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DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS MEMORIA Autor : Salinero Antón, Cristina Director/a: Canalís Martínez, Paula María Especialidad: Mecánica Convocatoria: Septiembre 2012 DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 2 INDICE GENERAL 1. ENUNCIADO DEL PROYECTO pág. 8 1.1. OBJETO DEL PROYECTO pág. 8 1.2. PETICIONARIO pág. 8 1.3. DESTINATARIO pág. 8 1.4. FECHA Y FIRMA DEL PROYECTO pág. 8 2. TIPOLOGÍA DE GRÚAS ORTOPÉDICAS EN LA ACTUALIDAD pág. 9 2.1. GRÚAS ORTOPÉDICAS MÓVILES PARA ELEVACIÓN Y TRASLADO CON ACTUADOR LINEAL pág.9 2.2. GRÚAS ORTOPÉDICAS MÓVILES PARA ELEVACIÓN Y TRASLADO CON COLUMNA ELÉCTRICA pág. 10 2.3. GRÚAS ORTOPÉDICAS DE TECHO FIJAS pág. 11 2.4. GRÚAS ORTOPÉDICAS DE TECHO MÓVILES pág. 12 2.5. GRÚAS ORTOPÉDICAS PARA USO EN PISCINAS Y BAÑERAS pág. 13 3. DEFINICIÓN DE LAS GRÚAS ORTOPÉDICAS pág. 14 3.1. CARACTERÍSTICAS Y PARTICULARIDADES pág. 14 3.1.1. Grúa ortopédica móvil de elevación y traslado con actuador lineal pág. 14 3.1.2. Grúa ortopédica móvil de elevación y traslado con columna eléctrica pág. 15 3.1.3. Grúa ortopédica de techo móvil pág. 16 3.1.4. Arnés pág. 17 3.2. COMPONENTES PRINCIPALES DE LAS GRÚAS pág. 18 3.2.1. Grúa ortopédica móvil de elevación y traslado con actuador lineal pág. 18 DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 3 3.2.1.1. Cilindro pág. 18 3.2.1.2. Brazo pág. 19 3.2.1.3. Pilar pág. 19 3.2.1.4. Base pág. 20 3.2.1.5. Patas pág. 21 3.2.1.6. Percha pág. 21 3.2.2. Grúa ortopédica móvil de elevación y traslado con columna eléctrica pág. 22 3.2.2.1. Percha pág. 22 3.2.2.2. Brazo pág. 22 3.2.2.3. Columna pág. 23 3.2.2.4. Base pág. 24 3.2.2.5. Patas pág. 25 3.3.3. Grúa ortopédica de techo móvil pág. 26 3.2.3.1. Patas pág. 26 3.2.3.2. Pilares pág. 26 3.2.3.3. Columna elevadora pág. 27 3.2.3.4. Raíl pág. 28 3.2.3.5. Percha pág. 28 3.3. MECANISMO DE CIERRE pág. 29 3.4. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS GRÚAS pág. 29 3.4.1. Grúa ortopédica móvil de elevación y traslado con actuador lineal pág. 29 3.4.2. Grúa ortopédica móvil de elevación y traslado con columna eléctrica pág. 30 3.4.3. Grúa ortopédica de techo móvil pág. 30 4. ASPECTOS PREVIOS AL ANÁLIS pág. 31 DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 4 4.1. DIMENSIONADO pág. 31 4.2. MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS pág. 32 5. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE LAS GRÚAS pág. 33 5.1. GRÚA ORTOPÉDICA MÓVIL DE ELEVACIÓN Y TRASLADO CON ACTUADOR LINEAL pág. 33 5.1.1. Hipótesis de trabajo pág. 33 5.1.1.1. Cálculo de la posición más desfavorable pág. 33 5.1.1.2. Carga a elevar pág. 36 5.1.1.3. Fuerza del cilindro pág. 36 5.1.2. Modelado en 3D pág. 37 5.1.2.1. Brazo pág. 38 5.1.2.2. Pilar pág. 39 5.1.2.3. Base pág. 39 5.1.2.4. Percha pág. 40 5.1.2.5. Patas pág. 40 5.1.2.6. Ensamblaje pág. 41 5.1.3. Simulación mediante el método de los elementos finitos pág. 41 5.1.3.1. Análisis con las patas de la grúa en posición cerrada pág. 41 5.1.3.1.1. Materiales pág. 41 5.1.3.1.2. Sujeciones pág. 42 5.1.3.1.3. Cargas externas pág. 42 5.1.3.1.4. Definición de los conectores pág. 43 5.1.3.1.5. Mallado pág. 44 5.1.3.1.6. Ejecución pág. 45 5.1.3.2. Resultados de la ejecución con las patas en posición abiertas pág. 50 DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 5 5.2. GRÚA ORTOPÉDICA MÓVIL DE ELEVACIÓN Y TRASLADO CON COLUMNA ELÉCTRICA pág. 55 5.2.1. Hipótesis de trabajo pág. 55 5.2.1.1. Cálculo de la posición más desfavorable pág. 55 5.2.1.2. Carga a elevar pág. 58 5.2.2. Modelado en 3D pág. 58 5.2.2.1. Brazo pág. 59 5.2.2.2. Porta brazo pág. 59 5.2.2.3. Percha pág. 60 5.2.2.4. Columna pág. 60 5.2.2.5. Base pág. 61 5.2.2.6. Pata pág. 61 5.2.2.7. Ensamblaje pág. 62 5.2.3. Simulación mediante el método de los elementos finitos pág. 62 5.2.3.1. Análisis con las patas de la grúa en posición cerrada pág. 62 5.2.3.1.1. Materiales pág. 62 5.2.3.1.2. Sujeciones pág. 63 5.2.3.1.3. Cargas externas pág. 63 5.1.3.1.4. Definición de los conectores pág. 64 5.2.3.1.5. Mallado pág. 65 5.2.3.1.6. Ejecución pág. 67 5.2.3.2. Resultados de la ejecución con las patas en posición abiertas pág. 70 5.3. GRÚA ORTOPÉDICA DE TECHO MÓVIL pág. 74 5.3.1. Hipótesis de trabajo pág. 74 5.3.1.1. Cálculo de la posición más desfavorable pág. 74 5.3.1.2. Carga a elevar pág. 77 5.3.1.3. Fuerza de las columnas pág. 77 DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 6 5.3.2. Modelado en 3D pág. 77 5.3.2.1. Patas pág. 77 5.3.2.2. Pilares pág. 78 5.3.2.3. Columna pág. 78 5.3.2.4. Raíl pág. 79 5.3.2.5. Eje pág. 79 5.3.2.6. Percha pág. 80 5.2.2.7. Ensamblaje pág. 80 5.3.3. Simulación mediante el método de los elementos finitos pág. 81 5.3.3.1. Materiales pág. 81 5.3.3.2. Sujeciones pág. 81 5.3.3.3. Cargas externas pág. 82 5.3.3.4. Definición de los conectores pág. 82 5.3.1.5. Mallado pág. 83 5.3.1.6. Ejecución pág. 84 6. OPTIMIZACIONES pág. 89 6.1. GRÚA ORTOPÉDICA MÓVIL DE ELEVACIÓN Y TRASLADO CON ACTUADOR LINEAL pág. 89 6.2. GRÚA ORTOPÉDICA MÓVIL DE ELEVACIÓN Y TRASLADO CON COLUMNA ELÉCTRICA pág. 96 6.3. GRÚA ORTOPÉDICA DE TECHO MÓVIL pág. 103 7. COMPARACIÓN RESISTENTE DE LAS TRES GRÚAS pág. 107 7.1. COMPARACIÓN EN EL DIMENSIONAMIENTO pág. 107 7.1.1. Peso pág. 107 7.1.2. Altura, longitud y anchura pág. 108 DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 7 7.1.3. Longitud del brazo pág. 110 7.1.4. Carrera pág. 111 7.2. COMPARACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO pág. 112 7.2.1. Elementos electrónicos para elevar el brazo pág. 112 7.2.2. Movimientos de diferentes partes pág. 113 7.3. COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN EL CÁLCULO ESTÁTICO pág. 114 7.3.1. Tensiones máximas pág. 114 7.3.2. Desplazamientos máximos pág. 116 7.3.3. Deformaciones máximas pág. 117 7.3.4. Factores de seguridad mínimos pág. 119 7.4. COMPARACIÓN DE LAS ZONAS DONDE SE LOCALIZAN LOS MAYORES ESFUERZOS pág. 120 7.4.1. Zona unión base pata pág. 120 7.4.2. Zona unión brazo y pilar pág. 122 7.4.3. Zona unión percha y brazo pág. 123 8. CONCLUSIONES pág. 126 9. BIBLIOGRAFÍA pág. 127 10. AGRADECIMIENTOS pág. 128 DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 8 1. ENUNCIADO DEL PROYECTO 1.1. OBJETO DEL PROYECTO Este proyecto de final de carrera consiste en el diseño y análisis de la estructura de tres grúas ortopédicas, cuya finalidad es la elevación desde una posición sentada o tumbada de personas incapacitadas para vestirlas, asearlas o trasladarlas de lugar. Cada grúa se accionará por un mecanismo diferente lo que permite mediante un estudio de diseño calcular los esfuerzos producidos en cada una de ellas para una misma carga, que en este caso será el peso de una persona. Para realizar una comparación resistente de las tres grúas y comprobar que el diseño es coherente, se procede a la modelización de cada una de las partes que las componen mediante el programa SolidWorks. Gracias a este programa se realizan los análisis de rigidez y resistencia de los elementos relevantes que permiten observar carencias del diseño que han de optimizarse. 1.2. PETICIONARIO El presente proyecto ha sido realizado a petición de Dña. Paula Canalís Martínez, profesora en el área de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza, como trabajo de fin de carrera en la titulación de Ingeniería Técnica Industrial Mecánica. 1.3. DESTINATARIO Los destinatarios de estas máquinas son las instituciones sanitarias, como por ejemplo hospitales, centros de salud, clínica, etc. También son muy útiles en hogares con personas enfermas o con alguna minusvalía o incapacidad. El uso de estas grúas puede ser llevado a cabo por una única persona sin en empleo de fuerza lo que ahorra tiempo y recursos. 1.4. FECHA Y FIRMA DEL PROYECTO Firmado por el proyectista: CRISTINA SALINERO ANTÓN DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE 2. TIPOLOGÍA DE GRÚAS ORTOPÉDICAS EN LA ACTUALIDAD 2.1. GRÚAS ORTOPÉDICAS MÓVILES PARA ELEVACION Y TRASLADO CON ACTUADOR LINEAL Figura 1: Grúa ortopédica móvil con actuador lineal Grúa ortopédica provista de un actuador lineal que eleva o desciende el brazo superior y este a su vez la percha en la que se coloca el arnés que sostiene a la persona. Existe una amplia gama de actuadores con diversas potencias dependiendo de la capacidad destinada a soportar, siendo los pesos Kg. Una sola persona es cap az de manejarla con facilidad. E mecanismo que se encarga de la apertura de las patas y coloca la le coloca el arnés y mediante un sistema eléctrico la grúa le posición elevada se traslada la grúa hasta la posición de destino. El movimiento de apertura o cierre de las patas es una gran ventaja a la hora de mover por pasillos estrechos o colocar una silla de ruedas entre ellas. Este tipo de grúas pueden incluir un sistema de bipedestación para un mejor contr También existen modelos plegables para viaje. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 9 TIPOLOGÍA DE GRÚAS ORTOPÉDICAS EN LA ACTUALIDAD ORTOPÉDICAS MÓVILES PARA ELEVACION Y TRASLADO CON ACTUADOR LINEAL Figura 1: Grúa ortopédica móvil con actuador lineal Grúa ortopédica provista de un actuador lineal que eleva o desciende el brazo superior y este a su vez la percha en la que se coloca el arnés que sostiene a la persona. Existe una amplia gama de actuadores con diversas potencias dependiendo de la capacidad destinada a soportar, siendo los pesos estándar 100 kg, 130 kg, 150 kg, az de manejarla con facilidad. E sta acciona con el pie el mecanismo que se encarga de la apertura de las patas y coloca la grúa junto al paciente, le coloca el arnés y mediante un sistema eléctrico la grúa le eleva . Una vez en la posición elevada se traslada la grúa hasta la posición de destino. El movimiento de apertura o cierre de las patas es una gran ventaja a la hora de mover por pasillos estrechos o colocar una silla de ruedas entre ellas. Este tipo de grúas pueden incluir un sistema de bipedestación para un mejor contr ol de las piernas del paciente. existen modelos plegables para viaje. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE TIPOLOGÍA DE GRÚAS ORTOPÉDICAS EN LA ACTUALIDAD ORTOPÉDICAS MÓVILES PARA ELEVACION Y TRASLADO Grúa ortopédica provista de un actuador lineal que eleva o desciende el brazo superior y este a su vez la percha en la que se coloca el arnés que sostiene a la persona. Existe una amplia gama de actuadores con diversas potencias dependiendo de la capacidad que esté 100 kg, 130 kg, 150 kg, 170 kg Y 200 sta acciona con el pie el junto al paciente, . Una vez en la El movimiento de apertura o cierre de las patas es una gran ventaja a la hora de mover la por pasillos estrechos o colocar una silla de ruedas entre ellas. Este tipo de grúas pueden ol de las piernas del paciente. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 16 En esta segunda grúa el mecanismo principal está compuesto por una columna vertical en cuyo interior se aloja un tornillo sin fin montado sobre unos ejes que se acoplan al motor. Este tornillo empuja un carro que se encuentra atornillado a una estructura encargada de sostener la percha. Una carcasa envuelve el conjunto de manera que solo se perciba el brazo y la percha deslizándose verticalmente a través de una apertura en ella. Todo el conjunto está anclado a la base que contiene el motor y que a su vez conecta las patas a la estructura. Las patas cuentan con un sistema de cierre que permite moverlas para cerrarlas o abrirlas dándole mayor estabilidad a la estructura. El mecanismo de esta grúa funciona de manera semiautomática, lo que implicar que un cuidador será el encargado de posicionar el arnés al paciente y enganchar este en la percha y a continuación mediante un mando situado en la columna junto con las baterías, podrá elevar o bajar la grúa. Como el uso que se le da a esta grúa es para personas que no están totalmente impedidas no es necesario un brazo que tenga que llegar hasta la mitad de una cama, basta con poder situar debajo de la percha una silla de ruedas o llegar hasta el borde de la cama. El brazo diseñado tiene una longitud de 500 mm. 3.1.3. Grúa ortopédica de elevación techo móvil. Figura 9: Grúa ortopédica de elevación techo móvil. El mecanismo principal de esta tercera grúa consiste en dos columnas elevadoras que hacen que un raíl que contiene a la percha se desplace verticalmente. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 17 La grúa consta de dos pilares soldados a su respectiva pata de manera que la distancia entre los dos sea la suficiente como para que puedan abarcar una cama y una silla de ruedas. La medida elegida para este diseño han sido 3m. En cada uno de los pilares está soldada una columna elevadora que encierra en su interior un actuador lineal de modo que cuando el pistón se eleva o desciende lo hace a su vez la columna que se repliega en si misma al descender. La altura en conjunto de las columnas, patas y pilares ha de ser suficiente para poder elevar a una persona desde una silla o desde una cama. En este diseño se ha optado por una altura de 1700 m. Sobre estas dos columnas mencionadas se sitúa el raíl horizontal por el que desplaza un eje con dos rodamientos que permite trasladar la percha a lo largo del raíl. La percha y el eje se conectan mediante un pasador. El mecanismo de esta grúa funciona de manera semiautomática, lo que implica que un cuidador será el encargado de posicionar el arnés al paciente y enganchar este en la percha y a continuación podrá manejar los controles de manera que las columnas se expandan o plieguen para elevar la percha. Una vez elevada la percha el cuidador será el encargado de trasladar por el carril al paciente hasta la posición deseada. 3.1.4 Arnés Figura 10: Arnés para grúa ortopédica Todas las grúas ortopédicas que se han diseñado y estudiado para este proyecto hacen uso de un arnés específico para estas grúas. Los arneses están hechos de telas resistentes y compuestos plásticos que ayudan a mejorar la resistencia de la misma. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 18 El paciente ha de situarse en el centro del arnés y este le envuelve de manera que pueda elevar a la persona sin riesgo para ella. Constan de unas correas que mejoran la resistencia del arnés y se enganchan a la percha en las zonas especificadas para ello. 3.2. COMPONENTES PRINCIPALES DE LAS GRÚAS 3.2.1 Grúa ortopédica móvil de elevación y traslado con actuador lineal 3.2.1.1 Cilindro. Figura 11: cilindro Cilindro encargado de llevar a cabo el movimiento de rotación del mástil respecto a la columna principal. Dicho cilindro dispone de una carrera pequeña pero suficiente para poder realizar su función. Sus características principales son: Carrera [mm]: 400 Fuerza máx. [N]: 12000 DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 19 3.2.1.2. Brazo BRAZO Figura 12: Brazo de la grúa Es una de las piezas más importantes ya que es la encargada de elevar la percha. Formada por un perfil de acero curvado. Es la pieza encargada de soportar las fuerzas del cilindro y el peso de la persona que esté siendo elevada. La unión entre la percha y el brazo se realiza con un pasador permitiendo a la percha que siempre se encuentre en posición vertical mientras el brazo gira. La unión entre el brazo y el pilar se realiza con un perno para permitir el giro de este respecto al pilar. La unión del cilindro y el pistón se realiza mediante un pasador y es en esta unió donde se ejerce la fuerza del cilindro. 3.2.1.3. Pilar PILAR Figura 13: Pilar de la grúa DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 20 Pieza de unión entre la base y el brazo. En él se localizan los cuadros de control eléctricos para manipular el cilindro de la grúa y las baterías, además de unas asas para que le cuidador pueda transportar la grúa. Es un perfil cuadrado. Se une a la base encajándolo y soldándolo. Tiene una inclinación que permite posicionar al paciente de manera más ergonómica. El pilar se une por la parte inferior del cilindro a este mediante un pasador. 3.2.1.4. Base BASE Figura 14: Base de la grúa Pieza que sirve de unión entre el pilar y las patas. En ella también se localiza el mecanismo de cierre de las patas. Se une a las patas mediante un perno cada una que le permite girar u casquillos de ajuste. Está formada de acero. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 21 3.2.1.5. Patas PATAS Figura 15: Patas de la grúa Las patas proporcionan estabilidad al conjunto. Están formadas por perfiles rectangulares de acero. Pueden girar respecto del eje de unión con la base para proporcionar estabilidad, además gracias a unas ruedas situadas a ambos extremos de las patas hacen que toda la estructura pueda trasladarse. Su longitud total es de 1099 mm. 3.1.2.6. Percha PERCHA Figura 16: Percha de la grúa DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 22 Elemento de acero que se une al mástil y consta de dos ganchos en los extremos donde ha de colocarse el arnés. Soporta los esfuerzos producidos por el peso de la persona y debido a esto siempre está en posición vertical. 3.2.2. Grúa ortopédica móvil de elevación y traslado con columna eléctrica. 3.2.2.1 Percha PERCHA Figura 17: Percha de grúa ortopédica Pieza de acero que tiene la función de sustentar el arnés en el que se posiciona al paciente. Se une al brazo mediante un perno de cabeza hexagonal para que la unión sea rígida y no gire al elevarle. Costa de dos mangos o asas que facilitan al paciente un mayor agarre y le dan sensación de seguridad ya que cuando este se eleva a una persona, esta tiende a sujetarse en alguna parte de la grúa. Estos mangos suelen llevar una carcasa plástica. 3.2.2.2 Brazo DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 23 BRAZO Figura 18: Brazo de grúa ortopédica Es uno de los elementos más importantes que conforman esta grúa ya que soporta mayoritariamente la carga de la persona y tiende a sufrir deformaciones. Está formado por varios perfiles circulares de acero y unida mediante un pasador a un soporte que sirve de pieza de unión entre el carro unido al tornillo y el conjunto de mástil-pieza. 3.2.2.3 Columna COLUMNA Figura 19: Columna de grúa ortopédica DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 24 Esta es sin lugar a duda la pieza más importante de este diseño. Los elementos que forman la columna son: - Un tornillo sin fin de extremo a extremo de la columna que es el encargado de transmitir las fuerzas verticales al carro - Una base que es la estructura que sostiene al tornillo en la posición vertical. Consta de un perfil en forma de C y un par de raíles por los que deslizara el carro. - Un carro que unido al tornillo se eleva o desciende según la dirección en la que gire este. - Por último se le coloca una carcasa para que las piezas internas del mecanismo no interfieran con nada del exterior. Todas las piezas que conforman la columna están hechas de acero. Está unida a la base mediante una soldadura. Características del tornillo: Métrica (mm) 16 Paso (mm) 5 3.2.2.4 Base BASE Figura 20: Base de grúa ortopédica DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 25 Elemento de acero que sirve de soporte y unión de la columna y las patas. En su interior se encuentra el motor que transmite el giro al tornillo sin fin y un mecanismo de cierre para las patas. Para la unión de la base y las patas se utilizan unos pasadores que permitirán el giro de estas cuando sea necesario. Para esta unión se han diseñado unos salientes a ambos lados de la caja en los que también irán instaladas las ruedas traseras. 3.2.2.5 Patas PATAS Figura 21: Patas de grúa ortopédica Estas patas están creadas mediante perfiles cuadrados de acero y son las encargadas de estabilizar la estructura y de permitir gracias a las ruedas trasladar el conjunto. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 32 4.2. MÉTODO DE LOS ELMENTOS FINITOS En este apartado vamos a llevar a cabo la simulación del ensamblaje con las partes que intervienen en el cálculo estático. Para ello haremos uso de la herramienta Simulation que lleva incorporado el programa SolidWorks y que utiliza el MEF (método de elementos finitos) para la resolución de los cálculos. El MEF es un método numérico empleado en la resolución de ecuaciones diferenciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniería como análisis de tensiones o cálculo de desplazamientos. El método se basa en dividir el cuerpo o geometría a estudiar en múltiples partes de pequeño tamaño denominados “Elementos”. Los elementos comparten entre ellos puntos comunes de intersección denominados “Nodos”. Para realizar los cálculos se suponen las siguientes hipótesis de trabajo: Suposición de linealidad Figura 29: Gráfica de la linealidad de un material sometido a una carga La gráfica de la figura nos muestra como un material se deforma por la acción de una carga. En el primer tramo de la gráfica está la zona elástica en la que el material se deforma de manera lineal conforme aumentamos la tensión. En esta zona se cumple por que el módulo de Young (E) es igual a la pendiente de la recta. Esta linealidad en la deformación se cumple hasta que llegamos al límite de fluencia en el que el material pasa de ser elástico a plástico y conforme elevamos la carga permanece así hasta su rotura. Suposición estática Dado que el estudio a realizar es estático la estructura de las grúas deberán soportar las cargas y deformarse muy lentamente. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 33 Fpeso A VA MA HA 967 mm 5. MODELADO, SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE LAS TRES GRÚAS. 5.1. GRÚA ORTOPÉDICA MÓVIL DE ELEVACIÓN Y TRASLADO CON ACTUADOR LINEAL. 5.1.1. Hipótesis de trabajo. 5.1.1.1. Cálculo de la posición más desfavorable El estudio que se va a realizar es un cálculo estático de la estructura de la grúa. Para halla la posición más desfavorable resistentemente de la estructura, estudiamos una versión simplificada de las partes más importantes y hallamos los esfuerzos y momentos a los que está sometida para varias posiciones del brazo. Diagrama de sólido libre con brazo en la posición más elevada: Figura 30: Diagrama de sólido libre posición elevada DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 34 Fpeso A VA MA HA 1015 mm Realizamos el equilibrio global de la estructura: (1) ∑ = 0 → − • 967 + MA = 0 (2) MA = − • 967 Diagrama de sólido libre con brazo en la posición menos elevada: Figura 31: Diagrama de sólido libre posición menos elevada Realizamos el equilibrio global de la estructura: (3) ∑ = 0 → − • 1015 + MA = 0 DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 35 Fpeso A VA MA HA 1025 mm (4) MA = − • 1015 Diagrama de sólido libre con brazo en la posición brazo horizontal: Figura 32: Diagrama de sólido libre posición brazo horizontal Realizamos el equilibrio global de la estructura: (5) ∑ = 0 → − • 1025 + MA = 0 (6) MA = − • 1025 A la vista de las ecuaciones podemos decir que cuanto mayor sea la distancia desde la Fpeso hasta el empotramiento, mayor sea el momento en ese punto. El punto en el que está aplicada la fuerza al final del brazo describe a lo largo de su movimiento una trayectoria circular, luego, la distancia será mayor cuando ésta sea igual al radio de la circunferencia, situación que se da cuando el brazo está en posición horizontal. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 36 Optaremos por realizar el análisis con la posición de brazo horizontal ya que como hemos visto esta produce un mayor momento en el empotramiento y por lo tanto es la posición más desfavorable. 5.1.1.2. Carga a elevar Para calcular con una carga estándar la estructura se ha elegido un peso de 100 Kg. Este sería en el mercado el peso mínimo de fabricación. Realizamos el cálculo de la fuerza que ese peso ejerce sobre la percha: (7) F peso = 100 • 9’8 = 980 N Esta fuerza es la que soporta el arnés y que al colocarlo en la percha tenemos que dividirlo entre los dos enganches, luego para el modelo de la simulación aplicaremos en cada enganche la fuerza que llamaremos F percha (8) F percha= 980 ÷ 2 = 490 N 5.1.1.3. Fuerza del actuador lineal En el catálogo del fabricante la fuerza máxima que puede ejercer el actuador lineal son 12000 N, pero para el modelo no necesitamos ésta fuerza máxima, por lo que procederemos a calcular cuanta fuerza del actuador lineal es necesaria para elevar la carga. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 37 Fpeso Fcil 1025.132 mm 264.33 mm 77.54 ° 35.41 Rh R v Diagrama de sólido libre del mástil: Figura 33: Diagrama de sólido libre brazo Realizamos el equilibrio de la estructura: (9) ∑ = 0 →  ∙  77.54 ∙ 264.33 −  ∙ cos 77.54 ∙ 35.41 − 980 ∙ 1025.132 = 0 (9)  ∙ 250.47 − 1004629.36 = 0 →  = 4010.94 " Aproximamos la fuerza del actuador a 4011 N. Esta es la fuerza necesaria para elevar la carga de 100 Kg. 5.1.2. Modelado en 3D. El proceso de modelado se ha realizado mediante un programa de modelado 3D denominado SolidWorks. Este programa permite diseñar piezas y estructuras conociendo las dimensiones de las mismas previamente y dibujarlas directamente en DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 38 3D. El programa también crea ensamblajes de las piezas para formar una estructura más compleja y te permite añadirle los conectores desde una base de datos. SolidWorks gracias a su aplicación Simulation, permite realizar los cálculos necesarios con una amplia gama de posibilidades, pero nosotros haremos uso de la herramienta que permite realizar los cálculos estáticos para la estructura. A continuación se muestran las piezas modeladas que son necesarias para los cálculos posteriores. 5.1.2.1. Brazo Figura 34: Brazo modelado con SolidWorks Pieza sencilla compuesta por un perfil cuadrado hueco que ha sido extruido y al que se le ha dado una curvatura. Se le han añadido dos salientes que son los encargados de sujetar al actuador lineal por la parte superior de este. Por último consta de unos orificios para colocar los pasadores. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 39 5.1.2.2. Pilar Figura 35: Pilar modelado con SolidWorks Consta al igual que el brazo de un perfil rectangular hueco obtenido por extrusión al que se le da una inclinación. Es una pieza sencilla a la que se le acoplan unos salientes que sujetarán al actuador por la parte inferior y unas asas obtenidas mediante saliente barrido. Por último se extruyen por corte los orificios para los pasadores. 5.1.2.3. Base Figura 36: Base modelada con SolidWorks DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 40 Esa pieza está compuesta por dos perfiles rectangulares huecos unidos perpendicularmente obtenidos mediante extrusión. La parte más compleja de este modelado es posicionar el croquis para el tubo que cruza trasversalmente al perfil superior para posteriormente extruirlo. Por último, mediante una extrusión por corte perforamos los orificios de los pasadores y los cortes en el perfil inferior. 5.1.2.4. Percha Figura 37: Percha modelada con SolidWorks Pieza relativamente sencilla creada a partir de un perfil circular curvado dibujado por extrusión con un perfil circular inferior y dos ganchos creados de manera similar. En la parte superior del arco encontramos un cilindro acoplado verticalmente que sirve de unión al perfil con forma de C de la parte superior. 5.1.2.5. Patas Figura 38: Pata derecha modelada con SolidWorks DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 41 Uno de los elementos más sencillos para el modelado consistente en un perfil rectangular hueco creado mediante extrusión al que se le van añadiendo diversas partes. Primero se hace una extrusión por corte para crear la inclinación de los laterales y a continuación se crean los dos salientes superiores. Por último se perforan los orificios para los pasadores. Las patas izquierda y derecha son simétricas. 5.1.2.6. Ensamblaje para cálculo Figura 39: Ensamblaje modelado con SolidWorks 5.1.3 Análisis con las patas de la grúa en posición cerrada 5.1.3.1. Materiales El primer paso para realizar el análisis es definir el material de las piezas a calcular. Toda la estructura es formada por perfiles de acero así que daremos a todos el mismo material, que en este caso es un acero para estructuras DIN 1.0044 (S275JR) con las siguientes características: DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 48 DEFORMACIONES: Figura 47: Deformaciones simulación patas cerradas Las deformaciones máximas se sitúan en la zona de unión de la base y las patas ya que en esa zona como hemos visto anteriormente también estaba sometida a las máximas tensiones. Esta deformación máxima tiene un valor de 0.001326. También encontramos una deformación mucho menos en las zonas en las que también encontrábamos tensiones pequeñas, estas son la cara superior del brazo y los salientes que unen el actuador con la estructura. Todas estas zonas están representadas de azul claro. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 49 FACTOR DE SEGURIDAD: Figura 48: Factor de seguridad simulación patas cerradas El factor de seguridad mínimo de la estructura es de 0.55 que se da en la zona de unión de las patas y la base. El resto de la estructura tiene un factor de seguridad superior a 5. La zona de unión de las patas tiene un factor de seguridad mínimo muy bajo ya que en esa zona también se localizan las mayores tensiones. El factor de seguridad obtenido es demasiado bajo para esta grúa, por lo que más adelante optimizaremos las piezas con la intención de que este valor supere la unidad. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 50 COMPROBACIÓN DE LOS PASADORES: CONECTOR COMPROBACIÓN Conector tipo pasador nº1 Correcto Conector tipo pasador nº2 Correcto Conector tipo pasador nº3 Correcto Conector tipo pasador nº4 Correcto Conector tipo pasador nº5 Correcto Conector tipo pasador nº6 Correcto Figura 49: Comprobación de los pasadores simulación patas cerradas Los pasadores se encuentran correctamente definidos y ninguno de ellos necesita atención 5.1.3.2. Resultados de la ejecución con las patas en posición abiertas DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 51 TENSIÓN DE VON MISES: Figura 50: Tensión de Von Mises simulación patas abiertas El gráfico de la figura 50 nos muestra como las tensiones máximas se obtienen en la zona de unión de la pata y la base con una magnitud de 571.33 Mpa. Son tensiones muy elevadas lo que nos demuestra que esa zona es la más tensionada de la estructura, siendo la tensión en el resto mínima. Al simular la grúa en la posición de patas abiertas podemos ver que las tensiones se distribuyen de forma similar a las calculadas con las patas abiertas pero estas son mayores, es decir, con las patas abiertas la grúa está sometida a más tensión. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 52 DESPLAZAMIENTOS Figura 51: Desplazamientos simulación patas abiertas El desplazamiento máximo se da en el extremo del brazo más alejado del pilar y es de 2.07 mm. Conforme nos alejamos del extremo del mástil la estructura se deforma cada vez con una magnitud menor hasta llegar a la zona de la base y las patas donde la deformación es imperceptible como vemos en la figura 51 representado de color azul. Cuando la grúa se encuentra en la posición de patas abiertas, la unión patas y base absorve más tensión permitiendo que el desplazamiento de la percha en esta simulación sea menor respecto a la simulación con las patas cerradas. Es decir, obtenemos más estabilidad con las patas abiertas. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 53 DEFORMACIONES: Figura 52: Deformaciones simulación patas abiertas Como vemos la estructura sufre la máxima deformación entorno a la unión de las patas y la base, que es de 0.001377. La localización de las deformaciones entorno a esa unión es razonable teniendo en cuenta que esa zona también sufre las máximas tensiones. La cara superior del mástil y los salientes que unen el actuador lineal a la estructura también sufren una ligera deformación con un valor aproximado de 0.0001147 muy por debajo del máximo. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 54 FACTOR DE SEGURIDAD: Figura 53: Factor de seguridad simulación patas abiertas Anteriormente hemos visto en los resultados que las máximas tensiones y deformaciones se daban en la zona de unión de las patas y la base, es por lo tanto lógico que el factor de seguridad mínimo que obtengamos sea en esa zona. El factor de seguridad mínimo de esta grúa con la posición de patas abiertas es 0.48, mientras que el del resto de las piezas es muy elevado. Este valor obtenido es muy pequeño, por lo que posteriormente realizaremos una optimización de las piezas con la intención de que el valor del factor de seguridad mínimo supere la unidad. PESO DEL CONJUNTO: El peso total de esta grúa sin las ruedas ni el actuador lineal es de 53.36 Kg DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 55 5.2. GRÚA ORTOPÉDICA MÓVIL DE ELEVACIÓN Y TRASLADO CON COLUMNA ELÉCTRICA. 5.2.1. Hipótesis de trabajo. 5.2.1.1. Cálculo de la posición más desfavorable. Para calcular la posición más desfavorable de la grúa a la hora de hacer el cálculo estático, buscaremos los esfuerzos más desfavorables en los diagramas de sólido libre. Diagrama de sólido libre con la percha en la posición más baja: . Figura 54: Diagrama de sólido libre HA VA MA A Fpeso 2035 mm 500 mm DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 56 . Figura 55: Diagrama esfuerzos Para el primer cálculo posicionamos el brazo de la grúa en su posición más elevada como vemos en la figura 55. Los resultados de calcular las resultantes en el empotramiento se muestran a continuación: (1) ' ( = 0 (2) ∑ ) = 0 → * ( =  (3) ∑ + = 0 → − ∙ 500 +  ( = 0 →  ( =  ∙ 500 Por lo tanto, a la vista de estos resultados: • El axil tiene un valor de Fpeso = 980 N a lo largo de todo el pilar. • El cortante tiene un valor de Fpeso = 980N a lo largo de todo el brazo. • El momento flector tiene un valor máximo de Fpeso • 500 = 490000 N•mm. Diagrama de esfuerzos con la percha en la posición intermedia: V M N Axiles Cortantes Momentos DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 57 . Figura 56: Diagrama de sólido libre Figura 57: Diagrama de esfuerzos En este segundo cálculo posicionamos el brazo a la mitad del la carrera del mismo. Como podemos observar en la figura 56 las resultantes en el empotramiento por efecto de la Fpeso no varían, por lo tanto, el valor de los axiles, cortantes y momentos flectores de la figura 57 tendrán los mismos valores y lo único que varía es la longitud en la que están aplicados los esfuerzos. V M N Axiles Cortantes Momentos HA VA MA A Fpeso 794 mm 500 mm DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 64 La carga que ha de elevar la grúa son 100 Kg., por lo tanto ha de elevar un peso de 980 N en total. Este peso lo dividimos en 490 N para cada gancho de la percha y lo localizaremos en el cilindro horizontal, que forma parte de la curva del gancho, de forma que siempre esté vertical y hacia abajo como vemos en la figura 66. 5.2.3.1.4. Definición de los conectores La estructura de la grúa está formada por multitud de piezas ensambladas entre sí, es por eso que definimos una gran cantidad de conexiones entre piezas de forma rígida. Las conexiones que se realizan son las siguientes: Conexiones entre piezas de forma rígida: - Conexión base y placa inferior de la columna. - Conexión placa inferior de la columna con tornillo y raíl. - Conexión placa superior de la columna con tornillo y raíl. - Conexión tornillo y carro. - Conexión carro y porta brazo. - Conexión porta brazo entre sus piezas internas. - Conexión porta brazo y brazo. - Conexión brazo con sus piezas internas. - Conexión brazo y percha - Conexión percha con sus piezas internas. Para el resto de conexiones usamos 6 pasadores. En la unión de dos piezas en las que se calcularían como doble cortadura, utilizaremos dos pasadores en vez de uno ya que la suma de ambos es el mismo resultado que uno a doble cortadura y el programa los calcula con mayor facilidad. A continuación definimos las posiciones de estos pasadores. Pasadores: • Nº1. Conector tipo pasador derecho de unión porta brazo y brazo. • Nº2. Conector tipo pasador izquierdo de unión porta brazo y brazo. • Nº3. Conector tipo pasador superior derecho de unión pata y base. • Nº4. Conector tipo pasador superior izquierdo de unión pata y base. • Nº5. Conector tipo pasador inferior derecho de unión pata y base. • Nº6. Conector tipo pasador inferior izquierdo de unión pata y base. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 65 Figura 67: Ejemplo de pasador para grúa con columna eléctrica 5.2.3.1.5. Mallado. Una vez establecidas las cargas, sujeciones y conexiones procedemos a realizar el mallado del conjunto. Para ello el programa crea una malla sólida con elementos cuadráticos de alto orden en toda la estructura. La unión del tornillo y el carro es una zona conflictiva en la que el programa Solidworks puede encontrar problemas a la hora de mallar, por ello se ha realizado un control de mallado fino para ambas piezas que permite realizar elementos cuadráticos más pequeños en el contacto de ambas superficies. Figura 68: Mallado para grúa con columna eléctrica DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 66 5.2.3.1.6. Ejecución. TENSIÓN DE VON MISES: Figura 69: Tensión de Von Mises para grúa con columna eléctrica patas cerradas Al ejecutar la grúa con las condiciones impuestas anteriormente el programa nos proporciona las tensiones a las que está sometida la estructura. Como vemos en la figura 69 el máximo de tensión de 228.85 MPa lo encontramos en el carro en la unión de este con el raíl y el tornillo. También tenemos tensiones relevantes en la unión de la columna con la base y en el arco de la percha entorno a los 114.125 MPa. Por el diseño de la estructura de la grúa es normal que las tensiones máximas se encuentren en las zonas señaladas. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 67 DESPLAZAMIENTOS: Figura 70: Desplazamientos para grúa con columna eléctrica patas cerradas En la zona de unión de la percha y el brazo encontramos el máximo desplazamiento de la estructura con un valor de 2.44 mm. Tanto el brazo como la percha tienen deformaciones altas que se reducen conforme se alejan del la unión de ambas. Por otro lado debido al peso colocado en la percha la columna tiende a flexionarse y por lo tanto también sufre un desplazamiento que se reduce conforme nos alejamos del peso, aunque menos que el del brazo y la percha. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 68 DEFORMACIONES: Figura 71: Deformaciones para grúa con columna eléctrica patas cerradas El peso colocado en la percha obliga a la estructura a flexionar hacia adelante por lo tanto es lógico que las mayores deformaciones se encuentren en la unión de la columna con la base. Esta deformación máxima es de 0.0006555. También encontramos deformaciones menores pero significativas en el tornillo y la percha ya que estos están igualmente sometidos a mayores tensiones que el resto. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 69 FACTOR DE SEGURIDAD: Figura 72: Factor de seguridad para grúa con columna eléctrica patas cerradas La base de la estructura tiene un coeficiente de seguridad elevado ya que apenas tiene tensiones que le afecten, sin embargo, el tornillo, la unión de la columna y la base y la percha que sufrían las mayores tensiones y deformaciones tienen factores de seguridad inferiores al resto, encontrándose el mínimo de 0.9 en la unión de la columna y la base. El factor de seguridad de 0.9 es muy pequeño por lo que en una optimización posterior de algunas piezas de esta grúa buscaremos elevar esta cifra por encima de la unidad. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 70 COMPROBACIÓN DE LOS PASADORES: CONECTOR COMPROBACIÓN Conector tipo pasador nº1 Correcto Conector tipo pasador nº2 Correcto Conector tipo pasador nº3 Correcto Conector tipo pasador nº4 Correcto Conector tipo pasador nº5 Correcto Conector tipo pasador nº6 Correcto Figura 73: Comprobación de los pasadores pata cerrada para grúa columna eléctrica 5.2.3.2. Resultados análisis con las patas en posición abierta. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 71 TENSIÓN DE VON MISES: Figura 74: Tensiones de Von Mises para patas abiertas en grúa columna Al igual que en la simulación con las patas cerradas obtenemos las mayores tensiones en la zona de unión de la base y la columna, en el tornillo y en la percha. En este caso el máximo de 269.28 MPa se encuentre en el carro en la unión de este con el tornillo. La tensión máxima obtenida posicionando las patas como se ve en la figura 74 es mayor que en la simulación anterior con las patas cerradas ya hace que la estructura se deforme menos pero para ello se generan tensiones mayores. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 72 DESPLAZAMIENTOS: Figura 75: Desplazamientos para patas abiertas en grúa columna El máximo desplazamiento lo encontramos al igual que en la anterior simulación en la unión de la percha y el brazo y es de 2.44 mm. Por acción de la carga la percha y el brazo sufren los mayores desplazamientos como se preveía. También encontramos desplazamientos con valores menores en toda la columna que se reducen conforme nos aproximamos a la base. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 73 DEFORMACIONES: Figura 76: Deformaciones para patas abiertas en grúa columna Como hemos dicho antes posicionando las patas de modo que permanezcan abiertas hace que la estructura adquiera estabilidad a la hora de aplicar la carga en los extremos de la percha y esto se traduce en que las deformaciones que sufre la estructura son menores que en la simulación anterior. El máximo de deformación lo encontramos en la unión de la base y la columna y es de 0.0005433. FACTOR DE SEGURIDAD: Figura 77: Factor de seguridad para patas abiertas en grúa columna DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 80 Figura 86: Eje modelado para grúa de techo Este elemento de unión entre la percha y el raíl esta hecho de acero y consiste en un cilindro extruido al cual se le añaden dos salientes perpendiculares en la parte inferior. A estos salientes se les corta los orificios que servirán para conectar el pasador. El eje en un subensamblaje posterior incorpora un par de rodamientos en sus extremos que harán la función de ruedas. 5.3.2.6. Percha Figura 87: Percha modelada para grúa de techo Pieza formada por varios perfiles circulares de poco espesor como se ve en la imagen 79. Esta creada de acero y consiste en un arco superior, un perfil trasversal inferior, los dos ganchos y por último la pieza que conectará la percha al eje. Los perfiles se han creado mediante saliente/base barrido y la pieza superior por extrusión. 5.3.2.7. Ensamblaje. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 81 Figura 88: Ensamblaje 5.3.3. Simulación mediante el método de los elementos finitos. 5.3.3.1. Materiales. El primer paso para realizar el análisis es definir el material de las piezas a calcular. Toda la estructura es formada por perfiles de acero así que daremos a todos el mismo material, que en este caso es un acero para estructuras DIN 1.0044 (S275JR) con las siguientes características: Nombre: 1.0044 (S275JR) Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal Criterio de error predeterminado: Tensión máxima de von Mises Límite elástico: 2.75e+008 N/m^2 Límite de tracción: 5.00826e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2.1e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.28 Densidad: 7800 kg/m^3 Módulo cortante: 7.9e+010 N/m^2 Coeficiente de dilatación térmica: 1.1e-005 /Kelvin Figura 89: Material acero S275JR 5.3.3.2. Sujeciones. En la realidad las patas de la grúa están unidas a unas ruedas y estas pueden girar permitiendo a la grúa desplazarse. Para realizar los cálculos estáticos eliminamos las DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 82 ruedas y posicionamos las sujeciones en las caras cilíndricas que serían los orificios para los pasadores de unión a las ruedas. Por lo tanto la sujeción se realiza sobre estas caras cilíndricas bloqueando el desplazamiento en los ejes X e Y pero permitiendo el giro en Z. 5.3.3.3. Cargas externas. Figura 90: Cargas externas grúa de techo La carga que ha de elevar la grúa son 100 Kg., por lo tanto ha de elevar un peso de 980 N en total. Este peso lo dividimos en 490 N para cada gancho de la percha y lo localizaremos en el cilindro horizontal, que forma parte de la curva del gancho, de forma que siempre esté vertical y hacia abajo como vemos en la figura 90. 5.3.3.4. Definición de los conectores. Por un lado tenemos las piezas que conectan de forma rígida entre ellas: - Conexión pata izquierda y pilar izquierdo. - Conexión pata derecha y pilar derecho. - Conexión pilar izquierdo con placa inferior columna izquierda. - Conexión pilar derecho con placa inferior columna derecha. - Conexión columna izquierda entre sus componentes. - Conexión columna derecha entre sus componentes. - Conexión placa superior columna izquierda con raíl. - Conexión placa superior columna derecha con raíl. - Conexión eje con rodamientos. Por otro lado tenemos una conexión de dos piezas sin penetración: DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 83 - Conexión entre los rodamientos y el raíl. Por último tenemos los conectores de tipo pasador que en esta grúa definiremos dos. • Nº1. Conector tipo pasador izquierdo de unión eje y percha. • Nº2. Conector tipo pasador derecho de unión eje y percha. Figura 91: Posición de los dos pasadores en la grúa 5.3.3.5. Mallado. Figura 92: Mallado en grúa de techo móvil. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 84 Una vez establecidas las cargas, sujeciones y conexiones procedemos a realizar el mallado del conjunto. Para ello el programa crea una malla sólida con elementos cuadráticos de alto orden en toda la estructura. 5.3.3.6. Ejecución. TENSIÓN DE VON MISES: Figura 93: Tensión de Von Mises en grúa de techo móvil. La grúa de techo móvil, es una estructura muy rígida por lo tanto las tensiones que se obtienen con la simulación son mucho menores que en las otras grúas estudiadas. Como vemos en la figura 93 el máximo obtenido se localiza en la percha y es de 80.338 MPa. La escala del gráfico sólo muestra hasta 50 de modo que podamos apreciar como el raíl también sufre tensión aunque en menor medida y está entorno a 8.336 MPa. Los orificios en los que se encuentran los pasadores que conectan las patas con las ruedas cuentan con una tensión local similar en magnitud a la del raíl. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 85 DESPLAZAMIENTOS: Figura 94: Desplazamientos en grúa de techo móvil. Por el efecto de la carga en los ganchos de la percha, esta se desplaza hacia abajo dando lugar a que el máximo desplazamiento de 0.5698 mm se dé en ella. Además vemos en la figura 94 como el raíl también se desplaza en la dirección de la carga entorno a 0.237 mm. El eje que sostiene la percha se deforma de manera similar al raíl aunque en la figura no puede apreciarse. El hecho de que el máximo desplazamiento se localice debajo de la carga demuestra que la simulación es correcta. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 86 DEFORMACIONES: Figura 95: Deformaciones en grúa de techo móvil. La estructura de este pórtico es tan rígida que apenas puede decirse que se deforme, por lo tanto lo que tiende a deformarse es la percha que sostiene la carga. La máxima deformación de 0.0002447 se localiza en el gancho de la percha, que también sufre deformaciones menores en toda la pieza. Aunque en la figura no se aprecie también obtenemos deformaciones en el eje de unión de la percha y el raíl entorno a 0.00008155, mucho menor en valor que el máximo. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 87 FACTOR DE SEGURIDAD: Figura 96: Factor de seguridad en grúa de techo móvil. El mínimo factor de seguridad que obtenemos en la estructura es de 3.42 y se localiza en la percha. Es un factor de seguridad que puede considerarse alto en comparación a las otras grúas y es lógico que este se dé en la percha ya que es esta la que sufre las mayores tensiones y deformaciones. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 88 COMPROBACIÓN DE LOS PASADORES: Figura 97: Comprobación de los pasadores en grúa de techo móvil. Los pasadores se encuentran correctamente definidos y no precisan de corrección. PESO DEL CONJUNTO: El peso total de la estructura de esta grúa es de 207.11 Kg. sin las ruedas. CONECTOR COMPROBACIÓN Conector tipo pasador nº1 Correcto Conector tipo pasador nº2 Correcto DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 89 6. OPTIMIZACIONES. 6.1. GRÚA ORTOPÉDICA MÓVIL PARA ELEVACIÓN Y TRASLADO CON ACTUADOR LINEAL. Una vez simulada la grúa y obtenidos los resultados estudiamos las partes en las que se han obtenido tensiones, desplazamientos y deformaciones máximas. En el caso de que las modificaciones necesarias en las piezas no perjudiquen al funcionamiento de la grúa procedemos a remodelarlas. 1) Para esta primera grúa hemos visto como la zona más conflictiva era la que unía las patas a la base por ello realizamos una primera remodelación de la manera siguiente:  Aumentamos el espesor de la pata en la zona del saliente de unión a la base pasando de e=7mm a e=14mm.  Realizamos un redondeo en la arista que se forma al crear el saliente en la pata de r=10mm.  Aumentar el espesor del perfil del mástil de e= 4mm a e= 6mm De esta manera obtenemos los siguientes resultados con las patas cerradas: • Tensión máx.: 326.788 Mpa en la base. • Desplazamiento máx.: 1.594 mm en el brazo. • Deformación máx.: 0.00084 en la base. • Factor de seguridad mín.: 0.84 en base. 2) Las mejoras obtenidas son notablemente superiores, pero aun podemos intentar optimizar la grúa por lo que procedemos a realizar las siguientes mejoras:  Aumentamos el espesor de la base e la zona de unión a las patas de e= 5mm a e= 10mm  Modificamos el redondeo en la arista que se forma al crear el saliente en la pata de r=10 a r=15. (siendo este redondeo el máximo posible por geometría). De esta manera obtenemos los siguientes resultados con las patas cerradas: • Tensión máx.: 240.173 Mpa en la pata. • Desplazamiento máx.: 0.86 mm en el brazo. • Deformación máx.: 0.0006781 en la base. • Factor de seguridad mín.: 1.14 en pata. 3) Las mejoras obtenidas son notablemente superiores, pero aun podemos intentar optimizar la grúa por lo que procedemos a realizar las siguientes mejoras: DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 96 6.2. GRÚA ORTOPÉDICA MÓVIL DE ELEVACIÓN Y TRASLADO CON CONLUMNA ELÉCTRICA. Tras haber simulado la grúa y obtenidos los resultados estudiamos las partes en las que se han obtenido tensiones, desplazamientos y deformaciones máximas. En el caso de que las modificaciones necesarias en las piezas no perjudiquen al funcionamiento de la grúa procedemos a remodelarlas. 1) Para esta segunda grúa hemos visto como las zonas más conflictivas eran la que unía la base a la columna, el tornillo y zona de unión del brazo y la percha por ello realizamos una primera remodelación de la manera siguiente:  Eliminamos orificios en la placa inferior de la columna.  Aumentamos el espesor de las placas inferior y superior de la columna de e=10 mm a e= 20 mm  Aumentar el espesor de la base de e=10 mm a e= 20 mm De esta manera obtenemos los siguientes resultados con las patas cerradas: • Tensión máx.: 211.957 Mpa en el carro-tornillo. • Desplazamiento máx.: 2.215 mm en el brazo. • Deformación máx.: 0.0004883 en la base. • Factor de seguridad mín.: 1.3 en base. 2) Las mejoras obtenidas son notablemente superiores, pero aun podemos intentar optimizar la grúa por lo que procedemos a realizar las siguientes mejoras:  Modificamos la geometría de las placas superior e inferior a 100x100. De esta manera obtenemos los siguientes resultados con las patas cerradas: • Tensión máx.: 200.534 Mpa en el carro-raíl. • Desplazamiento máx.: 2.206 mm en el brazo. • Deformación máx.: 0.0004871 en la base unión con la columna. • Factor de seguridad mín.: 1.32 en base. 3) Aunque la grúa podría considerarse que esta optimizada considero que los espesores del brazo y la percha son insuficientes por lo que procedemos a realizar las siguientes mejoras:  Aumentamos el espesor de la percha de diámetro= 45mm a diámetro=55 mm  Aumentamos el espesor de el brazo de diámetro=35 mm a diámetro =45mm. De esta manera obtenemos los siguientes resultados con las patas cerradas: DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 97 • Tensión máx.: 176.801 Mpa en el carro raíl. • Desplazamiento máx.: 2.124 mm en el brazo. • Deformación máx.: 0.0004751 en carro-tornillo. • Factor de seguridad mín.: 1.44 en base. De manera que conseguimos el modelado óptimo para esta grúa. Aunque pudiéramos obtener un factor de seguridad mayor para el conjunto el dimensionado de la estructura mejor si consideramos espesores mayores para la percha y el brazo. Tensión de Von Mises optimizado: Figura 108: Tensión de Von Mises patas cerradas optimizada DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 98 Desplazamientos optimizados: Figura 109: Desplazamientos patas cerradas optimizada Deformaciones optimizadas: Figura 110: Deformaciones patas cerradas optimizada DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 99 Factor de seguridad optimizado: Figura 111: Factor de seguridad pata cerrada optimizada Comprobación de los pasadores: CONECTOR COMPROBACIÓN Conector tipo pasador nº1 Correcto Conector tipo pasador nº2 Correcto Conector tipo pasador nº3 Correcto Conector tipo pasador nº4 Correcto Conector tipo pasador nº5 Correcto Conector tipo pasador nº6 Correcto Figura 112: Comprobación de los pasadores en patas cerradas optimizadas DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 100 Una vez obtenemos las piezas optimizadas, pasamos a observar los resultados de la grúa optimizada con las patas abiertas. • Tensión máx.: 227.120 Mpa en el carro raíl. • Desplazamiento máx.: 2.123 mm en el brazo. • Deformación máx.: 0.0003733 en el carro tornillo. • Factor de seguridad mín.: 1.21 en base. Tensiones de Von Mises optimizada: Figura 113: Tensión de Von Mises en patas abiertas optimizada DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 101 Desplazamientos optimizados: Figura 114: Desplazamientos en patas abiertas optimizadas Deformaciones optimizadas: Figura 115: Deformaciones en patas abiertas optimizadas DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 102 Factor de seguridad optimizado: Figura 116: Factor de seguridad en patas abiertas optimizadas Comprobación del factor de seguridad: CONECTOR COMPROBACIÓN Conector tipo pasador nº1 Correcto Conector tipo pasador nº2 Correcto Conector tipo pasador nº3 Correcto Conector tipo pasador nº4 Correcto Conector tipo pasador nº5 Correcto Conector tipo pasador nº6 Correcto Figura 117: Comprobación de los pasadores en patas abiertas optimizadas DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 103 6.3. GRÚA ORTOPÉDICA DE TECHO MÓVIL. Tras haber simulado la grúa y obtenidos los resultados estudiamos las partes en las que se han obtenido tensiones, desplazamientos y deformaciones máximas. En el caso de que las modificaciones necesarias en las piezas no perjudiquen al funcionamiento de la grúa procedemos a remodelarlas. 1) Para esta tercera y última grúa hemos visto como las zonas más conflictivas eran las pertenecientes a la percha, por ello realizamos una primera remodelación de la manera siguiente:  Aumentamos espesores de los perfiles circulares en la percha. De esta manera obtenemos los siguientes resultados: • Tensión máx.: 20.921 Mpa en el raíl. • Desplazamiento máx.: 0.4011 mm en la percha. • Deformación máx.: 0.00006418 en el raíl. • Factor de seguridad mín.: 13.14 en base. 2) La grúa es muy rígida y está lo suficientemente optimizada, por ello pasamos a reducir material, para que pese menos.  Reducir espesor de la pata de e=5mm a e =3mm.  Reducir espesor del pilar de e=4mm a e= 3 mm. De esta manera obtenemos los siguientes resultados: • Tensión máx.: 20.93 Mpa en la percha. • Desplazamiento máx.: 0.420 mm en la percha. • Deformación máx.: 0.00006418 en la percha. • Factor de seguridad mín.: 13.14 en la percha. De manera que conseguimos el modelado óptimo para esta grúa. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 104 Tensión de Von Mises optimizado: Figura 118: Tensión de Von Mises en grúa de techo optimizada Desplazamientos optimizados: Figura 119: Desplazamientos en grúa de techo optimizada DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 105 Deformaciones optimizadas: Figura 120: Deformaciones en grúa de techo optimizada Factor de seguridad optimizado: Figura 121: Factor de seguridad en grúa de techo optimizada DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 112 7.2. COMPARACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO. 7.2.1 Elementos eléctricos usados para elevar el brazo. Se han diseñado estas tres grúas ortopédicas de modo que cada una de ellas cuente con un elemento de elevación o generador de fuerza diferente para poder compararlos entre sí. De esta forma tenemos un actuador lineal, una columna eléctrica con un tornillo sin fin y un par de columnas elevadoras que esta accionadas mediante actuadores lineales verticales. ELEMENTO FUERZA MÁX. (N) DIRECCIÓN DE LA FORMA DE ALIMENTACIÓN FUERZA Actuador lineal 12000 (Tracción) Oblicua Baterías Columna eléctrica 20000 Vertical Motor con baterías Columna elevadora 2000 cada una Vertical Baterías Figura 127: Comparación de la los elementos eléctricos. Por un lado tenemos la comparación entre las fuerzas que ejerce cada una: La columna elevadora es la que menos fuerza ejerce sobre la estructura y como consta de dos columnas la fuerza total es de 4000 N. La columna eléctrica es la que más fuerza es capaz de ejercer sobre el brazo. Por otro lado tenemos la comparación del lugar en el que se ejerce esa fuerza y que dirección toma: El actuador lineal actúa entre el pilar y el brazo de forma que el brazo realice un giro mientras la percha se eleva o desciende. Tiene una fuerza de tracción que se aplica con una inclinación de 77.54º respecto al brazo de modo que tendremos una componente en X y otra en Y. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 113 Fpeso Fcil 77.54 ° Rv Rh Figura 128: Diagrama de la dirección de la Fcil. Por otro lado tenemos las fuerzas de las columnas elevadoras que ejercen la fuerza entre el pilar y el raíl y la fuerza de la columna eléctrica que ejerce la fuerza sobre el carro que recorre el tornillo y ambas son fuerzas verticales. Figura 129: Diagrama de la dirección de la Fcolumna. 7.2.2. Movimiento de diferentes partes. Dos de las grúas ortopédicas diseñadas además de realizar movimientos de elevación o descenso de la percha son capaces de mover las patas para que formen un ángulo entre sí. La tercera grúa es capaza de proporcionar a la percha tanto el movimiento vertical de elevación y descenso como uno horizontal al deslizarse por el carril. En la siguiente tabla mostramos la comparación entre estas tres grúas y sus posibilidades de movimiento: Fcolumna Fcolumna Fcolumna Fpeso Fpeso DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 114 TIPO DE GRÚA ABRIR O CERRAR PATAS ELEVACIÓN DE LA PERCHA DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL DE LA PERCHA Grúa de elevación y traslado con actuador lineal. SI SI NO Grúa de elevación y traslado con columna eléctrica. SI SI NO Grúa de techo móvil. NO SI SI Figura 130: Tabla comparativa de los movimientos de las grúas. 7.3. COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN EL CÁLCULO ESTÁTICO. 7.3.1. Tensiones de Von Mises máximas. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 115 TIPO DE GRÚA VALOR DE LA TENSION (MPa) SITUACIÓN DEL MÁX. Grúa de elevación y traslado con actuador lineal con patas cerradas. 135.743 Pata Grúa de elevación y traslado con actuador lineal con patas abiertas. 110.358 Pata Grúa de elevación y traslado con columna eléctrica con patas cerradas. 176.801 Carro-tornillo Grúa de elevación y traslado con columna eléctrica con patas abiertas. 227.12 Carro-tornillo Grúa de techo móvil. 20.93 Unión percha-raíl Figura 131: Tabla comparativa de las tensiones de Von Mises. El estudio de las tensiones de Von Mises nos aporta mucha información de carácter resistente sobre las estructuras. Esta tensión representa el estado de tensiones principales cuando la tensión efectiva alcanza el valor del límite de fluencia y se produce la fluencia del material. Comparación de la grúa ortopédica de elevación y traslado con actuador lineal con las patas en posición abierta y en posición cerrada: En esta comparación podemos observar con claridad como para una misma grúa la posición de sus piezas influye de manera importante en las tensiones máximas obtenidas. Al posicionar las patas de manera que se forme un ángulo entre ellas y por tanto queden abiertas, estamos dando más estabilidad a la estructura al permitir que las fuerzas generadas por el actuador lineal y por el peso de distribuyan a las patas mejor que si están cerradas. Por tanto la distribuir las fuerzas hacia las patas y al suelo de una manera mejor reducimos la tensión que se genera en esta zona haciendo que la distribución de tensiones de Von Mises sea menor. Comparación de la grúa ortopédica de elevación y traslado con columna eléctrica con las patas en posición abierta y en posición cerrada: DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 116 Por el contrario que en la comparación anterior, en esta grúa vemos como el posicionar las patas de forma que estén abiertas aumenta la tensión de Von Mises en lugar de reducirla. Esto se debe principalmente a las dimensiones de la grúa, es decir, como la longitud del brazo de la grúa es pequeña y la columna eléctrica es alta se produce una flexión hacia delante de estos dos elementos por acción de la carga. Por ello encontramos la máxima tensión en el tornillo en vez de en la base, luego al abrir las patas perdemos longitud en la estructura que hace que el tornillo tenga que absorber más tensión para estabilizar la estructura. Comparación de las tres grúas: En la tabla comparativa se aprecia un gran salto en el valor de la tensión de Von Mises de las dos primeras grúas respecto de la tercera. Era lógico que obtengamos un valor tan pequeño en la tensión de la grúa de techo ya que es una estructura muy rígida, tanto que apenas encontramos tensiones en la mayoría de las piezas que la forman y solo se aprecia tensión en la grúa, el raíl y el eje de unión entre estos elementos. Las dos primeras grúas tienen valores de tensiones similares, siendo mayores los de la grúa ortopédica con columna eléctrica ya que esta grúa también es mayor. 7.3.2. Desplazamientos máximos. TIPO DE GRÚA VALOR DEL DESPLAZAMIENTO MÁX. (mm) SITUACIÓN DEL MÁX. Grúa de elevación y traslado con actuador lineal con patas cerradas. 0.5952 Brazo Grúa de elevación y traslado con actuador lineal con patas abiertas. 0.5849 Brazo Grúa de elevación y traslado con columna eléctrica con patas cerradas. 2.124 Brazo Grúa de elevación y traslado con columna eléctrica con patas abiertas. 2.123 Brazo Grúa de techo móvil. 0.42 Percha Figura 132: Tabla comparativa de los desplazamientos. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 117 Comparación de la grúa ortopédica de elevación y traslado con actuador lineal con las patas en posición abierta y en posición cerrada: Como vemos al posicionar las patas de forma que estas estén abiertas conseguimos reducir el desplazamiento del brazo por acción de la carga colocada en la percha. Esta disminución se debe a que para ésta grúa, la apertura de patas proporciona una mayor estabilidad al conjunto que hace disminuir las tensiones y que hace que el conjunto adquiera la rigidez necesaria para disminuir 0.01 mm aproximadamente el desplazamiento aunque no es una diferencia muy llamativa. Comparación de la grúa ortopédica de elevación y traslado con columna eléctrica con las patas en posición abierta y en posición cerrada: A diferencia de la comparación en las tensiones de Von Mises de esta misma grúa que aumentaba al abrir las patas por reducir la longitud total, en los desplazamientos disminuye el valor. La apertura de las patas siempre va a permitir una mayor estabilidad y permitirá que se reduzca el valor de los desplazamientos en el brazo. La diferencia al igual que con la primera grúa es mínima alrededor de 0.001 mm. Comparación de las tres grúas: El mínimo valor de desplazamiento corresponde a la grúa de techo móvil como era de esperarse, puesto que es la más rígida de las tres grúas estudiadas donde además también encontramos las menores tensiones. La grúa ortopédica con actuador lineal también obtiene muy buenos resultados para desplazamientos estando muy cerca de los obtenidos en la grúa de techo. Por último la grúa con columna eléctrica obtiene unos valores algo más alejados de las otras dos grúas. Obtiene el máximo desplazamiento y esto es debido a la columna larga que hace la función de pilar que tiende a flexionar hacia adelante debido a su longitud. 7.3.3. Deformaciones máximas: DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 118 TIPO DE GRÚA VALOR DE LA DEFORMACIÓN MÁX. SITUACIÓN DEL MÁX. Grúa de elevación y traslado con actuador lineal con patas cerradas. 0.0004249 Base Grúa de elevación y traslado con actuador lineal con patas abiertas. 0.00032 Base Grúa de elevación y traslado con columna eléctrica con patas cerradas. 0.0004751 Carro Grúa de elevación y traslado con columna eléctrica con patas abiertas. 0.0003733 Carro Grúa de techo móvil. 0.00006418 Percha Figura 133: Tabla comparativa de las deformaciones. Comparación de la grúa ortopédica de elevación y traslado con actuador lineal con las patas en posición abierta y en posición cerrada: Al igual que los desplazamientos y las tensiones, las deformaciones disminuyen al posicionar las patas en posición de apertura en la zona de la base. Esto se debe a que las placas que unen las patas y la base se encuentran a menos tensión y fuerzan menos entre ellas. Comparación de la grúa ortopédica de elevación y traslado con columna eléctrica con las patas en posición abierta y en posición cerrada: Las deformaciones al igual que los desplazamientos se han reducido. Esto está relacionado entre sí de modo que al haber menos desplazamiento del brazo en la posición de las patas abiertas, en esa zona se reducen las deformaciones. Comparación de las tres grúas: Las dos primeras grúas obtienen valores de deformación similares en cuanto a magnitud, sin embargo la tercera grúa ortopédica obtiene valores muy inferiores a estos. Es hecho es lógico si como ya sabemos esta grúa también tiene tensiones y desplazamientos mucho menores. DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 119 7.3.4. Factores de seguridad mínimos: TIPO DE GRÚA VALOR DEL FACTOR DE SEGURIDAD MÍN. SITUACIÓN DEL MÍN. Grúa de elevación y traslado con actuador lineal con patas cerradas. 2.03 Pata Grúa de elevación y traslado con actuador lineal con patas abiertas. 2.15 Pata Grúa de elevación y traslado con columna eléctrica con patas cerradas. 1.44 Base Grúa de elevación y traslado con columna eléctrica con patas abiertas. 1.21 Base Grúa de techo móvil. 13.14 Percha Figura 134: Tabla comparativa de los factores de seguridad. Comparación de la grúa ortopédica de elevación y traslado con actuador lineal con las patas en posición abierta y en posición cerrada: Como ya hemos visto al posicionar las patas en una posición de apertura reducimos los valores máximos de la tensión, el desplazamiento y la deformación, por tanto podemos aumentar el factor de seguridad mínimo en la zona conflictiva. Comparación de la grúa ortopédica de elevación y traslado con columna eléctrica con las patas en posición abierta y en posición cerrada: Aunque los desplazamientos y las deformaciones hayan disminuido, al abrir las patas de la grúa ortopédica aumentamos considerablemente la tensión de modo que tengamos que reducir el factor de seguridad. Comparación de las tres grúas: DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 120 Hemos estado diciendo en los apartados anteriores que la grúa de techo móvil tenía mucha más rigidez que las otras dos y este hecho se puede observar con claridad al comparar los factores de seguridad mínimos de todas las grúas. Un factor de seguridad de 13.14 se puede considerar alto. Los factores de seguridad de las otras dos grúas están en valores normales. 7.4. COMPARACIÓN DE LAS ZONAS DONDE SE LOCALIZAN LOS MAYORES ESFUERZOS. 7.4.1. Zona de unión de la base con las patas. La localización de los mayores esfuerzos en esta zona afecta principalmente a la grúa ortopédica de elevación y traslado con actuador lineal. A continuación compararemos como se realiza esta unión en las tres grúas y que piezas las integran. BASE PATA Figura 135: Zona de unión base y pata en grúa con actuador lineal. Figura 136: Perfil inferior de la base de grúa con actuador lineal. Y X e=15mm Dim. 100x60 mm DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 121 Figura 137: Vista lateral de la base de la grúa con columna eléctrica. Empezamos comparando las bases de estas dos grúas. No tendremos en cuenta la grúa de techo móvil para comparar sus piezas ya que en ella no existe esta unión. Ambas bases tienen una longitud y anchura similar. La grúa con actuador lineal tiene una base formada por un perfil inferior y otro superior perpendicular a este, mientras que la base de la grúa con columna elevadora es una caja rectangular hueca a la que se le añaden unos salientes. En la primera grúa con actuador lineal las fuerzas que se ejercen sobre esta base son oblicuas y por tanto esta tiende a girar para compensarlas, mientras que las ejercidas en la segunda grúa con columna elevadora son perpendiculares a su base. El hecho de que la primera base tienda a girar hace que las patas deban impedir este giro y absorban los esfuerzos en la unión entre ellas, sin embargo como en la segunda no sucede esta unión no se ve afectada por ello y solo necesitamos hacerla más robusta que la primera para que pueda sostener la columna y reduciremos los espesores de los salientes de unión. Figura 138: Patas de dos de las grúas. e=5mm Dim. 150x200 mm 80 mm DISEÑO, ANÁLISIS Y ESTUDIO DE TRES GRÚAS ORTOPÉDICAS MEDIANTE HERRAMIENTAS DE SOLIDWORKS Página 128 10. AGRADECIMIENTOS. Aprovecho esta última página para agradecer a mi tutora Paula Canalís Martínez la ayuda prestada para poder llevar a cabo este proyecto y el tiempo dedicado a ello. Doy las gracias al profesor José Manuel Auría Apilluelo, por todas las tutorías dedicadas a modelar las distintas partes. También quiero agradecer a la residencia San Lázaro en haberme abierto sus puertas y prestarme sus grúas. Por último agradecer a todos aquellos que han ayudado de algún modo a la realización de este proyecto. Muchas gracias. Cristina Salinero Antón.