Download - calculo winche
-
7/22/2019 calculo winche
1/149
Universidad Austral de ChileFacultad de Ciencias de la Ingeniera
Escuela de Ingeniera Naval
"SISTEMA HIDRULICO DE UN WINCHE DE REMOLQUE
PARA UN REMOLCADOR DE ALTAMAR"
Tesis para optar al Ttulo de:Ingeniero Naval.Mencin: Construccin Naval.
Profesor Patrocinante:Sr. Hctor Legue Legue.Ingeniero Civil Mecnico.M.Sc. en Ingeniera Ocenica.
EDUARDO ANDRES MONTESINOS VERA
VALDIVIA - CHILE
2006
-
7/22/2019 calculo winche
2/149
-
7/22/2019 calculo winche
3/149
RESUMEN
El presente proyecto de tesis expone un diseo, puesta en marcha y protocolos de
pruebas del sistema hidrulico de un winche de remolque, en base a normasinternacionales y recomendaciones de diseo de la bibliografa vigente, apoyndose
en informacin tcnica de los fabricantes de los equipos y componentes
seleccionados para el diseo, conjugando de cierta manera la teora con la prctica.
El estudio est centrado exclusivamente en criterios hidrulicos, sin profundizar
mayormente en otros anlisis, como son los estructurales orientados a establecer
con mayor exactitud ciertas dimensiones que determinan posteriormente las fuerzas
que deben ejercer los actuadores. Es por esta razn que algunos factores, comorendimientos mecnicos, dimensiones fsicas del winche y otros sistemas del barco,
se establecen como supuestos, en base a equipos o sistemas similares
SUMMARY
The present thesis project exposes a design, commissioning and acceptances testsof an hydraulic system for a towing winch, on the basis of international standards and
recommendations of design of the effective bibliography, leaning in technical
information of the manufacturers of the equipments and components selected for the
design, conjugating in certain way the theory with the practice.
This study is exclusively centered on hydraulics criteria, and avoiding other analysis,
such as structural oriented to establish with more accuracy certain dimensions which
determinate actuators forces. This is the reason why some factors, such as
mechanicals efficiency, fiscals dimensions or other ship systems, their are establish
like supposed, based on similar equipments or systems.
-
7/22/2019 calculo winche
4/149
INTRODUCCION
Dentro del rea martima, las embarcaciones de trabajo o apoyo, como son los
remolcadores, cumplen una gran labor al desarrollo de las maniobras de puerto,
asistencia de siniestros, fondeo de boyas, etc. Es por tal motivo que el equipamientode cubierta y maniobra debe ser el adecuado, de fcil operacin, y que cumpla con
las exigencias de seguridad tanto para la vida til del equipo como la seguridad de
las personas y la embarcacin.
Este tipo de embarcaciones normalmente posee para maniobras de remolque,
salvataje y/o fondeo de boyas, un winche de remolque ubicado en la popa de la
embarcacin, consistente en un tambor donde se aloja el cable de remolque, y con
una serie de dispositivos para su operacin. Este puede ser de accionamientohidrulico, elctrico, de combustin interna, etc.
Se ha elegido como mtodo de accionamiento el sistema hidrulico, debido a todas
las bondades de este tipo de instalaciones, como es la transmisin de grandes
fuerzas a tamao relativamente reducido, funcionamiento a carga completa desde el
reposo, proteccin simple contra sobrecargas y sistemas de accionamientos
sencillos.
A continuacin se presentarn los criterios de seleccin y clculo de los
componentes del sistema hidrulico de un winche de remolque para un remolcador
de altamar rigindose por las normas de Casas Clasificadoras e ISO 7365
(Shipbuilding and Marine Structures Deck Machinery Towing winches for Deep
Sea Use), para finalizar con las opciones de funcionamiento, puesta en marcha y
protocolo de pruebas.
-
7/22/2019 calculo winche
5/149
INDICE
1. CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE LA NAVE 1
2. DESCRIPCIN DE LA MANIOBRA 13. CONSIDERACIONES GENERALES 3
3.1 ISO 7365 3
3.1.1 Freno 3
3.1.2 Cable y Tambor 4
3.1.3 Equipamiento Auxiliar 4
3.1.4 Largada de Emergencia 4
3.1.5 Pruebas de Aceptacin 4
3.2 Clase 43.2.1 Largada de Emergencia 4
3.2.2 Cable 4
4. TIPO DE WINCHE 5
5. DIMENSIONAMIENTO DE LOS PARAMETROS QUE
DETERMINAN LOS ACTUADORES 5
5.1 Seleccin del Cable 5
5.2 Dimensionamiento del Tambor 6
5.2.1 Dimetro del Tambor (DT) 65.2.2 Largo del Tambor (LT) 6
5.3 Momento Mximo en el Tambor (MT) 8
5.4 Momento Generado por el Devanador (Md) 8
5.5 Parmetros del Motor Hidrulico 11
5.5.1 Momento Total que Debe Ejercer el Motor Hidrulico 11
5.5.2 Clculo RPM Motor 12
5.6 Parmetros Cilindro de Freno 12
5.6.1 Tensin de Frenado 135.6.2 Determinacin de la Carrera del Cilindro 14
5.6.3 Fuerza que Debe Ejercer el Cilindro 17
5.6.4 Velocidad del Cilindro 18
5.7 Parmetros Cilindro de Embrague 18
5.7.1 Fuerza de Empuje 19
5.7.2 Carrera del Vstago del Cilindro 20
5.7.3 Velocidad del Vstago del Cilindro 20
6. SELECCIN DE LOS ACTUADORES 216.1 Seleccin del Motor Hidrulico 21
-
7/22/2019 calculo winche
6/149
6.2 Seleccin del Cilindro de Freno 23
6.3 Seleccin del Cilindro de Embrague 28
7. SELECCIN DE LA BOMBA 30
7.1 Determinacin del caudal de la bomba 30
7.2 Seleccin del Equipo 318. SELECCIN DE TUBERIAS 32
8.1 Tubera de Aspiracin 33
8.2 Tubera de Presin 33
8.3 Tubera de Retorno 33
8.4 Tubera de Drenaje 34
8.5 Tuberas de Pilotaje 34
8.5.1 Tubera de Presin 36
8.5.2 Tubera de Retorno de Pilotaje 368.6 Tuberas del Cilindro de Freno 36
8.6.1 Tubera de Presin 36
8.6.2 Tubera de Retorno 37
8.7 Eleccin de Tuberas 37
9. PERDIDA DE PRESIN 37
9.1. Tubera de Motor Hidrulico 38
9.1.1 Perdida de Presin por Friccin 38
9.1.2 Perdida de Presin Debido a los Elementos 419.2. Tubera de Pilotaje 43
9.2.1 Perdida de Presin por Friccin 43
9.2.2 Prdida de Presin Debido a los Elementos 44
9.3. Tubera del Cilindro de Freno 45
9.3.1 Perdida de Presin por Friccin 45
9.3.2 Prdida de Presin Debido a los Elementos 48
10. BALANCE TERMICO 48
10.1 Perdidas de Potencia Debido al Rendimientode los Componentes (PV1) 49
10.2 Perdidas de Potencia por Estrangulaciones
en Vlvulas (PV3) 50
10.3 Perdidas de Potencia por Resistencias
de Circulacin (PV4) 51
10.4 Temperatura de Rgimen 52
10.5 Seleccin del Intercambiador de Calor 53
10.6 Determinacin del Caudal de Agua de Enfriamiento 5610.7 Determinacin del Caudal de Aceite 57
-
7/22/2019 calculo winche
7/149
11. LARGADA DE EMERGENCIA (QUICK RELEASE) 58
11.1 Liberacin del freno 58
11.2 Liberacin del Embrague 60
12. SELECCIN DEL FLUIDO HIDRAULICO 61
13. DETERMINACIN Y DESCRIPCIN DEL CIRCUITO 6213.1 Bombas 62
13.2 Motor Hidrulico 63
13.3 Freno 64
13.4 Enfriamiento 64
13.5 Largada de Emergencia (Quick Release) 64
13.6 Elementos de regulacin 65
13.7 Elementos de Seguridad, Proteccin y Control 65
13.8 Depsito de Aceite 6814. PUESTA EN MARCHA 69
14.1 Limpieza del Estanque 69
14.2 Lavado del Circuito 69
14.2.1 Preparacin de la Instalacin para el Lavado 70
14.2.2 Realizacin del Lavado 71
14.3 Regulacin del Sistema 72
14.3.1 Regulacin del ajuste de la cinta de freno 73
14.3.2 Verificacin de la carrera del cilindro de embrague 7414.3.3 Carga con Nitrgeno del Acumulador 74
14.3.4 Regulacin de la bomba 74
14.3.5 Regulacin de las Vlvulas de Alivio 75
14.3.6 Regulacin de las Vlvulas Reguladoras de Presin 75
14.3.7 Regulacin del Block Direccional (5) 75
14.3.8 Regulacin de la vlvula Reguladora de Caudal (10) 76
15. PROTOCOLO DE ENSAYOS FINALES E INSPECCIONES
DE CLASIFICACIN 7615.1 Norma ISO 7365 76
15.1.1 Prueba de Retencin del Tambor con el Freno 76
15.1.2 Operacin bajo Carga 76
15.1.3 Operacin del Embrague y Freno 77
15.1.4 Emergencia y Control 77
15.2 Casa Clasificadora 77
CONCLUSIONES
ANEXOSBIBLIOGRAFIA
-
7/22/2019 calculo winche
8/149
1
1. CARACTERSTICAS PRINCIPALES DE LA NAVE:
Remolcador de Altamar 50 [ton] Bollard Pull
Eslora : 28.50 [m]
Manga : 10.30 [m]Puntal : 05.50 [m]
Calado : 04.70 [m]
Potencia : 2x2350 a 1600 [rpm]
Traccin punto fijo : 50 [ton]
Propulsin azimutal de paso controlable Schottel 1215CP
2. DESCRIPCIN DE LA MANIOBRA
Existen distintas maniobras de remolque para un remolcador de alta mar, como
puede ser a travs de una espa y gancho de remolque como con un winche para
tal efecto.
Ambas coinciden que deben poseer un sistema de escape rpido para largar la
maniobra en caso de emergencia, como por ejemplo el hundimiento del buque
remolcado o cualquier otra circunstancia que ponga en serio peligro al
remolcador.
A diferencia de la maniobra con espa y gancho de remolque, casos en los
cuales el largo del remolque se mantiene constante, al utilizar un winche permite
ir variando este largo, con el objeto de dar mayor maniobrabilidad en caso de ser
necesario, como el de zonas de alto trfico martimo. Al momento de efectuar la
maniobra, el equipo permanece desembragado y frenado, es decir la fuerza
descansa completamente sobre el freno del tambor, por lo que al momento de
accionar la largada de emergencia el freno debe ser liberado. En circunstanciasque esta emergencia se produzca mientras se esta virando o se mantiene
frenado y embragado debido a que todava se esta operando con el tambor, la
largada de emergencia debe liberar el freno y desembragar el tambor.
El winche adems de servir el propsito de remolcar otro barco, puede cumplir
funciones de izamiento de muertos para maniobras de fondeo, o cualquier otro
elemento que se desee levantar para ser sacado del agua o cambiado de
posicin.
-
7/22/2019 calculo winche
9/149
2
La fuerza del peso o del remolque es ejercida por un motor hidrulico a travs del
tambor que almacena el cable. Esta fuerza es accionada directamente sobre este
tambor, de manera que a medida que mientras mayor cable se encuentra
adujado sobre este, mayor ser el dimetro al centro, mayor el momento sobre el
tambor y en consecuencia mayor la fuerza que deba ejercer el motor hidrulico.Es por tal motivo que se debe definir la fuerza en la primera capa de cable
adujado como en la ltima.
El cable debe ser adujado de manera automtica sobre el tambor a medida que
se va arriando o virando el cable. Para tal efecto se ha dispuesto un devanador
de funcionamiento mecnico que consiste en una barra con hilo de doble paso
de acuerdo a la cantidad de vueltas que tiene el cable sobre el tambor, con el
objeto de no ejercer fuerzas demasiado grandes sobre este dispositivo, quepuedan ser destructivas o que afecten su funcionamiento normal, es que se
disponen de elementos guas para que el cable no adopte ngulos demasiado
grandes.
Estos elementos pueden ser cilindros guas, llamados tow pins instalados en
popa del remolcador o maniobras de cables que restrinjan su movimiento como
se muestra en la figura:
Figura 1.- Detalle lnea de remolque (detalles anexo 16)
Cables
Tow Pins
-
7/22/2019 calculo winche
10/149
3
Figura 2.- Detalle del winche y su ubicacin (detalles anexo 16)
3. CONSIDERACIONES GENERALES
3.1 ISO 7365 (anexo 1)
En base a la norma ISO 7365 (Shipbuilding and Marine Structures Deck
Machinery Towing winches for Deep Sea Use), lo que compete a criterioshidrulicos se debe tener en consideracin lo siguiente:
3.1.1 Freno
Debe estar provisto de un sistema de freno para el tambor capaz de mantener
hasta 2.5 veces la carga de traccin a punto fijo y tener la opcin de ser operado
manualmente.
3.1.2 Cable y Tambor
Dimensiones del tambor y caractersticas del cable se detallan en punto 5.
El arraigado del cable al tambor debe ser lo suficientemente dbil para que se
rompa en caso de una largada de emergencia.
Devanador Tambor con cable
Motor Hidrulico
Cilindro
De Freno
Control local
Winche
Control Puente
Tow Pins
-
7/22/2019 calculo winche
11/149
4
3.1.3 Equipamiento Auxiliar:
Debe poseer un sistema automtico o manual para el adujado del cable si as se
acordase entre el fabricante y el cliente.
3.1.4 Largada de Emergencia
Debe poseer un sistema de largada de emergencia mientras el winche est
detenido (con el freno) o en movimiento (virando o arriando), con un tiempo
mximo de 10 segundos de retardo.
Debe poder accionarse desde el puente o desde el control local, an en
condiciones de falla del poder principal o de un black out.El dispositivo de accionamiento debe estar protegido contra operaciones no
intencionales.
3.1.5 Pruebas de Aceptacin
Protocolo de pruebas se ver en punto 15.
3.2 Clase
En base a las normas de la casa clasificadora American Bureau of Shipping,
parte 5, capitulo 8, Vessels Intended for Towing, en lo que compete a criterios
hidrulicos se debe tener en consideracin lo siguiente:
3.2.1 Largada de Emergencia (Part 5, Chapter 8, section N3)
Debe poseer un sistema de largada de emergencia del cable, operable desde elpuente y de cualquier estacin de control o mando del equipo.
3.2.2 Cable (Part 5, Chapter 8, section N5.1 / section N9.3 )
El esfuerzo de ruptura debe ser 2.0 veces la fuerza ejercida a traccin a punto
fijo.
-
7/22/2019 calculo winche
12/149
5
4. TIPO DE WINCHE
En base a las consideraciones descritas anteriormente y a los objetivos
planteados, se considera un winche de remolque de accionamiento hidrulico
con las siguientes caractersticas:
Capacidad de tiro mnima: 30 ton-f (ultima capa) y 50 ton-f (primera capa)
Largo efectivo del cable: 600 [m]
Devanador: Mecnico
Capacidad esttica del freno: 125 ton-f
Largada de emergencia: Remoto (puente) y local
Bomba Power Pack hidrulico: Principal y St-by
Controles: Remoto (Puente) y localAlarmas Bajo nivel de aceite y alta temperatura
En base a la norma ISO 7365 (Shipbuilding and Marine Structures Deck
Machinery Towing winches for Deep Sea Use), el winche recibe la siguiente
denominacin:
Winche de Remolque ISO 7365 H 49 R 1
Tipo de winche
Norma
Tipo de transmisin (H-hidrulica, E-elctrica,
S-vapor, RICE, recproco de combustin interna)
Tamao Nominal (KN/10)
Lado de operacin del winche (B-ambos lados, C-central, R-derecha, L-izquierda)
Arreglo del Tambor (1-tambor simple, 2-doble tambor en lnea, 2W-doble tambor cascada,
3-triple tambor en lnea, 3W-triple tambor cascada
5. DIMENSIONAMIENTO DE LOS PARAMETROS QUE DETERMINAN LOS
ACTUADORES
5.1 Seleccin del Cable
Tabla 1.- Esfuerzo de mnimo de ruptura del cable de remolque (1)Mxima traccin a punto fijo (MBP)
[KN]Esfuerzo de ruptura
< 300 3.50 x MBP300 - 800 2.75 x MBP
> 800 2.75 x MBP
_________________________________________________________________________(1) ISO 7365 1983 (E)
-
7/22/2019 calculo winche
13/149
6
Segn las caractersticas de la embarcacin 50 [ton] bollard pull corresponde a
490.35 [KN], por lo que el esfuerzo mnimo de ruptura del cable corresponde a:
ER= 1348.5 [kN]
Tabla 2.- Datos de Funcionamiento (1)Tamaonominal
Cargadel
tambor
Vel.nominal
(min)
Vel. lneasin carga
(min)MBP Dim
cable
Fuerzaruptura(min)
Cargaretencin
(min)
Dim.tambor(min)
Capacidadtambor
KN [m/s] [m/s] KN [mm] KN KN [mm] [mm]56 560 0.08 0.16 527 48 1450 1450 768 750
En concordancia con lo anterior, la tabla que a continuacin se presenta, y
considerando el diseo bsico del cable segn norma ISO 7365, que
corresponde a un WaringtonSeale steel-cored de 1770 [N/mm2] grado de
tensin para cables de acero, se tiene:
Tabla 3.- Caractersticas Tcnicas Cable Seleccionado (2)
Por lo tanto el cable seleccionado cumple con tabla 1, 2 .
5.2 Dimensionamiento del Tambor
5.2.1 Dimetro del Tambor (DT):
No menor que:
DT= 16 Dcable= 16 x48 = 768 [mm]
Lo cual cumple con tabla 2.
5.2.2 Largo del Tambor (LT)
La primera capa de cable enrollado en el tambor debe acomodar al menos 50[m], por cual se tiene:
_________________________________________________________________________(1) ISO 7365 1983 (E) Extracto de tabla Performance Data(2) Elka Steel Rope Catalog Extracto de tabla
-
7/22/2019 calculo winche
14/149
7
50 = N xPT Donde N = N de vueltas en el tambor
PT= Permetro del tambor.
Se determina un dimetro del tambor de 800 [mm].
50 = N x xDT
N = 50 = 19.89 x0.8
Considerando un nmero de 20 vueltas por el dimetro del cable, se obtiene el
largo del tabor.
LT= 20 x 0.048 = 0.96 [m]
LT= 1.00 [m]
Segn requerimientos del armador y considerando que los primeros 50 [m] de
cable no se utilizan, se determin un largo total: LC= 650 [m]
Tabla 4.- N de Vueltas Versus Longitud del Cable1 vuelta DTvaco 20 x x0.800 50.26 [m]2 vuelta DTvaco + 0.096 20 x x0.896 56.30 [m]3 vuelta DTvaco + 0.192 20
x x0.992 62.33 [m]4 vuelta DTvaco + 0.288 20 x x1.088 68.36 [m]5 vuelta DTvaco + 0.384 20 x x1.184 74.39 [m]6 vuelta DTvaco + 0.480 20 x x1.280 80.42 [m]7 vuelta DTvaco + 0.576 20 x x1.376 86.45 [m]8 vuelta DTvaco + 0.672 20 x x1.472 92.48 [m]9 vuelta DTvaco + 0.768 20 x x1.568 98.52 [m]
= 669.51 [m]
Figura N3.- Esquema de Adujado del Cable Sobre el Tambor
1 vuelta2 vuelta
4 vuelta3 vuelta
7 vuelta8 vuelta
6 vuelta5 vuelta
9 vuelta
aaa
aaa
aaa
F
M
-
7/22/2019 calculo winche
15/149
8
5.3 Momento Mximo en el Tambor (MT)
Con un total de 10 vueltas, dimetro tambor vaco + 0.864 [m] de acumulacin
de cable, da como resultado un dimetro a tambor lleno de 1.664 [m], por lo que
para efectos de clculo se considera:
MT= CTmaxxDT/2 CTmax= capacidad de tiro
MT= 30 x 0.808 = 24.24 [ton-m]
MT= 24240 [kgf-m]
5.4 Momento Generado por el Devanador (Md)
El devanador se ubica inmediatamente a popa del winche y forma parte integral
de este. Su funcin es adujar el cable al momento de arriar o virar el cable de
remolque, y su disposicin se visualiza en la siguiente figura:
Figura 4.- Dimensiones Sobre el Devanador y Tow Pins
MOLINETE DE ESPIAS
CILINDRO DE FRENO
CILINDRO DE EMBRAGUE
DEVANADOR
MOTOR HIDRAULICO
TOW PINS
9480
500
T
T
Td3
El cable pasa a travs del devanador pasando por los Tow pins, los cuales
actan como gua y seguro sobre la lnea de remolque, evitando que actenfuerzas demasiado grandes y en direcciones poco convenientes sobre el
-
7/22/2019 calculo winche
16/149
9
devanador. Para el caso de alguna condicin particular de maniobra se restringe
el desplazamiento mediante una maniobra de cables como se muestra en la
figura N3.
Figura 4.- Dimensiones Sobre el Devanador y Cables
Para efectos de clculo se asume un ngulo mximo de 4 sobre el devanador se
tiene que:
Td= T sen 4 =30000 xsen 4 = 2092.6 [kgf]
Considerando una relacin de transmisin entre tambor y devanador de 1:1 y 20
vueltas de cable en un largo de tambor LT= 1.00 [m], tenemos un devanador de
paso doble con paso P :
P = LT/N = 1000/20 =50 [mm]
P = 50 [mm]
= arctg [Dd/P/2] = arctg 110/25 = 65.5 Figura5.- Dimensiones del Devanador
= 65.5
P
P/2
65.5
110Md
-
7/22/2019 calculo winche
17/149
10
Figura 6.- Fuerzas que Actan sobre del devanador
Td
Tdcos
Tdsen
Tdcos
Tdsen
N
N
ESQUEMA D.C.L.
FTsen
Se considera hierro fundido sobre hierro fundido como material y se utiliza el
coeficiente de friccin en hmedo, que corresponde a elementos sumergidos en
aceite o recubiertos de grasa, como es en este caso.
Tabla 5.- Coeficientes de Friccin Para Distintos Materiales (1)
F = Tdcos- xTdsen= 2092.6cos65.5 - 0.05 x2092.6sen65.5 = 772.6 [kgf]
La fuerza (F) que debe contrarrestar el devanador corresponde a la sumatoria de
fuerzas (F) dividido en el seno del ngulo.
F = F/ sen65.5 = 849 [kgf]
Por lo tanto el momento que se debe ejercer sobre el devanador corresponde a
lo siguiente:
Md= F xDd/2 = 849 x0.11/2
Md= 46.7 [kgf-m]
_________________________________________________________________________(1) Paper Frenos y embragues Tecnun, Campus Tecnolgico Universidad de Navarra
-
7/22/2019 calculo winche
18/149
11
5.5 Parmetros del Motor Hidrulico
5.5.1 Momento Total que Debe Ejercer el Motor Hidrulico
Por lo tanto el momento total sobre el conjunto carrete (momento tambor +momento devanador) es el siguiente:
Mc= 24240 + 46.7 [kgf-m]
Mc= 24286.7 [kgf-m]
Para determinar el momento que debe ejercer el motor hidrulico, se debe
establecer la relacin de transmisin y rendimiento mecnico de sta.
Motor Tambor
Red. 15:1
mec1= 0.95 (Se determina 0.95 por ser el ms desfavorable comnmente considerado)
Motor devanador
mec2= 0.95
Por lo cual se tiene:
mec= mec1x mec2
mec= 0.9
MM Hid= Mc . = 1799 [kgf-m]Red xmec
MM Hid1799 [kgf-m]
MM Hid17641 [N-m]
-
7/22/2019 calculo winche
19/149
12
5.5.2 Clculo RPM Motor
Segn requerimientos del armador, la velocidad a tambor lleno deber ser:
VN= 15 [m/min] = 0.25 [m/s]
Lo cual cumple con el mnimo exigido por norma segn tabla 2.
Determinacin de las RPM:
VN= 15 [m/min] RTambor lleno= 0.808 [m]
TLL= VN/ RTambor lleno
TLL= 15 / 0.808 = 18.56 [rad/min]
RPMTambor= TLL/ 2 =18.56/ 2 = 2.95 [rpm]
RPMM hid.= RPMTambor xRed. = 2.95 x15 = 44.31 [rpm]
RPMM hid.= 44.31 [rpm]
5.6 Parmetros Cilindro de Freno
Se establecer un freno de cinta o banda flexible, con asbesto impregnado
como material de friccin, el cual acta sobre la rueda que compone el extremo
del tambor de material hierro fundido. Su funcionamiento se explica en la figura
7:
Figura 7.- Secuencia de frenado
Tc
T2
bc
b2
T1
Tc
T1
T2 bc
b2
Cc
MFMF
-
7/22/2019 calculo winche
20/149
13
5.6.1 Tensin de Frenado
Figura 8.- Tensin de Frenado
R
TT+dTMC
degiro
Sentido
T21T
RTsen
Tcos /2
(T+dT) sen /2
(T+dT) cos /2
giro
dN
dN
Rd
Debido a la friccin y el sentido de giro sealado en la figura 8, la tensin de
trabajo T2 es menor que la tensin en el punto de retencin T1. Planteando el
equilibrio de un diferencial de cinta, F =0.
(T + dT) sen d/2 + T sen d/2 dN = 0
(T + dT) cos d/2 + T cos d/2 dN = 0
De las ecuaciones anteriormente descritas se deduce:
dN = T d dT = T d dT = dT
dT = dN
Sustituyendo el valor de dN en la ecuacin e integrando entre T1y T2; se tiene:
T1
dT/T = dT2 0
Por lo tanto la relacin de fuerzas es.
ln T1 = T1= e T2 T2
-
7/22/2019 calculo winche
21/149
14
T1= e
T2 (1)
Como la expresin del par de frenada por M=0, se tiene.
MC= (T1- T2)xR (2)
De la ecuacin (1) resulta:
T1= e
T2 / (-T2)
T1-T2 = e
T2 -T2
T1-T2 = T2(e
-1)
Reemplazando en (2) se tiene :
M= T2(e
-1)xR
T2= MC .(e -1)xR1
Se debe considerar que el freno debe ser capaz de retener el tambor hasta 2.5
veces el mximo bollard pull por lo que se tiene:
T2= 2.5 x MC
(e
-1)xR1
5.6.2 Determinacin de la Carrera del Cilindro
Consideraciones y tolerancias generales:
Se asume un espesor de revestimiento de 10 [mm].
Se considerar una separacin de 2 [mm] como freno liberado.
Para condiciones de operacin ms desfavorables se considerar como
mximo desgaste permisible promedio de un 50%, con el cual se deber
efectuar cambio de ste.
-
7/22/2019 calculo winche
22/149
15
La figura 9 representa la rueda de freno y la cinta con su revestimiento.
Figura 9.- Dimensiones de la Cinta de freno y su Revestimiento
Radio de la rueda de freno:
R1 = 900 [mm]
Radio de cinta sin desgaste en condicin de freno liberado
R2 = 902
Radio de cinta con desgaste de 50% en condicin de freno
liberado
R3 = 907
S= Longitud de cinta, de totalmente abierto a totalmente
frenado, con el revestimiento desgastado en un 50%.
Se efectuarn los clculos considerando el caso ms desfavorable, que es el
frenado con el revestimiento de la cinta desgastado en un 50%; es decir se debe
pasar de R3 a R1.
= Angulo abrazado de la cinta sin freno.
+ = Angulo abrazado de la cinta con freno y revestimiento desgastado.
Determinacin de S:
Lc = 7/4 R3 = X R1 Lc= largo de la cinta.
7/4 R3 = X R1
X = 7 R34 R1
= 7 R3 - 7 4 R1 4
= 7 (R3- 1 ) = 0.0427 [rad]4 R1
S = xR1 = 7 (R3- 1 ) xR14 R1
s
+=7/4
-
7/22/2019 calculo winche
23/149
16
S = 7 ( ( ( (R3- R1) = 38.48 [mm]4
+= 7 + 7 (R3- 1 )4 4 R1
++++= 7 R3 = 5.54 [rad]4 R1
Figura 10.- Relacin de Dimensiones del Accionamiento del Freno
Xb
cc+s
/2
Xa
a
b
Xb Xa
Donde:
a=292[mm] b=1145[mm] c=860[mm]
Cc= carrera del cilindro
Cc=Xbcos
cos 1 para ngulos pequeos.
CcXb
Por relacin de tringulos
Xb = Xab a
-
7/22/2019 calculo winche
24/149
17
Xb = Xaxba
+= 7 R34 R2
Clculo de Xa
Por teorema del coseno:
Xa = [ (c+s/2)2+ c2 2(c+s/2)x cx cos]
Xa = 40.13 [mm]
Xa 40 [mm]
Xb = 40.13 x 1145/292 [mm]
Xb= 157.38 [mm]
Xb158 [mm]
Por lo tanto la carrera del cilindro :
Cc= 160 [mm]
5.6.3 Fuerza que Debe Ejercer el Cilindro:
Donde para el caso ms desfavorable corresponde a la cinta frenada con su
revestimiento sin desgaste y por analoga corresponde a:
= 7 R2 = 5.51 [rad]4 R1
= 0.3 (Valor mnimo segn tabla N5 para Asbesto tramado sobre hierro fundido)
T2= 2.5 x MC MC= MBPxRTLL= 50000
x 0.808 = 40400 [kgf](e -1)xR1
T2= 26576.4 [kgf]
-
7/22/2019 calculo winche
25/149
18
MF= T2xa = Tcxb
Tc= T2xa / b
Tc= 26576.4 x292 / 1145
Tc = 6778 [kgf]
5.6.4 Velocidad del Cilindro:
Considerando que el tiempo de liberacin del freno en largada de emergencia es
de 10 [s], la velocidad del cilindro se determinar con T= 7 [s] y CC=160[mm].
Vc= CC/T
Vc= 22.85 [mm/s]
Vc0.023 [m/s]
Datos para seleccin del cilindro de freno:
Tc = 6778 [kgf]
CC=160[mm].
Vc= 0.023 [m/s]
5.7 Parmetros Cilindro de Embrague:
El cilindro de embrague deber vencer la fuerza que genera el momento ejercido
por el motor hidrulico sobre el acoplamiento de ste, con el propsito de poder
actuar como quick release (largada emergencia), en caso de tener que liberar el
cable durante alguna maniobra.
La figura N11 representa las fuerzas y momentos que interactan en este
sistema:
-
7/22/2019 calculo winche
26/149
19
Figura 11.- Fuerzas y Momentos del Sistema de embrague
F1M
1M
2F1
2
3
F
F
a
cb
5.7.1 Fuerza de Empuje:
M1 = Momento motor hidrulico =1799 [kgf-m]
M2 = F2 x a = F3 x c
a = 250 [mm]
b = 125 [mm]
c = 350 [mm]
F1= M1= 1799 = 14392 [kgf]b 0.125
F2= N F1= N
F2= F1 = 0.05 (Hierro fundido sobre hierro fundido en hmedo, segn tabla N5 )
F2= 0.05 x23984 [kgf]
F2= 719.6 [kgf].
M2= F2xa = F3xc
F3= F2xa = 719.6 x 250b 350
F3= 514 [kgf]
-
7/22/2019 calculo winche
27/149
20
Debido a que es un cilindro estndar (no un cilindro de impacto) donde la
velocidad media oscila entre 0.1 y 1.5 [m/s], se sobredimensionar la fuerza de
empuje del cilindro (Fc) en un 25%.
Fc= F3x
1.25
Fc= 642.5 [kgf]
5.7.2 Carrera del Vstago del Cilindro
Figura 12.- Carrera del Vstago del Cilindro de Embrague
CILINDRO NEUMATICO
ACOPLAMIENTO
DESPLAZAMIENTO
La figura N12 muestra los desplazamientos, brazos y holguras que requiere el
sistema, los cuales determinan la carrera del vstago del cilindro.
CC= 82 [mm]
5.7.3 Velocidad del Vstago del Cilindro
Se establecer como tiempo mximo de desembrague 1[seg], con el
objeto de proporcionar una rpida largada del cable en caso de emergencia,
teniendo en cuenta que esta velocidad sigue siendo considerada como una
velocidad baja.
Vv= Cc/t
Vv= 0.082 / 1
Vv = 0.082 [m/s]
-
7/22/2019 calculo winche
28/149
21
6. SELECCIN DE LOS ACTUADORES
6.1 Seleccin del Motor Hidrulico
En consideracin al elevado par respecto de las revoluciones requeridas, es quese seleccion un motor LSHT (low speed, high torque), es decir un motor de
marcha lenta y alto par. Dentro de esta categora se opt por un motor de
pistones radiales debido a su alto par de arranque, gran potencia y la ausencia
de limitaciones de espacio.
Todos los parmetros referidos a:= 36 mm2/s; = 45 C; poutput = zero pressure
Tamao Nominal nmero serie MR 6500
Desplazamiento volumtrico V cm3
6460.5Momento de inercia J kg cm2 11376.6
Torque especfico Nm/bar 103.57
Min. torque partida/torque terico % 91
Presin mxima continua p bar 250
Presin mxima Intermitente p bar 300
Valor Peak de presin p bar 420
Rango de velocidad sin flushing n min1 0.5 110
Rango de velocidad con flushing n min1
0.5 130
Figura 13.- Rangos de Operacin del Motor Hidrulico (1) (detalles anexo 2)
Torque
T
N-m
RPM
1 Potencia de Salida 2 Permisible paraoperacin intermitente
3 Permisible para operacincontinua con flushin
t= Rendimiento totalv= Rendimiento volumtrico
4 Permisible paraoperacin continua
5 Presin de entrada
_________________________________________________________________________(1) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
29/149
22
Datos mximos continuos:
Pmx = 250 [bar]
Paresp = 103.57 [N-m/bar] Paresp= par especfico
Parmax cont teor= 25.892.5 [N-m]Parmax cont = Parmax cont teorx 0.91
Parmax cont = 23561.7 [N-m]
RPM = 68 [rev/min] (con Parmax conty Pmx)
V (cilindrada)= 6.4605 [lt]
vol = 0.972
Validacin del equipo:
V = M V = Cilindrada [lt]1.6x P xvol M = Momento mximo continuo calculado en [kgf-m]
P = Presin de trabajo en [bar] =3/4 Pmx. Int.
vol= Rendimiento volumtrico del motor
P = 0.75 x250 = 187.5 [bar]
V = 17991.6x 187.5 x0.972
V = 6.17 [lt]
La cilindrada del motor seleccionado es de 6.4605 [lt], por lo cual cumple con el
criterio.
Determinacin de los parmetros a utilizar por el motor hidrulico:
Par : 17641 [N-m]RPM : 44.3
Con lo cual se obtiene:
Ptrab : 180 [bar]
V : 286.178 [lt/min]
vol : 0.981
tot : 0.914
-
7/22/2019 calculo winche
30/149
23
6.2 Seleccin del Cilindro de Freno
La fuerza que debe realizar el cilindro cuando esta retrado es de 6678 [kgf]. Esta
fuerza la ejerce un sistema de resortes de discos de platillos segn DIN2093
como se muestra en la figura N14.
Figura 14.- Esquema del Cilindro de Freno
Rosca 560mm
Carrera del Vstago
F= 6678 [kgF] 66471 [N]Presin de trabajo
Lresorte extendido= 1350[mm]
Resorte discos de platillosDIN 2093
Lresorte comprimido= 1190[mm]
L vstago=550 [mm]
Para lograr la fuerza de 66471 [N], se selecciona de la tabla N6: Medidas de
Resortes de Platillos, el cual tenga mayor deflexin y menor variacin de fuerza,
con el objeto de no incrementar demasiado la presin de trabajo.
Tabla 6- Medidas de Resortes de Platillos (1
)
Figura 15.- Dimensiones de un Resorte de Platillos_________________________________________________________________________(1) Handbook for Disc Springs
-
7/22/2019 calculo winche
31/149
24
Se elige el disco D20010210 por lo que se tiene:
DE = 200 [mm]
DI = 102 [mm]
L0 = 15.6[mm]
Resortes Extendidos (Vstago retrado)
Para lograr la fuerza de 66471 [N], el disco debe tener una deflexin de 1.618
[mm] (interpolando de la tabla), por lo que el alto de disco comprimido (L01) es de
13.982 [mm].
LRE= 1350 [mm] LRE= Longitud resorte extendido
ND= LRE/L01 = 1350 / 13.982 ND= N de discos
ND= 96.55
ND= 97 discos.
Por lo cual se debe volver a determinar L01con 97 discos.
L01 = LRE/ND= 1350 / 97
L01 = 13.981 [mm]
DRE= L0- L01= 15.6 - 13.981 DRE=Deflexin Resorte Extendido
DRE= 1.619 [mm] con lo cual se tiene FRE= 66525 [N] (interpolando de la tabla)
-
7/22/2019 calculo winche
32/149
25
Resortes comprimidos (Vstago extendido)
La carrera del vstago (CV) es de 160 [mm] por lo que la deflexin final (DF) para
cada disco cuando el vstago se encuentre extendido es de:
DF= CV/ND+ DRE= 160/97 + 1.619
DF= 3.268 [mm] , con lo cual se tiene FF= 119229 [N] (interpolando de la tabla)
Por lo tanto la fuerza final (FF) que opone el resorte cuando el vstago est
extendido (freno liberado) es de:
FF= 12157 [kgf]
Se asume un dimetro de pistn al menos igual al DEdel disco = 200 [mm].
AP= x (DE/2)2
AP= 314.16 [cm2]
Por lo tanto la presin necesaria para lograr extender el vstago es de:
P= FF/AP
P= 38.7 [kgf/cm2] 39.5 [bar]
P= 39.5 [bar]
Con dicha presin de trabajo y las dimensiones del disco se selecciona elsiguiente cilindro.
Figura 16.-
Parker series 3L Tie Rod Hydraulic cylinder for working pressure up to 70 [bar] (1)
___________________________________________________________________________(1) ParkerHydraulics Mobile Cylinders, Product Information, Quick Reference, Data & Application Guide, CatalogHY18-0001/US.
-
7/22/2019 calculo winche
33/149
26
Tabla 7.- Dimensiones Cilindro Parker series 3L (1)
Bore Rod Rod
N LB P XC XK Zbmax ZC ZJ1 50.8 101.6 50.8 78 219.1 142.9 197.0 244.5 181.02 139.7 177.8 57.2 84 225.4 149.2 203.3 250.8 187.33 63.5 101.6 57.2 84 225.4 149.2 203.3 250.8 187.34 76.2 139.7 57.2 84 225.4 149.2 203.3 250.8 187.3
5 88.9 139.7 57.2 84 225.4 149.2 203.3 250.8 187.36 101.6 139.7 57.2 84 225.4 149.2 203.3 250.8 187.3
7 34.9 101.6 41.3 68 209.5 133.4 187.4 235.0 171.5
8 44.5 101.6 47.2 74 215.9 139.7 193.8 241.3 177.8
0 127.0 177.8 57.2 84 225.4 149.2 203.3 250.8 187.3
Bore Rod Rod CD+0.00 EE3
N -0.05 (BSPP)
1 50.8
2 139.7
3 63.5
4 76.2
5 88.9
6 101.6
7 34.9
8 44.50 127.0
16 38.1 38.1
LR
39.7 25.43 19.1 215.9 18 G3/4 19.1 50.8 38.1
G J K L
86
203.2
CB CW E EB F
203.2 30.2 192.3 149.2
+ STROKEMR TE TT WF Y
El dimetro del vstago no debe superar los 102 [mm] de dimetro y el largo los
550 [mm]
Figura 17.- Grfico de Seleccin de Vstago Versus Carga (1)
Para una carga de aproximadamente 120 [kN] y un largo de vstago de 550 [mm]
se tiene un dimetro no menor de 44.5 [mm]
Considerando que el extremo del vstago debe ser roscado se elige un dimetrosuperior de 63.5 [mm]
___________________________________________________________________________(1) ParkerHydraulics Mobile Cylinders, Product Information, Quick Reference, Data & Application Guide, CatalogHY18-0001/US.
-
7/22/2019 calculo winche
34/149
27
Por lo tanto las dimensiones del cilindro sern las siguientes:
Pistn = 203.2 [mm]
Vstago = 63.5 [mm]
Con la real dimensin del pistn se determina la presin de trabajo del cilindro:
AP= x ( Pistn/2)2
AP= 324.29 [cm2]
Por lo tanto la presin necesaria para lograr extender el vstago es de:
P= FF/AP
P= 12157/324.29
P= 37.49 [kgf/cm2] 38.24 [bar]
P= 38.3 [bar].
Considerando el tiempo de apertura del cilindro T= 7 [s] y la longitud de la carrera
CC= 160 [mm], se tiene:
VLL= APx CC VLL= Volumen de llenado
VLL= 324.29 x 16
VLL= 5188 .64 [cm3] = 5.18864 [lt]
VGC= VLL/T VGC= Caudal del cilindro
VGC= 5.18864/7
VGC0.74 [lt/seg]
VGC44.47 [lt/min]
-
7/22/2019 calculo winche
35/149
28
6.3 Seleccin del Cilindro de Embrague
Cilindro de Doble Efecto:
FN= Ax
P - FR FN = Fuerza real del emboloA = Superficie del embolo
FR = Fuerza de roce = 10% de FN
P = Presin de trabajo [kgf/cm2]
Debido a que el uso de presiones mayores a 15 [bar] se considera poco
econmico y la eficiencia del sistema se reduce, es que se establecer como
presin de trabajo P = 7 [bar] (= 7.14 [kgf/cm2], lo comnmente utilizado como
presin de servicio en las embarcaciones.
A = FN+ FR = 1.1xFN
P P
A = 1.1 x6427.14
A = 98.9 [cm2]
DE= (4A/)
DE= 11.22 [cm]
Con los parmetros antes descritos se elige el siguiente cilindro neumtico:
Caractersticas Tcnicas
ISO 6431, VDMA 24562.
Dimetros de mbolos 160mm, 200mm.
Dimetros de vstagos 40mm.
Extremo de vstago Dos estndares, especiales por pedido.
Carrera de vstago disponible en cualquier largo prctico.
-
7/22/2019 calculo winche
36/149
29
Presin de servicio: 10 [bar]
Fluido estndar Aire filtrado.
Temperatura estndar -10C to +74C (+14F to +165F).
Sellos de Fluorocarbono para alta temperatura de servicio -10C to 121C
(+14F to +250F).
Tipo de montaje 12 estndares.
Figura 18.- Cilindro de Embrague (1)
Tabla 8.- Dimensiones Cilindro Seleccionado (1)
De los cuales se selecciona:
DE= 125 [mm]
DV= 32 [mm]
___________________________________________________________________________(1) Catlogo General de Productos Micro Automatizacin.
-
7/22/2019 calculo winche
37/149
30
Figura 19.- Grfico Carrera Mxima por Pandeo (1)
Del grfico anterior se deduce que para una presin de servicio de 7 [bar]
y un dimetro de embolo de 125 [mm], se obtiene una fuerza aproximada de
8000 [N], lo que corresponde a 815.7 [kgf], y una carrera mxima por pandeo
para el vstago correspondiente de 800 [mm], por lo que el cilindro elegido
cumple con los parmetros de seleccin.
7. SELECCIN DE LA BOMBA
7.1 Determinacin del caudal de la bomba
Qbba= NxV Qbba = Caudal que debe suministrar la bomba
1000xvol N = RPM motor hidrulicoV = Caudal geomtrico motor
vol = Rendimiento volumtrico motor
Qbba= 44.3x6460,51000x0,981
Qbba= 291,743 [lt/min]
___________________________________________________________________________(1) Catlogo General de Productos Micro Automatizacin.
-
7/22/2019 calculo winche
38/149
31
Asumiendo un 5% por concepto de prdidas, en goteo lnea de pilotaje en caso
de operacin remota:
Qbba= 306,33 [lt/min]
7.2 Seleccin del Equipo (detalles anexo 3)
Bomba variable A4VSO 180 DP (pistones axiales a placa inclinada, con
regulador de presin a servicio en paralelo)
Tabla 9.- Caractersticas de la Bomba (1)
Tamao Nominal 180Cilindrada Vg mx. 180 cm
3
Velocidad mx. con P entrada 1bar n0mx 1800 min-1
Velocidad mx. admisible n0mx zul 2100 min
-1
Para n0mx 324Caudal mximoPara nE= 1500 min-1
qv0 mx270
lt/min
Para n0mx 189Potencia mx.Para nE= 1500 min-1
P0 mx158
Kw
Par mximo (P =350 bar) para Vg mx. 1002 N-mPar (P =100 bar) para Vg mx 286 N-mMto. Inercia sobre el eje J 0.055 Kgf-m2Volumen de llenado 4 lts
Figura 20.- Grafico de la Bomba (1
)
_________________________________________________________________________(1) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
39/149
32
Del grfico:
Para n= 1750 [min-1] y qv=306.3 [lt/min] se tiene:
Pservicio= 200 [bar] Potencia 110 [kW]
v = qvx1000 = 306,3 x1000
Vgxn 180 x1750
v = 0.972
8. SELECCIN DE TUBERIAS
A continuacin se presenta el dimensionamiento de las tuberas que componenel circuito, en base al caudal y presin de cada una y un valor de velocidad
recomendada para cada tipo. Cabe resaltar que el clculo de espesor de pared
presentado para las tuberas de retorno, goteo y drenaje, es una mera
formalidad, debido que la presin no supera mayormente los 5 [bar], y segn
catlogo, la menor presin de diseo de las tuberas de ms bajo espesor parten
de 130 [bar], como valor mnimo.
Dimetro Interior:
dint= 4.607 (V/w) V= caudal en [l/min]
w= Velocidad media en [m/s]
Tabla 10 .-Valores recomendados para velocidades de flujo en tuberas de
sistemas hidrulicos (1)
Tubera de Aspiracin Tubera de PresinViscosidad
cinemtica v[mm2/s]
w[m/s] Presin[bar]
w[m/s]
Tubera Retornow
[m/s]
150 0.6 25 2.5 bis 3 1.7 bis 4.5100 0.75 50 3.5 bis 450 1.2 100 4.5 bis 530 1.3 200 6
>200 con v=30
hasta 150 [mm/s}
_________________________________________________________________________(1)Training Hidrulico Compendio 3" Proyecto y Construccin de Equipos Hidrulicos Pg. 257
-
7/22/2019 calculo winche
40/149
33
Espesor de Pared:
Sv = dixP___ di = Dimetro interior
20 x k/s 2P P = Presin de trabajo
k = 235[N/mm
2
]( tubos de acero segn DIN2391-c)S= 1.5 (factor de seguridad)
8.1 Tubera de Aspiracin
dint= 4.607 (306.3/1.3)
dint= 70.7 [mm]
Espesor de pared: Debido a que la presin en la tubera de aspiracin no
excede a 1 [bar], es que el espesor puede ser mayor o igual a 1 [mm].
8.2 Tubera de Presin
dint= 4.607 (306.3/6)
dint= 32.91 [mm]
Sv = 32.91 x200___20 x 235/1.5 2x200
Sv = 2.4 [mm]
8.3 Tubera de Retorno
Caudal de retorno:
tot motor hid : Qret_ Qret = Caudal de RetornoQsum Qsum = Caudal suministrado
Qret = tot m h xQsum= 0.914 x306.3
Qret = 279.96 [l/min]
dint= 4.607 (279.96 /3.1)
-
7/22/2019 calculo winche
41/149
34
dint= 43.78 [mm]
Espesor de pared: Para esta lnea la presin no excede los 5 [bar], por lo tanto
se considera un Sv 2[mm]. (Por catalogo la presin de diseo de la tubera
seleccionada es de 134 [bar].) (detalles anexo 17)
8.4 Tubera de Drenaje
Caudal de Drenaje:
Qd = Qsum- Qret
Qd = 306.3 279.96 = 26.34
dint= 4.607 (26.34 /2)
dint= 16.71 [mm]
Espesor de pared: Para esta lnea la presin no excede los 2 [bar], por lo tanto
se puede considerar un Sv 2[mm].
8.5 Tuberas de Pilotaje
Para operar remotamente el block direccional desde el puente, la presin de
pilotaje mxima recomendada por el fabricante es de 20 [bar], para lo cual en la
lnea e debe instalar una reguladora de presin.
Vlvula reguladora de presin DR6DP (detalles anexo 8)
Mxima presin de trabajo : 315 [bar]
Mximo caudal de trabajo : 60 [lt/min]
-
7/22/2019 calculo winche
42/149
35
Figura 21.- Smbolo y Curvas Caractersticas de Reguladora de Presin (1)
La presin secundaria se regula a 20 [bar] para lo cual el caudal e entrada no
debe ser mayor de 60 [lt/min].
Por tal motivo se debe instalar una vlvula reguladora de caudal.
Vlvula Reguladora de Caudal Modelo MG (detalles anexo 7)
Mxima presin de trabajo : 315 [bar]
Mximo caudal de trabajo : 400 [lt/min]
Figura 22.- Smbolo y Curvas Caractersticas de reguladora de Caudal (1)
Se considera un caudal de salida de 45 [lt/min], con el objeto de utilizar la misma
unidad para el cilindro de freno.
Con los datos anteriormente presentados se determinan las dimensiones de las
lneas de pilotaje:
_________________________________________________________________________(1) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
43/149
36
8.5.1 Tubera de Presin
dint= 4.607 ( 45 /6)
dint= 12.62 [mm]
Sv = 12.62 x20___20 x 235/1.5 2x20
Sv 0.08 [mm]
8.5.2 Tubera de Retorno de Pilotaje
dint= 4.607 (45 /3.1)
dint= 17.55 [mm]
El retorno del pilotaje est dado por un flujo sin restricciones, por lo que al estar
conectada con la lnea de drenaje de la reguladora de presin, se considera sta
ltima como presin de clculo.
Sv = 17.55 x20___20 x 235/1.5 2x20
Sv 0.113 [mm]
8.6 Tuberas del Cilindro de Freno:
Para operar el cilindro de freno se debe instalar una vlvula reguladora de
presin similar a la utilizada en las lneas de pilotaje, considerando como presin
de secundaria 40 [bar]
8.6.1 Tubera de Presin
dint= 4.607 ( 45 /6)
dint= 12.62 [mm]
Sv = 12.62 x40___20 x 235/1.5 2x40
-
7/22/2019 calculo winche
44/149
37
Sv 0.16 [mm]
8.6.2 Tubera de Retorno
dint= 4.607 (45 /3.1)
dint= 17.55 [mm]
Se asume como presin de retorno la ejercida por el cilindro al retornar a su
posicin de resorte extendido.
Sv = 17.55 x40___20 x 235/1.5 2x40
Sv 0.23 [mm]
8.7 Eleccin de Tuberas
Del catalogo de tuberas y fittings hidrulicos Ermeto se seleccionaron las
siguientes tuberas.
Tabla 11.- Seleccin de tuberas (detalles anexo 17)Tubera Dimetro interior di
[mm]Espesor de pared Sv
[mm]Tubera seleccionada
dex SvAspiracin 70.7 1 88.9 x 5.49Presin 32.91 2.4 42 x 4Retorno 43.78 2 42x2Drenaje 16.71 2 22x2Presin Pilotaje 12.62 0.08 16x1.5Retorno Pilotaje 17.55 0.113 22x2Presin Freno 12.62 0.16 16x1.5Retorno Freno 17.55 0.23 22x2
9. PERDIDA DE PRESIN
Perdida de presin total:
PT= P+ P P= Prdida de presin por friccin
P= Prdida de presin por los elementos
-
7/22/2019 calculo winche
45/149
38
9.1. Tubera de Motor Hidrulico
9.1.1 Perdida de Presin por Friccin
P= x 1 xxw2
P/L=Prdida de presin por unidad de longitud de tubo.L di 2 = Valor de rozamiento
di = Dimetro interior del tubo
= Densidad del fluido hidrulico
w = Velocidad
Primero se debe calcular el valor del N de Reynolds ( Re).
Re= w x di v = Viscosidad cinemtica
v Re = Nmero de Reynolds
aceite= 880 [kgm/m3]89.7[kgf-s2/m4]
w = V__di
2x/4
w = 306.3 X103_342x/4 x60
w = 5.61 [m/s]
Re= 5.61 x34x103
36
Re= 5298.3
Tabla 12.- Rugosidad Interna de Tubos Hidrulicos(1)
TubosMaterialTipo Estado
Rugosidad absoluta ken [mm]
Sin soldaduraCalidad
comercial
Nuevo Capa de laminacin Decapado revestido
0.02 hasta0.060.03 hasta0.040.07 hasta0.10
Soldadolongitudinal
Nuevo Capa de laminacin Embetunado Galvanizado
0.04 hasta0.100.01 hasta0.05
0.008
Acero
Sin soldaduray soldado
longitudinal
Usado Oxidacin moderada o poca
costra0.1 hasta0.2
Relacin di/k = 34/0.04 = 850
-
7/22/2019 calculo winche
46/149
39
Figura 23- Valor del rozamiento en funcin del N de Reynolds (1)
Del grfico anterior se determina el valor del rozamiento en funcin del nmerode Reynolds Re.
= 0.038
Por lo tanto la prdida de presin por unidad de longitud es la siguiente:
P= 0.038 x 1 x89.7 [kgf s2] x 5.612 [m2]L 0.034 [m] [ m4 ] 2 [ s2 ]
P= 1577 [kgf/m3]
L
P= 0.1577 [kgf] x 1_ 0.1577 [bar/m]L [cm2] [m]
P= 0.1577 [bar/m]L
_________________________________________________________________________(1)Training Hidrulico Compendio 3" Proyecto y Construccin de Equipos Hidrulicos
-
7/22/2019 calculo winche
47/149
40
Aplicado a la situacin particular del remolcador:
Longitud de caeras desde power pack hasta control local:
L11.290 + 3.100 + 2.140 + 1.170
L17.700 [m]
Longitud de caeras desde control local hasta motor hidrulico:
L20.735 + 0.590 + 1.120
L22.445 [m]
L total10.145 [m]
L total+ 5% = 10.652 [m]
Figura 24.- Largo de Caeras desde Bombas a Motor Hidrulico
CONTROL LOCAL WINCHE
P= 10.652 [m] x0.1577 [bar/m]
P= 1.68 [bar]
-
7/22/2019 calculo winche
48/149
41
9.1.2 Perdida de Presin Debido a los Elementos
El elemento ms significativo en prdida de presin es el block direccional del
control local, que segn muestra el grfico de fabricante, para 306.3 [lt/min] entre
P y B o entre P y A es de aproximadamente 22 [bar].
Figura 25.- Cada de Presin v/s Caudal del Block direccional (1) (detalles anexo 4)
Por lo tanto la prdida de presin total es la siguiente:
PT= P+ P= 1.68 + 22
PT24 [bar]
Considerando la prdida de presin total, la bomba debe suministrar 224 [bar]
para lograr la presin requerida en el motor hidrulico.
Figura 27.- Grafico de la Bomba (1)
_________________________________________________________________________(1) Hydranor Hydraulics. Modular Unit 6MB Catalog(2) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
49/149
42
Del grfico:
Para Pservicio= 224 [bar] y qv=306.3 [lt/min] se tiene:
n1800 [min-1] y potencia 125 [kW]
v = qvx1000 = 306,3 x1000
Vgxn 180 x1800
v = 0.945
Una vez determinado los datos finales de la bomba se determina el caudal de
fuga (Vf) de la siguiente manera:
QTbba= Qbba = 306.3V 0.945
QTbba= 324.13 [lt/min]
Vf= QTbba- Qbba
Vf= 17.82 [t/min]
Por lo tanto la dimensin de la caera de fuga de la bomba es:
dint= 4.607 V/W
dint= 4.607 17.82 /3.1 (W=3.1 [m/s] de tabla 10)
dint= 11.04
Por lo tanto se selecciona una caera de 16 x 2 [mm]
-
7/22/2019 calculo winche
50/149
43
9.2 Tubera de Pilotaje
9.2.1 Perdida de Presin por Friccin
P= x 1 xxw2
P/L=Prdida de presin por unidad de longitud de tubo.L di 2 = Valor de rozamiento
di = Dimetro interior del tubo
= Densidad del fluido hidrulico
w = Velocidad
Calculo del N de Reynolds ( Re).
Re= w x di v = Viscosidad cinemtica
v Re = Nmero de Reynolds
aceite= 880 [kgm/m3]89.7[kgf-s2/m4]
w = V__di
2x/4
w = 45 X103_132x/4 x60
w = 5.65 [m/s]
Re= 5.65 x13x103
36
Re= 2040.3
Por lo tanto se utiliza el valor de es el siguiente:
= 64/Re
= 64/2040.3
= 0.031
Por lo tanto:
P= 0.031 x 1 x 89.7 x 5.652L 0.013 2
-
7/22/2019 calculo winche
51/149
44
P= 3414.1 [kgf/m3]
L
P= 0.34141 [kgf] x 1_ 0.34141 [bar/m]L [cm2] [m]
P= 0.3414 [bar/m]L
Aplicado a la situacin particular del remolcador:
Longitud de caeras desde derivacin de lneas de pilotaje, hasta puente y
regreso a control local:
L= 3550 + 2500x2 + 4500x2 + 780x2 + 1295x2 + 880
L= 26130 [mm]
L= 26.13 [m]
L total = L + 5%
L total = 27.45 [m]
P= 27.45 x 0.3414
P= 9.37 [bar]
9.2.2 Prdida de Presin Debido a los Elementos
Se selecciona la siguiente vlvula direccional de 4 vas, tres posiciones,
accionamiento manual y retorno por resorte:
Vlvula Direccional 4/3 4WMM6J5X/- (detalles anexo 5)
-
7/22/2019 calculo winche
52/149
45
Figura 28.- Caractersticas Vlvula direccional 4/3 4WMM6J5X/- (1)
Segn grfico P = 4.75 [bar]
PT= P+ P= 9.37 + 4.75 [bar]
PT= 14.12 [bar]
Debido a esto la reguladora de presin se debe ajustar considerando esta
perdida:
PRP35 [bar]
9.3 Tubera del Cilindro de Freno
9.3.1 Perdida de Presin por Friccin
P= x 1 xxw2 P/L=Prdida de presin por unidad de longitud de tubo.
L di 2 = Valor de rozamiento
di = Dimetro interior del tubo
= Densidad del fluido hidrulicow = Velocidad
_________________________________________________________________________(1) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
53/149
46
Clculo del N de Reynolds ( Re).
Re= w x di v = Viscosidad cinemtica
v Re = Nmero de Reynolds
aceite= 880 [kgm/m3]89.7[kgf-s2/m4]
w = V__di
2x/4
w = 45 X103_132x/4 x60
w = 5.65 [m/s]
Re= 5.65 x13x10336
Re= 2040.3
Por lo tanto se utiliza el valor de es el siguiente:
= 64/Re
= 64/2040.3
= 0.031
Por lo tanto:
P= 0.031 x 1 x 89.7 x 5.652L 0.013 2
P= 3414.1 [kgf/m3]L
P= 0.34141 [kgf] x 1_ 0.34141 [bar/m]L [cm2] [m]
P= 0.3414 [bar/m]L
-
7/22/2019 calculo winche
54/149
47
Aplicado a la situacin particular del remolcador:
Se determina la longitud de caeras desde la reguladora de presin, pasando
por la vlvula direccional ubicada en sala de mquinas hasta el cilindro:
L= 440 + 2540 + 2370
L= 5350 [mm]
L= 5.35 [m]
L total = L + 5%
L total = 5.62 [m]
P= 5.62 x 0.3414
P= 1.92 [bar]
Figura 29.- Largo de Caeras al freno
REGULADORA
DE PRESIN
CONTROL LOCAL WINCHE
-
7/22/2019 calculo winche
55/149
48
9.3.2 Perdida de Presin Debido a los Elementos
Electro-vlvula Direccional 4/2 4WE6C6X/EG24N9DL/ (detalles anexo 6)
Figura 30.- Caractersticas Electro-vlvula Direcc. 4/2 4WE6C6X/EG24N9DL/ (1
)
Segn grfico P = 4.75 [bar]
PT= P+ P= 1.92 + 4.75 [bar]
PT= 6.67 [bar]
Debido a esto la reguladora de presin se debe ajustar considerando esta
perdida:
PRP 45 [bar]
10. BALANCE TERMICO
En la conversin de energa y en el transporte de energa hidrulica en
hidrosistemas se originan prdidas de potencia en forma de calor. Este calor es
absorbido y transportado por el fluido.
_________________________________________________________________________(1) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
56/149
49
La potencia total de perdida PperdT de un hidrosistema se compone de las
siguientes prdidas individuales:
PV1= Rendimiento de los componentes
Se consideran las fugas internas de las bombas y motores, las cualesestn incluidas en el rendimiento de las mismas.
PV2= Fugas internas
No se consideran fugas internas por resquicios de vlvulas ya que no se
utilizaron vlvulas con caudal de fuga.
PV3= Estrangulaciones
Se consideran regulacin de caudales a travs estranguladores, cantos ydiafragmas de vlvulas en general
PV4= Resistencias a la circulacin
Se consideran prdidas por rozamiento en tuberas.
PperdT = PV= PV1+ PV2 + PV3 + PV4
10.1 Perdidas de Potencia Debido al Rendimiento de los Componentes (PV1)
PV1= V xP_ [kW] V = caudal total en [dm3/min]
600 x P = sobrepresin en bar
= Rendimiento total del componente
Bomba:
Figura 31.- Cada de Presin de la Bomba (1
)
_________________________________________________________________________(1) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
57/149
50
PV1B = 16.8 x2.3_ [kW]600 x 0.945
PV1B = 0.068 [kW]
Motor Hidrulico
Figura 32.- Cada de Presin del Motor Hidrulico (1)
PV1M = 5.5 x7 _ [kW]600 x 0.981
PV1M = 0.065 [kW]
PV1 = PV1B+ PV1M
PV1 = 0.133 [kW]
10.2 Perdidas de potencia por Estrangulaciones en Vlvulas (PV3)
PV3= V1xP1 + V2xP2 + VnxPn_ [KW]600 600 600
Vn= caudal que fluye por el correspondiente estrangulador [dm3/min]
Pn= Cada de presin reinante en el correspondiente estrangulador [bar]
Block Direccional
PV3BD= 306.3 x 22600
PV3BD= 11.231 [kW]
_________________________________________________________________________(1) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
58/149
51
Vlvula Reductora de Presin Lnea de Pilotaje
PV3RP= 45 x 9600
PV3RP= 0.675 [kW]
Vlvula Reguladora de Caudal
PV3RC= 45 x 5.2600
PV3RC= 0.39 [kW]
Vlvula Direccional de Pilotaje
PV3DP= 45 x 4.75600
PV3DP= 0.356 [kW]
PV3 = PV3BD + PV3RP + PV3RC + PV3DP
PV3 = 12.652 [kW]
10.3 Perdidas de Potencia por Resistencias de Circulacin (PV4)
PV4= V xP V = caudal total en [dm3/min]
600 P = Cada de presin [bar]
Suma de todos los valores.
Los valores que se presentan a continuacin corresponden al clculo efectuado
en punto 9.-
-
7/22/2019 calculo winche
59/149
52
Lnea de presin
PLP= 1.68 [bar]
PV4 LP= 306.3 x 1.68600
PV4 LP= 0.858 [kW]
Lnea de presin de pilotaje
PLPP= 9.37 [bar]
PV4LPP= 4.5 x 9.37600
PV4 LPP= 0.703 [kW]
PV4= PV4 LP + PV4 LPP
PV4= 1.561 [kW]
Por lo tanto la potencia de prdida total es la siguiente:
PperdT = PV= PV1+ PV3 + PV4
PperdT = 14.346 [kW]
10.4 Temperatura de Rgimen:
T2= PperdT + T1 PperdT = Potencia de prdida total en [kW]
K xA A = rea radiante del depsito [m2]
K = Conductibilidad trmica (0.01 [kW/m2])
T1 = Temperatura ambiente en [C]
Primero se debe determinar la capacidad del estanque y su superficie radiante.
-
7/22/2019 calculo winche
60/149
53
La capacidad del estanque se determinar segn la siguiente frmula.
VTK= 3 xV VTK = Capacidad del estanque en [lt]
V = Caudal de la bomba en [lt/min]
VTK= 3 x306.3
VTK= 918.9 [lts] = 918900 [cm3]
Por lo tanto las dimensiones del estanque sern:
Lo que da un volumen aproximado de 925.65 [lt]
De esta forma la superficie del estanque ser:
A= 2 x 1.65 x 0.85 + 2 x 1.65 x 0.66 + 2 x 0.66 x 0.85
A= 6.105 [m2]
Considerando una temperatura ambiente de 20C se tiene:
T2= 14.346 + T10.01 x6.105
T2= 253.35C
Esto significa que se debe incorporar un intercambiador de calor
10.5 Seleccin del Intercambiador de Calor
Calor entregado = Calor extrado
PperdT = PW PB= Calor a ser evacuado por el depsito
PK= Calor a ser evacuado por un intercambiador de calor
PW= PB+ PK
-
7/22/2019 calculo winche
61/149
54
Para una temperatura de rgimen T2= 45C y una temperatura ambiente de
20C, el calor evacuado por el depsito ser el siguiente:
PB= (T2 T1) xK xA = (45 20) x0.01 x6.105
PB= 1.526 [KW]
El calor que puede extraer un intercambiador es el siguiente:
PK= PperdT PB= 14.346-1.526 = 12.82 [kW]
PK= 12.82 [kW]
Considerando el siguiente circuito de enfriamiento de agua de mar para el
remolcador y los siguientes supuestos como datos de entrada del motor principal.
TSW =15 [C] Dif. de temperatura en los enfriadores de agua de chaqueta
P =0.65 [bar] Resistencia en la descarga de agua de mar de la bomba.
TSWe= 12C Temperatura de agua de mar de entrada
TSWs= 27C Temperatura de agua de mar de salida
Figura 32.- Esquema del Circuito de Enfriamiento del Barco
En base a la potencia a dispar por el intercambiador de calor se selecciona el
siguiente:
Azcue Serie CHO 116.
-
7/22/2019 calculo winche
62/149
55
Para lo cual se debe considerar los siguientes factores de correccin en la
potencia a disipar en funcin de la temperatura de entrada de agua, cuando sea
distinta a 35.
Tabla 13.-
Factores de Correccin de Temperatura de Entrada de Agua al Intercambiador(1)T entrada de agua 20C 25C 30C 35C 40C 45CFactor de correccin 1.75 1.4 1.17 1 0.875 0.78
Interpolando de la tabla se tiene que para 27C el F.C. = 1.308
Por lo cual la potencia de disipar para efectos de clculo ser:
PKC = PKx F.C.
PKC = 12.82 x 1.308
PKC = 16.769 [kW]
El diagrama adjunto se basa en parmetros de temperatura de entrada de agua
igual a 35C, y viscosidad del aceite entre 20 y 37 cSt.
Figura 33.- Potencia Disipada v/s Caudal Agua/Aceite del Intercambiador (1
)
_________________________________________________________________________(1) Bombas Azcue S.A. Catlogo de Intercambiadores de Calor
-
7/22/2019 calculo winche
63/149
56
Segn el diagrama correspondiente al intercambiador de calor CHO116-G9, se
determina un caudal de agua de enfriamiento de aproximadamente 53 [lt/min] y
un caudal de aceite de aproximadamente 124 [lt/min].
10.6 Determinacin del Caudal de Agua de Enfriamiento
Considerando 1600 RPM del motor como rgimen normal y constante de
operacin, se determina del grafico adjunto el siguiente caudal para la bomba
auxiliar acoplada de agua de mar del motor: (detalles anexo 13)
Figura 34.- Caudal v/s Resistencia Externa de Bomba Auxiliar Motor Principal (1)
VBMP= 560 [lt/min]
Lo que equivale a 0.0093 [m3/min], con una velocidad mxima en la tubera dedescarga de 3 [m/s] se tiene un dimetro interior de Di= 62.926 [mm]. Para lo
cual con una tubera de 3 sch 40 (88.9 x 5.65), se tiene un dimetro interior de
77.6 [mm] .
Teniendo en cuenta que el caudal de agua necesario para el intercambiador es
un 9.5% del caudal de la bomba y considerando como supuesto en el caso ms
desfavorable que la resistencia a la circulacin de la derivacin al enfriador es un
100% mayor que la continuacin de la lnea principal al costado, es que sedetermina el siguiente dimetro interior para dicha caera:
_________________________________________________________________________(1) Caterpillar 1993. Caterpillar 3500 Marine Propulsion Engine Performance
-
7/22/2019 calculo winche
64/149
57
Die= Dix10% x2
Die= 15.52 [mm]
Considerando las menores dimensiones del enfriador seleccionado se determinauna caera de 1 sch 40 (33.4 x3.38), lo que nos da como dimetro interior:
Die= 26.64 [mm]
Ante la dificultad de regular exactamente el caudal de enfriamiento es que se
instala en la lnea de entrada al enfriador un flujmetro.
10.7 Determinacin del Caudal de Aceite
Debido a que el caudal de retorno es muy elevado, es que esta caera se deriva
directamente al estanque, y se instala una bomba que haga circular el aceite
desde la zona caliente del estanque a la zona intermedia, como se muestra en la
figura:
Figura 35.- Esquema del Sistema de Retorno de Aceite a Travs del Enfriador
Se selecciona una bomba de tornillo para aceite, ya que garantiza un bombeo del
fluido sin pulsaciones ni turbulencia, para evitar as emulsin del aceite, todo esto
en base a los requerimientos de caudal para el enfriador, segn muestra el
cuadro de datos tcnicos de la bomba.
-
7/22/2019 calculo winche
65/149
58
Tabla 14.- Caractersticas Tcnicas de la Bomba Seleccionada (1)
Teniendo en cuenta una prdida de carga de aceite obtenida interpolando
valores del grfico del enfriador, de aproximadamente 0.65 [bar], y considerando
una carga de 8 [bar] en la bomba para lograr tener un caudal de 124 [lt/min], esque al momento de regular el paso del aceite al enfriador a travs de la vlvula
de bola en la descarga, el manmetro de la bomba debe marcar 8.65 [bar].
De todas formas al momento de la puesta en marcha se deben verificar las
temperaturas de trabajo y constatar las diferencias, a fin de regular los caudales
respectivos mediante las vlvulas dispuestas para ello.
11. LARGADA DE EMERGENCIA (QUICK RELEASE)
El sistema de largada de emergencia o quick release se define como la largada
del cable ante una emergencia que ponga en riesgo al remolcador an en
condiciones de black out. En dicha situacin se debe liberar el freno y el
embrague del tambor, con el objeto de largar cable en su totalidad.
Es por tal motivo que las vlvulas de freno y embrague son operadas
elctricamente con poder de 24V DC, que se encuentran conectadas al banco de
bateras del barco, de manera de poder operar en caso de un black out.
11.1 Liberacin del freno
Para la liberacin del freno se considera un acumulador hidrulico de vejiga que
almacene la energa suficiente para proporcionar el volumen de aceite y la
presin necesaria para liberar el freno.
_________________________________________________________________________(1) Bombas Azcue S.A. Catlogo de Bombas de Tornillo Serie B.T.
-
7/22/2019 calculo winche
66/149
59
Segn el lugar de instalacin del acumulador, este debe proporcionar la presin
de apertura del cilindro ms las prdidas calculadas para efectos de la
reguladora de presin y el volumen de llenado del cilindro ms un 25% por
concepto de volumen de las tuberas:
P1 = 45 [bar]
P2 = 100[bar]
V= VLLCx1.25
V= 5.2 x1.25
V= 6.5 [lt]
P0= Presin de llenado de la cmara de gas sin influencia de presin en la cmara de fluido.
P1= Presin mnima requerida de trabajo, normalmente10%>P0
P2= Mxima sobrepresin del sistema (en este caso es segn la sobrepresin que se regule)V0= Volumen efectivo del gas a presin de llenado
V = Volumen utilizable
Determinacin de la presin de llenado de gas:
P0= 0.9 xP1= 0.9 x45 = 47.7 [bar] = 40.5 [bar]
Determinacin del volumen requerido de gas:
V0 = V__ __
(P0/P1)0.714- (P0/P2)0.714
V0 = 6.5__ ___
(40/45)0.714- (40.5/100)0.714
V0 = 16.13 [lt]
Clculo de la presin de llenado de gas a temperatura ambiente
Se tiene considerado 20C como temperatura ambiente y 45C como
temperatura de rgimen, por lo tanto, para que exista una presin de 40.5 [bar] a
una temperatura de 45C, el acumulador se debe cargar con una presin menor
a 20C.
-
7/22/2019 calculo winche
67/149
60
P0(T0)= P0(TR)xT0
TR
P0(20C)= 40.5 x 20 + 27345 + 273
P0(20C)= 37.3 [bar]
P0(20C)38 [bar]
De esta forma se selecciona el siguiente acumulador con su sistema de
seguridad (vlvula de sobrepresin):
Acumulador hidrulico con block de seguridad Rexroth ABSBG-B20/SS30-U-100CM/C (detalles anexo 9)
Acumulador de vejiga
Capacidad: 20Lts
Ajuste vlvula sobrepresin: 100[bar]
Figura 36.- Smbolo y Descripcin del Acumulador (1)
11.2 Liberacin del Embrague:
El sistema de embragado, al ser neumtico, es decir estar conectado al
acumulador de presin del sistema de aire comprimido del barco, siempre tendr
disponible la energa necesaria para efectuar el desembragado. Basta con la
adecuada conexin de la vlvula solenoide al banco de bateras del barco, con el
objeto de poder operar en caso de un black out.
_________________________________________________________________________(1) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
68/149
61
12. SELECCIN DEL FLUIDO HIDRAULICO
El fluido hidrulico se seleccionar de acuerdo a las exigencias de los principales
componentes del sistema, que en este caso son las bombas y motor hidrulico.
Segn catlogos del fabricante se tiene lo siguiente:
Figura 37.- Diagrama de Seleccin de Aceite para la Bomba (1)
Figura 38.- Diagrama de Seleccin de Aceite para el Motor (1)
De ambos grficos se deduce que a una temperatura de rgimen de 45C y una
viscosidad de 36 [mm2/s], el aceite recomendado es un ISO VG 46.
_________________________________________________________________________(1) Bosch Rexroth Group, Hydraulic Components for industrial applications
-
7/22/2019 calculo winche
69/149
62
De acuerdo a catlogos, la viscosidad para este tipo de aceite es de 46 [mm2/s] a
40C, por lo que se escapa del rango ptimo para la bomba, por lo cual se
selecciona el siguiente aceite hidrulico:
Tabla 15. Aceite Hidrulico Shell Tellus 37 (1
) (detalles anexo 12)
Este aceite se encuentra en el lmite superior de lo exigido por la bomba, pero
considerando que la temperatura de rgimen es de 45C, se interpolan los
valores de viscosidad para 40C y 100C, lo que da una viscosidad aproximada
de 34.5 [cSt], mantenindose dentro del rango establecido para la bomba y el
motor.
13. DETERMINACIN Y DESCRIPCIN DEL CIRCUITO (*)
13.1 Bombas
El circuito est determinado principalmente por dos bombas de pistones axiales a
placa inclinada para circuito abierto, una principal (1) y la segunda stand by (2),
estas son las encargadas de levantar la presin y caudal necesarios para el
funcionamiento del sistema. En caso de emergencia se pueden utilizar las dos
bombas simultneamente sin un aumento de presin, debido a que se incorpor
un dispositivo regulador de presin para servicio en paralelo. De esta forma se
tiene un aumento del caudal y por consiguiente un aumento en la velocidad del
motor. Hay que tener en cuenta que el circuito no esta diseado para tanto
caudal, lo que conlleva un aumento en la temperatura del aceite. De todas
formas, al estar sobredimensionado el circuito de enfriamiento, se pueden
efectuar regulaciones del caudal de agua.
_________________________________________________________________________(1) Shell 2003/2004. Gua de Lubricantes(*) Todos los nmeros o letras entre parntesis o comillas estn referidos al plano del sistema adjunto en esta tesis
-
7/22/2019 calculo winche
70/149
63
13.2 Motor Hidrulico
El movimiento del tambor del winche esta dado por un motor hidrulico de
pistones radiales (3) controlado por un block direccional Hydranor 6MB-320-1-
2C (5) ubicado en a un costado de ste como control local. Este block funcionade la siguiente manera:
Virado:
La presin entra por P, y pilotea a travs de PB y Z la vlvula compensatoria
de caudal B sobre la vlvula direccional F. El fluido sigue por el puerto A de
la vlvula direccional F en direccin de la contrabalanza C, que se mantiene
normalmente cerrada, por lo que su direccin normal es a travs de la vlvulaantirretorno CA, para finalmente salir por el puerto A del block. El caudal hace
actuar el motor y el retorno vuelve por el puerto B del block para pasar directo al
puerto T del mismo en direccin del estanque. Dentro de su paso parte del
fluido pasa por la vlvula de cambio PC la cual transmite presin al puerto V
donde se instalar un manmetro para control local.
Arriado:
La presin sigue el mismo camino descrito anteriormente hasta la vlvula
direccional F, que en esta ocasin, se encuentra en posicin de salida por
puerto B, en direccin del puerto B del block, pasando parte de ese caudal al
pilotaje de apertura de la contrabalanza C, permitiendo que el caudal de retorno
pase y salga finalmente por el puerto T del block.
El propsito de la contrabalanza es evitar una largada del cable al momento del
arriado, es decir, mantener bajo control una carga mnima equivalente al peso delcable. Si este peso, o alguna fuerza externa hace virar el tambor mas rpido de
la velocidad de arriado, el motor actuara como bomba y se producira una cada
de presin en la lnea de pilotaje de la contrabalanza, por lo cual esta se cerrara
impidiendo el retorno del fluido y por consiguiente la detencin del motor.
El block posee un sistema de control de flujo compensatorio de presin
compuesto por el conjunto de vlvulas PB, B, Z, PA, PC y F. Este
sistema tras sensar presin en la lnea A o B despus de la vlvuladireccional, compensa para cambios de carga un flujo constante a travs de la
-
7/22/2019 calculo winche
71/149
64
vlvula direccional, es decir el flujo al motor se mantiene constante independiente
de la carga que tenga ste. Este flujo depende de la fuerza inducida por el
pilotaje sobre el resorte del compensador B, un resorte regulable en la vlvula
de alivio o vlvula de pilotaje compensatorio PA y la presin en la lnea A o B
a travs de la vlvula de cambio PC. En la medida que se regule el resorte dela vlvula PA, se puede regular el caudal sobre el motor.
La vlvula de seguridad D deber ser ajustada a la presin e trabajo, y funciona
tanto para el modo de virado como para el arriado cuando se produce una carga
que haga trabajar el motor como bomba, de la manera descrita anteriormente.
El block direccional (5) antes mencionado tiene la opcin de se pilotado
hidrulicamente desde el puente de gobierno a travs de una vlvula direccionalde cuatro vas y tres posiciones, la cual debe quedar en el mismo sentido que el
accionamiento manual del control local, es decir en una funcin lgica, cuando se
muevan las palancas, tanto del puente como local, hacia proa, el winche debe
arriar, y cuando se muevan hacia popa, debe virar.
13.3 Freno
El control del freno se realiza alternativamente a travs de una electro-vlvula decuatro vas dos posiciones (7), con botonera desde el puente o desde el control
local. Al momento de operar con el winche se debe liberar el freno.
13.4 Enfriamiento
El caudal de retorno es demasiado alto para pasar por el enfriador (13), por lo
que se lleva directamente al estanque, de donde se dispone de una bomba (14)
para circulacin de aceite, a un caudal ms bajo, para que pase a travs delenfriador y vuelva al estanque en zona intermedia. El enfriamiento se ha
dispuesto de la descarga de agua de mar del sistema principal de enfriamiento
de los motores.
13.5 Largada de Emergencia (Quick Release)
La largada de emergencia se puede realizar simplemente con operar las vlvulas
del freno (7) y del embrague (18), pero segn lo exigido por las normas, se hadispuesto de un botn con cubierta para evitar accionamiento involuntario, tanto
-
7/22/2019 calculo winche
72/149
65
en el puente como en el control local. Este botn acciona las electro-vlvulas del
freno y embrague, llevando estos elementos a posicin desfrenado y
desembragado respectivamente, adems de la vlvula de alivio (12) que libera la
energa del acumulador (11), el cual provee de la presin y volumen de aceite
necesario para el desfrenado en caso de falla de energa o de las bombas.
13.6 Elementos de regulacin
Se establecen distintos elementos de regulacin para presin y caudal, debido a
que lo distintos elementos instalados para comandar los dispositivos tiene ciertas
restricciones como se describieron en los puntos precedentes.
Una reguladora de caudal (10) para la vlvula direccional dispuesta para elpilotaje del block principal (5) y para regular la velocidad de apertura del cilindro
de freno (4).
Una reguladora de presin (8) para el pilotaje 2 del block direccional (5) segn
restricciones del fabricante y otra (9) para la presin del freno. Ambas limitadas
por el caudal proporcionado por la vlvula dispuesta para ello (10).
13.7 Elementos de Seguridad, Proteccin y Control
Vlvulas de Alivio
Una vlvula de alivio (17) para proteccin de las bombas, en caso de obstruccin
de la salida de presin, y una (16) para proteccin del circuito contra cargas
externas u obstrucciones, ambas ajustadas a la presin de trabajo 224 [bar].
Un block de seguridad para el acumulador (12) con una vlvula de alivio ajustada
a 100[bar], ms una vlvula de alivio manual (color negro).
Indicadores de Presin
Manmetros de control en el puente y control local para freno, embrague y motor
y manmetro con vlvula de aislamiento (18) para medir presin a la salida de las
bombas.
-
7/22/2019 calculo winche
73/149
66
Filtros
Filtro de retorno (15) Rexroth ABZFR-D0450-10-10/M con indicador de
obturacin visual ABZFV-RV2-1X/M para montaje directo al estanque.
Su dimensionamiento va de acuerdo a las exigencias de filtrado de los elementos
componentes del circuito, como es la bomba, motor hidrulico, vlvulas. Estos
segn catlogo del fabricante se encuentran en el rango de NAS 9, SAE 6 y/o
ISO 18/15, por lo cual se determina un filtro de finura mnima 10 m para un
caudal de retorno de 280 [lt/min]
Tabla 16.-(1) Tabla 17.-(1)
Finura de Filtro absoluta recomendadaPara diversos componentes hidrulicos Comparacin entre clases de pureza
Un filtro (21) de llenado que cumple adems funciones de ventilacin del
estanque.
Indicadores de Nivel
Un nivel visual en el costado del estanque N1 y un nivel de flotador magntico
N2 con conexin de alarma de bajo nivel de aceite.
Indicadores de Temperatura
Un termmetro en el costado del estanque T1 y un termostato de alarma por
alta temperatura T2.
ISO DIS 4406o
Cetop RP 70H
Partculaspor ml
> 10 m
ACFTDContenido deSubst. Slidas
mg/l
MIL STD1246 A(1967)
NAS1638
(1964)
SAE749 D(1963)
26/23 140000 100025/23 85000 100023/20 14000 100 70021/18 4500 1220/18 2400 50020/17 2300 1120/16 1400 1019/16 1200 1018/15 580 9 617/14 280 300 8 516/13 140 1 7 415/12 70 6 314/12 40 20014/11 35 5 213/10 14 0.1 4 112/9 9 3 0
18/8 5 210/8 3 10010/7 2.3 110/6 1.4 0.019/6 1.2 08/5 0.6 007/5 0.3 506/3 0.14 0.0015/2 0.04 25
Clase dePureza
Componentes HidrulicosNAS1638
ISODIS
4406
Finura defiltrado
recomendadaen m
Bombas de engranajes 10 19/15 20Cilindros 10 19/15 20Vlvulas Direccionales 10 19/15 20Vlvulas de Seguridad 10 19 /15 20Vlvulas Estranguladoras 10 19/15 20Bombas de Pistones 9 18 /14 10Bombas de Paletas 9 18/14 10Vlvulas de Presin 9 18/14 10Vlvulas Proporcionales 9 18/14 10Servovlvulas 7 17/13 5Servocilindros 7 17/13 5
_________________________________________________________________________(1)Training Hidrulico Compendio 3" Proyecto y Construccin de Equipos Hidrulicos
-
7/22/2019 calculo winche
74/149
67
Vlvulas de Operacin y Mantencin
Vlvula de bola de alta presin V1 de comunicacin de lneas de presin y
retorno, ubicada en el punto mas bajo del circuito y sobre el estanque, con el
objeto de drenar el circuito en caso de mantencin.
Vlvulas de bola de baja presin V2 para la succin de las bombas, ubicadas
en la parte inferior del estanque, con el propsito de cortar el suministro de
aceite a las bombas para su mantencin.
Vlvulas de bola de baja presin V3, ubicadas en la lnea del filtro de retorno,
enfriador y bomba, con el fin de poder hacer mantencin y limpieza del filtro y
circulacin por el enfriador, o limpieza del enfriador y circulacin normal por elfiltro.
Vlvula antiretorno R1, instalada en la lnea de presin del freno, con el objeto
de evitar una fuga de aceite a travs del drenaje de la reguladora de presin (9)
por fuerzas externas en el cilindro.
Vlvula antirretorno R2 y R3, instaladas una en la lnea de presin del
acumulador y la segunda en la lnea de presin del cilindro, de manera demantener la presin del acumulador.
Calefactor para aceite C1 ubicado en el estanque, con el propsito de alcanzar
la temperatura de rgimen al momento de operar el equipo, conectado con un
termostato de encendido a los 35C y parada a los 45C..
Compensadores y Mangueras
Los elementos vibratorios o con movimiento, como motor, bombas y cilindro,
deben tener conexiones flexibles para amortiguar las vibraciones y movimiento
hacia los elementos rgidos, que en este caso son las caeras.
En la lnea de succin de las bombas se utilizarn compensadores con flange, de
acuerdo a la dimensin de la caera utilizada, la cual no es caera hidrulica.
-
7/22/2019 calculo winche
75/149
68
En la lnea de presin de las bombas, as como en todas las conexiones del
motor hidrulico y cilindro de freno, se utilizarn mangueras de alta presin para
aceite.
Limit switch
El sistema de embrague posee un limit switch de proximidad que indicar a
travs de una luz, tanto en el puente como en el control local cuando el sistema
est embragado.
13.8 Depsito de Aceite
Como se mencion anteriormente, el volumen del estanque corresponde aaproximadamente 3 veces el caudal de la bomba para uso de aceites minerales.
El depsito se instalar como un conjunto con las bombas y tendr las siguientes
caractersticas aparte de las mencionadas en el punto anterior:
1. Tapa de registro que permita la limpieza de todo el estanque.
2. Posillo para drenaje con vlvula y tapn
3. Placas deflectoras para dividir la zonas de retorno y succin de la bomba
de enfriamiento, retorno de la bomba de enfriamiento y la succin del
sistema.
Figura 39.- Esquema del Conjunto del Power Pack
-
7/22/2019 calculo winche
76/149
69
14. PUESTA EN MARCHA
14.1 Limpieza del Estanque
Una vez efectuada la instalacin del los elementos que componen el circuito y lasconexiones del estanque se encuentran instaladas, los equipos, tales como
filtros, niveles visuales, termostatos, calefactores, etc. deben ser retirados, con el
objeto de proceder con la limpieza del estanque.
Existen pinturas compatibles con los fluidos hidrulicos, pero generalmente los
estanques que almacenan hidrocarburos se dejan sin pintura, es decir la plancha
viva. Esto sobretodo en un estanque que est constantemente sometido a
cambios de temperatura y flujo dentro de ste, as en la zona de descarga delaceite como en la succin de la bomba de enfriamiento y de las principales, que
es donde se produce mayor desgaste debido a los vrtices producidos por la
succin.
De esta forma se procede a la limpieza del estanque por dentro, generalmente
con disco lija hasta dejar metal blanco, para posteriormente con un pao libre de
pelusas sacar hasta la ltima partcula metlica o de suciedad que pueda quedar,
y as finalmente con otro pao libre de pelusas aceitar las paredes del estanquepara evitar corrosin por humedad del ambiente.
Una vez terminada la limpieza se procede a inspeccin y cierre, con todos los
elementos que en un principio se sacaron.
14.2 Lavado del Circuito (Flushing)
Durante el montaje puede haber penetrado suciedad en las tuberas y piezasconstructivas. Por este motivo resulta necesario eliminar la suciedad mediante el
lavado de la instalacin, a fin de evitar una reduccin de la vida til de los
distintos equipos y por la propia exigencia de filtrado de stos.
Durante el lavado se enva fluido hidrulico a gran velocidad a travs del sistema,
provocando que las partculas de suciedad sean arrastradas y puedan extraerse
mediante un circuito de filtracin independiente.
-
7/22/2019 calculo winche
77/149
70
La velocidad del fluido deber ser en lo posible el doble a la suministrada
normalmente por el sistema, y una temperatura de al menos 60C para aceites
minerales.
Para este efecto se debe contar con una unidad de lavado o grupo hidrulico,consistente en un conjunto compuesto por lo siguiente:
1. Una bomba de alto caudal conectada a un depsito de aceite, con
conexiones para manguera.
2. Una vlvula de alivio y una reguladora de presin, con el objeto de no
sobrepasar niveles que puedan ser dainos para el sistema.
3. Una vlvula reguladora de caudal.
4. Un calefactor de manera de alcanzar la temperatura de lavado.
5. Un tablero de energa y control para la operacin de la unidad.
6. Un filtro de retorno conmutable con indicador de obturacin, de manera de
ir cambiando los filtros a medida que se vayan saturando, sin interrumpir el
lavado del circuito.
14.2.1 Preparacin de la Instalacin para el Lavado
Aquellas piezas que pudiesen sufrir deterioros durante el lavado debern
sustituirse por accesorios adecuados o evitarse mediante tuberas o mangueras
de desvo.
Se proceder a lavar el circuito por partes, con el fin de lograr un mejor lavado y
asegurar un flujo total y constante por las caeras.
Circuito de Presin y Retorno: Se conectarn las dos lneas de presin de las
bombas a la unidad de lavado, se evitar el motor hidrulico con una manguera
de unin, y el block direccional P con A y B con T.
Se aislar el circuito de presin y retorno de las dems lneas, mediante tapones
dejando fuera las vlvulas de alivio (17) y (16), y se mantendr cerrada la vlvula
V1. Desconecta el filtro de retorno llevando esa lnea al estanque de la unidad
de lavado.
-
7/22/2019 calculo winche
78/149
71
Para esto la unidad de lavado deber ajustarse aproximadamente a 600 [lts/min]
Circuito de Pilotaje, accionamiento del cilindro y goteo: Se conectar la lnea de
pilotaje sacando la reguladora de caudal a la presin de la unidad de lavado, se
evitar la vlvula reguladora de presin (8) conectando P con A, la vlvuladireccional del puente (6) conectando P con A y B con T, el block
direccional (5) conectando X con Y, el cilindro de freno (4) conectando la lnea
de goteo del motor con la lnea de presin del cilindro, la vlvula direccional del
freno conectando B con T, y la salida de esta de retorno a la unidad de
lavado. El resto del circuito se aislar mediante tapones.
Para esto la unidad de lavado deber ajustarse aproximadamente a 100 [lts/min]
Circuito de indicadores de presin: Se conectar la lnea del manmetro del
control local del motor hidrulico a la presin de la unidad de lavado, se unen las
lneas de los manmetros del puente del cilindro de freno y motor, y la lnea de
del manmetro del control local del freno al retorno de la unidad de lavado.
Para esto la unidad de lavado deber ajustarse a aproximadamente 100 [lts/min]
Las dems lneas de interconexin de los elementos (11), (12), (9), (7), (8), (16) y(10), slo se efecta una limpieza de taller, mediante una laucha que consiste
en un alambre que en su extremo tiene un pao libre de pelusas baado en
aceite. Esto debido a que por montaje estas lneas son demasiado cortas, y si se
efecta una limpieza e instalacin con pulcritud, controlada con la debida
su