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ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERIA TECNICA INDUSTRIAL Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal PROYECTO FINAL DE CARRERA AUTOR David Martín-Maza DIRECTOR Paula Canalís Martínez ESPECIALIDAD Mecánica CONVOCATORIA Marzo 2011 Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 2 - Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 3 - Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 4 - Índice 4 Esquema del proyecto 7 Introducción 8 Peticionario 9 Bibliografía 10 Estado del arte 11 Introducción, descripción y conceptos generales 11 Riesgos y factores de riesgo 15 Diferentes modelos y características detalladas 37 Conclusión, selección y razonamiento 61 Descripción general de la máquina seleccionada 63 Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 5 - Análisis previo 68 Análisis geométrico 68 Conjuntos mecánicos y posiciones respectivas 69 Cesta 71 Brazo superior 72 Articulación superior 78 Brazo central 80 Cabeza del mástil 86 Mástil 88 Razonamiento por el cual es modificada la parte inferior de la máquina 90 Análisis estático y predimensionado 94 Cesta 95 Brazo superior 96 Articulación superior 104 Brazo central 107 Mástil 111 Dimensionado de cilindros hidráulicos 113 Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 6 - Análisis mecánico - SolidWorks 2010 118 Brazo superior 119 Brazo central 123 Mástil 125 Conclusiones, motivación y agradecimientos 129 Conclusiones 129 El proyecto como fin de carrera 130 Agradecimientos 131 Datos, fecha y firma 132 Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 7 - Esquema del proyecto: Capítulo 0, Introducción: Recoge los aspectos fundamentales del proyecto que lo definen, aborda un problema existente y plantea las características que debe poseer la máquina para ser capaz de resolverlo. También indica una visión global del trabajo, que conecte al lector con el esquema mental del autor. Capítulo 1, Estado del arte: Describe todas las posibles soluciones al problema y su adecuación a las características que deben resolverlo, así como una recopilación de los atributos más importantes para poder determinar la máquina más adecuada. Capítulo 2, Descripción general de la máquina seleccionada para el análisis: Define la maquina seleccionada de entre el mercado, especificaciones, limitaciones y razonamiento de la elección Capítulo 3, Análisis previo: Definición y prediseño de la máquina desde los puntos de vista geométrico y estático, mediante el cálculo y estudio analítico de los mismos. Capítulo 4, Análisis mecánico: Ensamblaje, análisis y mejora de las distintas partes de la máquina hasta alcanzar los requisitos exigidos, realizado todo ello mediante el soporte informático SolidWorks 2010 Capítulo 5, Conclusiones, motivación del proyecto y agradecimientos Capítulo 6, Datos, fecha y firma Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 8 - 0.- Introducción Objeto del proyecto: Análisis de una plataforma elevadora de personal para trabajos urbanos. Objetivo de la máquina: Servir como herramienta multifuncional en las tareas de mantenimiento de elementos urbanísticos, tales como farolas, marquesinas, tendido eléctrico, limpieza, poda de árboles y demás acciones, habituales o imprevistas, que requieran la elevación de un operario para su realización. Requisitos básicos: La plataforma elevadora debe cumplir varios aspectos, divisibles entre fundamentales y secundarios. Fundamentales: Cumplimiento de las medidas de seguridad y prevención de riesgos exigidas Capacidad para alcanzar una altura suficiente para realizar trabajos no específicos. Ésta ha sido fijada en 20 metros, ya que dicha medida supera la de la mayoría de elementos urbanísticos como farolas, estatuas, tendido eléctrico y árboles. Polivalencia Secundarios: Coste Maniobrabilidad Capacidad para alcanzar puntos de difícil acceso (árboles asimétricos, estatuas complejas). Mantenimiento Adecuación al clima local Simplicidad de transporte Respeto al medio ambiente Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 9 - Peticionario del proyecto. Proyecto Final de Carrera perteneciente a la titulación de Ingeniería Técnica Industrial especialidad Mecánica. Realizado en la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Zaragoza (EUITIZ), perteneciente a la Universidad de Zaragoza. Por encargo del Departamento de Ingeniería Mecánica, en la persona de Dña. Paula Canalís Martínez. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 16 - Caída de materiales sobre personas y/o bienes Pueden deberse a: Vuelco del equipo. Plataforma de trabajo desprotegida. Rotura de una plataforma de trabajo. Herramientas sueltas o materiales dejados sobre la superficie. Personas situadas en las proximidades de la zona de trabajo o bajo la vertical de la plataforma. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 17 - Golpes, choques o atrapamientos del operario o de la propia plataforma contra objetos fijos o móviles Normalmente se producen por movimientos de elevación o pequeños desplazamientos del equipo en proximidades de obstáculos fijos o móviles sin las correspondientes precauciones. Contactos eléctricos directos o indirectos La causa más habitual es la proximidad a líneas eléctricas de AT y/o BT ya sean aéreas o en fachada. Caídas al mismo nivel Suelen tener su origen en la falta de orden y limpieza en la superficie de la plataforma de trabajo. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 18 - Atrapamiento entre alguna de las partes móviles de la estructura y entre ésta y el chasis Se producen por: Efectuar algún tipo de actuación en la estructura durante la operación de bajada de la misma. Situarse entre el chasis y la plataforma durante la operación de bajada de la plataforma de trabajo. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 19 - Medidas de prevención y de protección Características constructivas de seguridad Fundamentalmente están relacionadas con las características de estructura y estabilidad, la presencia de estabilizadores y las estructuras extensibles. Cálculos de estructura y estabilidad. Generalidades. El fabricante es responsable del cálculo de resistencia de estructuras, determinación de su valor, puntos de aplicación, direcciones y combinaciones de cargas y fuerzas específicas que originan las condiciones más desfavorables. Asimismo es responsable de los cálculos de estabilidad, identificación de las diversas posiciones de las PEMP y de las combinaciones de cargas y fuerzas que, conjuntamente, originan las condiciones de estabilidad mínimas. Chasis y estabilizadores La plataforma de trabajo debe estar provista de los siguientes dispositivos de seguridad: Dispositivo que impida su traslación cuando no esté en posición de transporte. (PEMP con conductor acompañante y las autopropulsadas del Tipo 1). Dispositivo (por ejemplo. un nivel de burbuja) que indique si la inclinación o pendiente del chasis está dentro de los límites establecidos por el fabricante. Para las PEMP con estabilizadores accionados mecánicamente este dispositivo deberá ser visible desde cada puesto de mando de los estabilizadores. Las PEMP del tipo 3 deben disponer de una señal sonora audible que advierta cuando se alcanzan los límites máximos de inclinación. Las bases de apoyo de los estabilizadores deben estar construidas de forma que puedan adaptarse a suelos que presenten una pendiente o desnivel de al menos 10°. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 20 - Estructuras extensibles Las PEMP deben estar equipadas con dispositivos de control que reduzcan el riesgo de vuelco o de sobrepasar las tensiones admisibles. Distinguimos entre las PEMP del grupo A y las del grupo B para indicar los métodos aconsejables en cada caso: Grupo A: Sistema de control de carga y registrador de posición Control de posición con criterios de estabilidad y de sobrecarga reforzada Grupo B: Sistema de control de carga y registrador de posición Sistemas de control de la carga y del momento Sistemas de control del momento con criterio de sobrecarga reforzado Control de posición con criterios de estabilidad y de sobrecarga reforzada Conviene destacar que los controles de carga y de momento no pueden proteger contra una sobrecarga que sobrepase largamente la capacidad de carga máxima. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 21 - Sistemas de accionamiento de las estructuras extensibles Los sistemas de accionamiento deben estar concebidos y construidos de forma que impidan todo movimiento intempestivo de la estructura extensible. Sistemas de accionamiento por cables Los sistemas de accionamiento por cables deben comprender un dispositivo o sistema que en caso de un fallo limiten a 0,2 m. el movimiento vertical de la plataforma de trabajo con la carga máxima de utilización. Los cables de carga deben ser de acero galvanizado sin empalmes excepto en sus extremos no siendo aconsejables los de acero inoxidable. Las características técnicas que deben reunir son: Diámetro mínimo 8 mm. Nº mínimo de hilos 114. Clase de resistencia de los hilos comprendida entre 1.570 N/mm2 y 1.960 N/ mm2. La unión entre el cable y su terminal debe ser capaz de resistir al menos el 80 % de la carga mínima de rotura del cable. Sistemas de accionamiento por cadena Los sistemas de accionamiento por cadena deben comprender un dispositivo o sistema que en caso de un fallo limiten a 0,2 m. el movimiento vertical de la plataforma de trabajo con la carga máxima de utilización. No deben utilizarse cadenas con eslabones redondos. La unión entre las cadenas y su terminal debe ser capaz de resistir al menos el 100 % de la carga mínima de rotura de la cadena. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 22 - Sistemas de accionamiento por tornillo La tensión de utilización en los tornillos y en las tuercas debe ser al menos igual a 1/6 de la tensión de rotura del material utilizado. El material utilizado para los tornillos debe tener una resistencia al desgaste más elevada que la utilizada para las tuercas que soporten la carga. Cada tornillo debe tener una tuerca que soporte la carga y una tuerca de seguridad no cargada. La tuerca de seguridad no debe quedar cargada más que en caso de rotura de la tuerca que soporta la carga. La plataforma de trabajo no podrá elevarse desde su posición de acceso si la tuerca de seguridad esta cargada. Los tornillos deben estar equipados, en cada una de sus extremidades, de dispositivos que impidan a las tuercas de carga y de seguridad que se salga el tornillo (por ejemplo, topes mecánicos). Sistemas de accionamiento por piñón y cremallera La tensión de utilización de piñones y cremalleras debe ser al menos igual a 1/6 de la tensión de rotura del material utilizado. Deben estar provistos de un dispositivo de seguridad accionado por un limitador de sobre-velocidad que pare progresivamente la plataforma de trabajo con la carga máxima de utilización y mantenerla parada en caso de fallo del mecanismo de elevación. Si el dispositivo de seguridad está accionado, la alimentación de la energía debe ser detenida automáticamente. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 23 - Plataforma de trabajo Equipamiento La plataforma estará equipada con barandillas o cualquier otra estructura en todo su perímetro a una altura mínima de 0,90 m. y dispondrá de una protección que impida el paso o deslizamiento por debajo de las mismas o la caída de objetos sobre personas de acuerdo con el RD 486/1997 sobre lugares de trabajo: Anexo I.A.3.3 y el RD 1215/1997 sobre equipos de trabajo: Anexo 1.1.6. (La norma UNE-EN 280 especifica que la plataforma debe tener un pretil superior a 1,10 m. de altura mínima, un zócalo de 0,15 m. de altura y una barra intermedia a menos de 0,55 m. del zócalo o del pretil superior; en los accesos de la plataforma, la altura del zócalo puede reducirse a 0,1 m. La barandilla debe tener una resistencia a fuerzas específicas de 500 N por persona aplicadas en los puntos y en la dirección más desfavorable, sin producir una deformación permanente). Tendrá una puerta de acceso o en su defecto elementos movibles que no deben abrirse hacia el exterior. Deben estar concebidos para cerrarse y bloquearse automáticamente o que impidan todo movimiento de la plataforma mientras no estén en posición cerrada y bloqueada. Los distintos elementos de las barandillas de seguridad no deben ser extraíbles salvo por una acción directa intencionada. El suelo, comprendida toda trampilla, debe ser antideslizante y permitir la salida del agua (enrejado o metal perforado). Las aberturas deben estar dimensionadas para impedir el paso de una esfera de 15 mm. de diámetro. Las trampillas deben estar fijadas de forma segura con el fin de evitar toda apertura intempestiva. No deben poder abrirse hacia abajo o lateralmente. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 24 - El suelo de la plataforma debe poder soportar la carga máxima de utilización m calculada según la siguiente expresión: m = n x mp + me donde: mp =80 Kg (masa de una persona) me ³ 40 Kg (valor mínimo de la masa de las herramientas y materiales) n = nº autorizado de personas sobre la plataforma de trabajo Deberá disponer de puntos de enganche para poder anclar los cinturones de seguridad o arneses para cada persona que ocupe la plataforma. Las PEMP del tipo 3 deben estar equipadas con un avisador sonoro accionado desde la propia plataforma, mientras que las del tipo 2 deben estar equipadas con medios de comunicación entre el personal situado sobre la plataforma y el conductor del vehículo portador. Las PEMP autopropulsadas deben disponer de limitador automático de velocidad de traslado. Sistemas de mando La plataforma debe tener dos sistemas de mando, un primario y un secundario. El primario debe estar sobre la plataforma y accesible para el operador. Los mandos secundarios deben estar diseñados para sustituir los primarios y deben estar situados para ser accesibles desde el suelo. Los sistemas de mando deben estar perfectamente marcados de forma indeleble de fácil comprensión según códigos normalizados. Todos los mandos direccionales deben activarse en la dirección de la función volviendo a la posición de paro o neutra automáticamente cuando se deje de actuar sobre ellos. Los mandos deben estar diseñados de forma que no puedan ser accionados de forma inadvertida o por personal no autorizado (por ejemplo un interruptor bloqueable). Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 25 - Sistemas de seguridad de inclinación máxima La inclinación de la plataforma de trabajo no debe variar más de 5º respecto a la horizontal o al plano del chasis durante los movimientos de la estructura extensible o bajo el efecto de las cargas y fuerzas de servicio. En caso de fallo del sistema de mantenimiento de la horizontalidad, debe existir un dispositivo de seguridad que mantenga el nivel de la plataforma con una tolerancia suplementaria de 5º. Sistema de bajada auxiliar Todas las plataformas de trabajo deben estar equipadas con sistemas auxiliares de descenso, sistema retráctil o de rotación en caso de fallo del sistema primario. Sistema de paro de emergencia La plataforma de trabajo debe estar equipada con un sistema de paro de emergencia fácilmente accesible que desactive todos los sistemas de accionamiento de una forma efectiva, conforme a la norma UNE-EN 418 Seguridad de las máquinas: Equipo de parada de emergencia, aspectos funcionales. Sistemas de advertencia La plataforma de trabajo debe estar equipada con una alarma u otro sistema de advertencia que se active automáticamente cuando la base de la plataforma se inclina más de 5º de la inclinación máxima permitida en cualquier dirección. Estabilizadores, salientes y ejes extensibles Deben estar equipados con dispositivos de seguridad para asegurar de modo positivo que la plataforma no se moverá mientras los estabilizadores no estén situados en posición. Los circuitos de control deben asegurar que los motores de movimiento no se podrán activar mientras los estabilizadores no se hayan desactivado y la plataforma no esté bajada a la altura mínima de transporte. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 32 - No se deben utilizar elementos auxiliares situados sobre la plataforma para ganar altura. Cualquier anomalía detectada por el operario que afecte a su seguridad o la del equipo debe ser comunicada inmediatamente y subsanada antes de continuar los trabajos. Está prohibido alterar, modificar o desconectar los sistemas de seguridad del equipo. No subir o bajar de la plataforma si está elevada utilizando los dispositivos de elevación o cualquier otro sistema de acceso. No utilizar plataformas en el interior de recintos cerrados, salvo que estén bien ventilados. Normas después del uso de la plataforma Al finalizar el trabajo, se debe aparcar la máquina convenientemente. Cerrar todos los contactos y verificar la inmovilización, falcando las ruedas si es necesario. Limpiar la plataforma de grasa, aceites, etc., depositados sobre la misma durante el trabajo. Tener precaución con el agua para que no afecten a cables o partes eléctricas del equipo. Dejar un indicador de fuera de servicio y retirar las llaves de contacto depositándolas en el lugar habilitado para ello. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 33 - Otras recomendaciones No se deben rellenar los depósitos de combustible (PEMP con motor de combustión) con el motor en marcha. Las baterías deben cargarse en zonas abiertas, bien ventiladas y lejos de posibles llamas, chispas, fuegos y con prohibición de fumar. No se deben hacer modificaciones de cualquier tipo en todo el conjunto de las PEMP. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 34 - Manual de instrucciones. Verificación y señalización. Manual de instrucciones Toda PEMP debe llevar un manual de instrucciones de funcionamiento que incluya de forma separada las instrucciones para las operaciones de mantenimiento que únicamente las podrán realizar personal de mantenimiento especializado. El manual deberá contener la siguiente información principal: Descripción, especificaciones y características de la plataforma de trabajo así como las instrucciones de uso. Presión hidráulica máxima de trabajo y voltaje máximo de los sistemas eléctricos de la plataforma. Instrucciones relativas al funcionamiento, normas de seguridad, mantenimiento y reparación. Verificación y señalización Las PEMP deben ir provistas de la siguiente documentación y elementos de señalización: Placas de identificación y de características. Diagramas de cargas y alcances. Señalización de peligros y advertencias de seguridad. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 35 - Mantenimiento Las PEMP deben ser mantenidas de acuerdo con las instrucciones de cada fabricante y que deben estar contenidas en un manual que se entrega con cada plataforma. Tanto las revisiones como los plazos para ser realizadas deben ser hechas por personal especializado. La norma UNE-58921 IN incluye una Hoja de Revisiones Periódicas de las PEMP que puede servir de guía a la hora de realizar estas revisiones Operador de las PEMP Solo las personas preparadas y autorizadas, mayores de 18 años, estarán autorizadas para operar las plataformas elevadoras móviles de personal. Para ello y antes de estar autorizado para utilizar la plataforma, el operador debe: Ser formado por una persona cualificada sobre los símbolos y funciones de cada uno de los instrumentos de control. Leer y comprender las instrucciones y normas de seguridad recogidas en los manuales de funcionamiento entregados por el fabricante. Leer y comprender los símbolos situados sobre la plataforma de trabajo con la ayuda de personal cualificado. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 36 - Normativa legal Diseño y fabricación RD 1435/1992, de 27 de noviembre. Relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre máquinas. RD 56/1995, de 20 de enero, por el que se modifica el RD 1435/1992, ampliando el campo de aplicación a las máquinas con función de elevación o desplazamiento de personas. Disposiciones generales RD 486/1997, de 14 de abril, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud en los lugares de trabajo. RD 773/1997, de 30 de mayo, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud relativas a la utilización por los trabajadores de equipos de protección individual. El RD 1215/1997, de 18 de julio, (B.O.E. de 7 de agosto de 1997), por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud para la utilización de los trabajadores de los equipos de trabajo, traspuso al derecho español las Directivas 89/655/CEE y 95/63/ CEE relativas, respectivamente, a utilización de Equipos de Trabajo y su primera modificación. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 37 - 1.3.- Diferentes modelos y características detalladas En este apartado se muestra un estudio de mercado en cuanto a plataformas elevadoras de personal. El objetivo es mostrar la gran cantidad de opciones existentes, sus diferentes características técnicas, estructuras y movimientos. En la parte final de este capítulo, y en base a dicho estudio, se exponen los motivos por los que se selecciona un tipo de máquina y no el resto. Diferentes tipos de plataformas elevadoras de personal: Articuladas Diesel Eléctrica Montada en camión Sobre oruga Telescópica Elevador unipersonal Plataforma remolcable Vertical (mástil) Tijera Eléctrica Diesel A continuación se mostrará un ejemplo de cada modelo con sus características y croquis, aproximándose todas ellas lo más posible a la altura exigida de 20 m. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 38 - Plataforma elevadora de personal articulada diesel HA260PX Rango de trabajo y diferentes posiciones de la plataforma articulada diesel HA 260 PX Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 39 - Posición de almacenaje y cotas generales de la plataforma articulada diesel HA 260 PX Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 40 - Características generales de la plataforma articulada diesel HA 260 PX Esta plataforma destaca por la polivalencia de su estructura y su capacidad de desplazarse de forma autónoma. Por ello, se presenta como una opción muy adecuada, ya que cumpliría el objetivo de la flexibilidad por encima de la especialización. Sin embargo, este modelo en concreto posee un alcance excesivo, lo que aumentaría su coste innecesariamente. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 41 - Plataforma elevadora de personal articulada eléctrica M600 Rango de trabajo, posición de almacenaje y cotas generales de la plataforma articulada eléctrica M600 En cuanto a estructura, este modelo cumple perfectamente: capacidad para la realización del trabajo y rango no excesivo, que se traduce en mayor economía. Sin embargo, el hecho de contar con impulso motriz eléctrico la limita frente a la plataforma diesel en cuanto a su autonomía y flexibilidad. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 48 - Plataforma elevadora de personal telescópica HAULOTTE H21TX Rango de trabajo de la plataforma elevadora telescópica Haulotte H21TX La estructura de esta plataforma no posee una gran flexibilidad. Sería adecuada para trabajos en altura sencillos (edificios), pero no para situaciones de difícil acceso (limpieza de los arcos de un puente). Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 49 - Posición de almacenaje, cotas generales y características de la plataforma elevadora telescópica Haulotte H21TX Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 50 - Plataforma elevadora de personal de tijera diesel HAULOTTE H18SXl Rango de trabajo de la plataforma de tijera diesel Haulotte H18SXI Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 51 - Posición de almacenaje y cotas generales de la plataforma de tijera diesel Haulotte H18SXI Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 52 - Características generales de la plataforma de tijera diesel Haulotte H18SXI Las plataformas de tijera están diseñadas principalmente para trabajos repetitivos y de simple acceso, como limpieza de fachadas o cristaleras. Sin embargo, su polivalencia en muy baja, por lo que no es recomendable para el objetivo que se busca en esta situación. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 53 - Plataforma elevadora de personal de tijera eléctrica HAULOTTE COMPACT14 Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 54 - Rango de trabajo, posición de almacenaje, cotas generales y características de la plataforma elevadora telescópica Haulotte Compact14 Se produce una situación similar a la anterior, uniendo la desventaja de la propulsión eléctrica en cuanto a polivalencia/autonomía frente a las plataformas diesel. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 55 - Plataforma elevadora de personal elevador unipersonal HAULOTTE QUICK UP 14 Esquema indicativo de la plataforma elevadora telescópica Haulotte Quick Up 14 Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 56 - Características generales de la plataforma elevadora telescópica Haulotte Quick Up 14 Esta plataforma está diseñada para trabajos muy específicos, de forma similar a las de estructura de tijera, aunque en este caso suelen ser utilizadas en el interior de naves industriales para trabajos unipersonales, tales como empresas de logística y almacenamiento en altura. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 57 - Plataforma elevadora de personal articulada remolcable HAULOTTE 1300RT Rango de trabajo, posición de almacenaje, cotas generales y características (siguiente página) de la plataforma elevadora telescópica Haulotte 1300RT Aunque esta plataforma sería un caso de modelo muy económico, su poco rango de acción y falta de autopropulsión no la hace adecuada para el objetivo buscado. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 64 - Además de su estructura articulada, la característica principal es la altura de trabajo capaz de alcanzar (20 metros) y el alcance máximo en horizontal (13.5 metros). Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 65 - Características: • Accesibilidad optimizada gracias al pendular con movimiento positivo y negativo 140 (-70º/+70º) • Radio de giro estrecho 3.9 m permite una excelente manejabilidad • Bloqueo diferencial hidráulico y una altura sobre el suelo de 42 cm permitiendo un uso todo terreno • Rotación de la torreta 360º continuo • Rotación de cesta hidráulica 180º • Posición replegada facilitando el almacenaje y el transporte • Productividad aumentada gracias a los mandos enteramente proporcionales y simultáneos • Seguridad aumentada gracias al limitador de carga en plataforma • Robusta, fiable y fácil de mantener Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 66 - Equipamiento estándar • 4 ruedas motrices y 4 ruedas directrices • Controlador de inclinación 5º • Motor diesel Deutz insonorizado (F4L1011L) • Enchufe eléctrico (220 V) dentro de la plataforma • Circuito eléctrico 12 V • Baterías de arranque 12 V - 95 AH • Puesta en rueda libre • Grupo electro-bomba de emergencia • Utilización en exterior con toda seguridad, resiste a los vientos hasta 45km/h • Contador de horas • Bloqueo de orientación • Anillas de remolque y elevación • Sonido de traslación • 2 anillas en cesta para arnés de seguridad Accesorios • Giro-faro • Catalizador • Generador incorporado 3,3 KW • Módulo de arranque codificado • Faro de trabajo • Kit de países cálidos Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 67 - • Kit de países fríos • Cesta ancha 2,3 x 0,8 • 250kg de capacidad con un viento de 60 Km/h (peso de la máquina: 12 260kg) Radio de trabajo Este gráfico define la capacidad de acceso a puntos difíciles de la plataforma articulada. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 68 - 3.- Análisis previo 3.1.- Análisis geométrico En este apartado va a realizarse el estudio analítico de las diferentes posiciones, giros y movimientos que la máquina puede desarrollar, con el objetivo de determinar las posiciones más desfavorables para su posterior análisis estático. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 69 - Conjuntos mecánicos y posiciones respectivas • Cesta o Posición única • Brazo superior o +70º o 0º o -70º • Articulación superior o Horizontal (0º) o Superior (75º) • Brazo central o Horizontal extendido o Horizontal recogido o 75º extendido o 75º recogido • Cabeza mástil o Cilindro KH comprimido o Cilindro KH extendido • Mástil o Extendido o Recogido • Base rotativa o Giro 360º • Chasis Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 70 - *Nota: Cabeza-mástil y Mástil son mejoras realizadas sobre el diseño de referencia. Análisis del diseño previo a la mejora: • Articulación central o Posición superior / Cilindro KH comprimido o Posición superior / Cilindro KH extendido o Posición inferior / Cilindro KH comprimido o Posición inferior / Cilindro KH extendido • Brazo inferior o Posición inferior (195º) o Posición media (0º) o Posición superior (120º) Base rotativa y chasis no son objeto de este estudio Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 71 - Cesta D1: Distancia aplicación carga – unión con brazo superior (barra AB) = 600 mm D AB = 400 mm Pasador A=> Pasador B=> ^ Aplicación carga Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 72 - Brazo superior Existen dos brazos inferiores para compensar los posibles efectos de torsión no calculados, procedentes de los movimientos del operario en la cesta, inclinación del terreno, etc. DC y AB siempre son paralelas y perpendiculares al suelo para garantizar la horizontalidad de la cesta. • Brazo superior o +70º o 0º o -70º Distancias: d AD = d BC = 2500 mm d AB = d CD = 400 mm d DE = d EA = 1250 mm D-----------------------------------E----------------------------------------A | | | | C-----------------------------------------------------------------------------B Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 73 - Análisis gráfico de los movimientos del brazo superior Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 80 - Brazo central Se trata de una estructura que soporta los esfuerzos de flexión y cortadura y recubre al cilindro interior, que es el quien se encarga de los esfuerzos axiles. Dimensiones: IF = 11000 mm IHx = 1800 mm IHy = 300 mm Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 81 - Posee un cilindro en la punta (Cilindro JG) encargado del movimiento de la articulación superior. Para todos los cálculos de esta sección, el cilindro JG se supone parte estructural del brazo central. Considero además que su fuerza siempre se encuentra en la misma dirección que el eje del brazo. El radio de giro del cilindro es mínimo, por lo que se considera que su esfuerzo siempre será longitudinal. Carrera = 362 mm Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 82 - Cilindro KH Es el encargado de levantar el brazo central. Carrera = 1050 mm Placas H Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 83 - En el momento de máxima inclinación del brazo central, la fuerza procedente del cilindro KH que soportan se aplica con un ángulo de 85º respecto de la horizontal. Rango de movimientos del brazo central Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 84 - Croquis de la sección del brazo central, así como de sus dimensiones Croquis del brazo central y aplicación de la fuerza de su cilindro actuador Posición horizontal 0º Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 85 - Posición inclinada 75º Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 86 - Cabeza del mástil *La pieza difiere en los redondeos, al ser realizados tras el diseño de la misma Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 87 - Diseño de la cabeza del mástil y longitud máxima y mínima del cilindro KH, actuador del brazo central Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 88 - Mástil Se trata de una pareja de cilindros extensibles capaces de elevar el resto del mecanismo. En la posición de mayor altura, I debe estar a 5250 mm. Como K se encuentra 750 mm por debajo, los cilindros deben ser capaces de levantar K hasta 4500 mm. Dejando un margen para la anchura de la zona inferior de la cabeza del mástil (250 mm.), se considera que la elongación máxima de los cilindros será de 4250 mm. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 89 - Sección de las 5 camisas de cada uno de los dos cilindros extensibles que componen el mástil -Longitud total = 4250 mm -5 camisas -Cada camisa posee 1000 mm, de longitud de los cuales 850 sirven como altura útil de elevación Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 96 - Brazo superior Barras AB Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 97 - Pasador A/B Ø = √ [(F/2) * Cs] / [(π/4) * τ F ] = √ [(4744/2)*3] / [(π/4) * 0.6 * 440] = 5.85mm = 6mm F Total = √ 4500 2 + 1500 2 = 4744 N Espesor de las barras AB e = [Cs * F] / [σ F * Ø F ] = [3*4744] / [500*6] = 4.74mm = 5mm Al ser 2 placas e = 2.5mm / placa Anchura de las barras AB Mz N y xWz A Csy σ σ σ = + ≤ = Mz = 900000 Nmm Wz = 5*h 2 / 6 A = 5*h N = 1500 N h = 82 mm Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 98 - Barra AED Diagrama - Posición +70º Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 99 - Diagrama - Posición -70º Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 100 - La situación más desfavorable es +70º: Mz (+70º) > Mz (-70º) Pasador D F=60.240 N Ø = √ [(F/2) * Cs] / [(π/4) * τ F ] = √ [(60240/2)*3] / [(π/4) * 0.6 * 440] = 21 mm Pasador E F=61.000 N Ø = √ [(F/2) * Cs] / [(π/4) * τ F ] = √ [(61000/2)*3] / [(π/4) * 0.6 * 440] = 22 mm Pasador A Ø = 6 mm (calculado anteriormente) Espesor de la barra AED e = [Cs * F] / [σ F * Ø F ] = [3*61000] / [500*22] = 16.66 mm Anchura de la barra AED Mz N y xWz A Csy σ σ σ = + ≤ = Mz = 5.936.250 Nmm Wz = 17*h 2 / 6 A = 17*h N = 60053 N h = 124 mm Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 101 - Placas E Pasador E = Ø = 22 mm Espesor de las placas E e = [Cs * F] / [σ F * Ø F ] = [3*61000] / [500*22] = 16.66 mm => 18 mm e = 9 mm / placa Anchura de las placas E Mz N y xWz A Csy σ σ σ = + ≤ = Mz = 7.507.704 Nmm Wz = 18*h 2 / 6 A = 18*h N = 7434 N h = 124 mm Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 102 - Barras BC Pasador B Ø = 6 mm Pasador C Análisis a cortadura Ø = √ [(F/2) * Cs] / [(π/4) * τ F ] = √ [(30335)*3] / [(π/4) * 0.6 * 440] = 22 mm Espesor de las barras BC e = [Cs * F] / [σ F * Ø F ] = [3*66040] / [500*22] = 18 mm => 20 mm e = 10 mm / barra Pasador C Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 103 - Análisis a cortadura del pasador C Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 104 - Articulación superior Brazo central a 0º Pasador F Ø = √ [(F/2) * Cs] / [(π/4) * τ F ] = √ [(14876)*3] / [(π/4) * 0.6 * 440] = 15 mm Pasador G Ø = √ [(F/2) * Cs] / [(π/4) * τ F ] = √ [(14572)*3] / [(π/4) * 0.6 * 440] = 15 mm Brazo central a 75º Pasador F Ø = √ [(F/2) * Cs] / [(π/4) * τ F ] = √ [(14876)*3] / [(π/4) * 0.6 * 440] = 15 mm Pasador G Ø = √ [(F/2) * Cs] / [(π/4) * τ F ] = √ [(16257)*3] / [(π/4) * 0.6 * 440] = 16 mm Espesor de la articulación superior e = [Cs * F] / [σ F * Ø F ] = [3*33020] / [500*15] = 14 mm 14 mm / placa Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 105 - Diagrama de sólido libre – brazo central a 0º Diagrama de sólido libre – brazo central a 75º Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 112 - Diagrama de sólido libre – Mástil completamente extendido y brazo central a 75º Como puede apreciarse, ésta es la posición más desfavorable El mástil ha sido diseñado directamente en SolidWorks a partir de este croquis Pasador K Ø = √ [(F/2) * Cs] / [(π/4) * τ F ] = √ [(133075/2)*3] / [(π/4) * 0.6 * 440] = 32 mm Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 113 - Dimensionado de cilindros hidráulicos *Tabla 1: Al final de este apartado – pág. 115 Cilindro hidráulico CE Fabricante: Cilcoil, serie CR Carrera = 615 mm Fc = 61.000 N => Tabla 1 => Ø Pistón = 100 mm Vástago => Lp = C*β = 615*2 = 1230 mm => Ø Vástago = 70 mm P = F/S1 = 6100 Kp / 78’5 cm 2 = 77 bar Cilindro hidráulico JG Fabricante: Cilcoil, serie CR Carrera = 362 mm Fc = 17.000 N => Tabla 1 => Ø Pistón = 40 mm Vástago => Lp = C* β = 362 mm * 2 = 724 mm => Ø Vástago = 28 mm P = F/S1 = 1700 kp / 12.56 cm 2 = 135’35 bar Cilindro hidráulico HK Fabricante: Cilcoil, serie CR Carrera = 1.050 mm Fc = 133.075 N => Tabla 1 => Ø Pistón = 125 mm Vástago => Lp = C* β = 1050 mm * 2 = 2100 mm => Ø Vástago = 110 mm P = F/S1 = 13307 kp / 122’66 cm 2 = 108’47 bar Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 114 - Cilindro hidráulico IHF Fabricante: Cilcoil, serie CR Carrera = 4.000 mm Fc = 28.000 N => Tabla 1 => Ø Pistón = 50 mm Vástago => Lp = C* β = 4000 mm * 1’5 = 6000 mm => Ø Vástago = 90 mm Como Ø Vástago > Ø Pistón = imposible => Escojo Ø Pistón 125 mm P = F/S1 = 2800 kp / 122’66 cm 2 = 22’82 bar Cilindro – mástil IKL Se trata de dos cilindros extensibles formados por 5 camisas, respectivamente. Carrera = 4.250 mm Fc = 30.000 N Como puede observarse, los datos del mismo son muy similares al anterior (cilindro hidráulico IHF), por lo que escogeré el modelo inmediatamente superior como partida de base. Al igual que en el caso anterior, el mástil debe ejercer una función estructural. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 115 - Diseño: Camisa superior (dimensión mínima): El resto del mástil se ha comprobado estructuralmente mediante SolidWorks. Bomba hidráulica necesaria => P = 140 bar Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 116 - Documentos para el cálculo de cilindros hidráulicos – CILCOIL Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 117 - Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 118 - 4.- Análisis mecánico - SolidWorks 2010 En este apartado se describe el análisis mecánico de los ensamblajes en sus posiciones más desfavorables, calculadas en el capítulo previo. Partiendo del predimensionado realizado en el apartado anterior, se han modelado y ensamblado las diferentes piezas hasta completar la plataforma elevadora. Algunas han visto modificada su sección, ya que SolidWorks ha calculado concentraciones de tensiones o desplazamientos no tenidos en cuenta anteriormente. Un claro ejemplo de ello son los redondeos en las piezas que pueden verse en las capturas de este apartado, así como los refuerzos que han sido necesarios para cumplir con el requisito de Cs igual a 3 en general y de “no plastificación” en situaciones particulares. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 119 - Brazo superior Tensiones Los valores de la tensión son razonables. Puede observarse como la zona de mayor tensión se localiza en la tapa de la camisa del cilindro CE. Como se verá en las capturas correspondientes al Cs, ha sido necesario realizar un refuerzo que garantizara un valor aceptable. Otra zona con un valor de tensión reseñable se encuentra en las barras AB. Esto es debido al cambio de sección entre la barra horizontal que simula la cesta y estas mismas barras. Existe un refuerzo interior cuya misión es suavizar este cambio de sección y proporcionar un Cs y valor de tensión adecuados. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 120 - Desplazamientos La gráfica de desplazamientos mantiene una distribución lógica, con un valor máximo menor de 7 mm, perfectamente asumible. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 121 - Coeficiente de Seguridad El brazo superior cumple con la exigencia de Coeficiente de seguridad 3. Existen dos zonas localizadas donde este factor es menor del requerido debido a concentración de tensiones, por lo que son reforzadas hasta alcanzar un valor aceptable (Cs mayor o igual a 1.9). Éstas son reflejadas en las siguientes capturas de detalle. En la primera, se observa el refuerzo sobre la tapa de camisa del cilindro y la distribución del Cs hasta alcanzar su valor mínimo. En la segunda, el refuerzo interior para suavizar el cambio de sección entre la cesta y las barras AB. Las zonas verdes indican el menor Cs, reflejo de la concentración de tensiones que sufre esta zona Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 128 - Coeficiente de seguridad Escala: Cs mínimo a 3 En esta captura puede observarse como el Coeficiente de seguridad general está por encima del requerido, Cs = 3. Existe una zona muy localizada donde el Cs es inferior (Pasador K) debido a concentración de tensiones. Sin embargo, un valor de 2.07 es suficiente para una situación puntual de este tipo. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 129 - 5.- Conclusiones, motivación y agradecimientos Conclusiones Este apartado comprende un resumen de lo realizado en el proyecto: lugar de partida, proceso recorrido y final alcanzado. En primer lugar, parto del objetivo de diseñar una plataforma elevadora móvil de personal capaz de realizar distintos trabajos urbanos, por lo que sus máximas características deben ser la flexibilidad y polivalencia. A continuación, realizo un estudio de mercado de la situación actual en cuanto a normativa y soluciones existentes, seleccionando gracias a ello la PEMP Haulotte HA20PX como máquina más adecuada para alcanzar el objetivo. En base a esta elección, analizo todos los movimientos y posiciones que la máquina es capaz de realizar, sustituyendo una parte del diseño por un sistema que considero mejor, y elaboro un análisis estático y predimensionado de todas las piezas y conjuntos. Más tarde, compruebo este predimensionado mediante el soporte SolidWorks 2010: diseño cada pieza y las ensamblo en sus diferentes conjuntos hasta conseguir formar la máquina completa. Tras ello, simulo los movimientos estudiados anteriormente, verificando la no existencia de interferencias. A partir del ensamblaje y mediante la herramienta COSMOSWORKS, analizo cada uno de los 3 grandes conjuntos en los que se divide la máquina, a través de un proceso iterativo: selección del material, definición de los conectores, establecimiento de restricciones y condiciones de apoyo, aplicación de las cargas externas, mallado y ejecución. En base a los resultados obtenidos, y tras comprobar que la transmisión de esfuerzos ha sido correcta, efectúo ligeras mejoras –redondeos, refuerzos- y repito el proceso hasta alcanzar una distribución general del factor de seguridad igual a 3 y una distribución local mayor a 1. Por último, obtengo unos resultados gráficos finales (tensión, desplazamiento y factor de seguridad) que otorgan validez a todo el trabajo realizado. Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 130 - Motivación: El proyecto como fin de carrera En este proyecto fin de carrera he intentado aplicar todos aquellos conocimientos que he ido adquiriendo en el tiempo de curso de la titulación en particular y en mi desarrollo personal en general. En particular, la idea general que ha presidido este proyecto ha sido una muy simple: • No es un trabajo cualquiera con el que cumplir el expediente. La plataforma debe ser real. Debo estar convencido de que, si se fabricara, funcionaría y su uso sería seguro En general, podría resumir los conocimientos que he adquirido en estos años en tres grandes e importantes ideas • Valor de la creatividad, iniciativa y pasión • “Descompones un problema complejo en varios sencillos. Los solucionas y… voilá, ya tienes el complejo” • “Ingeniero viene de ingenio“ Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 131 - Agradecimientos A Paula Canalís, por readmitirme tras volver de Malta A Alberto y José Antonio, por cederme sus conocimientos A José Luís, por recomendarme iniciar esta carrera A Ana Aínsa, por enseñarme a exponer A Lorena, because… you know Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal David Martín-Maza - 132 - 6.- Datos, fecha y firma Diseño, cálculo y modelado de plataforma elevadora de personal Proyecto Fin de Carrera – Ingeniería Técnica Industrial especialidad Mecánica Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza Universidad de Zaragoza David Martín-Maza Zaragoza, 14 de Febrero de 2011