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Abstract
En este proyecto se ha realizado el diseño de los diferentes elementos que componen la pala trasera de una retroexcavadora utilizando como punto de partida un modelo ya existente en el sector de la construcción. Utilizando ese modelo como referencia se han analizado las propiedades geométrica y de carga del modelo diseñado. Con estos datos se ha realizado un estudio analítico de las reacciones que tiene que soportar cada elemento de la retroexcavadora para unas posiciones determinadas. Tras completar el estudio analítico se han verificado que los datos obtenidos sean correctos, una vez verificados se han escogido los cilindros necesarios y se han definido los pasadores que requerirían la estructura. Una vez completado todo este proceso se han realizado los modelos por medio de Solidworks de las piezas que se han diseñado en el proyecto, en estos modelos se han analizado las tensiones y deformaciones para las condiciones de carga que se encuentran sometidos. Tras analizar los resultados se han realizado mejoras en los diseños iniciares para que cumplieran con los requisitos definidos. Segura Moreno, Jesús; Abad Blasco, Javier Óscar
Full text
MEMORIA 1 PROYECTO FIN DE CARRERA ANALISIS Y DISEÑO DE LA PALA TRASERA DE UNA RETROEXCAVADORA AUTOR JESUS SEGURA MORENO DIRECTOR JAVIER ABAD BLASCO ESPECIALIDAD MECANICA CONVOCATORIA SEPTIEMBRE 2012
MEMORIA 2 INDICE 1.OBJETIVO...............................................................................................................................4 2.ANÁLISISCARATERISTICASDELAPALA................................................................................4 2.1.SELECCIÓNDEMODELOCOMERCIAL............................................................................5 2.2.CARACTERÍSTICASGEOMÉTRICASYDIMENSIONALES..................................................5 3.ELEMENTOSQUECOMPONENLAESTRUCUTRA.................................................................10 3.1.DEFINICIÓNDEDIMENSIONES........................................................................................15 4.ANÁLISISANALÍTICO............................................................................................................22 4.1.INTRODUCCIÓN...........................................................................................................22 4.2.PRESTACIONESDELARETRO...........................................................................................22 4.3.POSICIONESESTUDIADAS.................................................................................................24 5.PLANTEAMIENTORESOLUCIÓNANALÍTICA........................................................................41 5.1.DIAGRAMASSOLIDOLIBRE.........................................................................................42 5.1.1.RESOLUCIÓNDEREACCIONES.............................................................................48 5.2.DISTANCIASPARAELCÁLCULODEMOMENTOS..............................................................51 5.3.CALCULOREACCIONES.....................................................................................................56 5.4.ANÁLISISDERESULTADOS................................................................................................70 6.COMPROBACIÓNNUMERICADELCÁLCULOANALÍTICODELASREACCIONES..................77 6.1.CREACIÓNESTRUCTURA..................................................................................................77 6.2.CONDICIONESDELASIMULACIÓN...................................................................................81 6.3.COMPARACIÓNDERESULTADOS.....................................................................................89 7.SELECCIÓNDECILINDROS...................................................................................................98 7.1.COMPROBACIÓNDEPANDEO........................................................................................103 7.2.CARATERÍSTICASCILINDROS..........................................................................................108 7.4.COMPROBACIÓNLONGUITUDDECARRERA..................................................................109 7.3.ACESORIOSCILINDROS...................................................................................................110 8.DEFINICIÓNDEPASADORES..............................................................................................113 8.1.PASADORESCILINDROS..................................................................................................113 8.2.PASADORESPERFILES.....................................................................................................118 9.OREJETAS...........................................................................................................................122 9.1.ESPESOROREJETAS........................................................................................................122 10.DISEÑODEELEMENTOS................................................................................................128 10.1.MODELIZACIÓN............................................................................................................128
MEMORIA 3 10.2.ESTUDIODEDISEÑO.....................................................................................................134 10.2.1.SELECCIÓNDEPOSICIONESCRÍTICAS....................................................................134 10.2.2.TIPOSDEESTUDIO.................................................................................................136 10.2.3.ANÁLISISMODAL...............................................................................................136 10.2.4.ESTUDIOESTÁTICO............................................................................................142 10.2.4.1.ESTUDIOANALITICOAPANDEODELELEMENTODB.................................142 10.2.4.2.ESTUDIOESTÁTICOPORSOLIDWORKS......................................................146 10.2.4.2.1.CONDICIONESDELESTUDIO................................................................146 10.2.4.2.1.1.CONJUNTODESUPERFICIES........................................................148 10.2.4.2.1.2.CONEXIONES...............................................................................149 10.2.4.2.1.3.CONJUNTOSDECONTACTO........................................................149 10.2.4.2.1.4.CONTACTOENTRESUPERFICIES..................................................150 10.2.4.2.1.5.SUJECIONES.................................................................................150 10.2.4.2.1.6.CARGASEXTERNAS......................................................................151 10.2.4.2.1.7.MALLADO....................................................................................154 10.3.ANÁLISISDERESULTADOS............................................................................................163 10.3.1.MEJORASENELDISEÑO........................................................................................168 11.VERIFICACIONENSAMBLAJE.........................................................................................187 12.CONCLUSIONES.............................................................................................................190 13.BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................192 13.1.PÁGINASWEBYCATÁLOGOS................................................................................192 13.1.1.EMPRESASFABRICANTESDERETROEXCABADORAS.........................................192 13.1.2.EMPRESASFABRICANTESDECILINDROS..............................................................192 13.1.3.PERFILESCOMERCIALES........................................................................................192 13.2.MANUALESYLIBROS.............................................................................................192 ANEXOI:CÁLCULODEREACCIONESMANUAL..........................................................................193 ANEXOII:CATALOGORETROEXCAVADORAJCB4CX.................................................................201 ANEXOIII:CATALOGOCILINDROS.............................................................................................203 ANEXOIV:CATALOGOPERFILES................................................................................................209
MEMORIA 4 1. OBJETIVO EL objetivo de este proyecto consiste en diseñar la pala trasera de una retroexcavadora, la cual su uso estaría destinado para el sector de la construcción. El diseño se va a realizar partiendo de las características dimensionales y de cargas de un modelo comercial, calculando las reacciones en los diferentes elementos que componen la pala para unas determinadas posiciones en función de las características dimensionales de esta. También se escogerán los cilindros comerciales necesarios para cumplir las características de cargas requeridas y se definirá tanto el material como los diámetros necesarios para los pasadores. La parte final del proyecto consiste en dimensionar y modelizar los elementos que componen el cuerpo de la pala trasera atendiendo a los criterios de coeficientes de seguridad y de de desplazamientos requeridos. 2. ANÁLISIS CARATERISTICAS DE LA PALA Como punto de partida para poder realizar el diseño de la pala trasera se han analizado diferentes modelos de palas comerciales ya existente en el mercado de la construcción. Una vez seleccionado el modelo, se analizaran sus características tanto dimensionales como de carga definidas por el fabricante y a partir de estas se definirán las características que tendrán el modelo a diseñar.
MEMORIA 5 2.1. SELECCIÓN DE MODELO COMERCIAL Para la determinación de las dimensiones que va a tener la retroexcavadora sobre la que se realiza el estudio, se ha buscado información sobre las dimensiones de los modelos comerciales de las marcas más características del sector como: JCB, CATERPILLAR, VOLVO, KOMATSU, CASE, NEW HOLLAND… Tras analizar las dimensiones facilitadas por los catálogos de los fabricantes, se ha decidido tomar como base para la realización del estudio el modelo 4CX de JCB, puesto que es el modelo del cual se ha obtenido mayor cantidad de información acerca de sus características dimensionales. 2.2. CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS Y DIMENSIONALES Una vez determinado el modelo comercial en el que se va a basar el estudio se han utilizado las características geométricas facilitadas por el fabricante en el catalogo comercia. A continuación se muestran la información dimensional obtenida de este modelo y como se ha utilizado esta para determinar la geometría del modelo del estudio:
MEMORIA 6 Figura1‐Dimensiones Tabla1‐Tabladimensiones
MEMORIA 7 En análisis inicial se va a dimensionar la estructura principal de la retro como una estructura articulada, para poder realizar por medio de diagramas de solido libre un estudio teórico de las respectivas posiciones definidas para este. Para poder llevar a cavo el dimensionamiento de la estructura se va a proceder a realizar en SOLIDWORKS los diferentes elementos de la retro como una estructura de barras por medio de la herramienta de croquis. Los pasos seguidos para ello son: 1. Insertar la imagen de la retro perteneciente al catalogo como imagen de croquis, en croquis del SolidWorks, escalándola a tamaño real utilizando las medidas facilitadas por el fabricante. El proceso de escala se ha realizado mirando una distancia dada en el catalogo entre dos puntos y midiendo esta en SolidWorks sobre la imagen y agrandando la imagen hasta que la dimensión medida concediera con la facilitada en el catalogo por el fabricante. Figura2‐Plantillacroquis
MEMORIA 8 2. Utilizando esta imagen como base se realiza el croquis de las barras que formar la estructura principal de la retro, redondeando dimensiones para que tengas dimensiones exactas. Figura3‐Croquis 3. Para poder simular el movimiento del croquis con el real de la retro, cada conjunto de barras que formen parte de un elemento perteneciente a la retro se definirán como bloque, de tal forma que estas se comporten como un único elemento. Por otro lado, los cilindros no están definidos como bloques, puesto que su longitud varía en función de la posición que este la retro.
MEMORIA 15 3.1. DEFINICIÓN DE DIMENSIONES Una vez terminada la estructura en forma de bloques, se pasa a determinar el rango valores de longitud que van a tomar los cilindros, para ello se utilizan las medidas de alcance determinadas en el catalogo adaptadas al redondeo de cotas que se ha realizado, para ello se posicionara la estructura en las posiciones mas extremas para los cilindros tanto máximas como mínimas para poder hallar el rango de valores que actúan los cilindros, estos valores también han sido redondeados en función de el resto de elementos que forman parte de la estructura de la retro. Las posiciones extremas que se han tenido en cuenta para le dimensionamiento de los cilindros son: • Cilindro 1 a) Posición de longitud mínima Figura14‐Cilindro1posiciónmínima
MEMORIA 16 b) Posición de longitud máxima Figura15‐Cilindro1posiciónmáxima • Cilindro 2 a) Posición de longitud mínima Figura16‐Cilindro2posiciónmínima
MEMORIA 17 b) Posición de longitud máxima Figura17‐Cilindro2posiciónmáxima • Cilindro 3 a) Posición de longitud mínima Figura18‐Cilindro3posiciónmínima
MEMORIA 18 b) Posición de longitud máxima Figura19‐Cilindro3posiciónmáxima
MEMORIA 19 Las dimensiones finales de los elementos de la estructura son: Figura20–Nudosestructura LONGUITUD ELEMENTOS mm LONGUITUD CILINDROS mm AB 1.109 CILINDRO 1 EG 1485-2365 ABC AC 1.068 CILINDRO 2 IK 1498-2386 BC 385 CILINDRO 3 JL 1877-3080 BD BD 530 DEF DE 255 EF 540 CF 250 CFGHI FH 2210 GH 635 HI 605 HJ 692 HJKM JM 2428 MK 1390 Tabla2‐Dimensioneselementos
MEMORIA 20 ELEMENTO ABC ELEMENTO DB ELEMENTO DEF ELEMENTO CFGHI
MEMORIA 21 ELEMENTO HJKM CILINDRO 1 CILINDRO 2 CILINDRO 3
MEMORIA 22 4. ANÁLISIS ANALÍTICO 4.1. INTRODUCCIÓN Para la realización del diseño de la retro, se va a partir de un estudio por medio de diagramas de solido libre para tener unos datos de partida de las cargas que soporta cada elemento del la maquinaria, de esta forma se podrán tomar estos datos obtenidos como base para la realización de un diseño previo. Este diseño previo se realizara con SolidWorks, posterior mente este será analizado con una mayor exactitud por medio del análisis por elementos finitos que se realizara mediante el modulo de Simulation perteneciente también a SolidWorks. Con los resultados finales obtenidos en el estudio de elementos finitos se pasara a modificar el diseño previo para realizar el diseño definitivo de la retro excavadora cumpliendo los resultados obtenidos en el estudio de elementos finitos. 4.2. PRESTACIONES DE LA RETRO Puesto que las dimensiones la estructura de barras sobre la que vamos a realizar el estudio ya tiene unas dimensiones definidas, las otras características que vamos tener en cuenta en el estudio son las diferentes cargas que soportan los elementos de las estructura, en diez posiciones diferentes de trabajo de esta.
MEMORIA 23 Por lo tanto para cada una de estas diez posiciones se obtendrán las reacciones que soportan cada nudo de la estructura, para un posterior análisis de los resultados obtenidos para cada nudo a lo largo de esas posiciones. Por otro lado, las diferentes cargas que se han tomado para el estudio han sido obtenidas del catalogo facilitado por el fabricante: Tabla3‐Prestacionesretro El criterio tomado para la carga que soportar la estructura, es que cada una de las cargas facilitadas por el fabricante solo se encuentra en movimiento un determinado cilindro del mecanismo, los criterios de carga para cada cilindro son: • Fuerza de arranque del cazo, cuando solo actúa el cilindro 1. • Fuerza de arranque balancín, cuando solo actúa el cilindro 2. • Capacidad de carga extendido total, cuando solo actúa el cilindro 3.
MEMORIA 24 4.3. POSICIONES ESTUDIADAS Para el estudio se han tomado diez posiciones para determinar en cada elemento de la estructura los mayores esfuerzos que se encuentran sometidos según la posición que se encuentran para su posterior dimensionamiento. En cada una de estas posiciones se han medido los ángulos necesarios para el cálculo de las reacciones en esa determinada posición. La determinación de los ángulos necesarios se ha realizado mediante un estudio de una determinada posición que re ha realizado numéricamente, incluida en el anexo I. Los ángulos necesarios para el cálculo de las reacciones son: Figura21‐Ánguloscalculoreacciones α β θ δ
MEMORIA 31 Figura33‐Ángulosmomentosposición4 Figura34‐Ángulosmomentosposición4
MEMORIA 32 POSICION 5 Figura35‐Ángulosreaccionesposición5 Figura36‐Ángulosmomentosposición4
MEMORIA 33 Figura37‐Ángulosmomentosposición4 POSICION 6 Figura38‐Ángulosreaccionesposición6
MEMORIA 34 Figura39‐Ángulosmomentosposición4 Figura40‐Ángulosmomentosposición4
MEMORIA 35 POSICION7 Figura41‐Ángulosreaccionesposición7 Figura42‐Ángulosmomentosposición7
MEMORIA 36 Figura43‐Ángulosmomentosposición7 POSICION 8 Figura44‐Ángulosreaccionesposición8
MEMORIA 37 Figura45‐Ángulosmomentosposición8 Figura46‐Ángulosmomentosposición8
MEMORIA 38 POSICION 9 Figura47‐Ángulosreaccionesposición9 Figura48‐Ángulosmomentosposición9
MEMORIA 39 Figura49‐Ángulosmomentosposición9 POSICION 10 Figura50‐Ángulosreaccionesposición10
MEMORIA 40 Figura51‐Ángulosmomentosposición10 Figura52‐Ángulosmomentosposición10
MEMORIA 47 3 19) ∑02·cos3cos 20) ∑03·sin2·sin 21) ∑0··2cos·2· sin·3cos·3·sin· CILINDRO 3 22) ∑03 23) ∑03·cos 24) ∑03·sin
MEMORIA 48 5.1.1. RESOLUCIÓN DE REACCIONES En este apartado se ha planteado de forma teórica como obtener las diferentes reacciones en lo nudos de los diferentes elementos indicando la numeración de la ecuación utilizada para el cálculo de la reacción que se encuentra definida en el apartado 5.1. CAZO ABC 3) ·AC ·BC·BC cos sin 1) cos 2) sin || ELEMENTO DB 4) RB=RD 5) 6)
MEMORIA 49 ELEMENTO DEF 9) 1· ·· 11cos 11sin 7) 1coscos 8) 1sinsin CILINDRO 1 10) 1 11) 11cos 12) 11sin ELEMENTO CFHGI 15) 2······ ·· 13) 1·cos2cos 14) 2·sin1sin ||
MEMORIA 50 CILINDRO 2 16) 2 17) 2·cos 18) 2·sin ELEMENTO HJKM 21) 3····· ·· 19) 3·cos2·cos 20) 2·sin3·sin || CILINDRO 3 22) 3 23) 3·cos 24) 3·sin
MEMORIA 51 A C B 5.2. DISTANCIAS PARA EL CÁLCULO DE MOMENTOS Se ha tomado la decisión de que las distancias necesarias para el cálculo de los momentos se realicen mediante las longitudes las barras y los ángulos que forman estas. De esta forma a demás de reducir el tiempo de introducción de datos para cada una de las diez posiciones, debido a que no hay que medir las respectivas distancias en el eje x y eje entre puntos para cada posición de cada elemento, si no que basta con medir el ángulo que forman cada barra. También se reduce el tiempo gracias a que según el criterio de giro positivo que se ha tomado para cada ángulo. En función del valor que tenga el ángulo medido, las formulas para determinar las longitudes en cada eje tendrá el signo correcto, para el posterior cálculo de las reacciones. Lo que esto permitirá en el cálculo de las reacciones se pueda automatizar mediante una tabla Excel, puesto que en el cálculo de los momentos las distancias tendrán su signo correcto según el criterio de signos tomados al punto donde se calcula los momentos. Para cada elemento se han numerado las ecuaciones definidas para la obtención de las distancias necesarias. CAZO ABC
MEMORIA 52 F D E BC 25) ·cos 26) ·sin AC 27) ·cos 28) ·sin BARRA DEF FE 29) ·cos 30) ·sin
MEMORIA 53 C F G I H DE 31) ·cos 32) ·sin DF 33) 34) ELEMENTO CFHGI CH 35) ·cos 36) ·sin
MEMORIA 54 FH 37) ·cos 38) ·sin GH 39) ·cos 40) ·sin IH 41) ·cos 42) ·sin
MEMORIA 55 H J M K ELEMENTO HJKM KM 43) ·cos 44) ·sin JM 45) ·cos 46) ·sin HM 47) ·cos 48) ·sin
MEMORIA 56 5.3. CALCULO REACCIONES El objetivo en este punto es realizar un proceso de automatización para el cálculo de reacciones en cada nudo de la estructura a lo largo de las posiciones analizadas. Para poder realizar este proceso lo primero que se requiere es conocer las cargas que va a mover la pala por lo tanto, se ha relazado la tabla 4 en la que aparecen las cargas que son capaces de mover cada cilindro en función de la posición analizada. A continuación se ha realizado tabla 5 en la que aparecen las mediciones de los ángulos necesarios para poder utilizar las ecuaciones necesarias para el cálculo de las reacciones a lo largo de las 10 posiciones analizadas definidas en el apartado 4.3. ANGULOS REACCIONES POSICION α Β δ θ 1 83,7 24,15 58,24 59,08 2 353,63 21,73 58,24 59,08 3 115,45 -7,6 21,4 27,33 4 25,38 -10,02 21,4 27,33 5 142,58 -34,73 -5,86 0,2 6 52,52 -37,15 -5,86 0,2 7 170,26 -62,41 -30,41 -27,48 8 80,19 -64,82 -30,41 -27,48 9 218 -110,15 -69,11 -75,22 10 127,93 -112,56 -69,11 -75,22 Tabla5‐Ángulosreacciones PRESTACIONES DE LA RETRO KG N FUERZA DE ARRANQUE DEL CAZO 6324 62038,44 FUERZA DE ARRANQUE BALANCIN 3893 38190,33 CAPACIDAD DE CARGA EXTENDIDO TOTAL 2050 20110,50 Tabla4‐Prestacionesretro
MEMORIA 63 Una vez obtenidos todos los valores necesarios para el cálculo de las reacciones en los nudos. Se utiliza una hoja de Excel para el uso de las ecuaciones del apartado 5.1 que permiten calcular los valores de las reacciones, estas ecuaciones se introducen de forma genérica en función de los ángulos de la tabla 5 y las distancias de las tablas 8, 9 y 10 en la hoja de Excel para así calcular las reacciones para cada nudo a lo largos de las 10 posiciones analizadas como se ve en la Figura 54. Figura54‐Calculoreacciones Esta tabla Excel proporciona los valores las reacciones en cada nudo de la estructura, los signos de estas están en función de los diagramas de solido libre del apartado 5.1 utilizados para la obtención de las ecuaciones necesarias para el cálculo de las reacciones en el punto 5.1.1, por lo tanto si estas tienen signo positivo significa que van en el sentido dibujado, si el signo es negativo van en signo contrario.
MEMORIA 64 A demás de esto se han descompuesto los valores de las reacciones de cada nudo en reacciones en los ejes X e Y Figura55‐ReaccionesenXeY Una vez introducido todas las formulas en sus respectivos nudos los resultados obtenidos para cada nudo de cada elemento de la estructura en las 10 posiciones analizadas son: • Nudos A, B y C : Tabla 11 • Nudos D, E y F : Tabla 12 • Nudos H, G e I : Tabla 13 • Nudos J y K : Tabla 14 • Nudos L y M : Tabla 15 ReacciónReacciónenXReacciónenY
MEMORIA 65 REACCIONES NUDOS A, B y C REACCIONES NUDOS (N) NUDO ABC POSICION RAX RAY RA RBX RBY RB RCX RCY RC 1 0 -20110,50 -20110,50 -3010,06 -27264,82 -27430,48 3010,06 47375,32 47470,85 2 0 62038,44 62038,44 -136784,29 15270,30 -137634,03 136784,29 -77308,74 157119,65 3 0 -20110,50 -20110,50 23980,84 -50389,99 -55805,30 -23980,84 70500,49 74467,44 4 0 62038,44 62038,44 -201170,88 -95436,91 -222661,01 201170,88 33398,47 203924,44 5 0 -20110,50 -20110,50 53223,84 -40722,15 -67015,45 -53223,84 60832,65 80829,38 6 0 62038,44 62038,44 -147867,32 -192843,78 -243009,20 147867,32 130805,34 197420,32 7 0 -20110,50 -20110,50 62340,05 -10700,78 -63251,79 -62340,05 30811,28 69538,60 8 0 62038,44 62038,44 -35549,77 -205597,30 -208648,11 35549,77 143558,86 147895,00 9 0 -20110,50 -20110,50 19711,93 15400,65 -25014,79 -19711,93 4709,85 20266,79 10 0 62038,44 62038,44 29226,30 -37502,30 -47545,76 -29226,30 -24536,14 38160,17 Tabla11ReaccionesnudosA,B,C
MEMORIA 66 REACCIONES NUDOS D, E y F REACCIONES NUDOS (N) NUDO DEF POSICION RDX RDY RD REX REY RE RFX RFY RF 1 -3010,06 -27264,82 -27430,48 40083,44 17972,18 43928,14 -37073,37 45237,00 58487,79 2 -136784,29 15270,30 -137634,03 184908,05 73696,02 199052,98 -48123,75 58425,72 75693,20 3 23980,84 -50389,99 -55805,30 88589,92 -11820,42 89375,03 -112570,76 38569,57 118994,90 4 -201170,88 -95436,91 -222661,01 317107,91 -56028,82 322019,65 -115937,04 39408,09 122451,60 5 53223,84 -40722,15 -67015,45 88208,92 -61147,11 107330,25 -141432,76 -20424,96 142899,98 6 -147867,32 -192843,78 -243009,20 280048,39 -212183,36 351352,92 -132181,07 -19339,57 133588,37 7 62340,05 -10700,78 -63251,79 46907,98 -89764,85 101282,22 -109248,03 -79064,07 134856,44 8 -35549,77 -205597,30 -208648,11 128347,69 -273000,03 301665,62 -92797,91 -67402,73 114693,42 9 19711,93 15400,65 -25014,79 -13798,92 -37605,61 40057,37 -5913 -53006,26 53335,05 10 29226,30 -37502,30 -47545,76 -26372,77 -63481,40 68741,63 -2853,52 -25979,09 26135,34 Tabla12‐ReaccionesnudosD,E,F
MEMORIA 67 REACCIONES NUDOS G, H e I REACCIONES NUDOS (N) NUDO GHI POSICION RGX RGY RG RHX RHY RH RIX RIY RI 1 40083,44 17972,18 43928,14 49524,32 -102794,09 114102,07 -49524,32 -82683,59 -96380,67 2 184908,05 73696,02 199052,98 -246722,73 473955,72 534327,74 246722,73 411917,28 480154,09 3 88589,92 -11820,42 89375,03 80004,03 -61456,72 100883,96 -80004,03 -41346,22 -90056,40 4 317107,91 -56028,82 322019,65 -537995,82 340075,62 636467,54 537995,82 278037,18 605594,06 5 88208,92 -61147,11 107330,25 62995,45 -20330,40 66194,80 -62995,45 -219,90 -62995,83 6 280048,39 -212183,36 351352,92 -569045,90 64024,79 572636,37 569045,90 1986,35 569049,37 7 46907,98 -89764,85 101282,22 18864,95 -10298,40 21492,86 -18864,95 9812,10 -21264,14 8 128347,69 -273000,03 301665,62 -357680,03 -123999,34 378564,18 357680,03 -186037,78 403168,77 9 -13798,92 -37605,61 40057,37 -14348,22 -74493,18 75862,41 14348,22 -54382,68 56243,65 10 -26372,77 -63481,40 68741,63 17095,40 126833,50 127980,42 -17095,40 64795,06 -67012,33 Tabla13‐ReaccionesnudosG,H,I
MEMORIA 68 REACCIONES NUDOS J y K REACCIONES NUDOS (N) NUDO JK POSICION RJX RJY RJ RKX RKY RK 1 -68799,30 -111135,08 -130707,11 -49524,32 -82683,59 -96380,67 2 290109,07 468628,22 551158,49 246722,73 411917,28 480154,09 3 -118256,98 -46344,40 -127013,84 -80004,03 -41346,22 -90056,40 4 531357,74 208236,82 570704,50 537995,82 278037,18 605594,06 5 -128517,71 13190,34 -129192,83 -62995,45 -219,90 -62995,83 6 598242,20 -61400,24 601384,83 569045,90 1986,35 569049,37 7 -110959,69 65125,70 -128660,06 -18864,95 9812,10 -21264,14 8 538564,16 -316100,08 624476,27 357680,03 -186037,78 403168,77 9 -14947,82 39164,97 -41920,54 14348,22 -54382,68 56243,65 10 139662,13 -365930,58 391676,78 -17095,40 64795,06 -67012,33 Tabla14‐ReaccionesnudosJ,K
MEMORIA 69 REACCIONES NUDOS L y M REACCIONES NUDOS (N) NUDO JK POSICION RJX RJY RJ RKX RKY RK 1 -68799,30 -111135,08 -130707,11 -68799,30 131245,58 148184,84 2 290109,07 468628,22 551158,49 290109,07 -530666,66 604789,53 3 -118256,98 -46344,40 -127013,84 -118256,98 66454,90 135650,16 4 531357,74 208236,82 570704,50 531357,74 -270275,26 596145,76 5 -128517,71 13190,34 -129192,83 -128517,71 6920,16 128703,89 6 598242,20 -61400,24 601384,83 598242,20 -638,20 598242,54 7 -110959,69 65125,70 -128660,06 -110959,69 -45015,20 119743,15 8 538564,16 -316100,08 624476,27 538564,16 254061,64 595481,88 9 -14947,82 39164,97 -41920,54 -14947,82 -19054,47 24217,97 10 139662,13 -365930,58 391676,78 139662,13 303892,14 334448,72 Tabla15‐ReaccionesnudosJ,K
MEMORIA 70 5.4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Una vez obtenidos todos los valores de las reacciones, se obtiene unas graficas de los valores de las reacciones en cada nudo de la estura para comparar estos a lo largos de las 10 posiciones analizadas. Se ha optado por dos tipos diferentes de graficas en función de si los nudos solo están trabajando a tracción compresión o si estos están sometidos a esfuerzos en las direcciones X e Y. Las graficas de los elementos que están sometidos a esfuerzos únicamente de tracción compresión son la de los nudos que pertenecen a los cilindros y al elemento DB, las graficas para estos elementos son las siguientes: • Cilindro 1: Las reacciones son las mismas para los nudos E y G que son los que pertenecen a los extremos del cilindro 1. Como se observa en la grafica 1 y según el criterio de signos descrito en los diagramas de solido el cilindro solo trabaja a compresión en todas las posiciones estudiadas, cuyo valor máximo es de 351352.92 N la cual se da en la posición 6. Grafica1‐Reaccionescilindro1 351352,92 0,00 50000,00 100000,00 150000,00 200000,00 250000,00 300000,00 350000,00 400000,00 12345678910 (N) POSICION CILINDRO1
MEMORIA 71 • Cilindro 2: Para este cilindro las reacciones son las mismas para los nudos I y K que son los que pertenecen a los extremos del cilindro 2. Como se observa en la grafica 2 y según el criterio de signos descrito en los diagramas de solido el cilindro trabaja tanto a compresión como tracción en las posiciones estudiadas, cuyo valor máximo de compresión es 605594.06 N la cual se da en la posición 4. Por otro lado el valor máximo a tracción da en la posición 1 con un valor de 96380.67N. Grafica2–Reaccionescilindro2 • Cilindro 3: Para el último cilindro las reacciones son las mismas para los nudos J y L que son los que pertenecen a los extremos del cilindro 3. Como se observa en la grafica 3 y según el criterio de signos descrito en los diagramas de solido el cilindro trabaja tanto a compresión como tracción en las posiciones estudiadas, cuyo valor máximo de compresión es 624476.27 N la cual se da en la posición 8. Por otro lado el valor máximo a tracción da en la posición 1 con un valor de 130707.11N. ‐96380,67 605594,06 ‐200000 ‐100000 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 12345678910 (N) POSICION CILINDRO2
MEMORIA 72 Grafica3‐Reaccionescilindro3 • Elemento DB: Es el único elemento de toda la estructura que no se trate de un cilindro que trabaja a tracción – compresión, las reacciones en este son las mismas para los nudos D y B que son los que pertenecen a los extremos del elemento DB. Como se observa en la grafica 4 y según el criterio de signos descrito en los diagramas de solido el elemento DB solo trabaja a compresión en todas las posiciones estudiadas, cuyo valor máximo es de 243009.20 N el cual se da en la posición 6. ‐130707,11 624476,27 ‐200000,00 ‐100000,00 0,00 100000,00 200000,00 300000,00 400000,00 500000,00 600000,00 700000,00 12345678910 (N) POSICION CILINDRO3
MEMORIA 79 Figura57‐Mimbroestructural Esta opción nos permite seleccionar el tipo de la sección de las barras que van a formar la estructura. Esto se aplicara para cada una de las barras que componen el croquis, en este caso, se ha escogido el tipo cuadrado con unas dimensiones 20 x 20 x 1, como se puede observar en la figura 58.
MEMORIA 80 Figura58–Tipoelementoestructural Las dimensiones o el tipo de perfil podría ser otro puesto que nuestro estudio solo se realiza para comparar los esfuerzos obtenidos con las reacciones calculadas, si se utilizara para calcular tensiones los resultados si se verían afectados por la elección del tipo y tamaño del perfil. Por lo explicado anteriormente se ha escogido el mismo tipo de tubos para todas las barras de los diferentes elementos de la estructura, en los croquis de las 10 posiciones analizadas, obteniendo para cada una de ellas su respectiva estructura tubular como se puede observar en la imagen 59 la cual pertenece a la posición 2 del estudio realizado.
MEMORIA 81 Figura59‐Estructuratubulardelaposición2 6.2. CONDICIONES DE LA SIMULACIÓN Una vez creada la estructura tubular se realiza una simulación con la carga que es capaz de soportar en la posición estudiada para obtener los esfuerzos. Para ello hay que crear un nuevo estudio en el que se aplicaran las condiciones a en las que se realiza este. Para realizar el nuevo estudio hay que ir a la parte de simulation de SolidWorks y crear un nuevo estudio en nuestro caso será del tipo estático, puesto que el análisis se realiza con la maquina sin movimiento.
MEMORIA 82 Figura60‐Nuevoestudio Figura61‐Estudioestático
MEMORIA 83 La siguiente parte del proceso es crear las juntas, cada una de estas corresponderá a un nudo de la estructura, estas se crean en el apartado Grupo de juntas que se encuentra en navegador de la simulación que se puede ver en la figura 62, en este apartado hay que definir la distancia mínima entre elementos para que tome estas tome como juntas. Los nudos de la estructura en este caso se ha tomado 50 mm, figura 63. Figura62‐Grupodejuntas
MEMORIA 84 Figura63‐Editarjuntas Tras crear las juntas hay que definir cuáles de estas se comportan como una unió rígida o una unión articulada, esta definición se realiza para cada barra que forma parte de la estructura. Esta se realiza en editar definición para cada barra que aparece en el navegador como se ve en la siguiente figura.
MEMORIA 85 Figura64‐Editardefinición En esta opción se determina si los nudos de esa barra son articulados o rígidos como está definido en la figura 65, una vez que un nudo ha sido definido como articulado en una determinada barra para el resto de barras a las que también pertenezca se definirá como rígido. Este proceso se realiza en todos los nudos o juntas de la estructura. Figura65‐Editarnudo
MEMORIA 86 Otra parte a definir para poder realizar la simulación son las sujeciones de la estructura, estas también se definen en el navegador de la simulación, en este caso hay dos tipos de uniones. Figura66‐Sujeciones • Unión inamovible sin translación: Esta se aplicara en los nudos M y L en los que la estructura esta unida al cuerpo del tractor. Figura67‐Unióninamovible • Geometría de referencia: Esta unión se aplicara a toda la estructura para que no se produzcan reacciones en el eje Z, de esta forma solo aparecerán en los ejes X e Y es decir en el plano vertical que es en el que trabaja la retroexcavadora.
MEMORIA 87 Figura68–Geometríadereferencia La última parte de este apartado es asignar la carga correspondiente al vértice de la pala correspondiente en cada posición, esto se realizara en cargas externas en el menú del navegador. Figura69‐Cargasexternas En esta opción se define el nudo donde se aplica la carga, su valor y dirección, para ello también hay que definir el plano de trabajo en este caso será el plano vertical, esto se puede ver en la imagen 70.
MEMORIA 88 Figura70‐Aplicacióncarga Tras completar todas las condiciones del estudio se lanzaran las simulaciones para obtener los resultados es cada una de las posiciones analizadas. Figura71‐Ejecutarsimulación
MEMORIA 95 • POSICION 3 ANALITICOSOLIDWORKS VALOR(N)SIGNOVALOR(N) SIGNO CILINDRO189375,0284 Compresión 93592Compresión CILINDRO290056,3985 Tracción87595Tracción CILINDRO3127013,844 Tracción122710Tracción ELEMENTOBD55805,3042 Compresión 58555Compresión Tabla18‐Esfuerzosaxilesposición3 • POSICION 4 ANALITICOSOLIDWORKS VALOR(N)SIGNOVALOR(N) SIGNO CILINDRO1322019,65Compresión 329430Compresión CILINDRO2605594,06Compresión 613050Compresión CILINDRO3570704,50Compresión 559970Compresión ELEMENTOBD222661,01Compresión 232160Compresión Tabla19‐Esfuerzosaxilesposición4 • POSICION 5 ANALITICOSOLIDWORKS VALOR(N)SIGNOVALOR(N) SIGNO CILINDRO1107330,25Compresión 111880Compresión CILINDRO262995,83Tracción60333Tracción CILINDRO3129192,83Tracción126930Tracción ELEMENTOBD67015,45Compresión 70000Compresión Tabla20‐Esfuerzosaxilesposición5
MEMORIA 96 • POSICION 6 ANALITICOSOLIDWORKS VALOR(N)SIGNOVALOR(N) SIGNO CILINDRO1351352,92Compresión 357100Compresión CILINDRO2569049,37Compresión 575870Compresión CILINDRO3601384,83Compresión 599330Compresión ELEMENTOBD243009,20 Compresión 251570Compresión Tabla21‐Esfuerzosaxilesposición6 • POSICION 7 ANALITICOSOLIDWORKS VALOR(N)SIGNOVALOR(N) SIGNO CILINDRO1101282,22Compresión 105030Compresión CILINDRO221264,14Tracción18976Tracción CILINDRO3128660,06Tracción126580Tracción ELEMENTOBD63251,79Compresión 65711Compresión Tabla22‐Esfuerzosaxilesposición7 • POSICION 8 ANALITICOSOLIDWORKS VALOR(N)SIGNOVALOR(N) SIGNO CILINDRO1301665,62Compresión 304260Compresión CILINDRO2403168,77Compresión 407760Compresión CILINDRO3624476,27Compresión 622490Compresión ELEMENTOBD208648,11 Compresión 214630Compresión Tabla23‐Esfuerzosaxilesposición8
MEMORIA 97 • POSICION 9 ANALITICOSOLIDWORKS VALOR(N)SIGNOVALOR(N) SIGNO CILINDRO140057,37Compresión 40601Compresión CILINDRO256243,65Tracción56612Tracción CILINDRO341920,54Tracción42458Tracción ELEMENTOBD63251,79Compresión 525402Compresión Tabla24‐Esfuerzosaxilesposición9 • POSICION 10 ANALITICOSOLIDWORKS VALOR(N)SIGNOVALOR(N) SIGNO CILINDRO168741,63Compresión 64685Compresión CILINDRO267012,33Compresión 68338Compresión CILINDRO3391676,78Compresión 389340Compresión ELEMENTOBD47545,76Compresión 45872Compresión Tabla25‐Esfuerzosaxilesposición10
MEMORIA 98 7. SELECCIÓN DE CILINDROS Para seleccionar los cilindros lo primero es determinar las características necesarias que deberán cumplir estos en relación a la potencia y la longitud de carrera necesaria. Utilizando las graficas de las reacciones de las 10 posiciones analizadas, obtenidas en el apartado 5.4 se ha determinado para cada uno de los cilindros las reacciones máximas a tracción y compresión de cada cilindro. Por otro lado con la diferencia de la longitud máxima y mínima de la tabla 2, para cada cilindro, obtenemos la carrera necesaria para los cilindros. Teniendo en cuanta los dos puntos anteriores las características necesarias para los cilindros son: CILINDRO 1 880 0 ó351352,92 CILINDRO 2 888 96380,67 ó605594,06 CILINDRO 3 1203 130707,11 ó624476,27
MEMORIA 99 Para la elección de los cilindros se ha elegido a la compañía GLUAL Hidráulica puesto que su catalogo de productos se aproxima más a las necesidades de la retroexcavadora. Dentro de los diferentes tipos de sujeciones que nos ofrece la compañía se ha escogido la KP ISO 3320 S ISO MP5 con charnela con rotula en la base, puesto que se adapta mejor al tipo de trabajo que va a ser sometido. Figura81‐Modelocilindro
MEMORIA 100 Las características técnicas de este tipo de cilindro son: Tabla26‐Característicascilindros Después de tener elegido el tipo de cilindro se procede a determinar los diámetros tanto del pistón como del vástago del cilindro en función de las fuerzas de tracción compresión que se encuentra sometido el cilindro, el criterio de selección del cilindro cosiste en que los valores de de tracción y compresión que sea capaz de realizar estos sean los inmediatamente superiores a los necesarios.
MEMORIA 101 En función de los datos de fuerza que suministra el fabricante en la tabla 27 y las que necesitan los cilindros las dimensiones necesarias de los cilindros son: CILINDRO 1 125 90 CILINDRO 2 160 110 CILINDRO 3 160 110
MEMORIA 102 Tabla27‐Fuerzascilindros
MEMORIA 103 7.1. COMPROBACIÓN DE PANDEO A continuación se comprueba que el diámetro del vástago elegido del cilindro para la longitud de carrera necesaria y la fuerza máxima sea mayor que el diámetro mínimo de vástago para que no se produzca pandeo en esas condiciones de trabajo, la comprobación se realizara mediante la figura 84. En caso contrario se escogerá el cilindro cuyo diámetro de vástago sea mayor o igual al que se indica en al grafica y cumpla tanto los requisitos de carrera necesarios y de fuerzas tanto de tracción y de compresión. La las formulas utilizadas por el fabricante para calcular las longitudes son las que aparecen en la figura 82. Antes de realizar la comprobacion con las graficas hay que tener en cuenta el tipo de subjeccion utilizado para calcular la longitud de pandeo , los tipos de subjeccion aparecen en la figura 83 en este caso seria el tipo 2 por lo tanto la longitud de pandeo concincidiria con la carrera necesaria. CILINDRO 1 125 90 421,09 880 36
MEMORIA 104 CILINDRO 2 160 110 689,91 888 70 CILINDRO 3 160 110 689,91 1203 90
MEMORIA 111 De cada uno de los tres tipos de rosca que facilita el fabricante para el cilindro, se ha escogido la que se adapta a las características de la rosca del accesorio. Una vez determinada la rosca se ha procedido a elegir el accesorio correspondiente a esta en el catalogo. En la tabla 29 aparecen las características dimensionales de los cabezales de rotula. Tabla29–Característicascabezaderotula Los accesorios elegidos son: CILINDRO 1 125 → 651,5 803 562 651,5 651,5140141
MEMORIA 112 CILINDRO 2 160 → 1002 1003 723 1002 1002180141 CILINDRO 3 160 → 1002 1003 723 1002 1002180141
MEMORIA 113 8. DEFINICIÓN DE PASADORES En el estudio de los pasadores se dividirá en dos partes en función del cálculo de los pasadores para los cilindros y los pasadores para la unión de los perfiles. Primero determinaremos el material de los pasadores de los cilindros, una vez este sea definido se determinaran los diámetros necesarios para los pasadores de los perfiles utilizando el mismo material que en los pasadores de los cilindros El coeficiente de seguridad utilizado para todos los pasadores será de 2,5. 2,5 8.1. PASADORES CILINDROS En este apartado vamos a determinar el material del cual estarán hechos los pasadores de los cilindros como el de sus accesorios. Para ello utilizaremos la teoría de cortante máximo puesto que es más conservadora que la de energía o distorsión: ª0,5· Analizando como se encuentran los pasadores dispuestos en la estructura se observa en la figura 86 que estos se encuentran sometidos a doble cortadura por lo tanto los planos de cortadura serán dos.
MEMORIA 114 Figura86‐Doblecortadurapasadorescilindros º2 Puesto que el estudio se realiza a cortante directo las formulas utilizadas serán: ·· º· º·· 2 2
MEMORIA 115 0,5 Los pasadores para los que se va a realizar el estudio son los que se encuentran en los nudos: E, G, I, K, J, L. En este determinaremos el material en función de las obtenidas para cada pasador de cada nudo. Para ello utilizaremos las reacciones máximas obtenidas a lo largos de las diez posiciones analizadas para cada pasador de las tablas obtenidas en el apartado 5.3. REACCIONES MAXIMAS N RE=RG 351352,9 RI=RK 605594,06 RJ=RL 624476,27 Tabla30‐Reaccionesmáximapasadorescilindros Otro dato que también conocemos son los diámetros de los pasadores, estos se encuentran en las tablas 28 y 29 del fabricante. Conociendo estos podemos determinar las áreas de cada pasador que aparecen en la tabla 31 utilizando la ecuación siguiente. ·· NUDODIAMETROPASADOR(mm)AREAPASADOR(mm²) E65,3318,31 G65, 3318,31 I100, 7853,98 K100, 7853,98 J100, 7853,98 L100, 7853,98 Tabla31‐Dimensionespasadorescilindros
MEMORIA 116 La siguiente parte del estudio consiste en calcula la y puesto que conocemos todos los datos necesarios para utilizar las formulas requeridas. Los datos obtenidos para los pasadores aparecen en la tabla 32. º·· 0,5 NUDO(MPA)(MPA) E132,35264,71 G132,35264,71 I96,38192,77 K96,38192,77 J99,39198,78 L99,39198,78 Tabla32‐Sigmadefluenciapasadorescilindros Una vez obtenidos todas las , se comparan para escoger la mayor de estas puesto que será la más desfavorable, estará sometida a mayores esfuerzos con los que por eso necesita un material con una mayor. Tras la comparación se observa que el nudo I como J son los más desfavorables por lo que el material seleccionado tendrá que tener una mayor que 264,71 MPA 264,71
MEMORIA 117 Dentro de la lista de materiales de SOLIDWORKS de la figura 87, el material seleccionado es un acero estructural cuya se lo más pequeña posible pero mayor a la mínima necesaria. Tras analizar todos los aceros estructurales el elegido es Aceros estructural S275JR. 264,71<275275 275 Figura87–Materialpasadores
MEMORIA 118 8.2. PASADORES PERFILES El material de los pasadores de los perfiles será el mismo que el de los pasadores de los cilindros S275JR, por lo tanto solo queda determinar los diámetros de estos en función del material y las cargas máximas que se ven sometidos. Al igual que en el caso anterior utilizaremos a la teoría de cortante máximo, como conocemos la del material por medio de esta teoría podemos determinar la que usaremos en la determinación de los diámetros: 275275 ª0,5·0,5·275137,5 Analizando como se encuentran los pasadores dispuestos en la estructura se observa que estos se encuentran sometidos a doble cortadura por lo tanto los planos de cortadura serán dos. Figura88‐Doblecortadurapasadoresperfiles º2
MEMORIA 119 Puesto que el estudio se realiza a cortante directo las formulas utilizadas serán: º· º·· ·· ·2 Los pasadores para los que se va a realizar el estudio son los que se encuentran en los nudos: B, C, D, F, H, M. En estos determinaremos su diámetros en función de las obtenidas para cada pasador de cada nudo. NUDO(MPA) (MPA) B275137,5 C275137,5 D275137,5 F275137,5 H275137,5 M275137,5 Tabla33‐Sigmadefluenciapasadoresperfiles
MEMORIA 120 Para el cálculo de los diámetros también necesitamos las reacciones máximas en cada pasador obtenidas a lo largos de las diez posiciones analizadas en el apartado 5.4. REACCIONESMAXIMASN RB=RD243009,20 RC203924,44 RF142899,98 RH636467,54 RM604789,53 Tabla34–Reaccionesmáximaspasadoresperfiles La siguiente parte del estudio consiste en calcula el área del pasador y con esta el diámetro de estos, puesto que conocemos todos los datos necesarios para utilizar las formulas requeridas. Los datos obtenidos para los diámetros de los pasadores aparecen en la tabla 35. . º·· ·2 NUDOAREAPASADOR(mm²)DIAMETROPASADOR(mm) B=D2209,1753,04 C1853,8648,58 F1299,0940,67 H5786,0785,83 M5498,0983,67 Tabla35‐Reaccionesmáximapasadorescilindros
MEMORIA 127 Los espesores finales de las orejetas serán: OREJETAS E=G 24,5725 OREJETAS I=K 27,5328 OREJETAS J=L 28,3929 OREJETAS B=D 20,0821 OREJETAS C 18,5419 OREJETAS F 14,4315 OREJETAS H 32,1433 OREJETAS M 32,3433
MEMORIA 128 10. DISEÑO DE ELEMENTOS En esta parte del estudio de la retro excavadora se va a diseñar en SolidWorks los distintos elementos que componentes la estructura de la pala, teniendo en cuenta todos los datos obtenidos hasta ahora. Los criterios que se han tomado para el diseño de la estructura son que el coeficiente de seguridad sea de 3 y las deformaciones sean como máximo 1/500 de la longitud total del elemento. Los elementos de la retro excavadora que se van a modelizar en Solidworks son los que no trabajen únicamente a tracción-compresión: DEF, CFHIG y HJKM. Por otro lado para el elemento DB puesto que solo trabaja a traccióncompresión se seleccionara un perfil comercial mediante un cálculo analítico. El diseño estructural se ha dividido en tres partes principales: • Modelización • Estudio de diseño • Análisis de resultados 10.1. MODELIZACIÓN Para la modelización de las diferentes partes de la pala se han realizado mediante el menú superficies de SolidWorks, esta modelización se ha se realizado utilizando superficies y no sólidos para reducir en tiempo de las simulaciones del estudio estático, puesto que a la hora de hacer la simulación con superficies permite dar espesor a estas.
MEMORIA 129 En primer lugar se han utilizado los croquis de barras de cada elemento del apartado 3, usando estos croquis como base, se han creado un nuevos croquis de la envolvente del elemento con las medidas de los pasadores calculadas en el apartado 8 e intentando coquizar lo más aproximado posible a la realidad la geometría y dimensiones de cada elemento. En el proceso se ha tenido en cuenta tanto los diámetros de los pasadores, como las dimensiones de los cilindros y los accesorios de los cilindros seleccionados para modelizar los diferentes elementos. Para la anchura entre las superficies laterales se ha utilizado el valor aproximado de escalar la distancia entre estas del catalogo del fabricante de la figura 1 y tabla 1. Figura93‐Coquizaciónsuperficies Una vez definido el croquis de la superficie principal de la pieza, mediante las opciones de superficies que proporciona SolidWorks y atendiendo a las dimensiones calculadas y de la estructura se crearan las superficies de las diferentes partes que conforman cada elemento de la estructura.
MEMORIA 130 Figura94‐Herramientasdesuperficies Otro apartado que se ha tenido en cuenta en la modelización es crear líneas de partición en las aristas de las uniones entre las diferentes caras de las superficies de un mismo elemento que se encuentran en contacto para que el posterior mallado no cree problemas en las uniones de las distintas superficies. Figura95‐Líneadepartición Figura96‐Ejemplolíneadepartición
MEMORIA 131 En este apartado también se ha definido el material de los elementos de la estructura, en este caso se ha decidido que todas las superficies de todos los elementos estén formados por el mismo material S275 JR. Figura97‐Material En la siguiente tabla se pueden observar las propiedades del material elegido para el diseño de la pala. Tabla39‐PropiedadesS275JR
MEMORIA 132 Tras realizar la modelización mediante superficies atendiendo a los criterios anteriormente mencionados, las superficies de los elementos obtenidos son: • ELEMENTO DEF Figura98‐ModelizadoElementoDEF • ELEMENTO CFHIG Figura99‐ModelizadoElementoCFHIG
MEMORIA 133 • ELEMENTO HJKM Figura100‐ModelizadoElementoHJKM
MEMORIA 134 10.2. ESTUDIO DE DISEÑO 10.2.1. SELECCIÓN DE POSICIONES CRÍTICAS En este apartado se han seleccionado las posiciones críticas de los elementos DEF, CFHIG y HJKM, del elemento DB puesto que solo se analizara la posición mas desfavorable la selección de esta se ha realizado en el estudio analítico de pandeo analítico realizado posteriormente para este elemento. Para el estudio estático se ha decidido analizar las 3 posiciones más críticas de las 10 posiciones analizadas, para la elección de estas posiciones se ha realizado un análisis de las graficas de las reacciones del apartado 5.4. Los criterios del análisis han sido buscar para cada nudo la posición que tenia la reacción máxima en este y ver si estas posiciones o posiciones en las que para cada nudo tengan valores muy próximos a la reacción máxima en estos se repiten a lo largo de todos los nudos. Tras el análisis las posiciones en las que se realizara el estudio estático son: • Posición 2 • Posición 4 • Posición 6 Como los elementos a analizar que no trabajan únicamente a tracción compresión son 3 para cada uno de estos se realizaran 3 análisis uno por cada posición estudiada. Para cada uno de estos análisis abra que tener en cuenta la posición en la que se encuentra el elemento, es decir los ángulos tanto de las reacciones como de los momentos. Además de esto, hay que tener en cuenta los valores de las reacciones en los ejes X e Y para cada nudo de los elementos analizados.
MEMORIA 135 Los valores de cada elemento para cada una de las 3 posiciones del estudio son: • ELEMENTO DEF POSICIONPOSICION2POSICION4POSICION6 REACCIONESEJEX(N)EJEY(N)EJEX(N)EJEY(N)EJEX(N)EJEY(N) NUDOD‐136784,2915270,2999 ‐201170,87 ‐95436,914 ‐147867,31 ‐192843,78 NUDOE184908,04773696,0221 317107,914 ‐56028,821 280048,385 ‐212183,35 NUDOF‐48123,7558425,72 ‐115937,04 39408,09 ‐132181,07 ‐19339,57 Tabla40‐ReaccionesElementoDEFestudioestático • ELEMETO CFHIG POSICIONPOSICION2POSICION4POSICION6 REACCIONESEJEX(N)EJEY(N)EJEX(N)EJEY(N)EJEX(N)EJEY(N) NUDOC136784,293 ‐77308,739 201170,875 33398,4743 147867,319130805,345 NUDOF‐48123,75358425,7222 ‐115937,03 39408,0932 ‐132181,06 ‐19339,572 NUDOH‐246722,73473955,718 ‐537995,81 340075,62 ‐569045,964024,793 NUDOI411917,278480154,092 278037,18605594,064 569049,3681986,35298 NUDOG184908,04773696,0221 317107,914 ‐56028,821 280048,385 ‐212183,36 Tabla41‐ReaccionesElementoCFHIGestudioestático • ELEMENTO HJMK POSICIONPOSICION2POSICION4POSICION6 REACCIONESEJEX(N)EJEY(N)EJEX(N)EJEY(N)EJEX(N)EJEY(N) NUDOH‐246722,73473955,718 ‐537995,81 340075,62 ‐569045,9064024,793 NUDOJ290109,069468628,225 531357,74208236,821 598242,199 ‐61400,235 NUDOM290109,069 ‐530666,66 531357,74 ‐270275,26 598242,199 ‐638,20424 NUDOK246722,73411917,28537995,82278037,18569045,91986,35 Tabla42‐ReaccionesElementoCFHIGestudioestático
MEMORIA 136 10.2.2. TIPOS DE ESTUDIO En este apartado se han realizado dos tipos de estudios, el primero será un estudio modal con el cual nos permitirá comprobar que las uniones realizadas en la modelización de la estructura son correctas, el otro estudio estático que se ha realizado es someter a cada elemento a las cargas correspondientes a cada determinada posición para conocer las tensiones y deformaciones en cada elemento de la pala. 10.2.3. ANÁLISIS MODAL En este estudio comprobaremos que las conexiones de las diferentes superficies de los modelos realizados son correctas y no requieren ninguna modificación. Este estudio se realizara mediante el modulo de Simulation de SolidWorks, utilizando la opción de estudio de frecuencia. Figura101‐Estudiodefrecuencia
MEMORIA 143 Tras observar tanto los datos como los objetivos el tipo de proceso de análisis será: Figura108‐Análisisdecolumnaapandeo Por lo tanto se va a realizar el proceso de análisis calculando todos los datos necesarios para su resolución. Condiciones de apoyo en los extremos BD → Biarticulado → 1 ·1·503530 ·· · 243009,20·3·530 ·210000 310403,452
MEMORIA 144 Una vez determinada la inercia necesaria hay que elegir un perfil cuya inercia sea inmediatamente mayor a esta, se ha optado por un tubo rectangular puesto que sus características geométricas se adecuan mas a las requeridas a la estructura de la pala, para estar del lado de la seguridad se escoge un perfil que su inercia sea la inmediatamente mayor a la calculada. El perfil elegido de los pertenecientes a la tabla 43 es: Tabla43‐Perfilesrectangular • 40605
MEMORIA 145 Cuyas características son: 83600 353000 2,05487 ,257,934 122,7745 Comprobación de columna larga ¿? 257,934122,7745 Como se ha demostrado que la suposición inicial de columna larga es correcta el perfil elegido por medio del criterio de pandeo de EULER es correcto, por lo tanto el perfil definitivo para el elemento DB es: • 40605
MEMORIA 146 10.2.4.2. ESTUDIO ESTÁTICO POR SOLIDWORKS Las herramientas de estudio estático proporcionadas por SolidWorks se usaran el los elementos DEF, CFHIG y HJKM en cada una de las 3 posiciones elegidas. El proceso de estudio de estos elementos de divide en las siguientes partes: • Condiciones del estudio • Análisis de resultados • Modificaciones en el diseño Estas distintas fases del proceso se aplicaran en este orden, el último apartado de modificaciones se realizara solo si en el análisis de resultados se observa que no se cumplen las características requeridas. 10.2.4.2.1. CONDICIONES DEL ESTUDIO En este apartado se definen las condiciones que está sometido cada elemento en cada estudio para que los resultados obtenidos se correspondan con las condiciones que se encontrarían sometidos en una posición estática cada elemento de la pala. Para cada elemento en cada posición se han aplicado sus respectivas características correspondientes a ese estudio, ángulos y cargas, estas se encuentran definidas en las tablas 40, 41 y 42. Como los modelos utilizados son los mismos que para el análisis nodal el materia y el espesor inicial ya se encuentran definidos: • Material: S275JR • Espesor: 8 mm
MEMORIA 147 Las condiciones del estudio que requiere SolidWorks son: • Conjunto de superficies • Conexiones • Sujeciones • Cargas externas • Mallado Todas están condiciones se encuentran en el navegador de simulation de Solidworks. Figura109‐Condicionesestudio Como el proceso de aplicar las condiciones del estudio es el mismo para todos los elementos y posiciones atendiendo a los estudios característicos de cada posición como elemento, se va a explicar el proceso con los pasos seguidos para un elemento en una determinada posición, el proceso sería el mismo para cada elemento en cada una de las posiciones analizadas. A modo de ejemplo del proceso elegido se utiliza la posición 4 del elemento HJKM.
MEMORIA 148 10.2.4.2.1. 1. CONJUNTO DE SUPERFICIES En este apartado al tratarse de superficies hay que definir el material, que ya se realizo en el apartado 10.1 y el espesor de cada superficie. Como espesor estándar para el estudio se ha escogido un espesor de 8 mm para todas las superficies de todos los elementos en todas las posiciones analizadas menos para el cuerpo principal del elemento DEF en el cual se ha utilizado el valor de 20 mm. Para ello se ha editado la definición de cada uno de los conjuntos de superficies, figura 110, que forman la pieza, los paso seguidos para definir el espesor de una superficie se pueden ver en las figuras 111 y 112. Figura110‐Conjuntodesuperficies Figura111‐Editardefiniciónsuperficie
MEMORIA 149 Figura112‐Definirespesordeunasuperficie 10.2.4.2.1. 2. CONEXIONES En este apartado se dan dos tipos de conexiones conjuntos de contacto y contacto entre superficies. 10.2.4.2.1. 3. CONJUNTOS DE CONTACTO Los conjuntos de contacto se utilizaran para unir dos superficies paralelas en contacto que se encuentran unidas y se comportarían como una, por lo que el tipo de unión elegida serian unión rígida, este tipo de conexión se utilizaría para poner chapas de refuerzo en determinadas zonas, la utilización de estas se decidirá una vez analizado los resultados del modernizado inicial.
MEMORIA 150 10.2.4.2.1. 4. CONTACTO ENTRE SUPERFICIES Esta conexión la genera automáticamente SolidWorks en las líneas de partición entre superficies, como definir esta están explicadas en el punto 10.1. Estas uniones las define como unión rígida puesto que las diferentes superficies en contacto tienen que permanecer unidas, por eso se realizo en estudio nodal. Figura113‐Contactoentrecomponentes 10.2.4.2.1. 5. SUJECIONES La sujeciones se han utilizado para impedir el movimiento de la estructura a lo largo del eje Z, puesto que le movimiento de la pala solo se produce en el plano XY, así se evitaran desplazamientos en el eje Z y la aparición de posibles tensiones debido a esto produciendo que los resultados obtenidos no fueran ciertos. Esto se realizara mediante la colocación de rodillos deslizantes en las caras exteriores de la pieza como se ve en la figura 114 y 115. Figura114‐Sujeciones
MEMORIA 151 Figura115‐SujeciónRodillosdeslizantes 10.2.4.2.1. 6. CARGAS EXTERNAS En este apartado para cada nudo de la estructura, más concretamente en la superficie cilíndrica donde irán los pasadores, se sitúan las cargas correspondientes a la posición y nudo analizado de cada elemento en los ejes X e Y. Para aplicar las reacciones en cada nudo en SolidWorks se realiza en cargas externas el cual permite aplicar fuerzas, que es lo que se ha utilizado para situar las reacciones en cada nudo.
MEMORIA 152 Figura116‐Cargasexternas Figura117‐Cargasexternas‐Fuerzas Esta opción permite elegir sobre que caras de las superficies quieres aplicar la carga, la forma de su distribución y permite introducir el valor de estas como la dirección y sentido utilizando un plano como referencia. Para nuestro estudio estático las cargas estas distribuidas a lo largo de las superficies cilíndricas donde irán los pasadores, es decir en cada nudo, la distribución será total a lo largo de toda la superficie y se ha utilizado el plano medio que corta la pieza como referencia para poder poner el valor y su sentido correcto, respecto a los ejes globales, de las reacciones en cada eje en función de la posición analizada.