Diseño de la Máquina de balde: Máquina de balde

La actividad de la limpieza de alcantarillado con máquina de balde, consta de dos equipos: la máquina dragadora o limpiadora y la máquina jaladora o recuperadora de cables; los cuales para iniciar la actividad es necesario unir los cables de ambas máquinas colocados entre dos buzones próximos para así de esta manera iniciar el proceso de arrastre, desplazamiento y quiebre del material sedimentado y/o acumulado.

Para la unión de las dos máquinas entre un buzón y otro, se emplea una varilla flexible de fibra, la cual por su dureza y flexibilidad, permite romper la sedimentación inclusive en muchos lugares represados, permitiendo así la unión de las dos máquinas. Este primer paso también permite evaluar en algunos caso el estado de la tubería puesto que al ser retirada dicha varilla el color del material empujado (marrón/barro) se puede determinar la caída del techo de dicha tubería. Una vez unidos los cables, se inicia el proceso de limpieza de alcantarillado; usando para ello diversos elementos.

Fig.01 Funcionamiento de la máquina de balde.

Fig. 02 Jaladora

Fig. 03 Dragadora

A continuación un video del funcionamiento de la máquina de balde:

I. ANTECEDENTES

Las primeras limpiezas que se realizaron a los alcantarillados consistieron en el trabajo manual del hombre con el uso de las herramientas como la pala, baldes, alambres, etc. La necesidad del hombre de drenar y limpiar las alcantarillas tratando de evitar la aglomeración y obstrucción del alcantarillado, asimismo de protegerse de los gases tóxicos que emanan estos desechos llevo a la creación de las máquinas de Balde. Las máquinas de cuchara fueron diseñadas para realizar trabajos difíciles en alcantarillados y drenajes de agua fluvial, con la cargadora se lleva la sedimentación directamente de la línea hasta el camión para su descarga, sin ensuciar la calle

Figura 2.

Por otra parte la necesidad de aumentar la eficiencia de trabajo en la limpieza de alcantarillado, se diseñó la máquina de balde tipo cargador de camiones, como se puede apreciar en la imagen, ambas están montadas en remolque con sus rodillos, plataformas y balde en posición de limpieza.

Figura 3.

I. DESARROLLO DE LA PROBLEMÁTICA

En la actualidad la limpieza de alcantarillado se realiza mediante las máquinas de balde, hidrojet, máquinas de cucharas, etc.; ya que trabajan de acuerdo a las necesidades que las industrias requieren. Algunas de estas máquinas trabajaran dependiendo del sitio y espacio en donde se encuentre el alcantarillado. Por el cual se requiere que exista mayor versatilidad en el trabajo a realizar, es por eso que llegamos a la determinación de que el sistema más factible a utilizar en este caso sería el sistema Hidráulico.

A continuación se hará un desglose del planteamiento de la solución a nuestra problemática:

Se restructurará el sistema de accionamiento manual el cual será automatizado para luego eliminar la palanca de freno por un sistema hidráulico, este se ensamblará con un motor hidráulico previamente escogida según los datos que hallamos calculado.

Se añadirá soportes hidráulicos en las cuatro esquinas de ambas partes que componen la máquina de balde, mejorando el factor de seguridad del equipo.

Los tiempos requeridos para los ciclos de trabajo serán reducidos por lo que el aprovechamiento y productividad de la maquina aumentará.

II. OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES

i. Diseñar el sistema de transmisión hidráulico de la máquina de balde para agilizar el tiempo y el factor de seguridad en su ciclo de trabajo.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

i. Evaluar los diferentes tipos de sistemas con el fin de observar cual es el más factible para el proyecto.

ii. Reducir el tiempo de giro de la manivela de los soporte estabilizadores mediante un accionamiento electro-hidráulico.

iii. Modificar el sistema de transmisión mecánica por un sistema de transmisión hidráulica.

iv. Seleccionar los componentes hidráulicos para el sistema de transmisión.

III. TECNICAS A UTILIZAR

En el presente proyecto cambiaremos un sistema de transmisión mecánico por un sistema de transmisión hidráulico, además de adicionar unos soportes de estabilidad electro hidráulicos. Para esto necesitaremos hacer los cálculos de relación de transmisión de los sistemas para poder hallar el torque y la velocidad final (RPM), ya que con ellos al final del presente proyecto haremos las comparaciones de los sistemas.

De acuerdo a los cálculos obtenidos del sistema mecánico se procede hallar el motor hidráulico. Se busca las opciones en el mercado de acuerdo a los fabricantes. Luego de haber obtenido el motor con los datos del fabricante se procede a elegir la bomba idónea para el motor hidráulico. Ya con los datos del motor y de la bomba hidráulica se procederá a realizar el cálculo de relación de transmisión que existe en el sistema hidráulico.

Por otro lado el sistema de soporte de estabilidad se procederá a diseñar con el programa Festo, programa que ha sido utilizado a lo largo del ciclo como medio de aprendizaje. Por último los cálculos de los componentes como los émbolos, mangueras, válvula, etc., se hallan a través de las ya conocidas fórmulas de potencia, fuerza y caudal.

IV. MARCO TEÓRICO

a. Fuerza

En física, la fuerza es una magnitud vectorial que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas. Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de fuerza es el newton que se representa con el símbolo: N, nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su aportación a la física, especialmente a la mecánica clásica. El newton es una unidad derivada que se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s² a un objeto de 1 kg de masa.

b. Presión

En mecánica de fluidos, un flujo se clasifica en compresible e incompresible, dependiendo del nivel de variación de la densidad del fluido durante ese flujo. La incompresibilidad es una aproximación y se dice que el flujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el flujo o el fluido es incompresible. En esencia, las densidades de los líquidos son constantes y así el flujo de ellos es típicamente incompresible. Cuando se analizan flujos de gas a velocidades altas, la velocidad del flujo a menudo se expresa en términos del número a dimensional de Mach, que se define como:

c. Flujo compresible e incompresible

La presión es una magnitud física que mide como la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie (esa magnitud es escalar), y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por pulgada cuadrada que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.

d. Caudal

En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

e. Relación de transmisión

La relación de transmisión es una relación entre las velocidades de rotación de dos engranajes conectados entre sí. Esta relación se debe a la diferencia de diámetros de las dos ruedas, que implica una diferencia entre las velocidades de rotación de ambos ejes, esto se puede verificar mediante el concepto de velocidad angular.

Otro punto que se debe considerar es que al cambiar la relación de transmisión se cambia el par de fuerza aplicado, por lo que debe realizarse un análisis para saber si este nuevo par será capaz de vencer la inercia del engranaje y otras fuerzas externas y comenzar el movimiento o por otro lado si el engranaje será capaz de soportar un par muy grande sin fallar.

Matemáticamente, la relación de transmisión entre dos engranajes circulares con un determinado número de dientes

se puede expresar de la siguiente manera:

VI. PROGRAMA DE IMPLEMENTACIÓN

§ Etapa Teórica

PRIMERA ETAPA	Estudio y desarrollo de la problemática
SEGUNDA ETAPA	Cálculos estadísticos de mercado.
TERCERA ETAPA	Cálculos técnicos
CUARTA ETAPA	Diseño del sistema
QUINTA ETAPA	Evaluación de costos

Tabla 2. ETAPA TEÓRICA

§ Etapa Práctica

PRIMERA ETAPA	Armado de estructura	15 días
SEGUNDA ETAPA	Montaje del sistema hidráulico	2 día
TERCERA ETAPA	Acabado superficial de estructura.	2 día

Tabla 3. ETAPA PRÁCTICA

* Tiempos estimados para 4 trabajadores en una jornada de trabajo de 8 horas diarias. (2 Soldadores, 1 ayudante y 1 mecánico).

VII. CÁLCULO DE TIEMPO DE TRABAJO MEJORADO

Tiempo para realizar un trabajo para tuberías de 200 metros de longitud

TIEMPOS APROXIMADOS QUE REQUIEREN PARA REALIZAR LA LIMPIEZA DE LOS ALCANTARILLADOS
Tipo de problema	Tipo de mecanismo de la máquina de balde
Tipo de problema	Mecánico	Electro-hidráulico
Arena, grava y basura	25 – 30 min	18 – 20 min
Raíces	37 – 42 min	27 – 32 min
Grasas	50 – 60 min	40 – 43 min

Tabla 4. Tiempo de trabajo de las máquinas de balde mecánicas y electro-hidráulicas

Como podemos observar en la tabla, con la máquina de balde electro-hidráulica se puede reducir los tiempos que requieren las máquinas de balde mecánicas para realizar sus trabajos de limpieza de alcantarillados, esto es de suma importancia debido a que para que estos equipos trabajen, se tiene que cercar cierto perímetro como medida de seguridad, en algunos casos esto impide la libre circulación de los vehículos haciendo que el flujo vehicular se congestione o impidiendo la circulación de estos, es por ello que es importante acabar el trabajo lo más rápido posible.