Diseño de un árbol agitador con aspas

Primer parcial de Diseño Mecatrónico:
Diseño de una árbol agitador con aspas para
procesamiento de aceite
Eduardo O. Luna Silva, Facultad De Ingeniería.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

I.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En una planta de procesamiento de aceites se desea construir un tanque de proceso con agitador
de aspas, el agitador consiste en un árbol vertical con tres conjuntos deaspas rectangulares
verticales. El árbol está apoyado en dos rodamientos, uno en el fondo y uno en la tapa del tanque.
Trabajará en las siguientes condiciones, se llena con producto hasta alcanzar un nivel de 4.5 m,
este proceso de llenado se tarda 3.5 horas. El producto se agita dentro del tanque durante tres horas
y luego el tanque se vacía hasta alcanzar un nivel de 1 metro, este proceso devaciado se tarda 1.5
horas, luego de las cuales, se reinicia el proceso de llenado. El tanque se mantiene en
funcionamiento durante 24 horas diarias, agitando el producto.
Es necesario diseñar un árbol que posea mínimo tres escalones de diámetro y que sostenga la
configuración de aspas requerida, para el diseño se debe trabajar con un factor de seguridad
mínimo de 2 para todo tipo de falla,considerando una garantía de servicio de diez años, las aspas
se unen a una manzana mediante barras. Cada manzana es arrastrada por el árbol por chaveta
paralela.

II.

ESPECIFICACIONES Y DETALLES DEL ARBOL

Para poder realizar el correcto diseño de el árbol es necesario tener muchos factores en cuenta,
estos se mencionaran más adelante y se mostrara el resultado de cada uno de loscálculos
necesarios, por ahora solo es importante resaltar el hecho de que se debe seleccionar un material
lo suficientemente resistente para que pueda soportar los respectivos concentradores de esfuerzos
que se generan en los escalones que se nos piden el problema.
Para diseñar es necesario tener conocimiento de algunas dimensiones, y especificaciones que
corresponden al funcionamiento ycomportamiento de las partes que componen todo el sistema,
esto con el fin de buscar los materiales, medidas y partes que se calcularan mediante el transcurso
del proceso de diseño, lo ideal es buscar que estas variables estén estandarizadas.
Tenemos que sobre las aspas que están conectadas a nuestro eje se está ejerciendo una fuerza de
arrastre ocasionada por el aceite, podemos calcular una magnitudpara dicha fuerza y tomaremos
como primera consideración que se omitirá la fuerza de arrastre sobre las varillas que sostienen las
aspas al eje, ya que el área que estas ocupan es despreciable en comparación con la de las aspas.

Para el correcto manejo de la información, a continuación se muestra una tabla en la cual se
almacenan los datos más relevantes en cuanto al diseño del tanque y eleje respecta, como se
mencionó antes, el factor de seguridad con el que se trabajara es de 2.

Tabla 1: Especificaciones de Diseño.
Los datos que se muestran en la tabla se complementan con los siguientes diagramas para el
correcto diseño que se desea realizar, en estos se muestra la disposición de engranajes y las
dimensiones de altura del tanque, así mismo de las ubicaciones de las manzanasque sostienen las
aspas en el eje, también se muestra la distribución de fluido a lo largo de un ciclo.

Figura 1: Dimensiones del tanque, distribución de poleas.

Figura 2: Ciclos de trabajo a los que se somete el eje.
En la figura 2 se muestra la tabla correspondiente a condiciones de trabajo y junto a ella una gráfica
que muestra la altura a la que llega el fluido a lo largo de dosciclos de trabajo, en el primero se
supone el tanque vacío, por lo tanto la altura del fluido es cero, a partir del segundo si se mantiene
el fluido a un metro como mínimo, este diagrama es útil a la hora de calcular las cargas alternantes,
el cálculo del número de ciclos se realizó teniendo en cuenta que un año posee 365 días, podemos
ver que es necesario analizar el árbol mediante un método...