PROYECTO PLATAFORMA (2)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

PROYECTO DISEÑO DE UNA PLATAFORMA SALVAESCALERAS PARA PERSONAS CON DISCAPACIDAD FISICA EN LAS PIERNAS “

”

DOCENTE: DR. JUAN J. SANCHEZ BUSTAMANTE CURSO: DISEÑO MECANICO CICLO: X

TRUJILLO- PERU 2013

DISEÑO MECANICO

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I. GENERALIDADES TITULO: “DISEÑO PLATAFORMA SALVAESCALERA”

I.1. AUTORES: I.1.1. Nombres:

Adael Antonio Águila Huamán Edwin Javier Carlos Jiménez Christian Miguel Reyes Molero Oscar Eduardo Rojas Flores Frank Jhonatan Vásquez Silva

I.1.2 Grado Académicos: Bachiller Ing. Mecánica I.1.3 Sección: Ingeniería. I.2. ASESOR: I.2.1 Nombre: I.2.2 Grado Académico: I.2.3 Título Profesional: I.2.4 Dirección Laboral:

Juan Sánchez Bustamante. Doctor Ingeniero Mecánico. Universidad Nacional de Trujillo.

.

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II. PLAN DE INVESTIGACIÓN: II.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA Para la OMS (Organización Mundial de la Salud), discapacidad es cualquier restricción o carencia (resultado de una deficiencia) de la capacidad de realizar una actividad en la misma forma o grado que se considera normal para una persona. Se refiere a actividades complejas e integradas que se esperan de las personas o del cuerpo en su conjunto, como pueden ser las representadas por tareas, aptitudes y conductas. Existen diferentes tipos de discapacidades: visual, mental, auditiva y motriz, y dentro de cada una de ellas existen diferentes grados y tipos, en función de las cuales hay que adaptar los ambientes de diversos modos. Se debe analizar detenidamente a la persona para responder de la mejor manera a sus necesidades y su relación con el espacio a ambientar. Lamentablemente ser discapacitado hoy en día significa tener dificultades a la hora de conseguir un trabajo, una vivienda, en pocas palabras se los cataloga como anormal, inferior, diferente; es una lucha constante por ser incluidos en la sociedad como cualquier persona, con sus derechos. Este grupo de individuos nace o se comienza a ver con mayor frecuencia en las últimas décadas del siglo XX, pero no se conocía con el término discapacitado, sino como un sector de la población que convivía con secuelas de alguna intervención quirúrgica o enfermedad ya superada como ser hemiplejia, cuadriplejia, entre otras. Hoy en día tienen una identidad: los derechos de las personas con discapacidad, quienes la van construyendo como un prototipo, de acuerdo a sus posibilidades. Es por esto que todos los espacios tanto públicos como privados deberían ser accesibles para cualquier persona, y se necesita una constante lucha y compromiso para incluir al discapacitado en todos los ámbitos, escuelas, bibliotecas, bares, teatros y el derecho a tener una vida como cualquiera; poder formar una familia, tener un hogar, un trabajo. [1] La rehabilitación en nuestro país a través de los años viene afrontando una serie de incógnitas y problemas que han sido difíciles de resolver, salvo por algunas orientaciones dadas por los estudios de prevalencia realizados, tanto en el año 1993 como en el 2005. Para conocer la magnitud de la población con deficiencias, discapacidades y minusválidos en el Perú, solo se han contado con la información DISEÑO MECANICO

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proveniente de la demanda activa realizada a los Servicios de Rehabilitación. El Instituto Nacional de Estadísticas e Informática – INEI, determino que el 31.28% de la población tienen algún tipo de discapacidad, el 45.4% tiene algún tipo de deficiencia y en relación a la Minusvalía la prevalencia encontrada fue de 13.08%. En relación al sexo, se observó que existe un ligero predominio de Deficiencia y Discapacidad en la población femenina, siendo la minusvalía algo más prevalente en el varón. En relación a la edad, se observó que las personas mayores de 45 años son las más afectadas de deficiencia, discapacidad o minusvalía. [2] Este proyecto se enfatizará en la discapacidad motriz la que se puede definir como una desventaja, resultante de una imposibilidad que limita o impide el movimiento de la persona afectada. Esto significa que las partes afectadas son las piernas. Hoy en día existen numerosos elevadores instalados adyacentes a las escaleras, los cuales permiten que las personas que presenten dificultad de movimiento lo empleen para subir y bajar dichas escaleras de una manera autónoma. Han sido realizados numerosos avances en el campo estos elevadores, siendo de especial importancia aquellos orientados a permitir ascender escaleras rectas. [3] Uno de estos elevadores son las llamadas

Plataformas Salvaescaleras que son

sistemas de elevación para la eliminación de barreras arquitectónicas de forma inclinada o vertical. Están diseñadas especialmente para personas con problemas de movilidad graves como las personas con discapacidad que utilizan silla de ruedas para sus desplazamientos. [4] II.2. ANTECEDENTES En los últimos años se han desarrollado mejoras en salvaescaleras orientadas a dotar a estos de un sistema de tracción que permita que el elevador ascienda por uno o más railes a través de un tramo recto o curvo con diferentes pendientes en él. Entre ellos los que emplean como sistema de tracción el piñón cremallera son mayoritarios, siendo destacados el número de ellos que cuentan con una cremallera adosada a un rail o incluso dos cremalleras si el rail es doble. Tal es el caso de la patente EP0043592 en la que en dos railes paralelos instalados a lo largo de un tramo curvo y/o con

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pendiente variable, son instaladas sendas cremalleras para que sirvan de punto de engranaje a sendos piñones accionados por un mismo motor. A su vez, a la hora de idear sistemas que propulsen el elevador por el guiado con curvatura y pendientes diferentes, han surgido sistemas que emplean el tornillo sinfín como mecanismos de tracción. Tal es el caso del sistema recogido en DE3504854, donde un tornillo sinfín engrana en una serie de piezas a modo de corona plana, distribuidas equidistantemente por la pared lateral de la escalera. Para la circulación por descansillos son dispuestas otras coronas planas diferentes que permiten tal movimiento. Con ánimo de mejorar la seguridad han surgido sistemas que emplean el tornillo sinfín como mecanismo de tracción. Tal es el caso de US2005224293, el que un tornillo sinfín engrana en una cremallera recta para permitir el movimiento y mejorar la seguridad mediante un mecanismo irreversible, pero sin posibilidades de recorrer curvas. Los sistemas que emplean como mecanismo de tracción los rodillos adherentes tratan de suplir la necesidad de adaptar una cremallera al trazado. Dichos sistemas no garantizan la seguridad del ocupante debido a que son susceptibles de deslizamiento en condiciones desfavorables. Por otro lado, entre los sistemas de tracción desarrollados no se encuentra ninguno capaz de evitar por sí mismo y directamente la caída del elevador en caso de fallo de algún elemento de transmisión, problema al que están expuestos los sistemas de piñón cremallera tradicionales.

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DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE UNA PLATAFORMA SALVAESCALERAS

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1) INTRODUCCION Para el presente informe presentaremos la necesidad del producto final, como una solución a los problemas de acceso para personas discapacitadas, teniendo en cuenta las limitaciones físicas, motrices, económicas y sociales de un usuario con discapacidad en las piernas, teniendo en cuenta los 5 pasos del diseño para llegar a resultados concretos. Los 5 pasos del diseño son:

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

CONCEPTO DE DISEÑO

CONFIGURACIÓN DE DISEÑO

PARÁMETROS DE DISEÑO

DETALLES DE DISEÑO

2) FORMULACION DEL PROBLEMA Problema de Diseño: Ascensor para discapacitados para una entidad financiera. Lo primero que debemos hacer es preguntarnos sobre la funcionalidad, la calidad y el beneficio que traería la realización de la plataforma salvaescaleras.

¿A qué velocidad debe moverse la rampa o ascensor? ¿Qué trayectoria y altura debe trasladar?

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¿Cuánta es la carga máxima que debe soportar? ¿Qué material debería de usar? ¿Qué potencia necesita el motor? ¿Qué sistema transmisión de potencia será más factible usar? ¿Cómo podría ser fabricado? ¿Qué procesos serían más factibles usar para la fabricación? ¿Cómo podría ser fabricado? ¿Debería funcionar de manera autónoma? ¿Cuánto espacio requeriría para su montaje? ¿Cuál será su mantenimiento y cada que tiempo? ¿Importa la estética del producto? ¿Necesita el producto una protección anticorrosiva? ¿Necesitaría poder hacer paradas de emergencia? ¿Cuál es la disponibilidad o facilidad del terreno para su montaje? ¿Podría ser plegable? ¿Sería más importante el costo que la seguridad de su funcionamiento? ¿Cuál es la producción del sistema? 3) ESPECIFICACIONES DE DISEÑO DE INGENIERIA

Propósito o uso: Trasladar personas con discapacidad por las escaleras. Efectos no deseados: Trasladar objetos. Características especiales: Tener Switch de control de fácil uso y tener luces que indiquen el inicio y la parada del ascensor. Necesidades del cliente Rendimiento Funcional 

El ascensor debe soportar máximo un peso de 250 kgf.



Fácil uso



Debe ser seguro para que no afecte la vida y la integridad de la persona.

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Entorno Operativo 

Debe ser silencioso.



Despliegue hidráulico.

Económico 

Limitados a una inversión máxima de 10´000 soles.



Su vida útil será de 10 años.

Limitaciones Geométricas 

Espacio ocupado por el ascensor de 1.5 x 1.4 m.



Espacio ocupado por el usuario 1.2 x 1m.



El pasamano estará a una altura de 0.8m.



El botones de control estará en las caras laterales del ascensor y estará ubicado sobre una altura de 0.9m.



Tiene que ser plegable a la pared.

Mantenimiento, reparación y retiro 

Mantenimiento anual (Preventivo).

La fiabilidad, robustez 

No deben ocurrir fallas en la vida económica.



Diseño compacto

Seguridad 

Contará con sistemas de seguridad que garantizan la seguridad del usuario.



Debe ser capaz de afrontar fallas de energía.

Contaminación 

El ascensor no producirá contaminación acústica.

Fácil Uso 

Para su uso se tendrá indicaciones en los lados laterales y además estará en idioma Braille.



El discapacitado será capaz de operar el elevador sin ayuda externa.

Factores Humanos 

Uso simple del tablero de control para una persona discapacitada.



El uso del ascensor no debe dañar la vida ni la integridad del usuario.

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 Aspecto 

Buenos acabados superficiales, no debe presentar asperezas ni rebabas.



Diseño estético y compacto.



Podrá ser plegable sobre la pared.

4) CONCEPTO DE DISEÑO Primero.-  Tenemos una plataforma salvaescaleras que su función será transportar a una persona, que use silla de ruedas, de forma paralela a las escaleras, ya que dichas personas no tienen la capacidad de poder subir las escaleras sin una ayuda externa. Para ello usaremos una plataforma controlada de forma automática de tal manera que el discapacitado puede hacer uso de ella con mucha facilidad, de forma segura y de forma independiente. El movimiento de la plataforma salvaescaleras seguirá la misma trayectoria que la escalera y además usara los pasamanos de un lado de la escalera como soporte En la siguiente tabla presentamos algunos ejemplos: PRINCIPIO FISICO Leyes de movimiento de Newton Principio de inducción electromagnética Ley de Bernoulli

REALIZACION ABSTRACTA La transmisión de potencia será mecánica (uso de cadenas, cables, fajas, husillo de potencia, etc.) Se aplicaran cargas magnéticas para mantener la estructura y una corriente inducida que guiará el sentido de la trayectoria. Mediante pistones hidráulicos.

Segundo.- describiremos la forma de usar los siguientes principios físicos. 





Leyes de movimiento de newton: Usaremos un motor sobre la plataforma y dicho motor podrá transmitir su movimiento mediante una transmisión mecánica, como por ejemplo cadenas o el uso de cables. Principio de inducción electromagnética: mediante el principio que funcionan los trenes bala, usaremos una batería para cargar eléctricamente los rieles sobre los que estará colocada la plataforma, esto direccionara la corriente y lograra moverse en la dirección deseada, además la sujeción de la plataforma y los rieles será de forma magnética, esto permitirá un movimiento más estable. Leyes de Bernoulli: mediante el uso de un pistón hidráulico colocado en la base se regulara el ángulo de elevación de la plataforma para estar siempre en forma horizontal.

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5) CONFIGURACION DE DISEÑO 5.1. PLATAFORMA Entendemos como estructura el conjunto de barras al que van unidos todos los elementos del elevador. Constará de una serie de barras de acero comercial unidas entre sí de sección rectangular 40x80 mm. Para seleccionar el grado del acero comercial para esta aplicación se ha tenido en cuenta los siguientes criterios: 

Requerimientos del Servicio.



Requerimientos de Fabricación.



Requerimientos de Seguridad, códigos y reglamentos.



Costo total.

Se puede observar la forma final de la estructura en el siguiente esquema:

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5. 2. ESTRUCTURA La Estructura soporta todos los componentes del elevador. Está compuesta por la placa de fijación del motor principal, las ruedas de anclaje del elevador a la barandilla, los soportes que fijan estas ruedas a la estructura y lis soportes de fijación del eje del piñón a la estructura.

5. 2.1. BISAGRAS Las bisagras elegidas son bisagras de acero de 15 x 40 cm sujetas a la plataforma por tornillos de diámetro 9.5 mm. Se ha optado por estas bisagras ya que según las tablas del fabricante cumplirán todos los esfuerzos que puedan producirse por un uso normal de la plataforma.

5.2.2 BARANDA La Baranda es uno de los dispositivos de seguridad del elevador. Consta de la baranda propiamente dicha, donde su accionamiento será de forma manual y pasadores de fijación del conjunto baranda a la estructura.

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5. 4. MECANISMOS PERNO-TUERCA Y MOTOR PRINCIPAL Se trata del sistema mediante el cual se dotara de movimiento al elevador. Está formado por el mecanismo Perno-Tuerca, los rodamientos y el motor principal.

5. 5. CONJUNTO MONTADO Y DISPOSICIÓN Este es el conjunto montado sobre la escalera a salvar. En el apartado de anexos se verán por separado cada uno de los elementos acotados de la estructura completa.

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6) DISEÑO PARAMETRICO 6.1. CALCULOS DE FUERZAS EN EL MECANISMO PERNO-TUERCA 6.1.1. ROZAMIENTO DE RODADURA (resistencia a la rodadura) La rodadura de una rueda sobre un plano fijo o sobre carriles, solo es posible por el rozamiento de adherencia entre las ruedas y los carriles. Sea una rueda cargada con una presion P colocada sobre un carril de material mas blando que el de la rueda, por cuyo motivo esta penetra ligeramente en aquel produciendo una pequeña deformacion. La reaccion que se produce N=P, actua en el centro de la superficie deformada y esta situada ala distacia f  del eje que pasa por el centro de la rueda. Las dos fuerzas P a la distacia f forman un par de fuerzas que se oponen al movimeinto de las ruedas

               

Valores medios del brazo de palanca del rozamiento de rodadura: 1. Fundicion, acero fundido o acero sobre acero :  f = 0.05 cm 2. Bolas o rodillo de acero templado, sobre anillos de acero del mismo material (cojinetes de rodillos) f= 0.0005 a 0.001 cm

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El valor del momento del rozamiento de rodadura depende, ademas de la clase material de la rueda y del carril, principalmente de la presion P de la rueda. Si se toma el par de fuerzas P* f   igual al momento de la resistencia de rozamiento entre la rueda y el carril Wr*R, se tendra

     A consecuencia del rozamiento de partida se consigue la rodadura solo en el caso que



o

 

Para que prosiga el movieminto de la rueda es necesario una fuerza horizontal

 Para nuesto caso tendremos el sigueinte diagrama:

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Y para que prosiga el movieminto de la rueda es necesario una fuerza horizontal

 Tenemos: DATOS ángulo(α)

30

º

carga (G)

2452,5

N

fuerza (P)

2123,9273

N

fuerza (Px)

1226,25

N

fuerza de rozamiento (W)

41,8095926

N

brazo de palanca

0,05

cm

radio

2,54

cm

fuerza requerida (K)

1268,05959

N

coeficiente de rozamiento (μ)

0,15

-

P*μ

318,589095

N

Para el calculo de la perdida de potencia por las fuerzas resistivas:

      cálculo de potencia

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potencia necesaria

0,25972506

HP

fuerza a vencer

1289,96782

N

velocidad

0,15

m/s

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6.1.2. TRANSMISION La trasmision se hara a traves de un tornillo de potencia de roscas ACME. De 1 pulg de diamtro y un paso de 1/5 pulg (d=25mm y P=5mm)

En el caso de roscas Acme o de otor tipo, la carga normal en la rosca esta inclinada hacia el eje debido al angulo de la rosca 2α y al angulo de avance λ. Como los angulos de avance son

pequeños, esta inclinacion se puede despreciar y solo se considera el efecto del angulo de la rosca.

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El efecto del angulo α se necesita para incrementar la fuerza de friccion debida a la accion de cuñas de las roscas. Por lo tanto el par de torsion para elevar la carga o para apretar un tornillo o perno da :

  )      (     )      (   

Para tornillos de potencia la rosca Acme no resulta tan eficiente como la rosca cuadrada, debido a la friccion adicinal que provoca ala accion de cuña, pero a menudo se prefiere por que es mas facil de maquinar y permite el empleo de una tuerca dividida, la cual se ajusta para compensar el desgaste. Por lo general se debe de usar un tercer componente del par de torsion enlas aplicacionde de tornillos de potencia. Cuando el tornillo se carge axialmente, debe usarse un cojinete de empuje o collarin de empuje entre los elementos rotatorios y estacionarios, con objeto de soportar el efecto del componente axial. En la figura siguiete se ilustra un collarin de empuje comun.

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Para el que se supone la carga esta concentrada en el diametro medio de collarin d c . Si f c es el coeficiente de friccion del collarin, el par de torcion que se requiere es

       Para calcular la eficiencia, e, de un tornillo comparamos el par, T, que hay que realizar con el par, To, que habría que realizar si el rozamiento fuera nulo. To puede calcularse a partir del caso a) haciendo  f = 0:

      El esfuerzo cortante nominal en torsión del cuerpo del tornillo puede expresarse como

      El esfuerzo axial en el cuerpo del tornillo debido a la carga F es:

    

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6.1.3. Esfuerzos en la rosca En los cálculos que siguen se realiza la hipótesis de que todos los hilos de rosca en contacto con la tuerca comparten la carga; esta hipótesis es sólo parcialmente válida y por ello hay que utilizar en los cálculos coeficientes de seguridad amplios. Con las limitaciones de la hipótesis realizada, se pueden deducir las siguientes expresiones:

Presión contacto o esfuerzo de apoyo

                Tensión debida a la flexión o esfuerzo flexionante en la raíz de la rosca Se supone la carga F uniformemente distribuida en la rosca a lo largo de todo el diámetro

Momento máximo

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    

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Tensión máxima o esfuerzo flexionante en la raíz de la rosca

         Tensión cortante Para deducir estas expresiones recuérdese que en el caso de una sección rectangular A, la tensión cortante máxima es:

         Sabiendo que

   ;       ;       ;    El esfuerzo de Von Mises

   √   {                } En nuestros cálculos se considerara que la primera rosca en contacto soporta 0.38 de la carga, la segunda 0.25, la tercera 0.18 y la séptima está libre de carga. Sustituyendo 0.38 F por F y haciendo

   se obtendrá el nivel máximo de esfuerzos en la combinación tornillo- tuerca.

Trabajando en el Excel tenemos los siguientes resultados Calculo de las partes del tornillo Acme

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Coeficientes de friccion para pares roscados

Coeficiiente de friccion de collarin de empuje

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Datos y cálculos Diámetro d

25

mm

Diámetro medio dm

22,5

mm

Paso P

5

mm

Angulo α

14,5

º

Fricción f  

0,15

Fricción del collarín  fc 

0,15

Diámetro de raíz dr

20

mm

Avance L

5

mm

Rosca simple

1

-

Profundidad

2,5

mm

Ancho

2,5

mm

Dc=1,25d

31,25

mm

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Par de torsión para elevar la carga TR

3.25275557

N.m

Par de torsión en el collarín Tc

2.97201467

N*m

Par de torsión para hacer girar el tornillo contra la carga

6.22477024

N*m

Par de torsión para bajar la carga

1.18894923

N*m

Par de torsión para hacer girar el tornillo y bajar la carga

4.1609639

N*m

Eficiencia global para elevar la carga

0.16210876

-

Esfuerzo cortante en el cuerpo Ʈ en el cuerpo del tornillo

3.96281181

MPa

Esfuerzo axial normal nominal σ   (compresión) en el cuerpo del

4.03635905

MPa

2.81649685

Mpa

10.626592

Mpa

14.0676404

MPa

tornillo Esfuerzo de apoyo σB, con una rosca que soporta 0,38 F

(compresión) Esfuerzo flexionante en la raíz de la rosca σb con una rosca que

soporta 0,38F Esfuerzo de Von Mises en la raíz σ'

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7) DETALLES DEL DISEÑO

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