. Está formado por un elemento giratorio denominado manivela que va conectado con una barra rígida llamada biela o barra de unión, de modo que al girar la manivela, empuja a la biela que a su vez obliga a retroceder y avanzar sobre una corredera a un elemento del conjunto, produciendo así un movimiento alternativo. Es reversible, si sobre la corredera se produce el movimiento de entrada (como en el caso de un pistón en el motor de un automóvil), la manivela se ve obligada a girar [7]. En la Fig.II.4 se muestra un esquema de éste tipo de mecanismo.

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Motores eléctricos Es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica, el movimiento se genera en el rotor debido al campo electromagnético generado en el estator al hacer pasar una corriente por las bobinas que lo conforman. Estos dispositivos pueden funcionar con corriente alterna o directa. Para aquellos que funcionan con corriente directa existen varios tipos, de entre ellos destacan los siguientes. Motor de giro continúo. Tiene la capacidad de rotación continua en ambos sentidos y máxima velocidad al aplicarse un cierto voltaje, el cual se encuentre dentro de su rango de operación. Existe una gran variedad de tamaños y capacidades disponibles comercialmente. Motores a pasos. También llamados motores paso a paso, se constituyen por un rotor sobre el cual se disponen imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras en su estator. La conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser manejada por un controlador; si una o más de sus bobinas quedan energizadas, el motor quedará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente alguna por cualquiera de sus bobinas. Existen varios tamaños y capacidades comercialmente, de entre los más comunes se pueden encontrar de 1.8, 3.6 y 90 grados por paso. Servomotores. Se posicionan de forma inmediata en c...