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CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO MEMORIA Autor: Auria Aznar, Javier Director/a: Canalís Martínez, Paula María Especialidad: Mecánica Convocatoria: Febrero 2012 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 2 Aprovecho esta página para agradecer la colaboración que ha prestado para el desarrollo de este proyecto la empresa norteamericana E-Z Pack especialmente a Norma Engle, gerente de ingeniería. También doy gracias a mi tutora Paula María Canalís Martínez que me ha ayudado a desarrollar este proyecto y mi novia Beatriz Latorre por su paciencia y apoyo. Muchas Gracias, Javier Auria Aznar CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 3 ÍNDICE GENERAL 1. ENUNCIADO DEL PROYECTO ...................................................... 7 1.1. TEMA OBJETO DEL PROYECTO ........................................................... 7 1.2. PETICIONARIO ......................................................................................... 7 1.3. DESTINATARIO ........................................................................................ 7 1.4. FECHA Y FIRMA DEL PROYECTO ....................................................... 8 2. TIPOLOGÍA DE MECANISMOS DE RECOLECCION DE BASURA EN LA ACTUALIDAD ............................................................. 9 2.1. SISTEMA RECOLECTOR TRASERO ..................................................... 9 2.2. SISTEMA RECOLECTOR LATERAL BRAZO DOBLE ...................... 10 2.3. SISTEMA RECOLECTOR FRONTAL ................................................... 11 2.4. SISTEMA RECOLECTOR BILATERAL PARA CONTENEDORES SONTERRADOS ............................................................................................. 12 2.5. SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONO BRAZO........................ 13 3. DEFINICIÓN DEL SISTEMA RECOLECTOR ............................ 15 3.1. CARACTERÍSTICAS Y PARTICULARIDADES .................................. 15 3.2. COMPONENTES PRINCIPALES DE LA GRÚA .................................. 17 3.2.1. PIEZAS PRINCIPALES ........................................................................ 17 3.2.1.1. “Porta-Pinzas” .................................................................................... 17 3.2.1.2. “L Mástil” ........................................................................................... 18 3.2.1.3. “Mástil” .............................................................................................. 19 3.2.1.4. “Corredera” ......................................................................................... 20 3.2.2. CILINDROS HIDRÁULICOS ............................................................... 21 3.2.2.1. Cilindro de amarre, elevación y vuelco .............................................. 21 3.2.2.2. Cilindro de extracción y recogida grúa............................................... 22 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 4 3.2.3. BOMBA HIDRÁULICA ........................................................................ 23 3.2.4. VÁLVULA DE CONTROL ................................................................... 23 3.3. CROQUIS DEL MOVIMIENTO DE DESCARGA ................................ 24 4. HIPÓTESIS DE TRABAJO Y CÁLCULOS ANALÍTICOS ........ 29 4.1. HIPÓTESIS GENERALES DE TRABAJO ............................................ 29 4.1.1. CARGA MÁXIMA DE TRABAJO ....................................................... 29 4.1.2. PUNTO DE APLIACÍON DE LA CARGA .......................................... 30 4.1.3. CONDICIONES DE CONTORNO DE LA ESTRUCTURA ................ 30 4.1.4. CÁLCULO DE LA POSICION MÁS DESFAVORABLE ................... 30 4.1.5. FUERZAS EJERCIDAS POR LOS CILINDROS HIDRÁULICOS .... 30 4.1.6. ALTURA DE INSTALACIÓN DE LA GRÚA ..................................... 31 4.1.7. POSICIÓN DE PARTIDAD DEL CILINDRO PRINCIPAL ................ 31 4.1.8. PIEZA CRÍTICA DEL MECÁNISMO .................................................. 31 4.1.9. MATERIAL EMPLEADO Y CARACTERISTICAS ........................... 31 4.1.10. TEORÍA EMPLEADA EN LOS CÁLCULOS DE RESISTENCIA ..... 31 4.1.11. DIMENSIONES DE PARTIDA DE LAS PIEZAS ............................... 31 4.2. CÁLCULOS ANALÍTICOS ..................................................................... 32 4.2.1. CÁLCULO DE LA ALTURA MÁXIMA DE DESCARGA ................ 32 4.2.2. REACCIONES Y FUERZAS SOBRE LAS PIEZAS PRINCIPALES . 33 4.2.2.1. Caso 1. “MÁSTIL” 0º ........................................................................ 33 4.2.2.1.1. “Mástil” ........................................................................................ 34 4.2.2.1.2. “Porta-Pinzas” .............................................................................. 53 4.2.2.1.3. L Mástil” ...................................................................................... 58 4.2.2.1.4. “Corredera” .................................................................................. 62 4.2.2.2. Caso 2. “MÁSTIL” a 45º .................................................................... 63 5. MODELADO 3D ................................................................................ 72 5.1. MÁSTIL .................................................................................................... 72 5.2. CORREDERA ........................................................................................... 73 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 5 5.3. L-MÁSTIL ................................................................................................ 73 5.4. PORTA-PINZAS ....................................................................................... 74 5.5. ENSAMBLAJE ......................................................................................... 75 6. SIMULACIÓN MEDIANTE EL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS .......................................................................... 76 6.1. PROCESO DE ANÁLISIS ....................................................................... 78 6.1.1. MATERIAL ........................................................................................... 78 6.1.2. SUJECCIONES/CONDICIONES DE CONTORNO ............................ 78 6.1.3. CARGAS EXTERNAS .......................................................................... 79 6.1.4. MALLADO ............................................................................................ 80 6.1.5. RESULTADOS ...................................................................................... 80 6.2. ANÁLISIS ESTÁTICO DE LOS COMPONENTES ............................... 81 6.2.1. SIMULACIÓN 1.”MÁSTIL” 0º ............................................................ 82 6.2.1.1. Datos de entrada ................................................................................. 82 6.2.1.2. Análisis de los resultados del análisis estático ................................... 84 6.2.1.3. Resultados obtenidos en los componentes del ensamblaje ................. 88 6.2.1.3.1. “Porta-Pinzas” .............................................................................. 88 6.2.1.3.2. “L-Mástil” .................................................................................... 91 6.2.1.3.3. “Mástil” ........................................................................................ 93 6.2.1.3.4. “Corredera” .................................................................................. 95 6.2.2. OPTIMIZACIÓN Y ANÁLISIS ESTÁTICO ........................................ 97 6.2.2.1. Análisis de los resultados tras las modificaciones .............................. 98 6.2.2.2. “Porta-pinzas” modificado. .............................................................. 102 6.2.3. SIMULACIÓN 2.”MÁSTIL” 22.5 º .................................................... 103 6.2.3.1. Análisis de los resultados del análisis estático ................................. 103 6.2.4. SIMULACIÓN 3.”MÁSTIL” 45 º ....................................................... 106 6.2.4.1. Análisis de los resultados del análisis estático ................................. 107 6.2.5. FUERZAS RESULTANTES EN LOS CILINDROS .......................... 110 7. CONCLUSIONES ............................................................................ 111 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 6 8. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................. 113 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 7 1. ENUNCIADO DEL PROYECTO 1.1. TEMA OBJETO DEL PROYECTO En este proyecto se va a realizar el diseño y el análisis de la estructura de una grúa, cuyo uso fundamental es la recolección lateral automatizada de los residuos sólidos urbanos de un barrio, residencia o comunidad. Ésta irá instalada en el lateral derecho, anclada sobre el bastidor de un camión de recolección de residuos urbanos. Para ello se realizará un estudio de diseño, calculando así las dimensiones y espesores mínimos que deben tener cada una de las partes que componen la grúa para que soporte las cargas y esfuerzos a los que se encuentra sometida durante su funcionamiento. Para certificar la calidad del diseño se realizará la modelización de las partes fundamentales que componen la grúa mediante el programa SolidWorks, comprobando así el análisis de rigidez y resistencia de los elementos relevantes del mecanismo. De este modo será posible observar las posibles carencias del diseño permitiéndonos realizar una optimización del modelo. 1.2. PETICIONARIO El presente proyecto ha sido realizado a petición de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza como trabajo fin de carrera, correspondiente al título de Ingeniería Técnica Industrial Mecánica. 1.3. DESTINATARIO Los destinatarios de estas máquinas son principalmente empresas encargadas de realizar los servicios de recolección de residuos urbanos de barrios, residencias o comunidades, quienes hacen de su uso para el vaciado de los contenedores de basura. El empleo de estas máquinas supone un trabajo más ergonómico para el operario debido a la automatización del proceso además de un gran ahorro en el tiempo de recolección. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 8 1.4. FECHA Y FIRMA DEL PROYECTO Firmado por el proyectista: JAVIER AURIA AZNAR CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 9 2. TIPOLOGÍA DE MECANISMOS DE RECOLECCION DE BASURA EN LA ACTUALIDAD 2.1. SISTEMA RECOLECTOR TRASERO Figura 1: Sistema recolector trasero El camión de recogida de basura dispone de un mecanismo en su parte trasera el cual le permite realizar el proceso de descarga de los contenedores de almacenaje. El sistema está compuesto por dos brazos hidráulicos accionados por una bomba de aceite. Una vez que los operarios han colocado el contenedor en la posición correcta, es decir, el contenedor se encuentra anclado en sus laterales por el par de brazos hidráulicos, el sistema mecánico es el encargado de realizar el movimiento de elevación y vuelco del contenedor. Sistema compuesto por dos cilindros de elevación para la subida y descenso de los contenedores y por un por un tercer cilindro que provoca el volteo de los contenedores y el consiguiente vaciado. Una vez vaciado el contenedor se realiza el movimiento inverso para volver a depositarlo manualmente ya vacío en su lugar correspondiente. Junto a este mecanismo mencionado anteriormente trabaja un sistema de compactación, permitiendo recolectar más basura optimizando así el proceso de recogida. El equipo puede efectuar la recogida de contenedores desde 240 hasta 1.000 litros. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 16 Además lleva incorporada una pequeña pantalla a través de la cual es posible observar la posición de las pinzas de amarre respecto del contenedor. Así mediante esta cámara situada cerca de la grúa, el operario detiene el camión en la posición exacta para comenzar con el ciclo de descarga. Figura 7: Sistema visión posición grúa-basura El sistema de amarre del contenedor de esta grúa se realiza mediante pinzas, las cuales sujetan el contenedor con firmeza. Por tanto el tipo de contenedores con los que puede trabajar tienen que tener unas dimensiones y configuración específica, de lo contrario, podría no amarrar bien el contenedor y se produciría la caída del mismo. La grúa trabaja con normalmente usados en casas particulares o urbanizaciones en las que cada vivienda posee su propio contenedor. Figura 8: Contenedores de distintas capacidades Cámara CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 17 Estos contenedores existen de diferentes capacidades, que van desde los 60 hasta los 240 litros. De este modo, la grúa esta diseñada para trabajar con diferentes modelos de contenedores (60, 80, 120,240 litros) situándose el límite máximo de trabajo en 240 litros, lo que lleva a la grúa a tener una capacidad máxima de carga de 400 kg de carga, suficiente si se tiene en cuenta que un contenedor lleno de residuos urbanos de 240 litros tiene un peso medio de alrededor de 80 kg. Para que el comienzo del proceso se lleve a cabo de manera satisfactoria, el contenedor debe encontrarse a una distancia de la grúa no superior a los 2.75 metros de distancia, ya que esta distancia es la máxima alcanzable por la grúa. Esta distancia es suficiente si se encuentra el contenedor en la zona correcta, es decir cerca del bordillo de la calzada. Una característica importante es que la altura de descarga se produce sobre a 1.90 metros de altura, por lo que la apertura de la caja o cabina de descarga debe tener mínimo esta distancia para que el vaciado se realice con éxito. Finalmente detallar que puesto que se trata de un mecanismo sencillo y compuesto por escasas piezas, ofrece una elevada fiabilidad y poco mantenimiento durante su ciclo de vida útil. 3.2. COMPONENTES PRINCIPALES DE LA GRÚA El mecanismo que conforma esta grúa se trata de un mecanismo sólido y sencillo, compuesto únicamente por cuatro piezas principales. En este punto se describen las características básicas y funcionalidad de cada una de ellas. 3.2.1. PIEZAS PRINCIPALES 3.2.1.1. “Porta-Pinzas” Pieza encargada de portar tanto las pinzas de amarre así como el mecanismo necesario para el accionamiento de estas. Dicho mecanismo esta compuesto por dos piezas engranadas entre sí y mediante la aplicación de una fuerza exterior proporcionada por un cilindro hidráulico se realiza el movimiento de apertura y cierre de las pinzas. En la figura 9 pueden apreciarse las principales características. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 18 Figura 9: Imagen de la pinza y porta-pinzas El mecanismo está compuesto por un cilindro hidráulico que mediante que hace mover un engranaje encargado de realizar el movimiento apertura-cierre de las pinzas. Las uniones del cilindro y la pieza se realizan mediante pasadores y orejetas. Esta pieza se encuentra unida perpendicularmente a la pieza “L Mástil”, mediante un pasador y dos abrazaderas de cubo partido amarradas con pernos. Gracias a esta unión con pasador, le permite al mecanismo producir el movimiento de vuelco que hace que el contenedor se descargue completamente. Dicho movimiento se produce gracias a la fuerza generada por un segundo cilindro hidráulico unido por un extremo a esta pieza y por el otro a la pieza “L Mástil”. 3.2.1.2. “L Mástil” Figura 10: Imagen de la “Pinza”, “Porta-pinzas” y “L-Mástil” “Porta-Pinzas” “Pinzas” “L-Mástil” Pinzas “Porta-Pinzas CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 19 Se trata de la pieza más simple del mecanismo y tiene por objeto portar el cilindro que permite al mecanismo realizar el movimiento de vuelco del contenedor. Su denominación es debida debido a la forma de “L” invertida que presenta. Esta pieza se encuentra unida perpendicularmente al mástil principal mediante soldadura. 3.2.1.3. “Mástil” Es la pieza más importante del mecanismo, ya que es la encarga de elevar el contenedor a la altura necesaria para poder proceder al vaciado del mismo. Está compuesta por dos perfiles unidos entre sí, uno de larga longitud y otro más corto encargado de soportar las fuerzas del cilindro. Se encuentra unida a la pieza “Corredera” por dos uniones. Se encuentra unida por un lado, mediante un pasador y dos abrazaderas de cubo partido amarradas con pernos. Esta unión es la que permite actuar como punto de apoyo y eje de giro para realizar el movimiento de elevación del “Mástil”, permitiendo a éste moverse en un rango desde 0º hasta los 45º respecto de la horizontal. Figura 11: Imagen del “Mástil” Mástil CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 20 Por otro lado está unida mediante un cilindro hidráulico, en el que un extremo está unido al “Mástil” y otro a la “Corredera”. Este cilindro es el más importante del mecanismo y el cual tiene que desarrollar las mayores fuerzas, siendo capaz de levantar la carga de la grúa y la del contenedor. Tanto la unión del cilindro al “Mástil”, como a la “Corredera”, se realiza mediante orejetas y pasadores. 3.2.1.4. “Corredera” Pieza que dispone de unas pequeñas ruedas en su parte inferior que le permiten moverse a través de una viga carril unido al bastidor. Figura 12: Imagen de la pieza “Corredera” Este movimiento se produce mediante un cilindro hidráulico de gran longitud que permite extraer la grúa perpendicularmente al camión. Cilindro que se encuentra unido a tres puntos, dos de ellos correspondientes a la pieza corredera, y un tercer punto fijo que forma parte del bastidor del camión. Las uniones del cilindro a la “Corredera” se realizan mediante uniones a presión de cubo partido con pernos .La unión al bastidor se realiza con soldadura y pernos. Así pues esta pieza tiene como objeto permitir acercar o alejar la grúa del contenedor, así como establecer un punto de unión entre la grúa y el camión. “Corredera” Viga carril Mástil CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 21 3.2.2. CILINDROS HIDRÁULICOS 3.2.2.1. Cilindro de amarre, elevación y vuelco Figura 13: cilindro de amarre, elevación y vuelco Para realizar los movimientos de amarre, elevación y vuelco del contenedor, se hace uso de un mismo modelo de cilindro hidráulico en el que cambian las dimensiones y condiciones de trabajo dependiendo del movimiento que vaya a realizar. El cilindro que realiza la apertura y cierre de pinzas, permitiendo amarrar el contenedor con fuerza tiene las siguientes características: Carrera: [mm] 100 Presión de servicio [bar] 100 Así pues el cilindro encargado de llevar a cabo el movimiento de elevación de la grúa tiene las siguientes características: Carrera: [mm] 500 Presión de servicio [bar] 210 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 22 Por último el cilindro usado para producir el vuelco el cual tiene las siguientes características: Carrera: [mm] 150 Presión de servicio [bar] 100 3.2.2.2. Cilindro de extracción y recogida grúa Cilindro hidráulico encargado de llevar acabo el movimiento de extracción y recogida de la grúa así como acercar o alejar la grúa del contenedor. Figura 14: cilindro de extracción y recogida Dicho cilindro dispone de una gran carrera, para poder conseguir una mayor distancia de desplazamiento de la grúa. Sus características principales son: Carrera: [mm] 1000 Presión de servicio [bar] 100 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 23 3.2.3. BOMBA HIDRÁULICA El mecanismo capaz de hacer llegar presión a todos los puntos del circuito lo realiza la bomba hidráulica. Figura 15: Bomba hidráulica Trabaja con un rango de presiones entre los 30 y los 300 bares. Se trata de una bomba hidráulica de paletas. Este tipo de modelos son muy eficientes ya trabajan con rendimientos de hasta el 95 %. 3.2.4. VÁLVULA DE CONTROL Encargada de realizar el reparto de presiones así como ser la encargada de abrir y cerrar los circuitos para permitir o no permitir el paso de fluido. Capaz de distribuir presión a la grúa, a el compactador de basura y a el sistema de apertura de la compuerta trasera. Figura 16: Válvula de control del sistema hidráulico CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 24 3.3. CROQUIS DEL MOVIMIENTO DE DESCARGA En primer lugar, la grúa se encuentra recogida con las pinzas completamente abiertas/extendidas y la pieza corredera (encargada de realizar el movimiento de acercar o alejar la grúa al contenedor) sin extender. Figura 17: situación antes de amarre del contenedor El primer movimiento se lleva acabo, consiste en ubicar el camión con las pinzas de la grúa completamente abiertas justo enfrente del contenedor. Seguidamente la pieza corredera desliza para colocar las pinzas en las proximidades del contenedor. Para realizar dicho movimiento el cilindro transversal al camión se extiende dependiendo de la lejanía o cercanía a la cual se encuentre el contenedor, cilindro anclado por ambos extremos, uno a un punto fijo (bastidor del camión) y el otro a la pieza corredera. Figura 18: situación justo antes del amarre del contenedor CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 25 Una vez desplazada la pieza corredera lo suficiente para que las pinzas permitan el amarre del contenedor, se pone en funcionamiento el cilindro situado en la pieza la cual soporta las pinzas. Mediante la extensión o recogida de dicho cilindro conseguimos el movimiento encargado de apertura y cierre de pinzas, lo que nos permitirá amarrar el contenedor con una fuerza determinada para proceder a su elevación. Figura 19: situación con el contenedor amarrado A continuación es recogido el cilindro transversal, pero no en su totalidad, acercando así ligeramente el contenedor al camión, concretamente a la caja de recolección. Una vez que el contenedor se encuentra en las proximidades del camión y bien amarrado por las pinzas, se procede a la elevación del mismo. Figura 20: situación con el contenedor elevado, antes del vaciado CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 32 4.2. CÁLCULOS ANALÍTICOS 4.2.1. CÁLCULO DE LA ALTURA MÁXIMA DE DESCARGA La altura máxima de descarga se produce cuando el “Mástil” forma 45 º con la horizontal y el cilindro hidráulico principal se encuentra extendido en su totalidad. Obteniendo así la siguiente configuración: Figura 26: esquema de la altura máxima de descarga La altura máxima (3 4á6 ) es la máxima altura que alcanza el extremo del mástil. 3 4á6 =1,30+1,75 √2=2,54 La proyección de la altura máxima de la pieza “L Mástil” será: 0,70∙cos45°=0,70 √2=0.45 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 33 La altura máxima de descarga será (ℎ 4á6@#" , ): ℎ 4á6@#" , =3 4á6 −0,45=2,54−0,45=2,09 4.2.2. REACCIONES Y FUERZAS SOBRE LAS PIEZAS PRINCIPALES Calculamos las reacciones y fuerzas que actúan sobre las piezas principales del mecanismo de la grúa. Para ello realizamos el equilibrio global de la estructura en dos posiciones. La primera de ellas cuando el mástil se encuentra horizontal justo antes de comenzar el movimiento de elevación, una segunda posición, cuando el mástil se encuentra en su punto más elevado formando 45º con la horizontal. 4.2.2.1. Caso 1. “MÁSTIL” 0º Estructura global Figura 27: Esquema de la estructura global de la grúa CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 34 Realizamos el equilibrio global de la estructura: (1)CD 6 =0; (2)CD F =0;→D H ∙cos45°=' F +3920; (3)CD I =0;→D H ∙cos45°=' I ; Puesto que el apoyo se trata de un pasador sobre el que gira el “Mástil”, la resultante de momentos en ese punto han de ser nulos. C0 6,J =0;→D H ∙cos45°∙(0.15+0.36)=3920∙(1.75+0.36); 8271.2=0.2333∙D H →D H =22936L Despejando de las ecuaciones (1), (2) y (3) obtenemos: ' 6 =0L; ' F =12298L; ' I =16218L; Una vez conocidas las reacciones sobre los puntos de apoyo de la estructura, se calculan los esfuerzos y reacciones de cada una de las piezas de la grúa por separado. 4.2.2.1.1. “Mástil” Para realizar el diagrama de sólido libre del “Mástil”, trasladamos la carga a “B”, y los esfuerzos que producen dicho desplazamiento. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 35 Los esfuerzos que se producen son: 0 M =3920L∙0.36=1412L∙ ' M =3920L 0 M =3920L∙1.4=5488L∙ Además son datos conocidos las reacciones del punto “A”, puesto que las hemos calculado anteriormente del equilibrio global de la estructura. Estas reacciones son: N J =12298L;3 J =16218L Como se ha citado en la hipótesis de trabajo 4.1.3. La fuerza proyectada según su ángulo, corresponderá con las reacciones que se generen en el punto de aplicación de la D H . Obtenemos la siguiente configuración: Figura 28: Diagrama de sólido libre del “Mástil” Realizamos el equilibrio global de la estructura: (1)CD 6 =0;D H ∙cos45°−16218=0; (2)CD F =0;→D H ∙sen45°−3920−12298=0; CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 36 (3)C0 I,J =0;→D H ∙cos45°∙0.36+D H ∙sen45°∙0.15−3920∙1.75=0; Observamos que se cumplen las ecuaciones y que el sistema se encuentra en equilibrio. Una vez conocidas todas las reacciones realizamos los diagramas de esfuerzos, para saber cual es el punto más solicitado del “Mástil”. Diagramas de esfuerzos Axil Figura 29: Diagrama de esfuerzos axiles sobre el “Mástil” Cortante Figura 30: Diagrama de esfuerzos cortantes sobre el “Mástil” CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 37 Momento Flector Figura 31: Diagrama de momentos flectores sobre el “Mástil” Momentos Torsor Figura 32: Diagrama de momentos torsores sobre el “Mástil” Observando los diagramas de esfuerzos podemos apreciar que el punto más solicitado de la estructura, es el punto de unión entre los dos perfiles que forman el “Mástil”, es decir el punto “C” .En dicho punto el “Mástil” se encuentra sometido a los siguientes esfuerzos: L=0;N F =3920;0 I =7684L∙;0  =5488L∙ Dimensiones del pasador y orejeta sobre los cuales actúa la fuerza del cilindro Sobre la orejeta y el pasador del “Mástil”, actúa la fuerza del cilindro con un módulo de: D H =22936L. Para determinar cuales son las dimensiones que debe de tener tanto el pasador como la orejeta, aplicaremos diferentes criterios de cálculo así como cálculo a cortadura, por aplastamiento y cálculo a flexión. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 38 • Pasador Sobre el pasador actúa la totalidad de la fuerza ejercida por el cilindro, quedando el dibujo esquemático del siguiente modo: Figura 33: Esquema de la orejeta y el pasador Calculamos el diámetro que debe tener el pasador para que cumpla los criterios de resistencia. Para ello calculamos mediante el criterio de cortadura. Q=D H /2 & ;Q 4á6,#4 =/ S 2∙T  =350 2∙5=3501 & : Área de cortadura = U∙∅ W X Y T  : Coeficiente de seguridad = 5. / S : Tensión de fluencia del material = 350 MPa. Q=22936/2 & ;Q=Q 4á6,#4 →22936/2 & =35→& =327.65 Z & =[∙∅ \ Z 4=327.65→∅ \ =20.42→21 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 39 Calculamos el espesor que debe tener la orejeta para que cumpla los criterios de resistencia. Para ello calculamos mediante el criterio de aplastamiento. • Orejeta Figura 34: Esquema secciones pasador /= D H /2 & \4H"! / 4á6,#4 =/ S T  =35001 5=7001 /=/ 4á6,#4 → 22936/2 & \4H"! =7001;& \4H"! =∅ \ ∙=21∙; Despejando el espesor de la orejeta obtenemos: =22936/2 70∙21 =7.8→=8 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 40 Finalmente, para calcular la altura de la base de la orejeta. Para ello calculamos mediante el criterio de flexión. Hipótesis:  Puesto que el sistema de agarre de los extremos del cilindro se realiza mediante dos orejetas y un pasador, suponemos que la fuerza que actúa se reparte equitativamente a las dos orejetas. Luego la fuerza que le llega a cada orejeta es: D=22936∙√2 2 2=8109L Para simplificar los cálculos esquematizamos la orejeta como una viga en voladizo empotrada en uno de sus extremos y con las cargas en el extremo opuesto, Así pues obtenemos la siguiente configuración: Figura 35: Esquema de la orejeta sometida a flexión Realizamos el equilibrio global de la estructura: (1)CD 6 =0;→8109−L=0; (2)CD F =0;→8109−N F =0; (3)C0 I,J =0;→0 I −8109∙0.06=0; CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 41 Despejando obtenemos que los esfuerzos en el empotramiento son: L=8109L;N F =8109L;0 I =486.5L∙; A continuación se muestran los diagramas de esfuerzos de la orejeta: Diagramas de esfuerzos de la orejeta Cortante Figura 36: Diagrama de cortantes de la orejeta Momento Flector Figura 37: Diagrama de momentos flectores de la orejeta Podemos observar que el empotramiento se trata del punto más desfavorable. Una vez conocido el punto mas solicitado a lo largo de la longitud del perfil, determinamos cual es la zona de la sección del perfil que se encuentra más solicitada. Veamos la siguiente imagen donde se muestran las características del perfil así como la distribución de tensiones. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 48 La tensión máxima será: / 4á6 =16218 2800 +2920∙1000 1373334 ∙30=69.601 Según Tª Cortante Máximo y despreciando las tensiones producidas por el esfuerzo cortante: Q 4á6 =ef/ 4á6 2g Z +Q 6FZ =/ 4á6 2=69.6 2=34.801 Q 4á6,#4 =/ S 2∙T  =350 2∙5=3501 Puesto que la tensión máxima no supera la tensión máxima admisible por el material según la Teoría de cortante máximo, el perfil queda definido por unas dimensiones de 100∙60∙10. Dimensiones del pasador y espesor de chapa necesario del “Mástil” en el eje de giro de elevación. Para realizar los cálculos trabajamos con la resultante que actúa sobre el punto de giro. (Punto “A” del “Mástil”).Conocidas las acciones sobre ese punto: N J =12298L;3 J =16218L La fuerza resultante será: D l,J =mN JZ +3 JZ =20354L CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 49 • Pasador Sobre el pasador actúa la totalidad de la fuerza que recae sobre el apoyo “A”. Figura 45: Resultante sobre el punto “A” del “Mástil” Hipótesis:  La fuerza resultante se reparte equitativamente entre los dos apoyos del pasador. Calculamos el diámetro que debe tener el pasador para que cumpla los criterios de resistencia. Para ello calculamos mediante el criterio de cortadura. Q=D lJ /2 & ;Q 4á6,#4 =/ S 2∙T  =350 2∙5=3501 & : Área de cortadura = U∙∅ W X Y T  : Coeficiente de seguridad = 5. / S : Tensión de fluencia del material = 350 MPa. Q=20354/2 & ;Q=Q 4á6,#4 →20354/2 & =35→& =290.77 Z & =[∙∅ \ Z 4=290.77→∅ \ =19.24→20 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 50 Calculamos el espesor que debe tener la unión para que cumpla los criterios de resistencia. Para ello calculamos mediante el criterio de aplastamiento. • Unión Figura 46: Esquema de la sección de la unión /= D lJ /2 & \4H"! ;Q 4á6,#4 =/ S 2∙T  =350 2∙5=3501 =/ 2=10177/& \4H"! 2;& \4H"! =∅ \ ∙=20∙; Q 4á6 =Q 4á6,#4  ; Q 4á6,#4 =/ S 2∙T  =350 2∙5=3501 Despejando el espesor de la unión obtenemos: =5088.5=7.26→=8 Espesor del perfil principal del “Mástil” El perfil a utilizar se trata de un perfil construido con acero de construcción metálica S350 y con unas dimensiones de 120∙160∙. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 51 Hipótesis:  Calculamos mediante prueba y error. Dotamos al espesor “e” de un valor numérico lógico, de manera que cumpla los cálculos de resistencia y nos permita optimizar en cuanto a la utilización de material, para dotar así al perfil de una mayor ligereza. Realizamos los cálculos con e = 7 mm y comprobamos si cumple. Además solo se considerarán las tensiones cortantes producidas por el momento torsor, siendo el resto de tensiones cortantes despreciadas. Teniendo en cuenta los diagramas de esfuerzos anteriormente calculados, el punto “C” era el más solicitado, y se encontraba sometido a los siguientes esfuerzos: L=0;N F =3920;0 I =7684L∙;0  =5488L∙ La sección del perfil queda configurada del siguiente modo: Figura 47: Esquema de la sección del perfil del “Mástil” Para el espesor e = 7 mm, las características de la sección son: á_1:&=(160∙120)−(146∙106)=3724 Z CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 52 ]a_bc1∶ ] I =j1 12∙160∙120  k−j1 12∙146∙106  k=8549305 Y ] I =j1 12∙120∙160  k−j1 12∙106∙146  k=10022500 Y ]  =] F +] I =22018770 Y La tensión cortante sobre un perfil hueco de sección rectangular, lo obtenemos mediante la siguiente expresión: Q 4á6o =0 p 2∙ℎ∙d∙=5488∙1000 2∙160∙120∙7=20.4101 La tensión normal será: / 4á6oq =0 I ] I ∙^ 4á6 =7684∙1000 10022500 ∙80=45.6301 Según Tª Cortante Máximo: Q 4á6 =ef/ 4á6 2g Z +Q 6FZ =ej45.63 2k Z +20.41 Z =30.601 Q 4á6,#4 =/ S 2∙T  =350 2∙5=3501 Puesto que la tensión máxima no sobrepasa la tensión máxima admisible por el material, para e = 7 mm, el perfil cumple los requisitos de resistencia. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 53 4.2.2.1.2. “Porta-Pinzas” Hipótesis  Puesto que dicha pieza se encuentra amarrada a la pieza que la une con el Mástil (“L Mástil”), mediante un pasador con dos apoyos, tomaremos dicha pieza como una viga con dos apoyos, uno de ellos permitiéndole el movimiento en la dirección longitudinal, para evitar así la hiperestaticidad, de modo que simplificamos los cálculos.  El perfil a utilizar se trata de un perfil construido con acero de construcción metálica S350 y con unas dimensiones de 80∙60∙.  Calculamos mediante prueba y error. Dotamos al espesor “e” de un valor numérico lógico, de manera que cumpla los cálculos de resistencia y nos permita optimizar en cuanto a la utilización de material, para dotar así al perfil de una mayor ligereza. Realizamos los cálculos con e = 10 mm y comprobamos si cumple. Además solo se considerarán las tensiones cortantes producidas por el momento torsor, siendo el resto de tensiones cortantes despreciadas. El “Porta-Pinzas” queda esquematizado del siguiente modo: Figura 48: Esquema de fuerzas del “Porta-Pinzas” Realizamos el equilibrio global de la estructura: (1)CD 6 =0; (2)CD F =0;→' r −3920−12298=0; CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 54 (3)C0 I,s =0;→3920∙0.9−' r ∙0.24=0; Despejando de las ecuaciones anteriores, obtenemos el valor de las reacciones en los apoyos “E” y “D”. ' r =14700L;' s =10780L Además actúan un momento torsor producido la carga de 3920 N, ya que se encuentra desplazada perpendicularmente una distancia de 0.36 m. 0  =3920∙0.36=1412L∙ Una vez conocidas todas las reacciones realizamos los diagramas de esfuerzos, para saber cual es el punto más solicitado del “Porta-Pinzas”. Diagramas de esfuerzos Cortante Figura 49: Diagrama de esfuerzos cortantes sobre “Porta-Pinzas” Momento Flector Figura 50: Diagrama de esfuerzos cortantes “Porta-Pinzas” CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 55 Momento Torsor Figura 51: Diagrama de esfuerzos cortantes “Porta-Pinzas” Teniendo en cuenta los diagramas de esfuerzos anteriormente calculados, el punto “E” es el más solicitado, y se encuentra sometido a los siguientes esfuerzos: L=0;N F =10780L;0 I =2587L∙;0  =1412L∙ Esquematizamos la sección de l perfil y calculamos las tensiones a las que se encuentra sometida. Figura 52: Perfil y tensiones el “Porta-Pinzas” Las características de la sección del perfil son: á_1:&=(80∙60)−(60∙40)=2400 Z ]a_bc1∶] I =j1 12∙600∙80  k−j1 12∙80∙60  k=1840000 Y  CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 56 La tensión cortante sobre un perfil hueco de sección rectangular, lo obtenemos mediante la siguiente expresión: Q 4á6o =0 p 2∙ℎ∙d∙=1412∙1000 2∙80∙60∙10=14.701 La tensión normal será: / 4á6oq =0 I ] I ∙^ 4á6 =2587∙1000 1840000 ∙40=5701 Según Tª Cortante Máximo: Q 4á6 =ef/ 4á6 2g Z +Q 6FZ =ej57 2k Z +14.7 Z =31.701 Q 4á6,#4 =/ S 2∙T  =350 2∙5=3501 Puesto que la tensión máxima no sobrepasa la tensión máxima admisible por el material, para e = 10 mm, el perfil cumple los requisitos de resistencia. Diámetro del pasador de la unión del “Porta-Pinzas” con “L Mástil” Sobre el pasador recaen los siguientes esfuerzos: Figura 53: Pasador del “Porta-Pinzas” CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 57 El punto sobre del pasador sobre el que actúa la fuerza de 14700 N es el más desfavorable. Calculamos el diámetro que debe tener el pasador para que cumpla los criterios de resistencia. Para ello calculamos mediante el criterio de cortadura. Q=D & ;Q 4á6,#4 =/ S 2∙T  =350 2∙5=3501 & : Área de cortadura = U∙∅ W X Y T  : Coeficiente de seguridad = 5. / S : Tensión de fluencia del material = 350 MPa. Q=14700 & ;Q=Q 4á6,#4 →14700 & =35→& =420 Z & =[∙∅ \ Z 4=420→∅ \ =23.12→24 Espesor de las chapas de apoyo del pasador Calculamos el espesor que deben tener las chapas de apoyo de la unión para que cumpla los criterios de resistencia. Para ello calculamos mediante el criterio de aplastamiento. Figura 54: Esquema de la sección de la unión CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 64 ocurre lo mismo con las distancias al eje de giro, las cuales se han visto modificadas debido a la inclinación. Figura 62: Variación ángulo cilindro A continuación se esquematiza de manera detallada, cuales son las distancias que varían y como calculamos dicha variación. Figura 63: Distancias “Mástil” invariables CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 65 Así pues mediante aplicación del Teorema de Pitágoras: u Y =i0.15 Z +0.36 Z =0.39 v=tan @y j0.36 0.15k=67.38° Determinado el ángulo v y la longitud u Y , planteamos el triángulo obtenido de todo el conjunto y obtenemos el valor del ángulo t.Obtenemos tres triángulos de dimensiones y ángulos diferentes quedando determinados del siguiente modo: Figura 64: Geometría de triángulos Las distancias fijas entre los puntos de apoyo del cilindro principal son conocidas (0.67 m y 0.115m) y determinan los triángulos, quedando configurados del siguiente modo: Figura 65: Geometría de triángulos CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 66 Analizando los triángulos independientemente obtenemos las dimensiones y ángulos que nos permitirán obtener la magnitud del ángulo t. Triángulo 1 Figura 66: Geometría del triángulo 1 z=tan @y j0.115 0.67k=9.7394° Aplicando el teorema de Pitágoras: 1=i0.67 Z +0.115 Z =0.6798 Triángulo 2 Figura 67: Geometría del triángulo 2 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 67 {=45°+v+z=45°+67.38°+9.7394°=122.12° Aplicando el teorema del coseno: u  =i0.6798 Z +0.39 Z −2∙0.6798∙0.39∙cos122.12°=0.9466 Aplicando el teorema del seno: 0.39 sint′=0.9466 sin122.12° sint′=sin122.12° 0.9466 ∙0.39=0.34893 t ~ =sin @y 0.34893=20.422° El ángulo t será: t=t ~ +z=20.422°+9.7394°=30.16° Triángulo 3 Para poder realizar el equilibrio global es necesario conocer las distancias perpendiculares que van desde la fuerza proyectada al eje de giro, en el cual el sumatorio de momentos respecto de ese punto es nulo. Figura 68: Geometría del triángulo 3 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 68 φ=180°−45°−β=67.62° u y =0.39∙cos•=0.39∙cos67.62°=0.1484 L Z =0.39∙sin•=0.39∙sin67.62=0.3606 Una vez conocidas las longitudes y ángulos principales realizamos el equilibrio de la estructura global. Hemos de tener en cuenta el ángulo con el que hay que proyectar D H es de 30.16 º, que la distancia del “Porta-pinzas” al centro de gravedad del contenedor se ha modificado debido a la inclinación al igual que la proyección del componente “L- Mástil”. (1)C0 6,J =0;D H ∙(cost∙u Z +sint∙u y )−3920 ∙(1.75∙cos45°)+(0.7∙sin45°)+(0.254) D H ∙0.38638=7786.73 D H =20153L (2)CD F =0;→20153∙sin30.16°=' F +3920; ' F =6205L (3)CD I =0;→D H ∙cos22.5°=' I ; ' I =17425L Así pues observamos que la resultante de D H es ligeramente inferior a la obtenida en la situación en la que el “Mástil” se encuentra a 0º.Por tanto a priori, sabiendo que las fuerzas que actúan son menores, el perfil debería de soportar todos los esfuerzos a los que se encuentra sometido el mecanismo para esta nueva posición. Realizamos los diagramas de esfuerzos del componente fundamental de la grúa, el “Mástil”. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 69 Axil Figura 69: Diagrama axiles “Mástil” 45º Cortante Figura 70: Diagrama cortantes “Mástil” 45º CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 70 Momento Flector Figura 71: Diagrama momentos flectores “Mástil” 45º Momento Torsor Figura 72: Diagrama momentos torsores “Mástil” 45º CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 71 Observando los diagramas de esfuerzos podemos apreciar que el punto más solicitado de la estructura, es el punto de unión entre los dos perfiles que forman el “Mástil”, es decir el punto “C” .En dicho punto el “Mástil” se encuentra sometido a los siguientes esfuerzos: L=2772L;N F =16708;0 I =7373L∙;0  =5488L∙ CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 72 5. MODELADO 3D El proceso de modelado se ha realizado mediante un programa de modelado 3D denominado SolidWorks .Este programa nos permite, una vez conocidas todas las dimensiones necesarias, representar de manera muy aproximada a la real el aspecto de las piezas que componen la grúa. Además, mediante la herramienta que incorpora de elementos finitos, nos permitirá realizar los cálculos de resistencia de nuestro sistema, de manera que nos permite obtener conocer de manera aproximada como sería el comportamiento de la grúa en caso de ser fabricada. Para realizar el modelado, hemos partido de las dimensiones de los perfiles y espesores anteriormente calculadas. Las piezas se han modelado una a una para posteriormente unirlas, formando un ensamblaje que da lugar al montaje completo de la grúa. A continuación se muestran las piezas del conjunto modeladas según el orden que se ha seguido. 5.1. MÁSTIL Es la primera pieza a modelar y consta de una estructura básica y sencilla. Esta compuesta principalmente por dos perfiles huecos de sección rectangular unidos entre si perpendicularmente. Sobre la orejeta actúa apoya uno de los extremos del cilindro principal, unida a esta mediante un pasador Ambos perfiles se realizan mediante extrusión de un perfil. Figura 73: Modelado del “Mástil” CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 73 5.2. CORREDERA Esta pieza es de las más completas a la hora de modelar en cuanto al número de operaciones. Se trata de una pieza que está formada por gruesas chapas soldadas entre sí. Todas las uniones entre chapas se consideran uniones rígidas. Puesto que se encuentra anclada a la viga carril sobre la que se desplaza, se trata de una pieza poco solicitada. Sobre las abrazaderas del medio de su superficie apoya el cilindro que permite dicho desplazamiento. Sobre la orejeta que tiene en su extremo se sustenta el otro extremo del cilindro principal mediante la unión con pasador. Del mismo modo se realiza la unión con el “Mástil”, con un pasador de diferente diámetro y mayor longitud. Figura 74: Modelado de la “Corredera” 5.3. L-MÁSTIL Consta de una estructura básica y sencilla. Esta compuesta principalmente por un perfil hueco de sección rectangular unido rígidamente a una unión que le permitirá el giro con el “Porta-pinzas”. Dicho perfil se realiza mediante un barrido de la sección del mismo. Sobre la orejeta se amarra el extremo del cilindro hidráulico. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 80 6.1.4. MALLADO Realizados los pasos anteriores se realizara el mallado de la pieza en concreto. Se realizará un control de mayado en aquellas zonas que a priori conocemos que existirán tensiones mayores que en el resto de la pieza. A la hora de definir la calidad de la malla, optaremos por una malla fina, lo que nos permitirá obtener resultados más exactos y fiables, a pesar de que se demorará más tiempo en realizar la simulación. Figura 82: Ejemplo malla con control de malla en arista 6.1.5. RESULTADOS Finalizado el proceso de cálculo, la herramienta del programa nos mostrará, mediante una gama de colores, las zonas de la pieza con mayores tensiones, conocer donde se producen los máximos desplazamientos y saber que zonas o áreas de nuestra pieza se encuentran por debajo de un coeficiente de seguridad mínimo establecido. Figura 83: Ejemplo resultado tensiones CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 81 Puesto que partimos de un modelado a priori, en el cual únicamente han sido dimensionadas las partes relevantes de las piezas, deberemos en la mayoría de los casos, una vez obtenidos los resultados del primer análisis, realizar un segundo modelado para optimizar las piezas y mejorar aquellas partes de las mismas que lo requieran. Así pues aquellas partes de las piezas que se encuentren por debajo del coeficiente de seguridad mínimo establecido, soporten tensiones superiores al límite elástico o sufran desplazamientos excesivos, deberán ser optimizadas para que cumplan los requisitos de resistencia mínimos establecidos. Dado el caso, se modificarán espesores de chapa, se añadirán refuerzos etc. 6.2. ANÁLISIS ESTÁTICO DE LOS COMPONENTES El análisis del mecanismo se realiza en tres posiciones diferentes. Una primera posición en la que el “Mástil” se encuentra en su fase principal del movimiento, es decir a 0º.Una segunda posición a mitad de recorrido formando el mástil 22.5º con la horizontal y una tercera posición al final del recorrido en la que el “Mástil” forma 45º. Una vez realizado el análisis para la primera posición, en caso necesario, optimizaremos las piezas de manera que todos los componentes del mecanismo posean un coeficiente de seguridad mínimo de 1.5.Si es necesaria una optimización para que se cumplan los requisitos de resistencia establecidos, modificaremos las piezas, indicando de manera detallada cuales han sido los cambios realizados. No existe una posición en la que todas las piezas que forman la grúa se encuentren en su situación más desfavorable simultáneamente, por lo tanto realizaremos el análisis según el criterio que se menciona a continuación; Realizaremos el análisis en la segunda posición pero teniendo en cuenta las modificaciones realizadas en las piezas del caso primer y lo mismo para el tercer análisis, pero esta vez teniendo en cuenta las modificaciones realizadas en el caso uno y dos. De este modo, al realizar el último análisis, el mecanismo cumplirá los requisitos de resistencia en cualquiera de las posiciones de su recorrido. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 82 6.2.1. SIMULACIÓN 1.”MÁSTIL” 0º 6.2.1.1. Datos de entrada A continuación se muestra en la figura 84 la posición de la grúa en la cual se va a realizar la simulación. Figura 84: Posición para simulación 1 SUJECCIONES Y CARGAS En la figura 85 las flechas de color verde nos muestran cuales son los puntos de fijación de la grúa y en color rojo las cargas a las que se encuentra sometida. Además los puntos de color azul nos indican la posición de los pasadores definidos. En los siguientes apartados se indicará de manera detallada las características de las sujeciones y cargas en función de la pieza sobre la cual recaen. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 83 Figura 85: Cargas y apoyos para simulación 1 UNIONES Para realizar las uniones entre las diferentes partes que componen el ensamblaje de la grúa, se han de definir un total de 12 pasadores y una unión rígida. Continuación se detalla entre que piezas o componentes se aplican los pasadores y la unión rígida. La unión entre el “Mástil” y “L-Mástil” se define en el programa mediante una unión rígida puesto que dichas piezas se encuentran soldadas perpendicularmente entre ellas, como si de una misma pieza se tratasen. Para realizar el resto de uniones entre las diferentes piezas del ensamblaje se han definido en el programa 12 pasadores; • nº 1: pasador (izquierdo) unión “Porta-pinzas”-“L-Mástil” • nº 2: pasador (derecho) unión “Porta-pinzas”-“L-Mástil” • nº 3 y nº 4: pasadores unión “Porta-pinzas”-cilindro hidráulico • nº 5 y nº 6:pasadores unión “L-Mástil”- cilindro hidráulico • nº 7 y nº 8: pasadores unión “Mástil”- cilindro hidráulico Ppal CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 84 • nº9 y nº 10: pasadores unión “Corredera”- cilindro hidráulico Ppal • nº 11 y nº 12: pasadores unión “Mástil”- “Corredera” Una vez establecidas las cargas y condiciones de contorno, realizamos el mallado del ensamblaje, haciendo un refinamiento de mallado en las orejetas y orificios donde encajan los pasadores, en los orificios de la pieza “Corredera” y en los puntos de fijación de la grúa, lo que nos permitirá obtener resultados más fiables y precisos en dichas zonas. MALLADO Figura 86: Mallado para simulación 1 6.2.1.2. Análisis de los resultados del análisis estático A continuación ejecutamos el proceso de cálculo y obtenemos los resultados. Para mostrar los mismos se mostrará en un primer lugar los resultados obtenidos en el ensamblaje de manera general, del ensamblaje como conjunto. Además se mostrarán los resultados de manera detallada de aquellas piezas que requieran de algún tipo de optimización o modificación por no cumplir con los requisitos mínimos de resistencia. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 85 Así se analizarán detalladamente cada uno de estos componentes para observar cuales son los puntos y los motivos de su fallo a resistencia. Tensión Von Mises En primer lugar se muestra en la figura 87 la distribución de tensiones de Von Mises a las que se encuentra sometido el ensamblaje, siendo las áreas de color amarillento aquellas que soportan mayores tensiones. De lo contrario las zonas con tonos azulados representan aquellas zonas o áreas que soportan menores tensiones. Figura 87: Distribución Tensión Von Mises simulación 1 Como se puede observar tanto las orejetas como áreas del “Porta-pinzas” se encuentran sometidas a elevadas tensiones por lo que analizaremos dichas zonas detalladamente. En la siguiente imagen se muestra la vista posterior del conjunto donde se puede observar como las orejetas sobre las que actúa el cilindro secundario están sometidas a tensiones más elevadas que el resto de la pieza “L-Mástil”. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 86 Figura 88: Distribución Tensión Von Mises simulación 1 En los próximos apartados se analizarán las piezas detenidamente para conocer cuales son los puntos exactos de mayor tensión, así como la magnitud de la misma, con objeto de optimizar dichos puntos y reducir los esfuerzos en los mismos. Desplazamientos Como podemos observar, las zonas de color rojizo representan los puntos de máximo desplazamiento. De lo contrario, las zonas de tono azulado, representan aquellos puntos de pequeños desplazamientos o desplazamientos nulos. Figura 89: Distribución de desplazamientos simulación 1 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 87 En los próximos apartados se detallará cuales son los puntos exactos de mayores desplazamientos, así como la magnitud de los mismos. Coeficiente de Seguridad La figura 90 nos muestra el factor de seguridad del mecanismo mediante una gama de colores. Así pues la mayoría del mecanismo posee un FDS igual o superior a 5.Pero existen puntos coloreados de color anaranjado en los cuales el FDS es cercano a la unidad o incluso inferior. Según lo mencionado en el párrafo anterior, tendremos que analizar y conocer cuales son los puntos en los que el FDS es inferior a 1.5.En los apartados siguientes se mostrarán de manera detallada cuales son dichos puntos y que sobre que piezas del mecanismo recaen. Figura 90: Distribución del FDS para simulación 1 Pasadores El programa SolidWorks dispone de una herramienta de cálculo de pasadores, la cual nos permite saber si resisten los pasadores de las uniones con un coeficiente de CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 88 seguridad determinado. Se han realizado los cálculos con un coeficiente de seguridad de 2. El programa muestra una tabla con los valores de los diferentes esfuerzos a los que se encuentra sometido cada pasador (esfuerzo cortante, axial, momento flector y torsor) ,mostrando los mismos en color verde si el pasador soporta dichos esfuerzos o de color rojo si no es capaz de soportarlos. Figura 91: Resultado de los pasadores para simulación 1 Podemos observar en la tabla que de los 12 pasadores definidos todos soportan los esfuerzos a los que se encuentran sometidos. 6.2.1.3. Resultados obtenidos en los componentes del ensamblaje A continuación se muestra de manera detallada los resultados obtenidos en cada uno de los componentes que forman el ensamblaje. 6.2.1.3.1. “Porta-Pinzas” Tensión Von Mises En primer lugar se muestra en la figura 92 la distribución de tensiones de Von Mises a las que se encuentra sometido el “Porta-pinzas”, siendo las áreas de color rojo aquellas que soportan mayores tensiones. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 89 Figura 92: Tensión de Von Mises máxima para simulación 1 De lo contrario las zonas con tonos azulados representan aquellas zonas o áreas que soportan menores tensiones. Podemos observar que en una de las orejetas existen tensiones elevadas, sobrepasando la tensión máxima admisible del material. En este punto la tensión es de 387 Mpa, ligeramente superior a los 350 Mpa de límite elástico. Aunque en la figura anterior apenas aprecia, podemos observar en la figura 93 como existe un concentrador de tensiones que habrá que optimizar, para evitar la ruptura de la pieza por dicho punto. Figura 93: Concentrador de tensiones del “Porta-Pinzas” Coeficiente de Seguridad Es de suponer, que como consecuencia del concentrador de tensiones en la orejeta, existirá al menos un punto de la pieza cuyo coeficiente de seguridad (FDS) será inferior Concentrador de tensiones CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 96 Figura 103: Distribución de Tensión Von Mises del “Corredera” Coeficiente de Seguridad Como la tensión máxima es bastante inferior a la del límite elástico, la mayoría de la pieza tendrá un FDS muy superior a 1.5. Veamos la figura 104 que se muestra a continuación, en la que puede observarse como el CFS mínimo es de 2.40. El resto de la pieza coloreada de azul nos indica que el coeficiente de seguridad en esas áreas es de 5 ó superior. Figura 104: FDS mínimo de la pieza “Corredera” Desplazamientos En esta pieza los desplazamientos son nulos o prácticamente nulos para todos los puntos de la misma. Esto es debido a que sobre la misma se han impuesto las condiciones de CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 97 contorno, quedando la pieza fija puesto que se encuentra anclada al bastidor del camión sobre el cual se instala la grúa. 6.2.2. OPTIMIZACIÓN Y ANÁLISIS ESTÁTICO Analizando los resultados, concluimos que es necesario realizar modificaciones en las dimensiones o geometría del modelo para que cumpla los requisitos mínimos establecidos, es decir, que ningún punto de la pieza posea un CFS inferior a 1.5 y por lo tanto que ningún punto de la pieza sufra una tensión superior a la del límite elástico. Para evitar los puntos de elevada tensión mostrados anteriormente y que la pieza cumpla en todos sus puntos con el CFS mínimo, se han realizado diferentes modificaciones en las piezas del ensamblaje: “Porta-pinzas” • Aumento del espesor de chapa en el área sobre la cual se amarran las orejetas: de 8 mm a 15 mm. • Aumento del espesor de las orejetas principales : de 10 mm a 30 mm • Modificación de la distancia de la orejeta de sujeción de modo que el cilindro hidráulico quede alineado. “L-Mástil” • Aumento de la altura y espesor de las orejetas sobre las que actúa el cilindro hidráulico: de 58 a 65 mm y de 10 a 15 mm respectivamente. • Aumento del espesor del perfil principal: de 5 a 7 mm. “Mástil” • Aumento de espesor de las orejetas sobre las que actúa el cilindro hidráulico principal: de 8 a 12 mm. • Adición de chapa de espesor 5 mm para refuerzo en la unión perpendicular entre perfiles. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 98 “Corredera” • Aumento de espesor de las orejetas sobre las que actúa el cilindro hidráulico principal: de 10 a 14 mm. • Aumento de espesor de las orejetas sobre las que se sostiene el “Mástil”: de 8 a 12 mm. 6.2.2.1. Análisis de los resultados tras las modificaciones A continuación se muestran los resultados obtenidos una vez realizadas las modificaciones anteriormente citadas. Las condiciones de contorno, las cargas aplicadas y el tipo de mallado son idénticas a las empleadas para el primer estudio. Tensión Von Mises Tras realizar las modificaciones podemos observar en la figura 105 como las concentraciones de tensiones que se formaban en las orejetas del “Porta-Pinzas” han desaparecido. Además hemos conseguido reducir la tensión en las áreas de alrededor. Figura 105: Distribución de Tensión Von Mises ensamblaje optimizado CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 99 También podemos apreciar en la siguiente figura, como en las orejetas que soportan al cilindro hidráulico en la pieza “L-Mástil” ha disminuido las tensiones considerablemente, gracias al aumento del espesor de las mismas. Figura 106: Distribución de Tensión Von Mises del ensamblaje optimizado La siguiente imagen representa de manera detallada cual es el punto y la magnitud donde se produce la tensión máxima Figura 107: Tensión Von Mises máxima del ensamblaje optimizado CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 100 Desplazamientos En la figura inferior se muestran los desplazamientos producidos en el mecanismo. Como podemos observar, las zonas de color rojizo representan los puntos de máximo desplazamiento produciéndose el máximo en el extremo de la pieza “Porta-pinzas”. Con las modificaciones realizadas se ha reducido considerablemente el desplazamiento en este punto pasando de los 19 a los 15 mm. Figura 108: Distribución de desplazamientos del ensamblaje optimizado Coeficiente de Seguridad Gracias a las modificaciones realizadas, podemos observar en la figura siguiente que todo el conjunto por lo general tiene un FDS igual o superior a 5.Existe algún punto en el cual el FDS es 2.17, aunque es inferior al del resto del conjunto, cumple con los requisitos mínimos de resistencia. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 101 Figura 109: Distribución de FDS del ensamblaje optimizado Pasadores Tras las modificaciones el programa nos muestra que los pasadores de unión entre el “Porta-pinzas” y “L-Mástil” no resisten los esfuerzos a los que se encuentran soportados, por tanto hemos modificado el material de dichos pasadores ,pasando de estar fabricados con un acero de 350 Mpa a otro de 710 Mpa. A continuación se muestran las figuras “antes” y “después” de realizar el cambio del material de los pasadores. Figura 110: Fallo pasadores 1 y 2 del ensamblaje optimizado Figura 111: Resistencia pasadores 1 y 2 del ensamblaje optimizado CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 102 Para visualizar de manera detallada la desaparición del concentrador de tensiones que había en el “Porta-pinzas” se muestra a continuación los resultados obtenidos para esta pieza en este segundo análisis. 6.2.2.2. “Porta-pinzas” modificado. Tensión de Von Mises Podemos ver como en la figura 112 y tras realizar las modificaciones oportunas, que no existen tensiones elevadas, produciéndose la tensión máxima en una de las orejetas (color verdoso) con un valor de 150MPa. Figura 112: Distribución Tensión Von Mises del “Porta-Pinzas” modificado Coeficiente de Seguridad En la figura siguiente se muestra la distribución del factor de seguridad. Observando la leyenda podemos comprobar que en la mayoría de áreas de la pieza, esta tiene un coeficiente de seguridad superior a 5, excepto en la orejeta izquierda (de color cian) siendo el CFS en esta zona de 2.31.Coeficiente mas que suficiente en comparación con el mínimo prefijado anteriormente. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 103 Figura 113: Distribución del CFS del “Porta-Pinzas” modificado 6.2.3. SIMULACIÓN 2.”MÁSTIL” 22.5 º Realizamos un segundo análisis para comprobar si con las modificaciones anteriormente realizadas, el ensamblaje cumple los criterios de resistencia en esta nueva posición. Los resultados del análisis se muestran a continuación; 6.2.3.1. Análisis de los resultados del análisis estático Tensión Von Mises Para esta posición, debido a la inclinación del mecanismo, la pieza que soporta mayores esfuerzos es “L-Mástil”. Observamos que exceptuando dicha pieza el resto de la grúa soporta tensiones muy inferiores a la soportada por el material. Figura 114: Distribución de Tensión Von Mises simulación 2 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 104 En la siguiente figura se muestra de manera detallada donde se produce la tensión máxima y la magnitud de la misma. (150 MPa). Figura 115: Tensión Von Mises máxima simulación 2 Desplazamientos El área o zona de máximo desplazamiento sigue produciéndose en el extremo del “Porta-pinzas” ya que sobre dicha zona recae la trasmisión de la carga. El desplazamiento máximo tiene una magnitud de 16 mm. Figura 116: Distribución de desplazamientos simulación 2 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 105 Coeficiente de Seguridad Puesto que la pieza que sufría mayores tensiones era “L-Mástil”, en dicha pieza se encontrará el punto en el cual el FDS del conjunto es mínimo, mientras que si observamos la imagen el resto del mecanismo posees un FDS de 5 ó superior. Figura 117: Distribución del FDS simulación 2 En la siguiente imagen se muestra el punto donde se produce el FDS mínimo y la magnitud del mismo con un valor de 2.32. Figura 118: FDS mínimo simulación 2 CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 112 Realizadas dichas modificaciones se realiza el siguiente estudio teniendo en cuenta las modificaciones realizadas y así sucesivamente. De este modo el sistema recolector cumplirá los requisitos mínimos de resistencia para todas las posiciones de su recorrido. Gracias a la utilización de la herramienta Solidworks podemos concluir que a la hora de realizar un proyecto en el cual se diseñe una máquina, no solo es necesario realizar los cálculos analíticos sobre el papel, sino que además es necesario complementar dichos cálculos con estudios de simulación realizados con ayuda de un software. También será de gran ayuda la experiencia práctica así como datos experimentales. CARACTERIZACIÓN MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD-CAE DE UN SISTEMA RECOLECTOR LATERAL MONOBRAZO Página 113 8. BIBLIOGRAFÍA La bibliografía consultada para la realización de este proyecto es muy amplia y variada, incluye apuntes tomados durante la carrera, catálogos de fabricantes, prontuarios, libros técnicos y paginas webs. A continuación se enumeran todos ellos:  Apuntes: • Diseño de máquinas impartida por Paula María Canalí Martínez. • Asignatura de Oficina Técnica impartida por Marcos Pueo Arteta • Guion de prácticas del grado de mecánica impartidas por Paula María Canalí Martínez, para la simulación de los modelos mediante la aplicación”Simulation” de SolidWorks. • Apuntes de la asignatura elasticidad y resistencia de materiales impartida por José David Bel Cacho.  Catálogos técnicos: • Catálogo funcionamiento técnico y mantenimiento proporcionado por la empresa norteamericana “Ezpacktrucks”.  Páginas Webs: • www.solidworks.es • www.ezpacktrucks.com • www.heil.com • www.kannmfg.com • www.ecoeeusa.com • www.youtube.com