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INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ELEVADOR
PARA VEHÍCULOS DE HASTA TRES TONELADAS A
PARTIR DE MATERIAL RECICLADO PROVISTO
POR LA EMPRESA PETROBELL INC. OPERADORA
EN EL CAMPO TIGÜINO”
AUTOR: EDWIN MORALES
DIRECTOR: ING. FÉLIX MANJARRÉS
CODIRECTOR: ING. RAMIRO SANTILLÁN.
ELEVADOR DE
VEHÍCULOS
FIABLE
ERGONÓMICO
VERSATIL
SEGURO
CASA DE LA CALIDAD
FICHA TÉCNICA
Empresa cliente:
Petrobell Inc Grantmining S.A.
Producto:
Elevador mecánico de
vehículos con una
capacidad de hasta 3.0
toneladas.
Fecha inicio:
2013-09-15
Página 1
ESPECIFICACIÓNES
Concepto Fecha Propone R/D Descripción
Función
2013
-09-1
5 C R
Elevar un vehículo
para realizar su
mantenimiento
C R
Incorporar un sistema
de seguridad manual
con trabas.
Dimensiones
2013-0
9-1
5
C+I
R Altura máxima de elevación
1800mm.
I
R
Distancia máxima entre ejes
3085mm.
C+I
R
Ancho máximo del vehículo
1760mm.
C+I
R
Distancia mínima entre ejes
2750mm.
C+I
R
Ancho mínimo del vehículo
1760mm.
Potencia
2013-0
9-1
5
I R Capacidad máxima de
elevación 3.0 toneladas.
Energía
2013-0
9-1
5
I R Banco de baterías, CC
12V/24V.
Control
2013
-09-1
5
I D Control ascenso/descenso.
I D Instalaciones eléctricas y de
carga.
Seguridad
2013-0
9-1
5
I R El factor de seguridad debe
ser igual o mayor a 1.
Ubicación
013
-09-1
5
C R Altura 8m, profundidad 10m,
ancho 4m.
ANALISIS FUNCIONAL
OPERACIÓN PRINCIPAL
OPERACIÓN PRINCIPAL OPERACIÓN PRINCIPAL
• Puesta en marcha del elevador
sin carga.
• Mantenimiento preventivo de
los componentes del elevador.
• Bloqueo del sistema principal
de potencia.
• Caídas de carga y posibles
impedimentos en el mecanismo
del elevador.
MODULACIÓN
SOLUCIÓN A LOS MÓDULOS
SELECCIÓN
Sistema de
Potencia. Mecánico.
Sistema
estructural.
Sistema de dos
columnas.
Sistema de
seguridad. Manual con trabas.
DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO
CAPACIDAD MÁXIMA DE ELEVACIÓN 3 Toneladas
CARRERA 1800 mm
DISTANCIA ENTRE EJES DEL VEHÍCULO 3085mm
ANCHO MÁXIMO DEL VEHÍCULO 1760mm
DISTANCIA MÍNIMA ENTRE RUEDAS. 1510mm
MODELACIÓN Y ANÁLISIS
PRELIMINAR
PROTOTIPOS
PROTOTIPOS
GENERACIÓN DE CARGAS
CONDICIONES DE EQUILIBRIO
• Distribución del peso vehicular.
𝑤𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 = 𝑚𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑒ℎí𝑐𝑢𝑙𝑜 ∗ 𝑔
𝑤𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 = 2690 𝑘𝑔 9,81 𝑚𝑠2
𝑤𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 = 26,389 𝐾𝑁
• El peso vehicular se divide entre las dos columnas
principales de la estructura.
𝑤𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 = 𝑤𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟2
𝑤𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 = 26388,9 𝑁
2
𝑤𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 = 13,19 𝐾𝑁
• El peso que soporta cada columna se distribuye en el
sistema de polipasto entre el punto fijo y la polea
ubicada en la parte superior de la viga central.
𝑊𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑗𝑜 = 𝑊𝑝𝑜𝑙𝑒𝑎 =𝑤𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙
2
𝑊𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑗𝑜 =13194,45 𝑁
2
𝑊𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑗𝑜 = 6,6 𝐾𝑁
• Factor de carga porcentual del 20% (1,4 𝐾𝑁) ,
obteniendo un valor final para el análisis estructural de
8 𝐾𝑁.
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
Componente Designación del
material
Grado,
producto o
geometría
Resistencia a la tensión Resistencia de fluencia
(ksi) (MPa) (Ksi) (MPa)
Estructura del elevador Tubing API Tubería grado
N80 100 690 80 552
Brazos y carro
deslizable Tubing API
Tubería grado
N80 100 690 80 552
Soportes de brazos,
placas base, soportes
de pastecas.
ASTM A36 Plancha 58 400 36 250
DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN CRÍTICA
Viga central
Columna principal
ANÁLISIS EN LA VIGA CENTRAL
VERIFICACIÓN DE RESULTADOS
Dimensiones Longitud Material Límite de
fluencia
Factor de
esbeltez
∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚
𝑒 = 6.35 𝑚𝑚
2600 𝑚𝑚 API-N80 552 MPa 87.237
VERIFICACIÓN DE RESULTADOS
Dimensiones Longitud Material Límite de fluencia Factor de
esbeltez
∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚
𝑒 = 6.35 𝑚𝑚
2600 𝑚𝑚 ASTM A-36 250 MPa 76.14
TABULACIÓN DE RESULTADOS
Material
existente en
la empresa.
Material
común en la
manufactura.
ANÁLISIS EN LA COLUMNA PRINCIPAL
VERIFICACIÓN DE RESULTADOS
Dimensiones Longitud Material Límite de
fluencia
Factor de
esbeltez
∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚
𝑒 = 6.35 𝑚𝑚
3400 𝑚𝑚 API-N80 552 MPa 114.079
ANÁLISIS EN LA VIGA DE APOYO
VERIFICACIÓN DE RESULTADOS
Dimensiones Longitud Material Límite de
fluencia
Factor de
esbeltez
∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚
𝑒 = 6.35 𝑚𝑚
3270 𝑚𝑚 API-N80 552 MPa 109.703
ANÁLISIS EN LA COLUMNA POSTERIOR
VERIFICACIÓN DE RESULTADOS
Dimensiones Longitud Material Límite de
fluencia
Factor de
esbeltez
∅𝑒 = 88.9 𝑚𝑚
𝑒 = 6.35 𝑚𝑚
3400 𝑚𝑚 API-N80 552 MPa 99.568
DESARROLLO DE ANÁLISIS POR
ELEMENTOS FINITOS
Parámetros de distribución Masa Peso
Masa bruta del Vehículo. 2690 kg 26388,9 N
Para una columna. 1345 kg 13194,45 N
Para un brazo frontal. 807 kg 7916,67 N
Para un brazo posterior. 538 kg 5277,78 N
DISTRIBUCIÓN DE MASA/PESO
BRAZO FRONTAL DEL ELEVADOR
• Longitud 800mm.
• (F) puntual aplicada de 7916 N
𝐹 = 𝑅𝑦 = 7916 𝑁
𝐹𝑦 = 0
𝑀 − 𝐹 ∗ 𝑑 = 0
𝑀 = 0
𝑀 = 6332.8 𝑁.𝑚
RESULTADO ANÁLISIS ESTÁTICO
Parámetro
Esfuerzo
principal
máximo
Deformación
Total
Factor de
seguridad
Mínimo -12,206 MPa 0. mm 1,86
Máximo 70,388 MPa 0.0889 mm 15
BRAZO POSTERIOR DEL ELEVADOR
• Longitud de extensión 1200mm.
• El valor de la fuerza (F) puntual aplicada es de 5277.78 N
𝐹𝑦 = 0 𝑀 = 0
𝐹 = 𝑅𝑦 = 5277,78 𝑁
𝑀 = 6333,34 𝑁.𝑚
𝑀 − 𝐹 ∗ 𝑑 = 0
RESULTADO ANÁLISIS ESTÁTICO
Parámetro
Esfuerzo
principal
máximo
Deformación
Total
Factor de
seguridad
Mínimo -8,6831 MPa 0. mm 2,43
Máximo 45,162 MPa 0,1047 mm 15
CONJUNTO CARRO-SOPORTE
DISTRIBUCIÓN DE CARGAS
UBICACIÓN FUERZA MOMENTO
Empotramiento
Brazo Frontal N/A 6332.8 N.m
Empotramiento
Brazo Posterior N/A 6333.34 N.m
Elemento de Izaje 13194.45 N N/A
RESULTADO ANÁLISIS ESTÁTICO
Parámetro
Esfuerzo
principal
máximo
Deformación
Total
Factor de
seguridad
Mínimo -5,6905 MPa 0. mm 1,17
Máximo 75,757 MPa 0,0617 mm 15
PLACA BASE
𝐹𝑦 = 36 𝑘𝑠𝑖 = 250 𝑀𝑝𝑎
𝑚 = 1345 𝑘𝑔
𝑓𝑐" = 3 𝑘𝑠𝑖 = 20,68 𝑀𝑝𝑎
𝑑 = 3.5 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 = 0,0889 𝑚
𝑏𝑓 = 3.5 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 = 0,0889 𝑚
𝑁 = 0,4 𝑚
𝐵 = 0,3 𝑚
CÁLCULO DE LOS FACTORES GEOMETRICOS
𝑚 = 𝑁 − 0,95𝑑
2 𝑚 = 0,16𝑚
𝑛 = 𝐵 − 0,8𝑏𝑓
2 𝑛 = 0,11 𝑚
𝑋 = 4 𝑑 𝑏𝑓
(𝑑 + 𝑏𝑓)2 𝑋 = 1 λ = 1
𝜆𝑛" = 1 𝑑𝑏𝑓
4
𝜆𝑛" = 0,0222 𝑚
𝓁 = 𝑚á𝑥 𝑚, 𝑛, 𝜆𝑛" 𝓁 = 0,16𝑚
𝑡 = 𝓁2𝑃𝑢
0.9 𝐹𝑦 𝐵 𝑁
𝑡 = 5,48 𝑚𝑚
𝑃𝑢 = 𝑚 ∗ 𝑔 = 15833,34 𝑁
Factor de carga 1.2 (1614 kg.)
PERNOS DE ANCLAJE
𝑅𝑥 = 𝐹 = −1.328 𝑘𝑁
𝑴 = 𝟎
Fsd ∗ 3,4m = FB ∗ 0,032 + FB ∗ 0,032 + FA ∗ 0,268 + FA ∗ 0,268 + FA ∗ 0,268
Fsd = 𝑛 ∗ 𝐹
Fsd = 7.968 𝑘𝑁
𝐹𝐴 = 33.038 𝑘𝑁
𝐹𝐴 = 4𝐹𝐵
Condiciones:
Remplazando:
𝜎 =𝑃
𝐴 𝐴 = 146.84 𝑚𝑚2
SAE 4.6 es M 16x2 para el cual 𝐴 = 157 𝑚𝑚2.
CÁLCULO DE SOLDADURA
𝐹 = 7916(𝑁)
𝑀𝑓 = 0
𝑀𝑓 = 𝐹 × 𝑑
𝑀𝑓 = 6332.8𝑁𝑚
𝜎 =1.414 × 𝑀𝑓
𝑏 × 𝑑 × ℎ
𝜎 =8954.5792𝑁𝑚
5.0185 × 10−5 𝑚3
𝜎 = 178.43𝑀𝑃𝑎 𝑛 = 2.3
𝑛 =414 𝑀𝑃𝑎
178 𝑀𝑃𝑎
• Electrodo E7018
CÁLCULO DEL MOTOR ELECTRICO
𝑎 = −9.81𝑚𝑠2
𝑚𝑒𝑗𝑒 × 𝑎 = 𝑚𝑣 𝑔 + 𝑎 +𝑚𝑣 𝑔 + 𝑎
𝑉𝑓2 = 𝑉𝑜 + 2 × 𝑎 × 𝑑
𝑉𝑓 = 5.7𝑚𝑠
𝑊 = ∆𝐸𝑐 + ∆𝐸𝑝
𝑊 =1
2×𝑚 × 𝑉2 +
1
2×𝑚 × 𝑉2 +𝑚 × 𝑔 × ℎ +𝑚 × 𝑔 × ℎ
𝑊 = 78791,445 𝐽
𝑃 =𝑇
𝑡 𝑃 = 4.22 𝐻𝑝
MOTOR ELECTRICO
ESPECIFICACIONES
Capacidad 9000lb (4090kg)
Motor 5.5 HP
Transmisión 3-Faces planetarios
Reducción 235:1
Peso 85 lb (38kg)
Funcionamiento 12 V
SELECCIONAMIENTO DEL CABLE DE ACERO
DISTRIBUCIÓN MASA PESO
En cada columna 1345 kg 13.19 kN
En cada línea de cable 672.5 kg 6.6 kN
𝜎max 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑒𝑛𝑡𝑒 = 2 𝑇
𝐴𝑟𝑜𝑝𝑒
𝐴𝑟𝑜𝑝𝑒 = 0,366 𝑑𝑟2
𝜎max 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑒𝑛𝑡𝑒 = 2 6597 𝑁
0,366 𝑑𝑟2
𝜎max 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝜎𝑑
𝜎𝑑 =1379
5= 275.8 𝑀𝑃𝑎
𝑑𝑟 = 2𝑇
275.8𝑥106 0.366
𝑑𝑟 = 11,43 𝑚𝑚
Cable requerido es de ½ pulgada en 8x19 WS IPS
2 6597
0,366 𝑑𝑟2= 275.8𝑥106
ACCESORIOS PARA EL CABLE DE ACERO
MANUFACTURA, ENSAMBLAJE
Y MONTAJE
CURSOGRAMAS
N.- DE
OPERACIÓN OPERACIONES
1 Medición y trazado
2 Corte del material: por oxicorte
3 Limpieza de rebabas: cincel, amoladora o lima
4 Esmerilado
5 Nivelado
6 Grateado
7 Unión de partes (Soldadura)
8 Montaje
9 Taladrado
10 Doblado
SÍMBOLO SIGNIFICADO
Operación tecnológica
Inspección
Traslado o transporte
Almacenamiento
Espera
Desarrollo del Brazo-Soporte Desarrollo de la columna
Desarrollo de la viga Desarrollo de la camisa
Soportes de brazos Soporte de la unidad de potencia.
Desarrollo de soporte de pasteca Desarrollo de soporte de pasteca
BASES DEL ELEVADOR DE VEHÍCULOS
SOLDADURA DE LAS COLUMNAS PROSEMO SMAW
CONJUNTO DEL SOPORTE
VISTA PRELIMINAR DEL SOPORTE
PRUEBAS
CONCLUCIONES
• El diseño del elevador tiene su principio en la forma
estructural de un elevador de dos columnas
adicionándole una tercera en su parte posterior,
obteniendo una estructura triangular rígida, segura y
funcional.
• Se diseñó y construyó el sistema de elevación
fusionando la forma estructural de tres columnas
descrita anteriormente y un sistema de elevación que es
muy utilizado para el mantenimiento de pozos en el
ámbito petrolero denominado Workover
• Al realizar la simulación estructural en el software RISA,
con las cargas establecidas para el diseño, genero
resultados, de la relación de esbeltez acordes a los
parámetros establecidos para columnas y vigas bajo
normas LRDF.
• Se puede utilizar como material alternativo de
manufactura en la estructura triangular del elevador, el
acero ASTM A-36 al encontrarse dentro de los
parámetros de diseño para vigas y columnas de las
normas LRDF.
• El uso del acero ASTM A-36 en la manufactura de los
brazos del elevador, está restringido ya que presenta
fallas en la simulación con el software y no cumple con
un factor de seguridad mayor a uno.
• El diseño de forma triangular que posee el elevador
ofrece ergonomía al operario para realizar cualquier tipo
de mantenimiento sin ningún problema, ya que se ha
considerado los parámetros funcionales y estéticos en el
diseño del equipo.
RECOMENDACIONES
• Utilizar un software de diseño para obtener dimensiones
y resultados de análisis con elevada precisión y rapidez,
pudiendo modificar y efectuar cambios con facilidad.
• Realizar un biselado en forma de media luna en los
extremos de la tubería para una buena junta entre los
elementos estructurales que conforman la máquina.
• La construcción del elevador de vehículos debe
realizarse en un lugar adecuado con suficiente
ventilación y usando elementos de seguridad
denominado es EPP tales como: guantes, gafas,
mascarilla para evitar lesiones.
• Equilibrar el peso total del vehículo en forma adecuada
sobre los brazos del elevador de vehículos, para realizar
las tareas de trabajo en forma segura.
• Leer las normas de seguridad para un correcto
funcionamiento del elevador de vehículos, antes de
proceder a su operación evitando accidentes de trabajo.
• Se debe tener en cuenta la capacidad máxima de carga,
para evitar fallos en el momento de operar la máquina y
garantizar su vida útil.
GRACIAS
INGENIERÍA AUTOMOTRIZ