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Análisis de Esfuerzos en una excavadora
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“PROYECTO INTEGRADOR”PROTOTIPO DE EXCAVADORA CAT 340 D2L
TESIS 4° CICLO
ELABORADO POR:
Gálvez Espinoza, Jean Loayza Cabrera, Cesar Meza Quintana, Brayan Papuico Limaymanta, Abel
CUARTO CICLO
SECCIÓN: D
TUTOR
Mr. Benjamín Arostegui Guillen
LIMA – PERÚ
2016
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RESUMEN
Diseñar es un contexto muy general que abarca diferentes tipos de disciplinas.
Cuando diseñamos utilizamos mucho la imaginación y va a depender mucho de
eso para que el trabajo final pueda satisfacer los resultados esperados.
Realizamos un diseños del prototipo de la excavadora CAT 340 D2L el cual fue
dibujado en un programa educativo llamado INVENTOR para posteriormente
copiar los planos y de esta manera cortar en un material de acrílico de 5mm de
espesor el cual elegimos para realizar este proyecto y posteriormente realizar los
diferentes cálculos para ver la resistencia y el tipo de carga que puede levantar y
sin ningún problema.
Ya teniendo el corte laser de los componentes de cada pieza que forma parte del
prototipo de la excavadora CAT 340 D2L se procede a montar y de esta manera
realizar las pruebas necesarias para ver que se cumplen diferentes leyes como la
de Pascal, Bernoulli, entre otros.
El dispositivo debe funcionar de manera correcta y sin dificultades tanto en
levantar y bajar el brazo hidráulico accionado electrónicamente sin problemas.
PALABRAS CLAVE:
Electro válvulas
Cucharon
Boom
Pines
Bomba eléctrica
Cilindro Hidráulico
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ABSTRACT
Designing is a very general context involving different kinds of disciplines.
When designing we use much imagination and it will depend a lot on that so
that the final work can meet the expected results.
We made a prototype designs excavator CAT 340 D2L which was drawn in
an educational program called INVENTOR to copy the planes and thus cut
into a material acrylic 5mm thick which chose for this project and then make
different calculations to see the strength and the type of load you can lift
without any problems.
Already having the laser cutting of the components of each piece that is part
of the prototype of the excavator CAT 340 D2L proceed to assemble and
thus conduct the necessary tests to see that different laws like Pascal met,
Bernoulli, among others.
The device must function properly and smoothly raise and lower both the
electronically actuated hydraulic arm smoothly.
KEYWORDS
Electro valves Cucharon Boom Pines Electric pump Hydraulic Cylinder
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Capítulo I: FUNDAMENTO METODOLÓGICO
1.1 ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS:
- 1.1.1 Tener en cuenta la fluencia del material es muy importante ya que va a
depender mucho del tipo de material con el cual estamos trabajando y para poder
saber hasta cuanto de carga podrá resistir la máquina debido que si sobrepasa el
límite de fluencia del material del cual está hecho, este se va a deformar. Según
Antonio Pérez Gonzales (2014), FLUENCIA, España, La fluencia es la pérdida
de estabilidad dimensional (deformación plástica) que se produce en algunos
materiales cuando las tensiones aplicadas crecen por encima de un determinado
valor, denominado límite de fluencia. Cuando se alcanza la fluencia el material se
deforma inicialmente de modo creciente y rápido sin apenas cambio en las
tensiones aplicadas y parte de la deformación producida permanecerá ya siempre
aunque cesen las fuerzas que ocasionaron su fluencia. Un ensayo de
tracción sobre el material permite establecer su límite de fluencia.
- 1.1.2 (Mirella Caso Salazar nos menciona en su tesis de un brazo) excavador
compacto está dedicado al análisis de la estructura y de los movimientos que
realizan las máquinas excavadoras, centrándose en el diseño de un Brazo
Excavador de tamaño compacto así como la selección del Sistema Hidráulico y
sus componentes. Estas máquinas son encontradas en el mercado pero la
variación que se presenta es que el Brazo Excavador diseñado puede ubicarse y
fijarse sobre cualquier estructura que puede soportarlo ya que está habilitado para
ello, además que puede desplazársele con mucha facilidad por su bajo peso.
El método utilizado para el presente diseño es analizar la estructura de forma
estática y de esta manera dimensionar y seleccionar los materiales óptimos
tomando siempre en consideración no sobredimensionarla manteniendo factores
de seguridad suficientes para este tipo de maquinaria que estará sometida a un
trabajo exigente y a golpes durante su función.
Este investigación tiene semejanza con nuestro proyecto integrador porque
también es una dispositivo que excava y levanta carga a través de un sistema
eléctrico e hidráulico.
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- 1.1.3 BRYANT ALBERTO GURGO TORRES (2014), RESISTENCIA DE
MATERIALES (Conceptos Básicos de la Materia). Estudia las relaciones
entre las cargas exteriores aplicadas y sus efectos en el interior de los
cuerpos, además no supone que los cuerpos son idealmente rígidos como
en estática, sino que las deformaciones por pequeñas que sean tienen gran
interés, esta materia comprende los métodos analíticos para determinar la
resistencia, la rigidez y la estabilidad de los diversos medios soportadores
de carga
- 1.1.4 ELVIS HERMES (2013) En su proyecto de investigación sobre el
brazo hidráulico de una excavadora nos dice que la presión ejercida a un en
reposo dentro de un recipiente se transmite sin alteración a cualquier punto
de fluido, siendo el mismo en todas las direcciones y actúa a través de
fuerzas perpendiculares a las paredes del recipiente que lo contiene.
La hidráulica es una rama de la física y la energía que se relaciona con el
estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos.
Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y
empuje de la misma. El principio más importante de la hidráulica es el de
pascal que dice que la fuerza ejercida sobre un líquido se transmite en
forma de presión sobre todo el volumen de un líquido y en todas
direcciones. El uso de la tecnología hidráulica es muy variado, no
solamente la podemos encontrar en el ámbito industrial sino también en
otros ámbitos, incluso relacionados con la vida diaria.
- 1.1.5 Andrew Pytel & Ferdinand L.Singer (2008), RESISTENCIA DE
MATERIALES, universidad de OXFORD. La resistencia de un material es
fundamental en la labor que dicho material desempeña ya que se encuentra
muchas veces sometido a cargas mayores inhibiendo su funcionalidad y no
trabajando con valores de eficiencia alto, por ejemplo el rodillo tensor para
faja plana está sometido a esfuerzos de fluencia que provienen desde la
faja.
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Esfuerzos cortantes en el perno, y no tener un cálculo adecuado de la
resistencia máxima de fluencia (rodillo) y el esfuerzo último del perno
podrían estos materiales sufrir torceduras o ser cortados, siendo esto
perjudicial para el sistema donde se encuentran inmersos.
- 1.1.6 Saber la resistencia mecánica de algunos materiales que se utilizan
en la proyecto, es de suma importancia para que de esa manera podamos
realizar el esfuerzo necesario y no sobrepasarnos de ese límite. Antonio Pérez Gonzales (2014), RESISTENCIA MECANICA, España, nos dice que
La resistencia mecánica es la capacidad de los cuerpos para resistir
las fuerzas aplicadas sin romperse. La resistencia mecánica de un cuerpo
depende de su material y de su geometría. El parámetro empleado
habitualmente para valorar la resistencia mecánica de un cuerpo es
el coeficiente de seguridad.
- 1.1.7 ALFREDO RUSSO, Un fluido es una sustancia que se deforma y, por
lo tanto, se desplaza o fluye bajo la aplicación de una fuerza. En esa
definición están comprendidos los líquidos, los gases y los vapores, que
son gases que pueden condensarse por efecto de la presión.
La presión es una fuerza que se ejerce en forma perpendicular a una
superficie. Los fluidos ejercen presión sobre las paredes de los recipientes
que los contienen.
La presión se define como una fuerza por unidad de superficie y en el
sistema internacional tendrá unidades de:
- 1.1.8 Ing. EDSON RODRIGUEZ (2013). En su proyecto de investigación
sobre unidades de excavación nos dice que las excavadoras son máquinas
que se fabrican para ejecutar excavaciones en diferentes tipos de suelos,
siempre que éstos no tengan un contenido elevado de rocas, se utilizan
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para excavación contra frentes de ataque, para el movimiento de tierras, la
apertura de zanjas, la excavación para fundaciones de estructuras,
demoliciones, excavaciones de bancos de agregados, en el montaje de
tuberías de alcantarillas, etc. Es una máquina dotada de una tornamesa
que le permite girar horizontalmente hasta un ángulo de 360', realiza la
excavación haciendo girar el cucharón hacia atrás y hacia arriba en un
plano vertical, y en cada operación la pluma sube y baja. Para obtener un
mayor rendimiento las alturas de corte deben ser superiores a 1,50 metros.
La altura de excavación depende de la capacidad del cucharón y la longitud
de la pluma. Están equipadas con diferentes tipos de cucharones de
acuerdo al trabajo que van a realizar. Como regla general se utilizan
cucharones anchos en suelos fáciles de excavar y angostos para terrenos
más duros. Los de menor radio de giro tienen más fuerza de levante que los
de radio largo. Al elegir un cucharón para suelos duros es aconsejable
adquirir el más angosto entre los de menor radio de giro. En algunos casos
la capacidad de levantamiento de la excavadora es tan importante que será
el factor decisivo en la elección de la máquina para un determinado trabajo.
La capacidad de levantamiento depende del peso de la máquina, de la
ubicación de su centro de gravedad, de la posición del punto de
levantamiento y de su capacidad hidráulica. En cada posición del pasador
del cucharón, la capacidad de levante está limitada por la carga límite de
equilibrio estático o por la fuerza hidráulica. Las excavadoras pueden estar
montadas sobre orugas o sobre neumáticos, siendo las de mayor
rendimiento las de orugas por sus mejores condiciones de equilibrio y su
mejor agarre al suelo.
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- 1.1.9 LUZ JANNETH MALES ALCOSER & DARIO DANIEL MORALES LEMA (2007), nos dice en su tesis que una servo válvula es una válvula
direccional de infinitas posiciones, que ofrece la características adicional de
controlar tanto la cantidad como la dirección del caudal.
Cuando se instala con los dispositivos de realimentación adecuados,
consigue controles muy precisos de la posición, velocidad y aceleración de
un actuador.
La servo válvula mecánica o válvula seguidora ha sido utilizada durante
varias décadas; la servo válvula electro hidráulica es más reciente en la
industria.
- 1.1.10 BLANCO WILLIAM GERSON (2011),Una bomba centrífuga es un
tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un
impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial requeridas.
El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para
conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el
exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el
contorno su forma lo conduce hacia las tabuladoras de salida o hacia el
siguiente rodete (siguiente etapa).
- 1.1.11 HECTOR ALBERTO QUISPE SALAS (1999), en sus tesis de
Diseño del sistema de transmisión de potencia hidráulica de un alimentador
de mineral de 150 HP nos habla sobre el cilindro hidráulico y lo describe de
la siguiente manera: Son actuadores lineales, lo que significa que la salida
de un cilindro es un movimiento y/o fuerza en línea recta. La función de los
cilindros hidráulicos es convertir la potencia hidráulica en potencia
mecánica lineal.
La capacidad de presión viene dada por el fabricante. Esta información
puede obtenerse de la placa de referencias del cilindro o catálogo del
fabricante. La velocidad del cilindro, la fuerza exterior disponible y la presión
requerida para una carga dada, dependen todas del área del pistón.
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Las justas de los vástagos se fabrican generalmente con materiales
similares a la goma, basados en polímeros duros (plásticos) tales como
teflón, son cada vez más populares.
El limpiador o rascador del vástago impide que los materiales exteriores
penetren dentro del cilindro y del sistema hidráulico.
Frecuentemente se instalan amortiguadores en ambos extremos del cilindro
para disminuir el movimiento del pistón cerca del fin de carrera e impedir
que este golpee contra la tapa trasera.
- 1.1.12 LUZ JANNETH MALES ALCOSER & DARIO DANIEL MORALES LEMA (2007) nos dicen en su tesis que Para hacer funcionar a un actuador
cualquiera, bien sea un cilindro o un motor, no solo debe controlarse un
arranque, la parada y el sentido de movimiento de los vástagos o de los
ejes sino que en ocasiones es preciso controlar también la fuerza o los
pares de giro que desarrollan durante el trabajo y también as velocidades
de traslación y rotación.
Además del control de la presión y de la velocidad mencionada, en el
circuito deben existir componentes auxiliares que realicen otras funciones,
como la de permitir flujo de un componente en un solo sentido y no lo
pueda hacer en sentido contrario, que ante algún tipo de anomalía durante
el funcionamiento el aceite pueda descargar al depósito si se superan las
presiones máximas admitidas, que se aproveche la presión del fluido para
abrir la válvula y permitir que pase el aceite de uno a otro lado con objeto
de realizar otra tarea diferente. Todos estos elementos son conocidos como
válvulas.
1.1.13 LUZ JANNETH MALES ALCOSER & DARIO DANIEL MORALES LEMA (2007), nos dice en su tesis que una servo válvula es una válvula
direccional de infinitas posiciones, que ofrece la características adicional de
controlar tanto la cantidad como la dirección del caudal.
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Cuando se instala con los dispositivos de realimentación adecuados,
consigue controles muy precisos de la posición, velocidad y aceleración de
un actuador.
La servo válvula mecánica o válvula seguidora ha sido utilizada durante
varias décadas; la servo válvula electro hidráulica es más reciente en la
industria.
- 1.1.14 EDGAR ADOLFO FUENTES GODINES(2009), nos habla sobre los
pistones el conjunto del pistón y del cilindro en su tesis y nos da a conocer
lo que “El pistón tiene un movimiento reciprocante en el interior del cilindro,
por lo que es importante mencionar que debe existir un ajuste muy preciso
entre estos dos componentes. El pistón tiene un diseño particular. Existe
una variación de diámetros entre el extremo que golpea la punta de ataque
(inferior) y el extremo que está en contacto con la cámara de gas nitrógeno
(superior). El extremo inferior tiene un diámetro mayor que el extremo
superior, esto genera que la superficie anular inferior sea menor que la
superficie anular superior. Como no son iguales las superficies se genera
un 4 mayor empuje al aplicar presión hidráulica en la parte superior.
- 1.1.15 Análisis En la siguiente información podemos analizar de como en la vida real se ve
que a una maquina le realizan diferentes conexiones de trabajo esto nos
ayudada al grupo de estudiantes a organizar las ideas para la elaboración
de la pala hidráulica con mando electrónico y el diseño de dicha máquina,
esta empresa nos ayudó que en la actualidad las maquinarias agrícolas
están siendo diseñado para diferentes tipos de trabajo como cargar como
un cargador frontal y en la industria de la agricultura.
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1.2 Planteamiento del problema
El problema a resolver este trabajo consiste en mejorar el diseño del brazo
hidráulico ya elaborado en ciclo anterior, mejorando los problemas encontrados y
adaptando varios sistemas para un accionamiento electrónico e hidráulico, que
permita realizar los diferentes movimientos de dicho brazo.
1.2.1Descripción del problema
El origen de este proyecto está basado a utilización de jeringa como los pistones
que no es capaz de resistir a esfuerzos cortantes cuando la maqueta era
sometido a carga, el otro factor es las dimensiones , el material de fabricación y el
sistema e accionamiento se necesitaba mayor fuerza de aplicación en las jeringas
se servían de mando de accionamiento.
En el proyecto anterior se encontraron las dificultades el levantamiento de brazo
era demasiado lento, no se podía accionar dos sistema a la vez, los empales eran
débiles a los esfuerzo y la forma de accionar el mecanismo de trabajo eran directo.
En el presente capítulo se expone las consideraciones que se han tomado en
cuenta para el diseño y la fabricación del Brazo Excavador, así también se
describe en forma detallada todos los cálculos realizados para la obtención de las
dimensiones necesarias del brazo para que cumpla su función evitando
sobredimensionarlo.
El área de maquinaria pesada ha pedido el diseño y elaboración de un proyecto
basado en el diseño realizado del brazo hidráulico y accionado hidráulico y
electrónico, pero ajustando a la realidad. El proyecto debe ser capaz de ascender
y descender vertical las tres herramienta de trabajo del brazo hidráulico (pluma,
castillo y cucharon). El brazo debe ser capaz de realizar un giro horizontal.
Además esta maqueta su accionamiento se debe controlar electrónicamente.
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1.2.2 Especificaciones generales
El objetivo de este capítulo es presentar los aspectos generales en los cuales se
fundamenta el presente proyecto. Se describe las características del problema que
se desea solventar y la situación final a la que se requiere llegar. También se
realiza un estudio de alternativas de solución y la selección de la más adecuada.
Finalmente se establecerá características generales que se deberá cumplir la
opción de diseño seleccionado.
1.3 OBJETIVOS:
1.3.1 Objetivos generales
Diseñar y elaborar un brazo hidráulico, que cumpla con los requerimientos de
funcionamiento hidráulico y de accionamiento electrónico en su distinto
movimiento de dicho componentes.
1.3.2 Objetivos especifico
Diseñar los componentes para la estructura del brazo hidráulico y
seleccionar adecuadamente los elementos necesarios, que en conjunto
forman la maqueta.
Implementación del sistema electrónico en el accionamiento del brazo
hidráulico.
Realizar un breve estudio de los fundamentos teóricos sobre tecnología
hidráulica para aplicación de elevación de carga; y especificar los criterios
de selección de un sistema hidráulica.
Desarrollar cálculos de esfuerzos de los materiales y los componentes
utilizados en la maqueta. Además analizar la ley de pascal en sistema
hidráulico.
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1.4 JUSTIFICACION:
El proyecto es basado en diseñar un prototipo de la Excavadora CAT D2L el cual
podrá realizar movimientos de giro y de accionamiento del boom de la excavadora,
esta se está mejorando respecto al anterior proyecto que fue realizado debido que
cuando realizábamos cargas habían fugar del fluido por los costados de la jeringa,
también se necesitaba más fuerza para poder mover el boom de la excavadora y
en casos extremos se rompió la jeringa debido a la fuerza que fue sometida y no
soporto, para lo cual se harán cálculos matemáticos y se comprobaran leyes
físicas. Tomando en cuenta estos aspectos fuimos mejorando y verificando el
buen funcionamiento del sistema para que no ocurran problemas, aplicando lo
aprendido en teoría y laboratorios de Dibujo y diseño, Mecánica de Fluidos,
Resistencia de materiales, Tecnología de materiales y Electrónica realizamos este
proyecto para verificar que tanto en las grandes maquinarias como en un prototipo
de una maquinaria a escala se realiza de igual manera y funciona bien los mandos
hidráulicos y electrónicos y este se comprobara cuando realicemos movimientos
de giro y de carga.
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CAPITULO II: JUSTIFICACION Y BASE CENTIFICA2.1 JUSTIFICACION Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN
2.1.1 TERNATIVAS DE SOLUCION:2.1.2 Espesor del material:El espesor de material es un factor muy importante que se tiene que considerar
debido que cada material tiene una resistencia de material diferente y en este
caso estamos utilizando acrílico, ya que a mayor grosor va a tener una mayor
resistencia, pero a la vez no debe de ser tan pesado para que pueda ser una
ayuda al proyecto y no un problema más.
El espesor del material en el proyecto anterior fue de 3 mm de espesor y si
presento una buena resistencia de carga, pero como vamos a realizar esta vez un
trabajo que va a resistir una mayor carga se tomó un espesor de material de 5 mm
para que no se rompa con facilidad y tampoco es tan pesado para que el boom de
la excavadora se pueda accionar fácilmente.
2.1.3 Sistema hidráulico:El sistema hidráulico es gran parte del proyecto ya que de esto va a depender el
tiempo de carga que va a demorar en subir un peso la excavadora y para que no
tenga dificultades al hacerlo.
En el proyecto anterior utilizamos jeringas los cuales fueron unidos mediante una
manguera muy delgada y la cual al ejercer una presión en un lado de la jeringa,
por el otro extremo la otra jeringa se accionaba ocasionando un movimiento al
boom o del cucharon de la excavadora, pero no tuvieron buena resistencia y se
tenía que accionar con una mayor fuerza ya que los controles se hicieron
manualmente y también se observó fugas del fluido, es por eso que se
implementaron unos cilindros hidráulicos de mayor seguridad y todo el sistema
hidráulico funcionara con una pequeña bomba de combustible el cual ejerce una
buena presión y hace que funcione de manera correcta.
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2.1.4 Sistema eléctrico y electrónico:El sistema eléctrico y electrónico es un avance más respecto al anterior proyecto
ya que los accionamientos anteriores fueron manuales, con este avance
realizaremos los accionamientos de las electroválvulas para que puedan permitir
el paso del fluido y de esta manera se pueda accionar el brazo hidráulico y pueda
ejercer una carga o descarga del peso con el cual va a trabajar.
2.1.5 Flujo de potencia:El flujo de potencia será mayor debido que al utilizar la bomba este realizara que
el fluido entre a mayor presión y de esta manera pueda ejercer el levante y
descarga del peso al cual será sometido.
2.1.6 Cilindros hidráulicos (jeringas):Un cambio de jeringas a cilindros hidráulicos es un gran avance ya que el material
de las jeringas es menos resistente a presiones altas y los cilindros hidráulicos son
mucho más efectivos los cuales realizaran un trabajo con mayor eficiencia y es
muy difícil que tenga fallas de fugas a menos que se realicen unas malas
conexiones para lo cual debemos de tener mucho cuidado al realizar el montaje.
2.1.7 Manguera:La manguera es muy importante en el circuito hidráulico ya que se tiene que ver la
presión que se va a ejercer en el circuito y depende de eso se verificara el tipo de
manguera y hasta que presión soporta para que no se ocasionen fallas de
deformación o ruptura de manguera.
El circuito va a presentar una mayor presión el cual va a ser proporcionado por la
bomba y va a depender del peso el cual va a cargar.
2.1.8 PERNOS:Los pernos influyen bastante ya que son el soporte de las uniones de las partes
del boom los cuales al accionarse deben de presentar una gran resistencia para
que la carga se pueda dar de una manera muy sencilla y sin problemas.
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En el proyecto anterior se utilizó unos pernos de 3mm de espesor los cuales se
volverán a utilizar ya que presentan una gran resistencia y no tienen tanto peso.
Para presentar el trabajo es necesario enfocarnos desde varios puntos de vista, esto con la finalidad de entender mejor la justificación de proyecto del que estamos realizando
2.1.9 Tecnológica: El proyecto propone la revisión del tema de materiales, electrónica, fluidos, presiones, transmisión de potencia, etc. Desde un punto de vista del mejoramiento de la del proyecto anterior que nos sirve de base para el desarrollo. Además permitirá al nuevo proyecto brindar mejore eficiencia y efectividad al realizar los esfuerzos que se realiza en el mecanismo de levante.
2.1.10 Económica: La implantación de mejoras en los controles del movimiento de los mecanismos de levante del nuevo proyecto, reducir la demora en los accionamientos de los brazos, mejorar el mecanismo de levante usando un cilindro-pistón en vez de una jeringa. Además se puede evitar el accionamiento manual de las jeringas usando una bomba para impulsar el fluido, y a esto colocarle unos mandos electrónicos que nos ayuden el accionamiento para las diferentes operaciones.
2.1.11 Social: El buen funcionamiento de los elementos móviles del sistema de levante mejora el rendimiento y eficiencia. Los materiales utilizados en el proyecto no son dañinos para el medio ambiente.
2.1.12 Educativa: El proyecto es parte de nuestra formación, ya que utilizamos los mismos principios que se usa en una maquina real; considerando las cargas, los esfuerzos para los diferentes componentes, los culés se realizan más adelante.
2.1.13 MANDO HIDRAULICO ACCIONADO MANUALMENTE (PROYECTO
ANTERIOR):
La excavadora fue accionada con mandos hidráulicos manualmente ya que las
jeringas fueron unidos mediante unas mangueras y dentro de la unión había agua,
y para ocasionar el movimiento de la otra jeringa y este pueda accionar el
movimiento de alguna parte del boom o del cucharon de la excavadora, teníamos
que ejercer una fuerza en un lado el cual no fue constantes y también presento
algunas fugas del líquido y esto ocasiono una pérdida de presión.
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2.1.14 MANDO HIDRAULICO ACCIONADO HIDRAULICAMENTE Y
ELECTRICAMENTE (PROYECTO ACTUAL):
Se implementó el uso de estos mandos para que la excavadora pueda tener una
mayor eficiencia en el movimiento y en el tiempo que suba o descargue un peso,
los pistones hidráulicos será accionados con la presión que se va a ocasionar en
el sistema, pero para esto se tiene que activar las electroválvulas y dejar que
pasen el fluido, podría ser primero en los pistones de soporte hacia la base o en el
accionamiento del cucharon hasta llegar a su punto máximo de levante y
posteriormente accionar los cilindros hidráulicos por el otro extremo, para que
pueda volver a su estado inicial y de esta manera descargar el peso que tenía
cargando.
La ventaja de los mandos hidráulicos y electrónicos son muy importantes ya que
ayudan a realizar un trabajo en un tiempo menos y muy eficiente.
En el ámbito económico se toma al inicio como una inversión, pero posteriormente
con el trabajo al cual está destinado a realizar ayuda bastante y se genera un
trabajo más rápido, y a menor costo.
2.2.0 CRITERIOS DE COMPARACIÓN:
2.2.1 Principio de Funcionamiento:El movimiento que se realiza sobre el material al recoger o levantar llega hasta la
cuchara que es la terminación del brazo excavador; la presión es generada
cuando el aceite en la bomba hidráulica se transmite hacia los cilindros,
permitiendo la salida o entrada del vástago, lo que produce el movimiento del
brazo para realizar su función de levantar los objetos.
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2.2.2PARTES PRINCIPALES:
2.2.2.1 LA PLATAFORMA.- Es la base del levantamiento en donde se localiza la
cabina desde la cual el conductor realiza las diversas operaciones. En esta
plataforma también esta los engranajes que hace que gire la plataforma con
respecto al tren de desplazamiento.
2.2.2.2 PLUMA.- Es el elemento que está unido a la plataforma y donde
comienza el mecanismo de levante; es el componente que soporta la mayor fuerza
de la carga. Las plumas o brazos son planchas que están diseñados para soportar
las cargas, realizar movimientos para levantar o bajar el conjunto del mecanismo
de levante.
FIGURA N°1 plataforma de la retroexcavadora.
FIGURA N°2 Los brazos o el boom.
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2.2.2.3 CILINDROS HIDRAULICOS.- Es un sistema que está formado por dos
cámaras, estas cámaras están separadas por un pistón o embolo que está unido
por un lado a un vástago que a su vez llega a unirse al boom o a los brazos.
El principio de funcionamiento es muy sencillo, el aceite a presión ingresa a una
de las cámaras en donde se encuentra alojado el pistón y esta presión del aceite
que ejerce sobre el área del embolo comienza a desplazar con una fuerza que es
proporcional a la presión y al área del pistón realizando el movimiento.
2.2.2.4 Cuchara: La capacidad del cucharon va determinado por el volumen
máximo que puede ocupar el llenado de este material en el interior cucharon.
También va en función de la capacidad de la bomba; el contrapeso que determina
la estabilidad en el momento de carga.
FIGURA N°3 cilindros y embolo.
FIGURA N°4 el cucharon.
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2.2.2.5 ELEMENTOS DE UNION.- Son pines y pernos que son analizados de
acuerdo al esfuerzo que tienen que soportar, siendo en muchos casos los
elementos críticos; razón por el cual llevan de diámetros diferentes y el tipo de
material, para el cual los cálculos se realizan en las páginas siguientes.
2.2.2.6 REGULADORES DE PRESION.- En este caso se utiliza unos reguladores
de presión para regular la presión de trabajo del sistema, el cual se determina
teniendo en cuenta la capacidad dela bomba.
La bomba es un componente que funciona con corriente continua de 12v el cual
tiene una capacidad máxima de presión de 5bar.
FIGURA N°5 pines y pernos.
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2.3.0 VALORIZACION:Para realizar las comparaciones en los diferentes componentes de nuestro
proyecto con relación al proyecto anterior tenemos el siguiente criterio:
2.3.1 Cuadro de comparación de calidad 1-5 = muy malo (A)
6-10 = malo (B)
11-15 = regular (C)
16-20 = bueno (D)
21-25 = muy bueno (E)
Proyecto anterior (P)
Proyecto de ahora (R)
Proyecto anterior con el de ahora.
Componentes\ Grado de comparación A B C D E
Jeringa (P) x
Cilindro (R) x
Material del brazo (P) x
Material del brazo (R) x
Calidad del fluido (P) x
Calidad del fluido (R) x
Cuadro de comparación de costos. 0-5 $ =muy bueno (A)
6$-10$ =bueno (B)
11$-15$ =regular (C)
16$-20$ =malo (D)
21$-25$ =muy malo (E)
Proyecto anterior (P)
Proyecto de ahora (R)
CUADRO N° 1.
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Proyecto anterior con el de ahora.
Componentes\ Grado de comparación A B C D E
Jeringa (P) x
Cilindro (R) x
Material del brazo (P) x
Material del brazo (R) x
Manguera (P) x
Manguera (R) x
2.3.2 Cuadro de comparación de presiones. 0-1bar = muy bueno (A)
1,1bar-2bar = bueno (B)
2,1bar-3bar = regular (C)
3.1bar-4bar = malo (D)
4,1bar-4.5bar = muy malo (E)
Proyecto anterior (P)
Proyecto de ahora (R)
Proyecto anterior con el de ahora.
Componentes\ Grado de comparación A B C D E
Jeringa (P) x
Cilindro (R) x
Accionamiento manual (P) x
Accionamiento con bomba (R) x
2.4.0 BASE CIENTÍFICA
CUADRO N° 2.
CUADRO N° 3.
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2.4.1 PRINCIPIO DE PASCAL
Principio de Pascal hace referencia a que la presión que ejerce un fluido que está en equilibrio y que no puede comprimirse, alojado en un envase cuyas paredes no se deforman, se transmite con idéntica intensidad en todos los puntos de dicho fluido y hacia cualquier dirección.
En las figuras se muestran dos situaciones: en la primera se empuja el líquido contenido en un recipiente mediante un émbolo; en la segunda, se empuja un bloque sólido.
Formula:
2.4.2 ECUACIÓN DE BERNOULLI.
El principio de Bernoulli es una consecuencia de la conservación de la energía en los líquidos en movimiento. Establece que en un líquido incompresible y no viscoso, la suma de la presión hidrostática, la energía cinética por unidad de volumen y la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen, es constante a lo largo de todo el circuito. Es decir, que dicha magnitud toma el mismo valor en cualquier par de puntos del circuito. Su expresión matemática es:
FIGURA N°7 La diferencia de fuerza entre un sólido y émbolo con fluido.
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Fuente: Física Vectorial 2 de Vallejo Zambrano
Esta fórmula nos permite saber la cantidad de líquido que pasa por un conducto en cierto intervalo de tiempo o determinar el tiempo que tardará en pasar cierta cantidad de líquido.
2.4.3 LEY DE OHM
Cuando aplicamos una tensión a un conductor, circula por él una intensidad, de tal forma que si multiplicamos (o dividimos) la tensión aplicada, la intensidad también se multiplica (o divide) por el mismo factor. Del mismo modo, si por un conductor circula una corriente, se generará una tensión entre sus extremos, de forma que si se multiplica (o divide) la intensidad, la tensión generada se multiplicará (o dividirá) en la misma proporción.
R se expresa en Ohmios (Ω), siempre que I esté expresada en Amperios y V en Voltios.
R=VI
FIGURA N° 8 Variación de velocidad en diferentes salidas.
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2.4.4 LEY DE VOLTAJES DE KIRCHHOFF:
La suma algebraica de caídas de voltaje alrededor de un camino cerrado es cero,
en cualquier instante de tiempo.
Para cualquier par de nodos j y k, la caída de voltaje de j a k es: V_JK =V_J - V_K
V_JK En cualquier instante de tiempo. Donde V_J es el voltaje de nodo del nodo j
respecto a la referencia, y V_K es el voltaje de nodo del nodo k respecto a la
referencia.
Para un circuito conectado una secuencia de nodos A-B-D-…-G-P, la caída de
voltaje en cualquier instante de tiempo es: V_AP = V_AB + V_BD + K + V_GP.
Para un circuito conectado la suma algebraica de voltajes nodo-a-nodo para una
secuencia de nodos cerrada es cero en cualquier instante de tiempo.
ESFUERZO DE LOS MATERIAL
FIGURA N° 9 comportamientos de los materiales.
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CAPITULO III: DESARROLLO DE LA PROBLEMATICA
3.1Planos De los Diferentes Componentes de la Excavadora CAT 340D2L Diseñados a una escala de 1/24
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3:2 Análisis Mecánico
3.3 Análisis Mecánico en el Cilindro hidráulico del Cucharon
En Primera instancia haremos los cálculos pertinentes para el cucharon,
quedando registradas en imágenes, datos como la masa, longitud de los
componentes que van acoplados en conjunto con el cucharon (cilindro hidráulico,
el Boom, acoples de rotación, etc.)
3.3.1Dimensiones en el Cilindro Hidráulico
Figura N°10 Dimensiones del Cilindro Hidráulico-Diámetro del cilindro y el vástago.
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Fuente: Elaboración Propia
Espesor del cilindro=1mm
Av: Área del vástago = π (5,99mm)2/4 =28,18mm2
Aembolo= π (14,80mm-2mm)2/4 =128,679mm2
Ahora que conocemos las áreas del vástago y el embolo del cilindro, podremos
determinar la relación de velocidades del vástago cuando este sale y entra del
cilindro. Según la Ecuación de la Continuidad, cuando por un tramo pasa el
mismo caudal, como es el caso del cilindro hidráulico, el área y la velocidad están
en relación directa.
Por consiguiente:
Q Sale = Q Entra
Pero Q = A.V → Vsale.Asale=Ventra.Aentra
Vsale.128.67mm2=Ventra. (128.67-28.18) mm2
Finalmente tendrá una relación de velocidades de VentraVsale
=1.28 ……… (I)
El resultado (I) nos dice que el vástago al regresar será más rápido (0,28veces
más rápido) que al salir, siempre y cuando el caudal sea el mismo en
ambos casos.
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Esfuerzo permisibles sobre los vástagos.
Cuadro N°4 Datos del Vástago
Material del vástago Acero CK 45 (SAE 1045) normalizado, rectificado y cromando
Resistencia máxima 53 a 80 kg/mm2
Límite de fluencia 32 _ 50 kg/mm2
E 15Área vástago 28,18mm2
Fuente: http://www.taringa.net/posts/apuntes-y-monografias/3860019/Barras-cromadas-para-vastagos-de-cilindros-hidraulicos.html
Material del vástago: Acero CK 45 (SAE 1045) normalizado, rectificado y cromando
Resistencia máxima: 53 a 80 kg/mm2
Límite de fluencia 32 _ 50 kg/mm2
E = 15
Área vástago = 28,18mm2
Esfuerzo Máx. = 80 kg /mm2
Pero
1 kg/mm2 ≅9.806 N/mm2
σmax=FmaxArea
Reemplazando datos
784.48N
mm ²28.18mm2=Fmax=22.106KN
Esta fuerza deformara permanentemente al vástago y ante un incremento de este, provocara su rotura.
A continuación determinaremos la fuerza mínima, para que el vástago se mueva, lo hallaremos de manera indirecta y con la ayuda de una balanza.
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Figura N°11 Esfuerzo mínimo para el movimiento del vástago. Antes-Durante-Después del movimiento.
R
Antes del movimiento Durante el movimiento Después del movimiento
Fuente: Elaboración Propia
Figura N°12 Fuerza mínima para mover el vástago-DCL del vástago
F adicional para mover el vástago (F)
Peso del cilindro (W)
Reacción registrada por la balanza (R)
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Del equilibrio R=W+F g = 9,806m/S2
Pero R=0.6.g=5.8836N además la masa del Cilindro está registrada en la siguiente imagen.
Figura N°13 Masa del cilindro hidráulico
Fuente: Elaboración Propia
Entonces el peso del cilindro es igual a 0.055Kg.g=0.539N, por lo tanto la fuerza adicional para mover el vástago del cilindro es F=5.341N.
Esto nos lleva a decir lo siguiente:
Tomando en cuenta el valor necesario para mover el vástago del cilindro hidráulico que adquirimos, como mínimo se debe aplicar una fuerza de 5.883N en el embolo, esto debido a que la superficie del cilindro y las empaquetaduras del embolo ofrecen una mínima resistencia al movimiento (salida del vástago). Es primordial el conocer la presión máxima que pueda trabajar nuestra bomba, que para este proyecto se trata de una bomba de gasolina común y corriente. Esta pequeña bomba nos debe garantizar como mínimo la salida del vástago, mediante el impulsa del fluido hacia el embolo del cilindro.
Consultando en una página de internet, se encontró datos de trabajo de una bomba eléctrica de gasolina de la marca BOSH, los cuales están registrados en la siguiente tabla.
Figura N°14 Parámetros de trabajo de una Bomba eléctrica de combustible marca BOSCH
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Disponible en: http://www.boschecuador.com/assets/tecnova/Bombas%20de%20gasolina%20y%20prefiltros.pdf
Con estos parámetros de trabajo, tomaremos el mínimo valor de la presión en el sistema de esa bomba.
Mediante la siguiente expresión matemática P=FA determinaremos si, como
mínimo estará garantizado el movimiento del embolo siempre y cuando no haya fuerzas que restrinjan su movimiento aparte de la resistencia ya calculada anteriormente.
Donde A: área el embolo P: Presión máxima que puede trabajar la bomba de combustible
P=3Bar10⁵1 ¿ ¿ Pascal 1Pascal=
Nm²
Aembolo=128,679mm2
→Fmin .garantizada=3 x10⁵ Nm2 . x 128.679mm ² x
10¯ ⁶m ²mm ²
Fmin .garantizada=38.6037N
Con este resultado está garantizado el movimiento del embolo. Un punto muy importante a aclarar es lo siguiente.
-Desconocemos la marca de nuestra bomba de combustible, ya que fue adquirida en un lugar de donde la comercializan sin alguna información posible, y el estado
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en que se encontró, fue difícil llegar a conocer el nombre del fabricante, todo esto debido al bajo recurso económico para adquirir una nueva. Es por ello que se tomó como referencia una marca conocida en el mercado para su comparación.
3.3.2Análisis estático Cucharon-Boom
Se eligió una posición específica para el cucharon pero sin carga despreciando el esfuerzo generado por los cilindros, ya que estos se analizaran después.
Figura N°15 DCL Sistema Cucharon- Cilindro H-Boom
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Donde el punto G representa el centro de gravedad del sistema Cucharon-Cilindro-Boom, hallado de una manera poco ortodoxa mediante una cuerda sosteniendo en dos puntos diferentes a este pequeño sistema. Prolongamos las líneas una vez que se detengan luego la intersección será el centro de gravedad.
Figura N°16 Determinando el Centro de gravedad del Sistema Cucharon –Boom- Cilindro
Del DCL por “La Tercera Ley de Newton” y asumiendo cualquier dirección para las reacciones en los puntos A y B tanto en los ejes X como en Y, se cumple en el eje Y.
RA RB
MG + RyB= RyA……. (∞ ¿
Donde:
MG peso del Sistema Cucharon –cilindro-Boom RyB: Reacción de B en el eje Y RyA: Reacción de A en el eje Y
El la masa del Sistema quedo registrado en la siguiente imagen.
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FiguraN°17 Masa del Sistema Cucharon-Cilindro-Boom
Fuente elaboración propia.
Entonces MG= 0.185x9.8=1.813N reacomodando la expresión (∞ ¿
1,813 = RyA – RyB……………… (∞ ¿
En el eje X por L.T.L.N
RxA = RxB…………… (∂¿
Tomando Momentos en el punto A
∑MA=0=1.813 , (16,80 )−RyB (4.35 )+RxB (40.15 )……………….(α )
∑MB=0=1.813 , (21.15 )−RyA (4.35 )+RxA (40.15 )……………….(θ)
Ahora bien, tenemos 4 expresiones, 4 incógnitas, por el método de matrices para sistemas de ecuaciones lineales, tenemos los siguientes resultados.
RxA: 0,846N RyA: 0.998N
RxB: 0,846N RyB: -8,14N → El sentido asumido inicialmente no era el correcto para este vector.
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Determinando factor de seguridad en el cilindro hidráulico N°2
De lo calculado anteriormente se desprende la siguiente información para el punto A.
Hallando el ángulo μdel Vector RAμ= tanh ¿ RyARxA
≈50 °
Según el diseño, obtenemos el siguiente DCL en el punto A, el ángulo que forma el cilindro con la horizontal es igual a 17°
Figura N°18 DCL en el Vástago del Cilindro
Del gráfico, notamos que el segundo cilindro está sometido a tracción, pues bien calcularemos el esfuerzo correspondiente asociándolo a un factor de seguridad.
Ft=RA.cos67 FC=RA.Sen67 RA=√Rx A2+RyA ² =1,30N
Entonces Ft=0.5N Fc=1.196N
Para un esfuerzo de tracción tomaremos como referencia el límite de fluencia del vástago y para el esfuerzo de corte o cizallamiento el esfuerzo último.
σreal= FA
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σreal=0.5N /28.18mm ²
σreal=0.017MPa
Ellimite de fluencia paraelmaterialdel vastago es
Acero CK 45 (SAE 1045) normalizado, rectificado y cromando, con un límite a la fluencia de 50Kg/mm² o 490MPa
Entonces el Factor de seguridad en el cilindro #2 cuando el sistema no ha cargado
nada será de F . S=σ
σreal= 490MPa0.017MPa
=28823.52
Hallando el στ=fcA =
1.196N28.18mm ²=0.042MPa
F . S=σmaxστ
=784 MPa/0.042MPa
Pues bien es un factor de seguridad demasiado alto, esto garantiza un buen soporte estructural por parte del vástago, pero aún no se ha analizado la parte más crítica de nuestro sistema, y eso será a partir de una carga que pueda levantar el cucharon analizadas en los pasadores y la reacción en las articulaciones de la pluma, que es la parte donde más esfuerzo se necesita.
3.4Análisis Mecánico en el Sistema General
Como paso inicial asignaremos un carga en el cucharon de 2Kg, ya que según lo calculado nuestro problema radicará en poder sostener en el cucharon un carga con una bomba de eléctrica de combustible de presión máxima a 3 Bar. En este paso no se toman en cuenta fuerzas internas del sistema, como lo son reacciones en las articulaciones A y B, ni en el cilindro #1 del Boom.
El DCL de nuestro Sistema con carga es 2el siguiente.
Figura N°19 DCL Del Sistema
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Donde:
Mg: Masa del sistema Boom-Cucharon-Cilindro Hidráulico.
Mp: Masa de la Pluma y el Cilindro Hidráulico
Nota: RxD no general Momento, por estar en la misma línea de acción que el punto de pivote (C); además la posición del centro de gravedad de la pluma se determinó de la misma manera que en el Boom.
∑MC=0=1.813 x 251.31+2 x 9,8x 234,54+0.155 x 9,8x 115,54−RyDx 45,26……………….(φ)
→RyD=115,51N
∑ FY=0→RyC=92,578N ↓
Calculando RxD y RxC
∑ Fx=0→RxC=RxD
∑ME=0=1,813 x135,77+2 x 9,8x 119,29+115,51 x70,28−93,208 x115,54+RxDx 124,26−RxCx 124.26
Notamos que para cualquier valor de RxD; RxC tomara el mismo valor y la ecuación siempre correcta, por ello no será de interés para los demás cálculos.
Ahora pasemos a determinar, si la capacidad de nuestra bomba eléctrica de combustible tiene la suficientemente aguante de presión para que se genere la suspensión de esos 2KG de carga que se planteó para el cucharon.
Mg
Mp2Kg
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Figura N°20 DCL En Cilindro de la Pluma
→Fcorte=RyD.sen12=24.01N….. (III¿
Fcompresion=RyD.cos12=112.98N………………….…..(π ¿
entonces por cadacilindrohabrá56,49N .
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Según la dirección de la fuerza, en el momento que el cucharon levanta una carga de 2Kg los cilindros de la pluma trabajan en compresión, con 56.49N.
Veamos si la presión de trabajo de la bomba es la necesaria para mantener una carga de 2 kg en el cucharon.
Según la tabla N° trabajando a 3 Bar de presión, tendremos en la línea de acción vástago y embolo la siguiente fuerza.
P=F/A
F.entre: Fuerza entregada por la
Bomba a través del fluido en el sistema pluma-Cilindro.
A: Área del embolo 128.679mm2
P: presión máxima de la bomba 3Bar o 3x105Pas
→Fentregada=PxA=3x 105 Nm ²
x 128,679mm2 . 10¯ ⁶mm ²
m2=38.60 N……….(ω)
El resultado de la expresión (ω ) nos dice que a esa carga en el cucharon, no es posible que los cilindros en la pluma puedan generar la fuerza suficiente para contrarrestarlos.
3.3Determinación de la Carga Máxima “Wg”
Ahora la incógnita será determinar la carga máxima en nuestro sistema, teniendo en cuenta que nuestro sistema hidráulico formara un sistema cerrado en ese momento, porque se encontrara de manera estática soportando la máxima carga
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en el cucharon. Por la Ley de Pascal se sabe que en un sistema cerrado la fuerza de distribuye en el mismo valor en cualquier punto del sistema, por consiguiente el análisis estático en ese momento es.
Figura N°21 DCL-Sistema con Carga Máxima
∑MC=Mgx251,31+WGx234,54+MPx115,54−RyDx 45,26…..(∅ ¿
Además: Según la Expresión… (π ¿
Fcompresion=RyD.cos12 Por cada cilindro
Siendo la Fcompresion=Fentregada
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Según la expresión
→Fentregada=PxA=3x 105 Nm ²
x 128,679mm2 . 10¯ ⁶mm ²
m2=38.60 N……….(ω)
Entonces RyD por los dos cilindros Será: 78,924N
Reemplazando en la Expresión... (∅ ¿
Tenemos que Wg (Carga máxima)=12.53N o 1.27Kg
El resultado nos indica que nuestro sistema solo podrá cargar por disposición de la bomba tan solo 1.27 Kg que es donde la bomba hace su mayor esfuerzo para entregar todo el caudal (1l/min aproximadamente) requerido para llegar a su presión máxima de trabajo.
Planos De los Circuitos Eléctricos e Hidráulico
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Figura N°22 Circuito de Control
COMPONENTES QUE CONFORMAN EL CIRCUITO ELECTRICO
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Batería Bomba eléctrica Motor eléctrico Cables Electroválvulas Switch simple Switch de doble efecto
INTERPRETACION DEL CIRCUITO ELECTRICO:
La imagen muestra el circuito eléctrico de corriente continua de 12 voltios que es
suministra en este caso por una batería, la tensión hacia los solenoide de las
electro-válvulas para activar dicha electro-válvula de paso mediante un switch de
doble efecto tal como podemos observar en el circuito. Por otro lado también
alimenta tensión a la bomba y al motor con un switch simple. Para proteger los
componentes en este sistema se podría colocar un fusible.
Figura N°23 Circuito Hidráulico
COMPONENTES QUE CONFORMAN EL CIRCUITO HIDRAULICO
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El circuito hidráulico que se muestra está formado por
•Una bomba eléctrica que suministra caudal entre 60 y 200 l/h a un voltaje nominal y una presión en el sistema entre 300 y 450 kPa (3-4,5 bares).
•Electro-válvulas de paso.
•Mangueras.
•Los cilindros o actuadores.
•Válvula de alivio.
INTERPRETACION:
Cuando a la bomba eléctrica se alimenta corriente este comienza a enviar el fluido mediante las cañerías (mangueras), el cual es regulada por la válvula de alivio variable a una determinada presión que es la presión máxima de todo el sistema, el paso del fluido es controlado por los electro-válvulas los cuales son accionados manualmente alimentándole corriente; esto hace que llegue a una de las cámaras del cilindro el cual hace que suba o baje el embolo según sea el caso.
Las válvulas están sincronizadas para que cuando uno de ellos deje pasar el fluido hacia el cilindro-embolo el otro deje pasar hacia el tanque.
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