Gran Telescopio de Canarias, S.A.

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1 Doc, Proyecto Resorte TITULO <PROYECTO RESORTE Compuerta grande de observación del GTC> Código : <Código> Edición : <Edición> Fecha : <Fecha> Nº de pág. : 32 Gran Telescopio de Canarias, S.A. Instituto de Astrofísica de Canarias Centro Común de Astrofísica de La Palma Vía Láctea s/n Cuesta de San José s/n LA LAGUNA, TENERIFE, Islas Canarias BREÑA BAJA, LA PALMA, Islas Canarias Tfno Fax Tfno Fax gtc@iac.es

2 Preparado por Andreas Gerarts Grupo de Operación y Mantenimiento William Hernández Grupo de Operación y Mantenimiento Autorizado por Pedro Alvarez Director de Proyecto Fecha: 2

3 Lista de acrónimos y abreviaturas 3

4 INDICE 1. RESUMEN INTRODUCCIÓN DISTRIBUCION DE PESOS EN LA COMPUERTA DESCRIPCION DE LA PROPUESTA ESTADO DE DISTRIBUCIÓN DE CARGAS CON EL NUEVO SISTEMA ANEXOS ANEXO 1, DATOS TÉCNICOS DE LOS CILINDROS HIDRÁULICOS ANEXO 2, GRÁFICO FACTOR CA PARA UN PROCESO ISOTÉRMICO ANEXO, LISTADO DE CÁLCULOS PARA SELECCIÓN DEL ACUMULADOR DE PISTÓN

5 1. RESUMEN La presente propuesta tiene como objetivo hacer un análisis del actual problema que tenemos para realizar el cierre de la compuerta grande de observación, desde la apertura total de la ventana 90 hasta los 69, el cual es el punto aproximado hasta donde se abre actualmente la compuerta sin observar grandes problemas y proponer un sistema hidráulico que a través de dos mecanismos ubicados uno a cada lado de la compuerta en la parte interior de las vigas arco ayuden a la compuerta a realizar el cierre hasta esta posición. 2. INTRODUCCIÓN El mecanismo de tracción de la compuerta grande de observación del GTC se realiza por medio de cuatro Moto-reductores ubicados dos a cada lado de la compuerta y que realizan la tracción de la misma actuando en dos puntos fijos ubicados uno a cada lado de la compuerta mediante cuatro cadenas accionadas cada una por uno de los motores. Actualmente se esta realizando la apertura de la compuerta hasta unos 69 desde la posición de aparcado, esto es debido a que se observa que cuando la compuerta se abre más de esta posición comenzamos a tener problemas de sobrecarga en los motores haciendo que el sistema se pare por sobretensión en los mismos. A continuación en la figura 1 se puede observar un grafico obtenido de pruebas de carga realizadas el 25/10/2007 en las cadenas en una de las vigas donde el cierre de la compuerta se hace desde la posición de apertura actual de 69 hasta el cierre total de la compuerta. En esta prueba se realiza un equilibrado de las cargas haciendo que sean iguales a cada lado de la compuerta. Al comenzar el cierre tenemos unas cargas aproximadamente de 14 toneladas por cadena, podemos observar en la figura 2 cual es el comportamiento del consumo de corriente de los motores en esta maniobra. La corriente nominal de los motores es de 40Amp Cel. Carga Cel. Carga Cel. Carga 3 Carga Kg Cel. Carga ,00 69,00 67,58 65,49 63,40 61,31 59,21 57,12 55,03 52,94 50,85 48,76 46,67 44,58 42,49 40,40 38,31 36,21 34,12 32,03 29,94 27,85 25,76 23,67 21,58 19,49 17,40 15,31 13,21 11,12 9,03 6,94 4,85 2,76 0,67 Posicion º FIGURA 1 Grafico CARGA vs. POSICIÓN DE COMPUERTA Fuente: PROCEDIMIENTO DE TOMA DE DATOS DE APERTURA Y CIERRE DE LA COMPUERTA SUPERIOR, Adquisicion12_izq_datos_fuente_kg_ dat 5

6 Corriente 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 68,64 68,64 67,05 64,75 62,46 60,36 58,06 55,76 53,67 51,39 49,11 46,96 44,68 42,40 40,31 38,01 35,75 33,60 Posicion FIGURA 2 31,32 29,06 26,76 24,63 22,35 20,07 17,96 15,68 13,40 11,27 8,97 6,69 4,60 2,30 0,18 0,06 4a Motor Superior derecha 5a Motor Inferior derecha 6a Motor Superior izquierda 7a Motor inferior izquierda I nominal del Grafico CORRIENTE vs. POSICIÓN DE COMPUERTA Fuente: PROCEDIMIENTO DE TOMA DE DATOS DE APERTURA Y CIERRE DE LA COMPUERTA SUPERIOR Adquisicion12_datos_fuente_I_ xls A partir de la posición de apertura 40 aproximadamente comenzamos a observar que el consumo de los motores esta alrededor de 40Amp. y que la carga en las cadenas es de aproximadamente 10Tons. El movimiento de la compuerta a esta carga y a estos consumos podemos decir que según la experiencia se realiza de una forma suave y sin grandes vibraciones en la estructura de la cúpula. La finalidad de la presente propuesta es la de llevar las cargas de la compuerta a partir de los 69 de apertura y hasta la apertura total de la ventana 90 en torno a las 10,5Ton. por cadena. Actualmente la carga por cadena en este recorrido con un peso de la compuerta de unas 60Ton. iría desde las 13 hasta las 16,8 Ton., nuestro objetivo es que la carga por cadena sea en todo el recorrido final de 10,5Ton. o cercano a este valor, de manera prácticamente constante, y podemos lograrlo a través de un sistema pasivo de dos cilindros hidráulicos ubicados uno a cada lado de la compuerta, que empujen a la compuerta en su apertura final contrarrestando la propia fuerza de su peso, de manera que la presión de dichos cilindros vaya aumentando a medida en que el peso de la compuerta lo hace, por medio de un acumulador de nitrógeno. 3. DISTRIBUCION DE PESOS EN LA COMPUERTA Para ver como se comporta la distribución del peso en la compuerta a medida que está en sus diferentes puntos de su recorrido, se ha realizado una tabla con estos valores, tomando como referencia el centro de gravedad de la compuerta, estos son valores teóricos calculados sobre la tensión de cada cadena con un peso aproximado de la compuerta de 60Tons. Las figuras 3 y 4 muestran la posición de la compuerta hasta donde se realiza la apertura actual y el recorrido que le falta para su apertura total. La tabla 1 nos muestra las diferentes cargas debidas al peso de la misma en sus diferentes puntos. 6

7 FIGURA 3 APERTURA ACTUAL FIGURA 4 APERTURA TOTAL 7

8 Posición del centro del gravedad de la compuerta con respecto al Zenit ( ) Carga por cadena (N) TABLA 1 CARGA POR CADENA SOLO DEBIDO AL PESO DE LA COMPUERTA 4. DESCRIPCION DE LA PROPUESTA Según pruebas realizadas a la compuerta sobre la apertura actual 69, se observaron serios problemas de sobrecarga en los motores, incluso se realizaron pruebas de equilibrado de cargas en los motores y se continuo observando que los mismos se sobrecargaban siempre e incluso se realizaron pruebas de cargar más las cadenas cuya distancia desde el punto de tracción hasta el punto fijo de la compuerta era mayor y continua la parada de los motores por sobrecarga. Por todo lo anterior surge la idea de implementar un sistema que ayude a la compuerta durante el recorrido final disminuyendo carga en los motores y se pensó en un sistema tipo resorte que se cargue a medida que la compuerta vaya abriendo por su propio peso en su apertura final y que la misma energía almacenada se utilice en el cierre. Existen en la actualidad sistemas similares aunque no de gran tamaño, en el que proponemos se manejan cargas de hasta 300 KN que serian aplicadas directamente en la compuerta a partir de los 69 por medio de un sistema de anclaje móvil que absorberá tanto los movimientos axiales de la compuerta como los radiales en este recorrido. Esta propuesta tiene la particularidad de que puede ser implementada sin paradas de los periodos de observación ya que su montaje no interferiría en las observaciones nocturnas. Cabe destacar que esta propuesta es valida si se logra una distribución de cargas en todas las cadenas similar, lo que nos indica que con el método de control actual de los motores por velocidad no es posible que el sistema funcione de forma adecuada. Dado a que el sistema no modifica el estado actual ni del mecanismo de apertura ni del sistema eléctrico, no implica gastos adicionales y en el caso de que hayan modificaciones de estos, el nuevo sistema no entorpecería el funcionamiento sino todo lo contrario haría que las 8

9 fuerzas requeridas del sistema de tracción de la compuerta siempre sean menores en este recorrido. A continuación en la figura 5 podemos observar un esquema del nuevo mecanismo. FIGURA 5 ESQUEMA MECÁNICO - HIDRÁULICO En el esquema se puede apreciar el mecanismo, que consta de: dos cilindros hidráulicos, un acumulador de pistón, un sistema con poleas a cada lado que soportan a los cables de acero, con poleas que permiten un reenvío del cable, de un gancho en el extremo del cable que se ancla y desancla a la compuerta desde la posición 69 posición P1 hasta la apertura total posición P2, y de un recibidor que estará montado uno a cada lado de la compuerta que recibirá el gancho. En el momento del cierre de la compuerta desde la posición P2 hasta la P1, en esta posición se desancla el mecanismo de la compuerta y quedara preparado para una nueva apertura. Los dos cilindros hidráulicos estarán ubicados uno a cada lado de la compuerta en la parte interior de la viga arco, trabajarán con aceite conectados a un acumulador de nitrógeno a presión mediante tuberías de acero inoxidable ó bicromatadas. Dicho acumulador trabajará de la siguiente forma: en el momento de una maniobra de apertura total de la compuerta de observación, en la posición 69 la compuerta en su parte trasera hará contacto con el gancho que esta en el extremo del cable, de forma tal que según la disposición del mecanismo en el momento que la compuerta haga contacto con el gancho, la propia compuerta comenzara a tirar del cable el cual a su vez comenzara a ejercer presión sobre el vástago del cilindro que trabajara a tracción y comenzara a comprimir el aceite que esta en el interior del cilindro, el cual será desalojado y enviado mediante tuberías hasta el acumulador que se encuentra a una presión mínima de nitrógeno. A medida que continúa la maniobra de apertura se continúa la carga del 9

10 sistema hasta la apertura total, que será cuando tendrá la carga máxima que podría ser de hasta una fuerza aplicada en cada extremo de la compuerta de unos 150KN. Una vez finalizada la maniobra de apertura y comience el cierre, el mecanismo cuando la compuerta inicie su movimiento desde la apertura total, hará que los cilindros comiencen a cargarse nuevamente de aceite debido a que el vástago del pistón se mueve hasta su posición de reposo, por lo que esto significa que el sistema va disminuyendo la fuerza ejercida en los extremos de la compuerta, esto ocurrirá hasta que la compuerta pase por la posición 69 donde el sistema se desanclará de la compuerta y quedara en su posición de reposo preparado para recibir a la compuerta en la siguiente apertura. Este sistema consta de un enganche que es capaz de absorber hasta 70mm de juego axial de la compuerta y de hasta 10mm de juego radial, en el punto de anclaje del sistema. 4.1 Estado de distribución de cargas con el nuevo sistema. Para el cálculo de carga del nuevo sistema se ha realizado primeramente una selección de cilindros hidráulicos que sean capaces de soportar una presión de hasta 200bares, y de soportar al menos 2 veces la fuerza normal de trabajo a esta presión. Dado la disposición del mecanismo y debido al reenvío del cable es necesario que la fuerza por cilindro sea el doble a la que se requiere aplicar a la compuerta, por lo que se selecciona un cilindro de la marca GLUAL tipo KZ con una capacidad de carga de 429,49 KN a 200bar, según anexo 1, las dimensiones serian: pistón de Ø200mm, con un vástago de Ø110mm y superficie anular de 219,3cm². Debido a que los cilindros hidráulicos trabajaran a tracción, y la fijación será con rotula en uno de los extremos, no es necesario el cálculo de pandeo. La presión de trabajo de dichos cilindros debe de estar por debajo de los 200bar, ya que la fuerza requerida no necesita esta presión para ser alcanzada, por lo que se comienza con el cálculo del acumulador necesario para alcanzar con estos pistones la fuerza requerida. Para esto se revisa la velocidad tangencial de cierre actual de la compuerta que esta alrededor de unos 2,33 m/min, por lo que la velocidad de trabajo del cilindro seria de aproximadamente la mitad de la de la compuerta unos 1,17 m/min. Manteniendo la misma velocidad de la compuerta el caudal de trabajo de cada cilindro seria igual a 25,6 L/min, siendo conservadores hemos aumentado un poco la velocidad de descarga para calcular el comportamiento del sistema en caso de que se deseé aumentar un poco la velocidad de la compuerta en un futuro, por lo que se ha tomado una velocidad de la compuerta de 2,9 m/min, lo que nos daría un tiempo de trabajo del sistema de aproximadamente de 130seg en el recorrido final, que seria desde los 69 hasta la apertura total, con un caudal de desalojo de aceite de 32,9 L/min. Podemos asumir que con este caudal se puede considerar un sistema isotérmico, y tomando para los cálculos: Po como la presión de pre-carga, P1 la presión inicial de trabajo y P2 la presión final, tenemos que tomar: Po = P1 5bar (1) Para que la fuerza en el pistón sea de aproximadamente 280KN, la presión en el interior del cilindro debe ser de aproximadamente 127bar, para comprobar una las dimensiones de un acumulador que trabaje con nitrógeno a presión se deben de seguir los cálculos que veremos a continuación. Se tomaron los siguientes valores para la comprobaciones: la presión final de trabajo P2, sea igual a 127bar y la presión inicial P1 sea 50bar, que el V sea el volumen de aceite desplazado de los dos cilindros con una carrera de 3200mm es de aproximadamente 141L, ahora calculando para un gas ideal Vo (ideal): 10

11 Vo (ideal)= Po P1 0,714 V Po P2 0,714 (2) Esto nos da un volumen ideal inicial de gas requerido de 313L. Para tomar en cuenta el factor de corrección para un estado isotérmico según grafico del anexo 2 vemos, que para la relación P2/P1 que tenemos, el factor de corrección Ca= 1,04, entonces tenemos que: Vo ( real) = Ca Vo( ideal) (3) En nuestro caso el volumen inicial real V0 (real), es igual a 326L. Para chequear el volumen efectivo necesario para el acumulador V, tenemos que: Po V = Vo1 (4) P2 En nuestro caso V, nos da 202L, de los cuales según el fabricante debemos de sumarle el 20% para el valor requerido real del volumen efectivo del acumulador, por lo que tenemos si tomamos acumuladores comerciales un valor cercano superior en tamaño seria de unos 275L y para llegar al volumen total necesario se sumaria una botella de 150 L al sistema. Para el cálculo de la precarga tenemos: que Po,to es la presión necesaria de precarga a una temperatura to de carga, Po,t2 es la presión requerida a la temperatura de trabajo t2, to es la temperatura a la que se realiza la carga de gas y t2 es la temperatura a la que trabajara el sistema. Para el cálculo de Po,to tenemos: to Po, to = Po, t2 (5) t Los valores de temperatura en la ecuación 5 deben de ser en C. Cabe destacar que estas presiones de trabajo pueden ser variadas solamente con variar la presión en la precarga del sistema Po, y que esto nos daría como resultado una variación en las fuerzas de trabajo. Se ha hecho de esta forma por si en el momento de probar el sistema se observa que se necesitase más o menos fuerza del sistema sobre la compuerta. En el anexo 3 podemos ver valores suministrados por un proveedor de acumuladores el cual nos muestra el comportamiento de un acumulador con las características que requiere el nuevo sistema, con diferentes temperaturas de trabajo y las presiones alcanzadas. A continuación en las figuras 6,7 y 8 podemos observar una comparación entre como se comportarían las cargas en cada cadena con el nuevo sistema a una presión inicial del 11

12 acumulador de 50bares y compararlas como son con el sistema actual. La línea en azul corresponde a la carga por cadena con el sistema actual, la línea ámbar corresponde a la fuerza que harían los cilindros por cadena y la línea amarilla seria la resta de la fuerza que aplican los cilindros menos la fuerza debida al peso de la compuerta aplicada por cada cadena. Carga CADENA-RESORTE, con una carga inicial de 50bar a 20 C Carga en N Posición del centro de gravedad de la compuerta con respecto al Zenith (en ) Peso de compuerta por cadena Peso absorbido por resorte Carga real en la cadena con el resorte FIGURA 6 Carga CADENA-RESORTE, con una carga inicial de 50bar a -10 C Carga en N Posición del centro de gravedad de la compuerta con respecto al Zenith (en ) FIGURA Peso de compuerta por cadena Peso absorbido por resorte 22 Carga real en la cadena con el resorte 12

13 Carga CADENA-RESORTE, con una carga inicial de 50bar a 30 C Carga en N Posición del centro de gravedad de la compuerta con respecto al Zenith( en ) FIGURA Peso de compuerta por cadena Peso absorbido por resorte Carga real en la cadena con el resorte La figura 6, nos muestra el comportamiento del sistema con una precarga inicial de 50bar trabajando a una temperatura de 20 C, la figura 7 nos muestra el comportamiento del sistema trabajando con la misma precarga pero a una temperatura de -10 C y por ultimo se muestra en la figura 8 el comportamiento del sistema con la misma precarga pero a una temperatura de 30 C. Se puede observar que el sistema con una precarga de 50bar se comporta de forma muy similar con las variaciones de temperaturas descritas, a la vez podemos observar que va a existir un salto en la carga de las cadenas en el momento de contacto con el mecanismo que ocurre a los 45 (posición del centro de gravedad de la compuerta con respecto al Zenit), el cual se podría disminuir en la práctica observando el comportamiento del sistema con diferentes precargas. 13

14 5. ANEXOS 5.1 Anexo 1, Datos técnicos de los cilindros hidráulicos. 14

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16 5.2 ANEXO 2, Gráfico factor Ca para un proceso isotérmico. 16

17 5.3 ANEXO, Listado de cálculos para selección del acumulador de pistón. Documentación recibida del comportamiento del acumulador de pistón con una precarga inicial de 55 bares. 17

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25 Documentación recibida del comportamiento del acumulador de pistón con una precarga inicial de 45 bares. 25

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