INVESTIGACIÓN Y ESTUDIO DEL DISEÑO DE UNA CAJA MULTIPLICADORA DE VELOCIDADES, QUE SE ACOPLE A UNA BOMBA CENTRÍFUGA PARA EL BOMBEO DE AGUA EN LA PROVINCIA SUD LÍPEZ-POTOSÍ

CAPITULO I ...........................................................................................................1 1. INTRODUCCION.................................................... ¡Error! Marcador no definido. 1.1. ANTECEDENTES: ............................................................................................ 2 1.2. PROBLEMÁTICA .............................................................................................. 4 1.2.1. Formulación del Problema .................................................................. 4 1.3. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 4 1.3.1. Justificación tecnológica ..................................................................... 5 1.3.2. Justificación social .............................................................................. 5 1.3.3. Justificación económica ...................................................................... 6 1.4. METODOLOGÍA ................................................................................................ 6 1.4.1. Métodos .............................................................................................. 7 1.4.2. Técnicas e instrumentos ..................................................................... 7 1.5. OBJETIVOS ...................................................................................................... 8 1.5.1. Objetivo General ................................................................................. 8 1.5.2. Objetivos Específicos .......................................................................... 8 CAPITULO II ..........................................................................................................9 2. DESARROLLO ..................................................................................................9 2.1. MARCO CONTEXTUAL .................................................................................... 9 2.1.1. Ubicación geográfica de la provincia Sud Lipez-Potosí ....................... 9 2.1.2. Determinación de los requerimientos y necesidades .........................10 2.1.2.1. Acceso al agua en la provincia de Sud Lipez: ....................................10 2.1.2.2. Profundidad y Tipo de Pozos ............................................................. 11 2.1.2.3. Recursos Disponibles ........................................................................12 2.1.2.4. Limitaciones energéticas y económicas: ............................................12 2.1.3. Análisis y métodos tecnológicos actuales ..........................................13 2.1.3.1. Análisis de consumo de Agua por persona ........................................13 2.1.3.2. Métodos tecnológicos actuales para la extracción de agua en Sud Lipez ...........................................................................................15 2.1.4. Capacidad de bombeo requerido .......................................................16 2.2. MARCO TEÓRICO ...........................................................................................17 2.2.1. Métodos de extracción de agua de pozo............................................17 2.2.1.1. Métodos manuales de extracción de agua .........................................18 2.2.1.1.1. Extracción manual con balde y cuerda .............................................18 2.2.1.1.2. Bombeo manual con bomba de embolo ...........................................19 2.2.1.1.3. Bombeo manual con bomba de cuerda o mecate .............................20 vi 2.2.1.2. Métodos mecanizados de extracción de agua ...................................21 2.2.1.2.1. Bombeo solar ...................................................................................21 2.2.1.2.2. Bombeo eólico-solar (hibrido) ...........................................................22 2.2.1.2.3. Bombeo con motor de combustión interna (gasolina) .......................23 2.2.1.2.4. Bombeo con motor eléctrico .............................................................24 2.2.2. Clasificación de bombas de baja, alta revolución, para extracción de agua de pozos ...................................................................................25 2.2.2.1. Ventajas y desventajas ......................................................................26 2.2.2.2. Según las posibilidades de accionamiento de una bomba .................28 2.2.3. Matriz de Selección ...........................................................................30 2.2.3.1. Alternativas de Diseño .......................................................................30 2.2.4. Proceso de extracción de agua ..........................................................31 2.2.4.1. Bomba centrifuga a través de una caja multiplicadora de velocidades: .......................................................................................31 2.2.5. Componentes del sistema extracción de agua ...................................31 2.2.5.1. Caja multiplicadora de velocidades ....................................................32 2.2.5.2. Bomba centrífuga ..............................................................................32 2.2.5.3. Tubos o cañerías de succión y descarga PVC ...................................33 2.2.6. Mecanismo de multiplicación de velocidades .....................................33 2.2.6.1. Relación de velocidad ........................................................................34 2.3. INFORMACION Y DATOS OBTENIDOS ..........................................................35 2.3.1. Requerimiento de agua potable en la provincia Sud Lipez .................35 2.4. ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN ....................................................................36 2.5. CONSIDERACIONES DE DISEÑO ..................................................................37 2.5.1. Elementos de la caja multiplicadora ...................................................37 2.5.1.1. Carcasa .............................................................................................37 2.5.1.2. Engranajes ........................................................................................38 2.5.1.2.1. Tipos de engranajes .........................................................................38 2.5.1.2.2. Normas de diseño para ruedas dentadas (engranajes) ....................40 2.5.1.3. Ejes ...................................................................................................41 2.5.1.4. Rodamientos y retenes ......................................................................42 2.5.2. Determinación de parámetros de diseño............................................42 2.5.2.1. Caudal y volumen de agua necesario ................................................42 2.5.2.2. Características de la bomba centrífuga de 0.75 Hp ...........................44 2.5.2.2.1. Especificaciones de la bomba centrífuga ..........................................44 2.5.2.2.2. Curvas Características de bombas centrífugas:................................44 2.5.2.2.3. Dimensionamiento y características de la bomba NGA 2: .................46 2.5.2.3. Diseño de engranajes ........................................................................47 vii 2.5.2.3.1. Relación de transmisión ................................................................47 2.5.2.3.2. Software MDESING ..........................................................................48 2.5.2.3.3. Determinación de dimensiones de los engranajes mediante software MDESING ........................................................................48 2.5.2.3.4. Selección de materiales para los engranajes (Engrane-Piñón) .........52 2.5.2.3.4.1. Primera etapa (Engrane-Piñón) ...................................................52 2.5.2.3.4.2. Segunda etapa (Engrane-Piñón)..................................................52 2.5.2.3.4.3. Tercera etapa (Engrane-Piñón) ....................................................53 2.5.2.3.5. Selección de material y dimensionamiento de los ejes ....................54 CAPITULO IIl ....................................................................................................... 55 3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 55 3.1. CONCLUSIONES .............................................................................................55 3.2. RECOMENDACIONES ....................................................................................56 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ANEXOS ANEXO A: CARACTERISTICAS GENERALES DEL EQUIPO ANEXO B: PLANOS DE DISEÑO DEL EQUIPO ANEXO C: COSTOS DE FABRICACIÓN ANEXO D: DETALLES DE LOS DATOS Y PROCEMIENTOS UTILIZADOS viii INDICE DE FIGURAS Figura 2-1: Mapa político y Departamental ……………….…………………...............9 Figura2-2: Departamento de Potosí-Provincias ………….………….…....………....10 Figura 2-3: Bomba de cuerda……….………………...………………………..............11 Figura2-4: Tipos de pozos para extraer agua subterránea ……………....………....11 Figura 2-5: Componentes de un pozo común..………..…………...………….….......15 Figura 2-6: Bomba de jarra manual……………………………..………………………15 Figura 2-7: Bomba de cuerda o mecate ……………………………………………….16 Figura 2-8: Bomba de agua solar.…….………………………………………………...16 Figura 2-9: Bomba de cubo y cuerdas.………………………………………………....18 Figura 2-10: Bomba de embolo manual .……………………………………………….19 Figura 2-11: Esquema de una bomba de cuerda …………………………….……….20 Figura 2-12: Bombeo de agua solar …………………………………………………....22 Figura 2-13: Bombas hidráulicas mediante energía eólica-solar (hibrida)……….....23 Figura 2-14: Bombas motor de combustión ….………………………………….….....24 Figura 2-15: Bomba de agua centrifuga …………………………………………..…...24 Figura 2-16: Bombas de desplazamiento positivo …….……………………………...25 Figura 2-17: Bomba sumergible ………………………………………………..……….25 Tigura 2-18: Clasificación de las bombas hidráulicas…………………………………26 Figura 2-19: Clasificación de bombas de acuerdo con la dirección del flujo ………32 Figura 2-20: Relación de velocidad de engranajes …………………………………...35 Figura 2-21: Engranajes ejes paralelos ………………………………………………..39 Figura 2-22: Engranajes ejes concurrentes ……..…………….………………….......39 Figura 2-23: Engranajes de ejes no concurrentes ……………………………………40 Figura 2-24: Curvas y datos de una bomba centrifuga…………………….…...….…45 Figura 2-25: Dimensionamiento y Caracteristica de una bomba centrifuga..….…..46 Figura 2-26: Esquema de engranajes ……………………………………………........47 Figura 2-27: Diseño del eje de entrada y sus secciones críticas………….………...54 ix INDICE DE TABLAS Tabla 2-1: Ingreso familiar por Año …………………………...……………………......12 Tabla 2-2: Consumo de agua por persona en la provincia Sud Lipez ……….……..14 Tabla 2-3: Población San Pablo de Lipez ………………..……………….……..…….17 Tabla 2-4: Comparación de las propiedades generales de las bombas……....…... 28 Tabla 2-5: Matriz de Selección …………………………………………..…………….. 30 Tabla 2-6: Analisis y resultados …………………………………..……….....…...........30 Tabla 2-7: Población San Pablo de Lipez …………………………………………..… 42 Tabla 2-8: Consumo de agua por persona en la provincia Sud Lipez……….....…...43 Tabla 2-9: Etiqueta de especificaciones de la bomba………………………....…..….46 Tabla 2-10: Relación de transmisión…………………………………………….…..….47 Tabla 2-11: Datos obtenidos de la Primera etapa ………………………………..…...48 Tabla 2-12: Datos obtenidos de la Segunda etapa ……………...………………....…49 Tabla 2-13: Datos obtenidos de la Tercera etapa …..…………………………………50 Tabla 2-14: Valores de diámetros calculados (Piñón-Engrane)………………….......51 Tabla 2-15: Datos obtenidos mediante todos los cálculos ……………………...…....54 Tabla 2-16: Selección de rodamientos ……………………………………….……...…54

El presente trabajo de mi monografía es la investigación y estudio de un sistema de bombeo de agua para la provincia Sud Lipez por la falta y carencia del servicio de energía eléctrica. Inicialmente se realizó el seleccionado de una bomba centrífuga que cumpla con el caudal y la altura necesarios para suministrar de agua a la provincia Sud Lipez. Una vez seleccionada la bomba, se investigó el desarrollo del diseño de la caja multiplicadora de velocidades que se acople a nuestra bomba centrifuga según a sus características para su funcionamiento eficaz. Se tomo en cuenta el consumo para una persona de 100 litros de agua al día Según la OMS, y los datos del Censo 2012 INE de 220 habitantes en esta región, haciendo una proyección de 220 habitantes, alcanzando una demanda de agua al día de 22000 litros, una de las alternativas y solución del sistema de bombeo de agua fue la investigación y desarrollo del diseño de la caja multiplicadora de velocidades acoplada a una bomba centrífuga accionada de forma manual por una persona. Mi proyecto pretende aportar una solución a la falta de energía eléctrica por tanto mi propuesta será un sistema de bombeo de agua , que tendrá dos sistemas incluidos los cuales son el sistema hidráulico y el sistema de energía (accionamiento manual por manivela) para lograr las revoluciones por minutos (RPM), sabiendo que estas bombas centrífugas trabajan a más de 1000 rpm. Proponiendo usar para la caja multiplicadora unos engranajes rectos ya que son más resistentes, también buscar una bomba que cumpla la demanda de volumen diario de 22000 litros con el fin de satisfacer las necesidades de los comunarios de la provincia de Sud Lipez. Dejando también para los próximos investigadores se pueda considerar la implementación en la misma caja multiplicadora unos volantes de inercia para ayudar a la eficiencia de giro de los engranajes, ayudando a mejorar la eficiencia del sistema. Se realizó el diseño del prototipo de la caja de velocidades, utilizando el software de Diseño Mecánico “AUTODESK INVENTOR”.