Análisis y diseño de un Winche (1)

Análisis y diseño de la unión soldada de un tambor y fajas en V de un Winche eléctrico. Soldadura y Fajas en V

Capitulo I Marco Teórico

1. Introduccion  Winche es un equipo o maquinaria que sirve para elevar o para arriar y son de gran potencia, pueden ser impulsados por motores eléctricos, a vapor, hidráulicos o hasta incluso manuales.  Consiste en un rodillo giratorio, alrededor del cual se enrolla un cable o una maroma, provocando el movimiento en la carga sujeta al otro lado del mismo. En los cabrestantes manuales, unas barras cruzadas en los extremos del cilindro giratorio permiten aplicar la fuerza necesaria. Son parte integral, entre otras cosas, del equipamiento náutico.  El cable puede ser de acero o un material sintético, como kevlar. El kevlar es más ligero y aguanta mejor los tirones, pero es menos resistente a las rozaduras durante el arrastre.

 Nuestro proyecto analiza cada una de las partes de un winche eléctrico, en esta ocacion nos centramos en el diseño del tambor y el de las fajas de transmisión de potencia.

Fig. 01 Winches eléctricos y manuales

Winches Eléctricos  Están diseñados para la construcción de desempeño específico de trabajo sobre el auge y posterior traslado de cargas especiales, como en la construcción y en las plantas de fabricación. La popularidad de este producto es realmente grande, ya que sin este cabrestante no es posible la construcción, muchos procesos de fabricación en consecuencia.

2. Objetivos  Determinar las consideraciones mínimas del diseño para la soldadura de la parte estructural del winche eléctrico.  Determinar las consideraciones mínimas para el diseño de las fajas en “V” que transmiten al winche desde el reductor.

Definición del winche de izaje  El Winche de izaje, es una maquinaria utilizada para levantar, bajar, empujar o tirar la carga; el Winche de izaje, es utilizado también para bajar e izar personal del interior de la mina ; siempre que cumpla con exigencias mínimas de seguridad.  En otras palabras el sistema de izaje a través de los Piques de una mina, tiene semejanza a los ascensores de los edificios; en las minas importantes del Perú, se utiliza el Winche como maquinaria principal de transporte vertical (para el arrastre de mineral, se utilizan los winches de rastrillaje).  Equipos similares de izaje son los elevadores eléctricos de aire o hidráulicos, grúas móviles, puentes-grúa y teclees.

Componentes de un Winche de Izaje:  Dependiendo de las dimensiones y necesidades, un Winche de izane tiene los siguientes componentes:  􀁺

Tambora (una o dos);

 􀁺

Motor;

 􀁺

Sistema de seguridad: Lilly control, frenos, etc.;

 􀁺

Palancas de control;

 􀁺

Cables;

 􀁺

Jaula, baldes o skips;

 􀁺

Poleas;

 􀁺

Estructura de desplazamiento o castillo.

Tambora (una o dos): Son cilindros metálicos donde se enrolla el cable. Podríamos hablar del enrollado activo que es el cable que verdaderamente trabaja y el enrollado de reserva para los cortes reglamentarios que dispone la ley de seguridad y para reducir el esfuerzo ejercido por el cable, a la unión con el tambor. La fotografía muestra Tamboras del Winche de Uchucchacua Buenaventura. Fotografía 1. Tamboras del Winche de Uchucchacua Buenaventura. Fuente: Google Imágenes Inc.

Motor: Es el propulsor de la acción mecánica, es el que realiza el trabajo de izaje . Las características del motor se elige de acuerdo al requerimiento y la capacidad de la carga que se quiere izar y a las dimensiones y modelo del pique. La fotografía muestra el Winche-Chacua-VT del Pique Chacua. Unidad de Producción Uchucchacua-Buenaventura.

Fotografía 2. Motor Eléctrico . Fuente: Google Imágenes Inc.

Sistema Preventivos de Control: Lilly Control, frenos, etc.: Es el dispositivo encargado de regular la velocidad, este actúa en caso de una súbita aceleración o desaceleración de la velocidad, ocasionado por una posible falla mecánica, el Lilly control, acciona el dispositivo de emergencia del sistema de izaje. Palancas de control:

Son los dispositivos de control y manejo del Winche. Estos deben ser manipulados sólo por el operador o maquinista autorizado. Cables de Izaje:

Dependiendo del tipo de izaje en los winches; ya sea por fricción o enrollamiento; los cables de izaje pueden ser fabricados de aluminio o de alambre de acero; los mismos que, son colocados ordenadamente para desempeñar el trabajo de izar los skip o las jaulas. Para formar cables, se arrolla un gran numero de hilos de aluminio o acero de alta resistencia (entre 130 y 180 kg/mm2). Estos hilos se disponen en cordones y torones, según sea el caso.

TIPOS DE CABLES: De acuerdo a su torcido pueden ser: a. Regular; b. Tipo Lang. a. Regular: Los alambres del torón, están torcidos en dirección opuesta a la dirección de los torones del cable.

b. Tipo Lang: Los torones en un cable tipo Lang, están torcidos en la misma dirección (lang derecho o lang izquierdo). Los cables con torcido lang son ligeramente más flexibles y muy resistentes a la abrasión y fatiga, pero tiene el inconveniente de tener tendencia a destorcerse por lo que únicamente deberán utilizarse en aquellas aplicaciones en que ambos extremos del cable están fijos y no le permitan girar sobre si mismo.

Polea: Es una rueda acanalada que gira alrededor de un eje central por el que pasa el cable en cuyos extremos se encuentra la jaula o skip (resistencia) y en la otra el winche o tambora (potencia). Las poleas se pueden construir de 3 formas:  1. Por fundición;  2. Por acero moldeado;  3. Por construcción soldada.

Las poleas soldadas son menos pesadas y las más resistentes y son las más empleadas en la construcción de piques. La polea de izaje debe ser hecha y mantenida para acomodar adecuadamente el cable. El diámetro de la polea está establecido por reglas de seguridad para piques.

Fotografía 3. Polea de izaje minero 72” . Fuente: Google Imágenes Inc.

Tipos de Winche de Izaje: a. Winches de tamboras; b. Winches de fricción;

Los Pequeños Productores Mineros y Mineros Artesanales, utilizan winches de izaje de tamboras, por ser maquinarias que se adaptan a su infraestructura y requerimientos de izaje. Ejemplos resaltantes de winches de izaje de fricción tenemos en las minas de Casapalca (Yauliyacu – Glencord) y Cerro de Pasco (Paragsha – Volcán Cía. Minera).

Fig. 02 Winche Eléctrico

Capitulo II Diseño de la unión soldada del winche y faja.

1. Winche Eléctrico Capacidad

1 Tonelada

Velocidad de Cable

34m/min

Diametro de cable

9.3mm

Relacion de transmisión

31.5

Diametro de tambor

190mm

Largo de tambor

363mm

Potencia de motor

10 H.P.

Tabla 1: Especificaciones Tecnicas Fuente: Direct Industry (Catalogo 2011)

2. Aplicaciones  El siguiente trabajo muestra un desarrollo operacional en el campo de construcción mobiliario.  En todoterrenos se utilizan para engancharlos en algún árbol u otro vehículo, en caso de que no se pueda superar un obstáculo o haya quedado encallado.

3. Grafico del Winche a analizar

Fig. 03 Grafico de winche a analizar

4. Grafico de winche a analizar uniones soldadas.

Unión soldada analizada.

Fig. 04 Grafico de winche a analizar uniones soldadas

5. Unión soldada del winche

500 𝑘𝑔 − 𝑓

500 𝑘𝑔 − 𝑓

𝐹 = 500 𝑘𝑔 − 𝑓 𝐹 = 1100 𝑙𝑏 − 𝑓 Cordón b 𝜋𝑑 2 𝜋(7.48𝑖𝑛)2 𝑍𝑤 = = = 43.94 𝑖𝑛2 4 4

𝑎

𝑏

Fig. 05 Representación de la unión soldada

𝜋𝑑 3 𝜋(7.48𝑖𝑛)3 𝐽𝑤 = = = 328.7 𝑖𝑛3 4 4

5. Unión soldada del winche

500 𝑘𝑔 − 𝑓

500 𝑘𝑔 − 𝑓

Corte Directo 𝑓𝑤 =

1100 𝜋(7.48) 𝐿𝑏 − 𝑓 𝑓𝑤 = 46.81 𝑖𝑛

𝑓𝑤 =

𝑎

𝑏

Fig. 06 Representación de la unión soldada

𝐹 𝐿𝑤

5. Unión soldada del winche Corte indirecto 500 𝑘𝑔 − 𝑓

500 𝑘𝑔 − 𝑓

𝑇 =𝐹∗𝑟 7.48 𝑇 = 1100 𝑙𝑏𝑓 ∗ ( 𝑖𝑛) 2 𝑇 = 4114 𝑙𝑏𝑓 ∗ 𝑖𝑛 𝑓′𝑤 =

𝑎

𝑏

Fig. 7 Representación del momento torsor

𝑇𝑐 𝐽𝑤

7.48 4114 𝑙𝑏𝑓 ∗ 𝑖𝑛 ∗ ( 2 𝑖𝑛) 𝑓′𝑤 = 328.7 𝑖𝑛3 𝑙𝑏𝑓 𝑓′𝑤 = 46.81 𝑖𝑛

5. Unión soldada del winche

500 𝑘𝑔 − 𝑓

500 𝑘𝑔 − 𝑓

𝑀 =𝐹∗𝐿 𝑀 = 1100 𝑙𝑏𝑓 ∗ 14.29 𝑖𝑛 𝑀 = 15719 𝑙𝑏𝑓 ∗ 𝑖𝑛 𝑀 𝑓′′𝑤 = 𝐼𝑤

𝑎

𝑏

Fig. 8 Representación del momento flector

𝑓′′𝑤 =

15719𝑙𝑏𝑓 ∗ 𝑖𝑛 43.94 𝑖𝑛2

𝑙𝑏𝑓 𝑓′′𝑤 = 357.74 𝑖𝑛

5. Unión soldada del winche

𝑓𝑤 𝑓𝑤1 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑓𝑤1 +𝑓′𝑤1

2 𝑓′𝑤

𝑓𝑤

𝑓′′𝑤

𝑓𝑤

𝑓′𝑤 3

1

𝑓𝑤2,4 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑓𝑤2,4 +𝑓′𝑤2,4 + 𝑓′′𝑤2,4

𝑓′𝑤 𝑓𝑤

𝑙𝑏𝑓 lbf 𝑓𝑤1 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 46.81 + 46.81 𝑖𝑛 in 𝑙𝑏𝑓 𝑓𝑤1 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 93.62 𝑖𝑛

𝑓′𝑤

𝑓𝑤2,4 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑓′𝑤 4 Fig. 9 Representación de la fuerza resultante

𝑙𝑏𝑓 46.81 𝑖𝑛

𝑓𝑤2,4 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

2

𝑙𝑏𝑓 + 46.81 𝑖𝑛

𝑙𝑏𝑓 = 363.81 𝑖𝑛

2

𝑙𝑏𝑓 + 357.74 𝑖𝑛

2

5. Unión soldada del winche 𝑓𝑤 2 𝑓′𝑤 𝑓𝑤

𝑓′′𝑤

𝑓𝑤

𝑙𝑏𝑓 𝑙𝑏𝑓 𝑓𝑤3 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 46.81 − 46.81 𝑖𝑛 𝑖𝑛 𝑙𝑏𝑓 𝑓𝑤3 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0 𝑖𝑛

𝑓′𝑤 3

1

𝑓′𝑤 𝑓𝑤

𝑓𝑤3 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑓𝑤3 +𝑓′𝑤3

𝑓′𝑤

𝑓′𝑤 4 Fig. 10 Representación de la fuerza resultante

6. Tamaño del cordón de soldadura.

𝑠≥

𝑓𝑤 𝑤

𝑓𝑤 𝑤= 𝑠

𝑙𝑏𝑓 363.81 𝑖𝑛 𝑤= 9600 𝑃𝑆𝐼 𝑤 = 0.03 𝑖𝑛 𝑤=

1 𝑖𝑛 8

7. Selección de cable

Tabla 2 Representación de la fuerza resultante Fuente: TECHNO – Catalogo de cables de acero.

𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛: 69𝑚𝑚2

𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜: 83.7

𝑁 𝑚𝑚2

𝑁 2 ∗ 69𝑚𝑚 𝑚𝑚2 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 = 5775.3𝑁 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 = 83.7

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 = 588.72 𝑘𝑔𝑓

8. Longitud y peso del cable de acero. 𝑛=

𝐿 𝐷𝜋

𝐿 = 𝜋𝑛𝐷 𝐿 = 39 ∗ 7.48 𝑖𝑛 ∗ 𝜋 𝐿 = 916.47 𝑖𝑛

𝐿 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐿 + 𝐿𝑠𝑒𝑔 𝐿 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 916.47 𝑖𝑛 +47 𝐿 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 963.47 𝑖𝑛 𝐿 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 24.47 𝑚 ≈ 25 𝑚

𝐿𝑠𝑒𝑔 = 2𝜋𝐷 𝐿𝑠𝑒𝑔 = 2𝜋 ∗ 7.48 𝑖𝑛

𝑊𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 = 25𝑚 ∗ 0.63

𝐿𝑠𝑒𝑔 = 47 𝑖𝑛

𝑊𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 = 15.75 𝑘𝑔𝑚

𝑘𝑔𝑚 𝑚

9. Relación de transmisión

𝑉𝑖𝑧𝑎𝑗𝑒 = 36 Tambor

Motor

𝑚 𝑚𝑖𝑛

𝑉𝑡𝑤𝑖𝑛𝑐ℎ𝑒 = 2 ∗ 36 𝑉𝑡𝑤𝑖𝑛𝑐ℎ𝑒 = 1.2

𝑚 1𝑚𝑖𝑛 ∗ 𝑚𝑖𝑛 60𝑠

𝑚 𝑠

𝑉𝑡𝑤𝑖𝑛𝑐ℎ𝑒 = 236 𝑝𝑝𝑚 Fig. 11 Transmisión del motor al tambor

𝜋𝑑𝑛 12 236 𝑝𝑝𝑚 ∗ 12 𝑛= 𝜋 ∗ 7.48 𝑖𝑛

𝑉𝑡𝑤𝑖𝑛𝑐ℎ𝑒 =

𝑛 = 121 𝑟𝑝𝑚

10. Potencia aplicada al motor. 𝑃=

𝐹𝑉𝑡 76

𝑚 500 𝑘𝑔𝑓 ∗ 1.2 𝑠 𝑃= 76 𝑃 = 7.89 𝐻. 𝑃.

11. Potencia de diseño. 𝐻. 𝑃.𝑑 = 𝑓𝑠 ∗ 𝐻𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝐻. 𝑃.𝑑 = 1.4 ∗ 7.89 𝐻𝑃 𝐻. 𝑃.𝑑 = 11.05 𝐻𝑃

12. Selección de faja en V. Considerando: 𝑚𝑔 = 2 𝑁2 = 242 𝑟𝑝𝑚

Fig. 12 Selección de la sección de faja en V

12. Selección de faja en V.

Sección

C

Ancho

Altura

Diámetros de paso de poleas Recomendado

Mínimo

mm

pulg.

mm

pulg.

mm

pulg.

mm

pulg

22.2

7/8

13.5

17/32

229 a 305

9.0 a 12.0

178

7.0

Tabla 3: Secciones de estándares de fajas y diámetros de paso mínimos de las poleas Fuente: “Elementos de maquinas ”, M. Salvador G. pag. 134

12. Selección de faja en V. Seccion C 7.0

11.0

7.5

12.0

8.0

13.0

8.5

14.0

9.0

16.0

9.4

18.0

9.5

20.0

𝑑 = 9.0 𝑝𝑢𝑙𝑔

9.6

24.0

𝐷 = 18.0 𝑝𝑢𝑙𝑔

9.8

30.0

10.0

36.0

10.2

44.0

10.5

50.0

10.6

229 𝑚𝑚 < 𝑑 < 305 𝑚𝑚

9 𝑖𝑛 < 𝑑 < 12 𝑖𝑛

Tabla 4: Poleas estándares para las fajas en V Fuente: “Elementos de maquinas ”, M. Salvador G. pag. 134

13. Longitud de la faja en V. 𝐿𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥 = 2𝑐 + 1.65(𝐷 + 𝑑) 3𝑑 + 𝐷 2 3(9) + 18 𝑐≈ 2 𝑐 ≈ 22.5 𝑖𝑛 𝑐≥

𝐿𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥 = 2 22.5 𝑖𝑛 + 1.65 9 + 18 𝑖𝑛 𝐿𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥 = 89.55 C-90

𝐿𝑒𝑥𝑎𝑐𝑡𝑎 = 92.9 𝑖𝑛

13. Longitud de la faja en V. 𝐿𝑒𝑥𝑎𝑐𝑡𝑎

𝜋 𝐷−𝑑 = 92.9 𝑖𝑛 = 2𝑐 + 𝐷 + 𝑑 + 2 4𝑐

2

𝜋 18 𝑖𝑛 − 9 𝑖𝑛 92.9 𝑖𝑛 = 2𝑐 + 18 𝑖𝑛 + 9 𝑖𝑛 + 2 4𝑐 𝑐𝑒𝑥𝑎𝑐𝑡𝑜 = 24.84 in

2

14. Potencia. 𝐻𝑃 = 3 𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎 𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎 𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎

𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎

𝑎𝑑𝑑

𝐻𝑃 ∗𝑛 𝑓𝑎𝑗𝑎 = 100 =

𝑎𝑑𝑑

0.1182 ∗ 242 100

= 0.286 𝐻𝑃 𝑎𝑑𝑑

14. Potencia. 𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎

= 𝑇

𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎

𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎

𝐻𝑃 + 𝑓𝑎𝑗𝑎 𝑎𝑑𝑑

∗ 𝑘𝜃 ∗ 𝑘𝑐

= 3 + 0.286 𝐻𝑃 ∗ 𝑘𝜃 ∗ 𝑘𝑐 𝑇

𝑘𝜃 = 0.95 𝑘𝑐 = 0.91 𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎

= 3 + 0.286 𝐻𝑃 ∗ 0.95 ∗ 0.91 𝑇

𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎

= 2.84 𝐻𝑃 𝑇

15. Numero de fajas. 𝑁𝑓𝑎𝑗𝑎 =

𝑁𝑓𝑎𝑗𝑎 =

𝐻𝑃𝑑 𝐻𝑃 𝑓𝑎𝑗𝑎

𝑇

11.05 2.84

𝑁𝑓𝑎𝑗𝑎 = 3.89 ≅ 4𝑓𝑎𝑗𝑎s

GRACIAS.