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Abstract
El transporte de mercancías vía marítima es, actualmente, uno de los más utilizados. Por ello, los puertos se ven implicados en la búsqueda de soluciones para mejorar el proceso de carga y descarga de contenedores, con el fin de optimizar el tiempo de la acción aumentando de este modo la productividad. En concreto, el puerto SECH de Génova en colaboración con el Departamento de Mecánica del Politécnico de Turín, se encuentran estudiando diversos métodos para alcanzar esta finalidad. El objetivo de este proyecto es dar una solución con el fin de obtener esa mejora temporal y verificar que es posible su realización. Se han tenido en cuenta las peculiaridades del puerto para desarrollar un sistema que se adapte a ellas. El punto de partida de este trabajo es otro con título “Verifica di fattibilità di un sistema automatico di trasferimento container su vagone ferroviario” elaborado por Stefano Colombo (2008), en el Politécnico de Turín. En la primera parte del estudio, en primer lugar, se analizan las ideas más innovadoras encontradas tras revisar varias bases de patentes y múltiples publicaciones científicas sobre este tópico. En segundo lugar, se han realizado unos cálculos sobre la grúa tomada como punto de partida con el fin de predimensionar sus elementos, ya que sólo se aportaron sus diseños en 3D. En una segunda parte, se han generado dos nuevas ideas posibles para agilizar el proceso citado anteriormente. Ambas soluciones crean un nuevo nivel de trabajo dentro de la grúa. Éstas permiten automatizar el proceso de almacenaje de los contenedores o descargarlos directamente sobre los trenes que se aproximan a las grúas de puerto. Éstos nuevos sistemas propuestos se sirven de elementos hidráulicos y bandas transportadoras con el objetivo de agilizar todos los movimientos. Se ha realizado un predimensionamiento de todos ellos. Además, se ha generado su diseño en 3D con la herramienta de CAD, SOLIDWORKS. Con la misma, se han creado animaciones para visualizar mejor el movimiento de los mismos. En tercer lugar, se ha verificado también la reducción temporal en la carga/descarga de los nuevos sistemas propuestos, desde el punto de vista del movimiento del spreader. Por último, se ha creado un estudio según el Método de los Elementos Finitos (MEF) con el fin de comprobar la resistencia mecánica del segundo sistema propuesto, ya que ese diseño es el más interesante en la reducción de tiempo. En este estudio se han utilizado los programas PATRAN y ABAQUS, para mallar y calcular respectivamente. Como conclusión, por una parte, se verifica la reducción en el tiempo de carga y descarga, obteniéndose nuevos sistemas de “handling” que permiten una automatización del proceso con el consiguiente ahorro temporal. Por otra parte, se verifica la resistencia mecánica de todo el conjunto de la grúa, observándose cuales son las secciones con mayor solicitación mecánica. Lapresta Rey, José Pedro; Belforte, Guido; Grassi, Roberto
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Universidad de Zaragoza Centro Politécnico Superior Politecnico di Torino Universidad de Zaragoza Centro Politécnico Superior Departamento de Ingeniería Mecánica Área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes PROYECTO FIN DE CARRERA Ingeniería Industrial NUEVO SISTEMA DE CARGA Y DESCARGA EN GRÚAS PORTACONTENDORES Directores: Ponente: Autor: Prof. Guido Belforte Dr. D. Luis Castejón Herrer D. Jose Lapresta Rey Ing. Roberto Grassi Diciembre 2010
AGRADECIMIENTOS: En primer lugar, quiero agradecer al profesor Guido Belforte y al ingeniero Roberto Grassi, ambos del Politécnico de Turín, por haberme dado la oportunidad de desarrollar un proyecto de estas características y por su gran disponibilidad a la hora de ayudarme pese a ser un estudiante extranjero. Quiero agradecer también a Dr. D. Luis Castejón Herrer, el ponente de mi proyecto, por su implicación en éste pese a no ser director del mismo y por haberme dado la oportunidad de introducirme en un grupo de trabajo, dentro del Área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes, donde reina el buen ambiente entre todos los allí presentes. Evidentemente, este proyecto no habría sido posible si no hubiera contado con el apoyo y consejos, a lo largo de todos estos años, de mi familia, especialmente mi madre Fina, mi hermano Ceci y mi hermana y su marido, Aurora y César. Igualmente a mi sobrinita, Cecilia. No quiero olvidar tampoco a los amigos que también me han ayudado durante todo este largo periodo, A todos, GRACIAS. Jose Lapresta Rey Zaragoza, Diciembre 2010.
NUEVO SISTEMA DE CARGA Y DESCARGA EN GRÚAS PORTACONTENDORES Resumen El transporte de mercancías vía marítima es, actualmente, uno de los más utilizados. Por ello, los puertos se ven implicados en la búsqueda de soluciones para mejorar el proceso de carga y descarga de contenedores, con el fin de optimizar el tiempo de la acción aumentando de este modo la productividad. En concreto, el puerto SECH de Génova en colaboración con el Departamento de Mecánica del Politécnico de Turín, se encuentran estudiando diversos métodos para alcanzar esta finalidad. El objetivo de este proyecto es dar una solución con el fin de obtener esa mejora temporal y verificar que es posible su realización. Se han tenido en cuenta las peculiaridades del puerto para desarrollar un sistema que se adapte a ellas. El punto de partida de este trabajo es otro con título “Verifica di fattibilità di un sistema automatico di trasferimento container su vagone ferroviario” elaborado por Stefano Colombo (2008), en el Politécnico de Turín. En la primera parte del estudio, en primer lugar, se analizan las ideas más innovadoras encontradas tras revisar varias bases de patentes y múltiples publicaciones científicas sobre este tópico. En segundo lugar, se han realizado unos cálculos sobre la grúa tomada como punto de partida con el fin de predimensionar sus elementos, ya que sólo se aportaron sus diseños en 3D. En una segunda parte, se han generado dos nuevas ideas posibles para agilizar el proceso citado anteriormente. Ambas soluciones crean un nuevo nivel de trabajo dentro de la grúa. Éstas permiten automatizar el proceso de almacenaje de los contenedores o descargarlos directamente sobre los trenes que se aproximan a las grúas de puerto. Éstos nuevos sistemas propuestos se sirven de elementos hidráulicos y bandas transportadoras con el objetivo de agilizar todos los movimientos. Se ha realizado un predimensionamiento de todos ellos. Además, se ha generado su diseño en 3D con la herramienta de CAD, SOLIDWORKS. Con la misma, se han creado animaciones para visualizar mejor el movimiento de los mismos. En tercer lugar, se ha verificado también la reducción temporal en la carga/descarga de los nuevos sistemas propuestos, desde el punto de vista del movimiento del spreader. Por último, se ha creado un estudio según el Método de los Elementos Finitos (MEF) con el fin de comprobar la resistencia mecánica del segundo sistema propuesto, ya que ese diseño es el más interesante en la reducción de tiempo. En este estudio se han utilizado los programas PATRAN y ABAQUS, para mallar y calcular respectivamente. Como conclusión, por una parte, se verifica la reducción en el tiempo de carga y descarga, obteniéndose nuevos sistemas de “handling” que permiten una automatización del proceso con el consiguiente ahorro temporal. Por otra parte, se verifica la resistencia mecánica de todo el conjunto de la grúa, observándose cuales son las secciones con mayor solicitación mecánica.
ÍNDICE 1.INTRODUCCIÓN...........................................................................................................................3 1.1.ESTADODELARTE..................................................................................................................3 1.1.1.ANTECEDENTES................................................................................................................3 1.1.2.PUNTODEPARTIDA.........................................................................................................9 2.PREDIMENSIONAMIENTODELOSELEMENTOSDELAGRÚA......................................................11 2.1.SPREADER..............................................................................................................................11 2.2.CABLES,POLEAYVIDA...........................................................................................................13 2.3.TAMBOR................................................................................................................................14 2.4.MOTORES..............................................................................................................................14 2.4.1.MOTORDEELEVACIÓN....................................................................................................14 2.4.2.MOTORDETRASLACIÓNDELCARRO..............................................................................15 2.4.3.MOTORDETRASLACIÓNDELAGRÚA.............................................................................15 2.5.CIRCUITODETRASLACIÓN.....................................................................................................16 2.5.1.CIRCUITODETRASLACIÓNDELCARRO............................................................................16 2.5.2.CIRCUITODETRASLACIÓNDELAGRÚA..........................................................................17 2.6.ESTABILIDAD.............................................................................................................................18 2.6.1.CASO1‐LASDOSCARGASESTÁNENLOSEXTREMOSDELOSDOSBRAZOSPPALES.......18 2.6.2.CASO2‐CARGAENELEXTREMODELBRAZOPRINCIPAL................................................18 2.6.3.CASO3–CARGAENELEXTREMODELBRAZOSECUNDARIO...........................................19 3.NUEVOSSISTEMASDECARGA/DESCARGA.................................................................................21 3.1.PRIMERSISTEMADECARGA/DESCARGA..............................................................................21 3.1.1.PRIMERSISTEMADEDESCENSO/ELEVACIÓN..................................................................22 3.1.2.BANDATRANSPORTADORA.............................................................................................23 3.1.3.SEGUNDOSISTEMADEDESCENSO/ELEVACIÓN..............................................................27 3.2.SEGUNDOSISTEMADECARGA/DESCARGA...........................................................................29 3.2.1.DESCARGADECONTENEDORES–BANDATRANSPORTADORAMÓVIL...........................29 3.2.2.SISTEMADEDESCENSO/ELEVACIÓN...............................................................................31 3.2.3.SEGUNDABANDATRANSPORTADORA............................................................................32 3.2.4.DESCENSODELOSCONTENEDORESALSUELO................................................................32 4.ESTUDIODETIEMPOS.................................................................................................................33 4.1.REDUCCIÓNDETIEMPOS......................................................................................................35 4.1.1.TIEMPODELPRIMERSISTEMA.........................................................................................35 4.1.2.TIEMPODELSEGUNDOSISTEMA.....................................................................................36 5.ESTUDIODEELEMENTOSFINITOS...............................................................................................39 5.1.CARACTERISTICASDELAMALLAYDELELEMENTO...............................................................39 5.2.CASOSDECARGASSEGÚNLANORMAFEM..........................................................................39 5.3.RESULTADOSTRASELESTUDIOPORELMEF........................................................................42 5.4.RESUMENDERESULTADOS...................................................................................................43 5.4.1.CONCLUSIONESDELCAPÍTULO........................................................................................53 6.CONCLUSIONES...........................................................................................................................55 6.1.CONCLUSIONESSOBREELPROYECTO...................................................................................55
6.2.NUEVASLINEASDEINVESTIGACIÓN.....................................................................................55 6.3.CONCLUSIONESPERSONALES................................................................................................56 7.BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................................57 ANEXOI.CÁLCULOSDELPREDIMENSIONAMIENTODELOSELEMENTOSDELAGRÚA.................61 ANEXOII.DIMENSIONAMIENTODEPERFILESDELSPREADER.........................................................89 ANEXOIII.CÁLCULOSDELPREDIMENSIONAMIENTODELPRIMERSISTEMADE CARGA/DESCARGA..........................................................................................................................91 ANEXOIV.CÁLCULOSDELPREDIMENSIONAMIENTODELSEGUNDOSISTEMADE CARGA/DESCARGA..........................................................................................................................117 ANEXOV.CÁLCULODELASSOLICITACIONESQUEMARCALANORMAFEM.................................135 ANEXOVI.RESULTADOSGRÁFICOSTRASLAAPLICACIÓNDELFEM...............................................151 ANEXOVII.ESTUDIODELCASODECARGAMÁSDESFAVORABLE...................................................165
ÍNDICEDEFIGURAS Figura1.1.DiseñopropuestoenlapatenteUS4973219Gridrailcontainertransportand storagesystem................................................................................................................................4 Figura1.2.DiseñopropuestoenlapatenteUS5160012Cranesystemwithcontinualconveyor systemformovingdiscreteitemsoffreight....................................................................................5 Figura1.3.DiseñopropuestoenlapatenteEP2000401A1Amethodloadingorunloading containership..................................................................................................................................5 Figura1.4.DiseñopropuestoenlapatenteGB1532482ALoadingandunloadingbridgefor containers........................................................................................................................................6 Figura1.5.DiseñopropuestoenlapatenteWO03099700A2GantryCrane..................................6 Figura1.6.DiseñopropuestoenlapatenteUS20050247657Craneinstallation,inparticular containercrane...............................................................................................................................7 Figura1.7.DiseñopropuestoenlapatenteUS20040071530Movablebulk charging/dischargingequipment....................................................................................................8 Figura1.8.DiseñopropuestoenlapatenteGB2107651AAdockshiphavingarideon/off systemandcraftunitsforheavyloads............................................................................................9 Figura1.9.Diseñopropuestoenelproyectotomadocomopuntodepartida..............................9 Figura1.10.PlantadeladisposicióndelagrúaylasvíasenelpuertodeGénova........................10 Figura2.1.DiseñoenSOLIDWORKSdelSpreader...........................................................................11 Figura2.2.DiseñoenSOLIDWORKSdelcarrodelagrúa................................................................17 Figura2.3.DiseñoenSOLIDWORKSdelbalancíndelpaquetederodaduradelagrúa..................17 Figura2.4.EsquemadefuerzasdelCaso1.....................................................................................18 Figura2.5.EsquemadefuerzasdelCaso2.....................................................................................19 Figura2.6.EsquemadefuerzasdelCaso3.....................................................................................19 Figura3.1.DiseñogeneraldelPrimerSistemapropuesto..............................................................21 Figura3.2.DiseñodelPrimerSistemadeElevación/Descenso......................................................23 Figura3.3.DiseñodelaBandaTransportadoraseleccionada.FabricanteAUDUBON..................24 Figura3.4.Esquemageneraldelaruedadentada..........................................................................25 Figura3.5.Vistageneraldelabandatransportadora .....................................................................27 Figura3.6.DiseñodelSegundoSistemadeElevación/Descenso...................................................28 Figura3.7.DiseñogeneraldelSegundoSistemadeCarga/Descarga.............................................29 Figura3.8.DetalledelsistemadeBandaTransportadoramóvilenposicióndeDescargade contenedoresatierra......................................................................................................................30 Figura3.9.DetalledelsistemadeBandaTransportadoramóvilenposicióndeCargade contenedoresalbarco....................................................................................................................30 Figura3.10.DiseñodelSistemadeDescenso/ElevacióndentrodelSegundoSistemapropuesto31 Figura4.1.Tabladedatosdevelocidadesdelagrúaydelcarro...................................................33
1. INTRODUCCIÓN 3 1. INTRODUCCIÓN La actividad marítima de importación y exportación de contenedores es uno de los métodos de comercio-transporte más utilizados actualmente. Por ello, se están realizando estudios que permitan mejorar las técnicas de carga y descarga entre el barco y la zona de tierra. Mejorar ese proceso implica disminuir en gran medida este tiempo. Esa mejora es posible gracias a una automatización del proceso aprovechándonos de los avances actuales en ese campo. En este trabajo se tiene como objetivo el definir un nuevo sistema que pueda ayudar a automatizar la carga/descarga de contenedores. Para ello, se crea un nuevo nivel de trabajo para poder distribuir los contenedores entre la descarga directa sobre los trenes o su paso a la zona de almacenaje. Para ello será necesario un nuevo nivel de trabajo, situado entre las dos vigas principales de la grúa. Se pretende que este nuevo nivel sea lo más automático posible, para que pueda ser controlado directamente por el operario que controla el spreader que recoge los contenedores del barco. Se proponen dos sistemas con el fin de dar dos soluciones posibles y comprobar cuál de ellas obtiene una mejor reducción del tiempo de descarga. Esto nuevos sistemas son tributarios de otro proyecto ya realizado en el Politécnico de Turín con título: “Verifica di fattibilità di un sistema automaticodi trasferimento container su vagone ferroviario”, que se desarrolló en el seno de un grupo de investigación del Departamento de Mecánica. El mismo fue posible gracias a la colaboración con el puerto SECH (Southern European Container Hub) de Génova con el fin de automatizar todo el sistema portuario. Con la finalidad de obtener la máxima claridad expositiva, en primer lugar se revisa como se encuentra el estado del arte en referencia a los sistemas de carga/descarga de contenedores, para posteriormente introducir el punto de partida de este proyecto, el concepto que se quiere desarrollar y las opciones factibles que se sugieren. Además de ello, se indicarán varias líneas de investigación que se abren de cara a próximos estudios dentro de este ámbito. 1.1. Estado del Arte Para desarrollar este apartado se ha hecho necesario revisar la literatura científica (Jordan, 2002; Khoshnevis y Asef-Vaziri, 2000; Kim, Deng, Gupta y Murphy-Hoye, 2007; Liu, Jula y Petros, 2001; Nguyen y Kim, 2008; Vis y Bakker, 2006; Zhang, Wan Liu y Linn, 2001) y las patentes sobre el tópico de estudio, con el fin de constatar que la propuesta no se encuentra realizada y sentar las bases de la misma. 1.1.1. Antecedentes En lo que sigue se realiza una breve descripción de las patentes halladas. En esta línea se han localizado nuevos sistemas de automatización del proceso carga/descarga en la parte de tierra, es decir, una vez la grúa de puerto ha entrado en funcionamiento.
1. INTRODUCCIÓN 4 El primero de ellos (Nº de patente US4973219 Grid rail container transport and storage system) está compuesto por una malla de raíles superiores encargados de la carga/descarga de los contenedores sobre los vehículos de transporte que se dirigen a los lugares designados por un sistema de control principal. Éste consta también de una zona de almacenaje para optimizar su funcionamiento. También es particularmente aplicable a las instalaciones intermodales de transferencia de contenedores entre los diferentes tipos de medios de transporte, como entre los buques y los vagones de tren. Otra referencia (Nº de patente US5160012 Crane system with continual conveyor system for moving discrete items of freight), se basa en la idea de convertir la transición entre el sistema de transporte vertical y el horizontal en una banda transportadora continua, que permite la descarga de la nave. La superficie cónica truncada de un transportador circular que lleva los elementos a descargar, subtiende un ángulo de 90° con el eje de rotación del transportador vertical. Paralelamente ella se encuentra en constante movimiento independientemente de la dirección de la rotación o la orientación de la cinta transportadora vertical. La transferencia, que no causa daños a los elementos de transporte de las mercancías entre la vertical y la horizontal de las secciones del transportador, está garantizada por la posición del borde interior de la superficie, a nivel del punto de transición (ruedas guía) de las plataformas de apoyo de la vertical transportadora. Figura 1.1. Diseño propuesto en la patente US4973219 Grid rail container transport and storage system. [1]
1. INTRODUCCIÓN 5 Del mismo modo la creación de muelles flotantes también puede ser considerada de interés para nuestro estudio del arte (Nº de patente EP2000401A1 A method loading or unloading container ship). Así, existe un sistema que crea un muelle flotante en forma de U con el fin de rodear la nave y así agilizar su descarga. Con este método, los vehículos portacontenedores pueden acceder directamente a todas las zonas del barco, moviéndose con una ruta predefinida alrededor del mismo. Una vez cargado un vehículo con un contenedor, éste se mueve por uno de los extremos libres de la U para su posterior almacenaje. Retomando las grúas de puerto existe otra patente que nos muestra una posibilidad de descarga directa de contenedores sobre vehículos (Nº de patente GB1532482A Loading and unloading bridge for containers). Este sistema se basa en una banda inclinada que une directamente una plataforma de descarga de los contenedores con la superficie de los vehículos que los están esperando. La disposición es tal que la elevación de la plataforma provoca una Figura 1.2. Diseño propuesto en la patente US5160012 Crane system with continual conveyor system for moving discrete items of freight. [2] Figura 1.3. Diseño propuesto en la patente EP2000401A1 A method loading or unloading container ship. [3]
1. INTRODUCCIÓN 6 pendiente que produce un descenso gradual de los contenedores y los coloca en la posición correcta encima de los vehículos que los están esperando en la parte inferior de la grúa. Esto implica que el proceso puede ser controlado automáticamente. También existen patentes mucho más creativas (Nº de patente WO03099700A2 Gantry Crane). Este sistema tiene los mismos movimientos de descarga que una grúa de puerto convencional pero variando el modo de transporte horizontal. En este caso, no es el carro lo que se desplaza horizontalmente, sino que el spreader deja el contenedor en una lanzadera y ésta provoca el movimiento horizontal. Al final de la viga principal de la grúa se van acumulando la serie de contenedores lanzados. En ese punto se encuentra un spreader doble que desciende los contendores a nivel suelo. Figura 1 .4. Diseño propuesto en la patente GB1532482A Loading and unloading bridge for containers . [4] Figura 1 .5. Diseño propuesto en la patente WO03099700A2 Gantry Crane . [5]
1. INTRODUCCIÓN 7 La última patente relevante conectada con los sistemas en la zona de tierra de los puertos, es la que crea un sistema de descarga directa sobre los vehículos automatizados, que posteriormente se encargarán de distribuir los contenedores a las zonas de carga (Nº de patente US20050247657 Crane installation, in particular container crane). Este modelo es operativo gracias a depositar los contenedores en un nivel inferior, creado dentro de la grúa de puerto y, una vez allí, otro spreader recoge el contenedor y lo ubica finalmente en los vehículos que los tienen que llevar a la zona de almacenaje. Es decir, divide el proceso de descarga en dos fases, lo que provoca que se optimice el tiempo del proceso, al reducir el recorrido del carro principal. Este sistema tiene un cierto parecido al que se ha tomado como punto de partida para desarrollar la propuesta, como se comprobará en la siguiente sección. Por otra parte tenemos patentes que hacen referencia a sistemas directamente aplicados en el propio barco. Pese a que en este proyecto se busca un sistema para implementar en la zona de tierra de los puertos, no se ha descartado buscar sistemas de automatización directamente en el barco, ya que pueden ser útiles para generar una nueva idea a desarrollar posteriormente. Tras la búsqueda, los sistemas más destacables encontrados son los siguientes. Figura 1 .6. Diseño propuesto en la patente US20050247657 Crane installation, in particular container crane . [6]
1. INTRODUCCIÓN 8 El primero es el que utiliza unas bandas transportadoras y un elevador para descargar los contenedores que están situados en la bodega de la nave (Nº de patente US20040071530 Movable bulk charging/discharging equipment). Así, se recoge del fondo de la bodega del barco los contenedores mediante una banda transportadora para luego llevarlos a un elevador que los coloca en el exterior del barco. La clave es que el elevador intermedio es controlable entre la posición horizontal y la posición vertical de operación en relación con la banda transportadora intermedia. Tras la elevación del contenedor se produce una descarga mediante una banda inclinada hasta el nivel suelo. Otro sistema interesante consiste también en una descarga a través de una banda transportadora, pero en este caso el sistema es lineal, es decir, no se necesita un elevador intermedio (Nº de patente GB2107651A A dockship having a ride on/off system and craft units for heavy loads). De este modo se incluyen raíles por los cuales se mueven unas grúas pórtico, encargadas de desplazarse hasta la superficie superior vacía de la cubierta del barco. Recogen los contenedores y los depositan sobre otros vehículos que son también movidos mediante raíles. Estos vehículos son los encargados del transporte desde el barco hasta la zona de tierra del puerto, donde serán posteriormente recogidos con otras grúas para su almacenamiento. Figura 1.7. Diseño propuesto en la patente US20040071530 Movable bulk charging/discharging equipment. [7]
1. INTRODUCCIÓN 9 Como se puede comprobar tras esta exposición, la tendencia dentro de los sistemas automatizados de carga/descarga de contenedores reside en utilizar elementos como bandas transportadoras, elevadores, sistemas hidráulicos… En otras palabras, se intentan dividir los movimientos que realizaría una grúa de puerto habitual para que éstos sean llevados a cabo por otros elementos capaces de reproducir el mismo movimiento, pero de manera más veloz y automática. El sistema que se desarrollará en el proyecto se servirá de esos elementos, integrándolos de una manera aún no creada, con el fin de buscar la automatización y optimización del proceso de descarga/carga de los contenedores. 1.1.2. Punto de partida El punto de referencia del trabajo a desarrollar es el que tiene como título, “Verifica di fattibilità di un sistema automaticodi trasferimento container su vagone ferroviario”. Este proyecto fue desarrollado en el Politécnico de Turín, teniendo como directores al Profesor Guido Belforte, al Profesor Terenziano Raparelli y al Ingeniero Roberto Grassi. A continuación se presenta un esquema gráfico del proyecto con el fin de visualizar mejor el punto de partida. Figura 1.8. Diseño propuesto en la patente GB2107651A A dockship having a ride on/off system and craft units for heavy loads. [8] Figura 1.9. Diseño propuesto en el proyecto tomado como punto de partida. Fuente: Reproducido de Colombo (2008).
1. INTRODUCCIÓN 10 Su objetivo era crear un sistema de descarga directa de contenedores sobre los trenes de mercancías, ya que estos, por la disposición de las vías, son capaces de acceder a los pies de la grúa de puerto. El problema es que las vías llegan a los pies de la grúa de puerto con una inclinación de 7 grados, lo que provoca que el spreader deba realizar ese giro para un correcto posicionamiento final. El sistema propuesto en ese proyecto consistía en realizar una descarga en dos fases, utilizando una plataforma intermedia en la base de la grúa que sirva para que otro spreader recoja el contenedor y lo deposite, tras el giro de 7 grados, al lado de las vías de los trenes de mercancías que llegan al puerto. Una vez allí, esos contenedores serán cargados sobre ellos gracias a unas grúas pórtico. Veamos un esquema en planta de la situación de partida, para así crear una idea más clara del concepto que se pretende desarrollar en este proyecto. Figura 1.10. Planta de la disposición de la grúa y las vías en el puerto de Génova. Fuente: Reproducido de Belforte, Raparelli y Grassi (2008)
2. PREDIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE LA GRÚA 11 2. PREDIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE LA GRÚA Tras analizar los datos y diseños recogidos en el proyecto que se ha tomado como punto de partida, se cree necesario realizar un pre dimensionamiento de los elementos más característicos de la grúa. De esta forma se tomará conciencia de las dimensiones de la misma que se desarrollarán los siguientes apartados. En el proyecto inicial sólo se nos aportan unos diseños de la grúa en sí y unas medidas y velocidades características que se verán recogidas en el Anexo I, al igual que los cálculos necesarios para el citado pre dimensionamiento. En este tipo especial cabe destacar que todos los elementos dimensionados a continuación están por duplicado, exceptuando el motor de traslación y el paquete de rodadura de la grúa, por lo que se va a considerar que esos elementos son iguales en ambos casos. Es una consideración lógica ya que el tipo de contenedor a transportar es el mismo. 2.1. Spreader Como se trata de una grúa portacontenedores el primer elemento que se analiza es el spreader. En este caso especial tenemos dos ya que la grúa de partida es una modificación de la portacontenedores original, como podemos ver en el apartado 1.1.2. El tipo de spreader propuesto es uno para grúas portacontenedores. Se puede observar que tiene las partes características del mismo, incluyendo el sistema twist-lock para el anclaje de los contenedores, los largueros telescópicos y el giro del mecanismo guiado. Se comprueba que el sistema tiene cuatro poleas y un rectángulo de estabilidad. Figura 2. 1 . Diseño en SOLIDWORKS del Spreader . Fuente: Elaboración propia
2. PREDIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE LA GRÚA 18 2.6. Estabilidad Para la evaluación de la estabilidad del sistema se van a proponer 3 casos diferentes. Se considera que serán los más críticos y que si la estructura de la grúa es estable en ellos, lo será en cualquier posición de carro. 2.6.1. Caso 1 – Las dos cargas están en los extremos de los dos brazos principales Los valores de Q 1 y Q 2 son 50310 Kg ya que ahí se considera que está recogido el peso del contenedor en sí, más el de todos los elementos calculados (poleas, motores, tambor y spreader). El valor de P es 800000 Kg, el peso de la estructura de la grúa. El peso se va a considerar aplicado en un punto situado a 17 metros del primer poste de la grúa. Con este esquema nos encontramos con que las reacciones en los apoyos R 1 y R 2 adquieren los valores 563159.47 Kg e 337460.52 Kg respectivamente. Por lo tanto, al ser las dos positivas, podemos asegurar que el sistema es estable. De nuevo, en el Anexo I se encuentran los cálculos correspondientes a la verificación de la estabilidad del sistema. 2.6.2. Caso 2 – Carga en el extremo del brazo principal Se pasa ahora a calcular las reacciones de los apoyos pero en el caso en el que sólo hay una carga en el extremo de la viga principal. De nuevo, el valor de Q 1 es de 50310 Kg y el de P de 800000 Kg, ya que representa el peso de la estructura, de nuevo aplicada a 17 metros del primer poste. Figura 2. 4 . Esquema de fuerzas del Caso 1 . Fuente: Elaboración propia
2. PREDIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE LA GRÚA 19 Ahora se obtienen los valores R 1 =609030.35 Kg y R 2 =241279.64 Kg. El proceso de cálculo está incluido en el Anexo I. De nuevo son dos valores positivos, por lo que la estabilidad de la estructura en este caso está asegurada. 2.6.3. Caso 3 – Carga en el extremo del brazo secundario En esta ocasión se plantea el caso de tener una carga en el otro extremo. Al igual que en los casos anteriores, esta carga tiene un valor de 50310 Kg y el peso vuelve a ser de 800000 Kg. Figura 2.5. Esquema de fuerzas del Caso 2. Fuente: Elaboración propia Figura 2.6. Esquema de fuerzas del Caso 3. Fuente: Elaboración propia
2. PREDIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE LA GRÚA 20 En esta ocasión las reacciones en los apoyos son R 1 =434129.11 Kg y R 2 =416180.88 Kg. Al igual que en los casos anteriores, se asegura la estabilidad del sistema al tener reacciones positivas.
3. NUEVOS SISTEMAS DE CARGA/DESCARGA 21 3. NUEVOS SISTEMAS DE CARGA/DESCARGA Antes de iniciar la explicación de las nuevas propuestas es importante realizar una consideración. En primer lugar, se considera que los spreaders son capaces de tener un giro propio de 90 grados, ya que para el proceso de carga/descarga es necesario, tanto en la descarga directa como en el almacenamiento. Esta puntualización se hace en base al proyecto mencionado en el capítulo 1 que se ha tomado como punto de partida. En ese, se tenía como objetivo realizar un spreader giratorio para poder adaptarse a los 7º de inclinación que tienen las vías que llegan a los pies de la grúa. Por lo tanto, es factible ampliar ese giro hasta 90 grados con un sistema similar al de tal estudio. Su desarrollo no se contempla en este trabajo, ya que se centra en el resto de elementos de los nuevos sistemas de descarga. 3.1. Primer Sistema de Carga/Descarga Tras el tema introductorio y el del dimensionamiento de los elementos existentes en la grúa, se va a dar paso a la presentación de uno de los nuevos modelos de descarga que se desarrollarán técnicamente en las siguientes secciones y más detalladamente en los Anexos correspondientes. Este sistema está compuesto de tres partes, dos de descenso/elevación y una de transporte horizontal. Para las dos primeras se propone un sistema hidráulico, mientras que para la tercera un sistema de movimiento horizontal a través de una banda transportadora movida por un sistema de cadena. Figura 3. 1 . Diseño general del Primer Sistema propuesto . Fuente: Elaboración propia
3. NUEVOS SISTEMAS DE DESCARGA 22 3.1.1. Primer Sistema de Descenso/Elevación El primero se sitúa dentro de la estructura de la grúa, posicionado para que el spreader de la viga principal pueda depositar el contenedor descargado en el elevador hidráulico. De este modo se recorta el movimiento a lo largo de la viga principal del carro, lo que provoca una mejora en el tiempo unitario de descarga del contenedor. El cilindro hidráulico del primer sistema tiene dos posiciones de parada, por lo que el operario que está controlando la grúa debe saber de antemano el destino final del contenedor, es decir, si el contenedor debe ir a la zona de almacenamiento o si es cargado directamente sobre los trenes que llegan a los pies de la grúa. Si el objetivo es el almacenamiento, se pondrá en marcha el sistema que se propone en este proyecto, en cambio, si el objetivo es la carga directa, actuará el sistema que sirve como punto de partida explicado en los apartados anteriores. Este primer dispositivo está formado por varios componentes mecánicos. El principal es el cilindro hidráulico telescópico encargado del movimiento vertical de toda la estructura. Tiene una altura de 27,5 metros, y su base está situada a 5 metros del suelo, por lo que todo el conjunto del sistema propuesto operará a una altura de 32,5 metros, situándose entre las dos vigas principales de la grúa, como se ha especificado anteriormente. El cilindro telescópico tiene solidaria la base donde se depositan los contenedores descargados. Ésta está compuesta por una serie de rodillos que permiten un movimiento horizontal con mucho menor esfuerzo. Además también tiene unas placas laterales para asegurar el correcto posicionamiento del contenedor y, de paso, evitar posibles desviaciones en su trayectoria que puedan dañar gravemente a operarios y/o a la estructura de la grúa. Por otra parte nos encontramos dos placas que actúan de tapas laterales de la base. Son las encargadas de limitar el movimiento del contenedor mientras el cilindro desciende o asciende. Ambas placas son similares, tienen una zona con rodillos al igual que la placa base y otra con un empujador hidráulico que ayuda al movimiento horizontal del contenedor. Este sistema es movido principalmente por dos motores. Éstos son los encargados del movimiento vertical de elevación y descenso de todo el conjunto y del movimiento horizontal de empuje del contenedor. Tras resolver los cálculos necesarios para su dimensionamiento, incluidos en el Anexo III, se han elegido los siguientes motores. El primero de ellos es para el movimiento de elevación y el segundo para el empuje.
3. NUEVOS SISTEMAS DE CARGA/DESCARGA 23 POTENCIA (CV/Kw) TIPO PESO (Kg) MOMENTO DE INERCIA (Kg ) VELOCIDAD (r.p.m.) RENDIMIENTO COS PAR (Nm) Relación PAR máx y nominal 315/230 1LS4 404- 4AA1. 2000 11 1485 94.5% 0.91 1480 3.7 30/22 1LS2 156- 4AA2. 305 0.43 1450 90% 0.86 148 4 Tabla 3.1. Motores seleccionados para elevación y empuje respectivamente. Fuente: Elaboración propia En el Anexo III se encuentran los cálculos y ecuaciones correspondientes al dimensionamiento de todos estos elementos del primer sistema, así como los materiales seleccionados para los distintos componentes. Veamos un dibujo de este primer sistema propuesto. 3.1.2. Banda Transportadora En esta parte nos encontramos la banda responsable del movimiento horizontal de los contenedores. Esta banda tiene una longitud de 112 metros para poder alcanzar la zona de almacenamiento. Como se puede comprobar en el punto 1.2. del capítulo 1, la distancia mínima a conseguir era de 92 metros. Una de las características de la misma es que trabaja a una altura Figura 3. 2 . Diseño del Primer Sistema de Elevación/Descenso . Fuente: Elaboración propia
3. NUEVOS SISTEMAS DE DESCARGA 24 suficiente para evitar interferir en la carga directa a los trenes que llegan a los pies de la grúa portacontenedores. Para solucionar el problema de la banda se propone una comercial. La empresa AUDUBON con dirección postal 850 Pennsylvania Blvd. Feasterville, PA 19053 USA (http://www.meshbelt.com/Chainweave.html), proporciona este tipo de bandas. El modelo seleccionado es PINTLE CHAIN SERIES. Esta banda tiene una base metálica de acero, con la resistencia suficiente para soportar las cargas de los contenedores. Este tipo está diseñado para trabajar en ambientes de elevadas temperaturas con poco mantenimiento o con poca lubricación. Además de poder soportar grandes cargas. La banda seleccionada tiene las siguientes características. L ONGITUD 227.72 m C ADENA Modelo 1018 - S / ANSI 200 R ODILLOS (diámetro) 39.37 mm ÁREA B ANDA 332.58 m 2 M ATERIAL Acero inoxidable Tabla 3.2. Especificaciones de la banda metálica seleccionada. Fuente: Elaboración propia Figura 3.3. Diseño de la Banda Transportadora seleccionada. Fabricante AUDUBON. [9]
3. NUEVOS SISTEMAS DE CARGA/DESCARGA 25 Esta banda es movida por un sistema de cadenas. Para las cadenas se ha optado por buscar una solución comercial dentro de las de rodillo simple. La elegida es una ANSI 200, se adjunta una tabla con los valores más representativos de la misma. MODELO (REF, Nº): 1018-S P ASO : 63'50 mm - 21/2" A NCHO INTERIOR , A: 38.10 mm RODILLO, D: 39.37 mm CARGA ROTURA: 43000 Kg PESO POR METRO: 16.04 Kg/m LONGITUD DE LA CADENA (L c ): 227.18 m Tabla 3.3. Especificaciones de la cadena ANSI 200. Fuente: Elaboración propia Los motores necesarios para el movimiento de este sistema se eligen en función de la velocidad que se quiera dar al sistema. Para ello se buscan en tablas de datos de motores, comprobando que potencia, par y par de arranque son los suficientes para iniciar el movimiento de la misma. Se propone un sistema con un motor en cabeza. Se considera que el sistema de banda transportadora tiene una velocidad máxima de 1.5 m/s, por lo tanto se hace necesario un motor de 2700 CV. Los cálculos del motor se incluyen en el Anexo III. Estos motores van unidos a unas ruedas dentadas como las que se muestran a continuación. Los parámetros más importantes de la rueda dentada seleccionada son los siguientes. Figura 3.4. Esquema general de la rueda dentada. Fuente: Reproducido de Miravete, Larrodé, Castejón y Cuartero (2002).
3. NUEVOS SISTEMAS DE DESCARGA 26 Diámetro primitivo: 1011.3 mm Paso: 63.5 mm Número de dientes (Z): 50 Tabla 3.4. Parámetros más importantes de la rueda dentada seleccionada. Fuente: Elaboración propia Para dar rigidez a la banda se colocan una serie de rodillos a una distancia de 6 metros para que su flexión no ponga en peligro su resistencia. Todos estos dispositivos se localizan en la cara superior de la segunda viga principal, también de 112 metros. Para soportar el peso de esta viga se diseñan unos tirantes en el caso más desfavorable, que es cuando el contenedor está en el extremo más alejado de la estructura de la grúa, coincidiendo con el final de la banda. Los tirantes calculados, como se puede comprobar en el Anexo III, se han obtenido teniendo en cuenta que el coeficiente de seguridad que deben soportar es de 2.5. El material de los tirantes es acero A-42 de límite elástico 2600 Kg/cm 2 . El diámetro de los tirantes es de 0.5 metros, su espesor es de 0.05 metros y su longitud es de 74.32 metros. Por último también se ha comprobado que la estructura correspondiente puede soportar todas las cargas que sobre ella residen. Como se verá en los cálculos del Anexo III, se ha simulado la opción más desfavorable para la viga. En ella se ha tenido en cuenta el propio peso de la estructura y de la banda que sobre ella soporta, el peso del spreader que cuelga por debajo con los elementos del mismo y un contenedor que está siendo transportado, una distribución uniforme de contenedores encima de la banda y un contenedor en el extremo. Para el dimensionamiento de esta viga se ha propuesto una viga cajón con las siguientes dimensiones. h= 3000 mm I=6.86 10 12 mm 4 A=4.24 10 6 mm 2 b=8000 mm W=4.57 10 9 mm 3 e=200 mm A c =1.2 10 6 mm 2 Con estos elementos se da por definida la banda correspondiente al tramo horizontal del movimiento de handling de los contenedores.
3. NUEVOS SISTEMAS DE CARGA/DESCARGA 27 3.1.3. Segundo Sistema de Descenso/Elevación Posee grandes similitudes con respecto al sistema de elevación explicado anteriormente, especialmente estructurales en la zona de la base donde se recogen los contenedores. La primera variación que se encuentra es que este cilindro debe llegar a nivel de suelo para que otro elemento de transporte recoja el contenedor y lo almacene donde es debido. Por ese motivo se propone que este sistema trabaje a un nivel inferior al de tierra, para que en la posición más baja de la plataforma forme parte del plano suelo. Se propone un sistema de raíles para desplazar el sistema situado a 6.5 metros de profundidad. Los cálculos del sistema telescópico se encuentran recogidos en el Anexo III. Es importante destacar que este cilindro telescópico debería ir guiado para asegurar su correcto movimiento vertical. Como se acaba de comentar, este sistema debe ser móvil, ya que la grúa lo es para poder recorrer toda la longitud de la cubierta del barco, por lo que el sistema de elevación debe ser solidario con ese movimiento. Todo el sistema se debe desplazar a 90 m/min al igual que todo el conjunto de la grúa. De nuevo, el carril utilizado para su desplazamiento es un perfil Burbach A-120 con las siguientes características. A= 120 mm B= 105 mm C=220 mm Su presión admisible es de 7 N/mm 2 . Por lo tanto, se aplicarán de nuevo las ecuaciones mencionadas en el apartado 2.5.1. Circuito de Traslación del Carro. Figura 3. 5 . Vista general de la banda transportadora . Fuente: Elaboración propia
4. ESTUDIO DE TIEMPOS 34 Con estos datos del fabricante, del estudio previo mencionado con anterioridad se extrae la siguiente tabla con los tiempos teóricos. Como se comprueba se obtienen los teóricos 40 movimientos/hora. Una vez llegados a este punto, se debe considerar que estos movimientos han de ser menores que los teóricos de las grúas pórtico que se encargan de cargar a los trenes que llegan a pies de la grúa. Las grúas pórtico del puerto SECH de Génova también son del fabricante ZPMC y de KONE . Éstas tienen las siguientes características: Figura 4.2. Tiempo de cada movimiento del spreader/carro. Fuente: Belforte, Raparelli y Grassi (2008). Figura 4.3. Tiempo de cada movimiento de las grúas pórtico. Fuent e: Belforte, Raparelli y Grassi (2008).
4. ESTUDIO DE TIEMPOS 35 Con estas velocidades de operación, como se ve en el estudio anteriormente citado, se obtienen las siguientes capacidades de operación para las grúas pórtico. Como se puede observar, tanto para las grúas pórtico del fabricante ZPMC como las de KONE son capaces de hacer 78 movimientos/hora, por lo que es factible esta combinación de grúa de puerto con grúa pórtico en todos los casos. Una vez comprobada la viabilidad de esta combinación se pasa a desarrollar para los dos nuevos sistemas el aumento de la productividad en término de capacidad de descarga/carga de contenedores. Además de observar las mejoras, se debe comprobar que en los dos nuevos sistemas de handling propuestos no se superan los 78 movimientos/h que realizan las grúas pórtico, ya que el máximo de contenedores en movimiento viene limitado por ese valor. 4.1. Reducción de Tiempos Es importante destacar que todos los cálculos realizados son en base a las velocidades citadas anteriormente. Las principales variaciones que se encuentran residen en la reducción de la distancia a recorrer por carro y/o spreader. El estudio temporal se realiza en el caso más desfavorable, es decir, en el que se tiene una posición de los elementos que intervienen en la descarga más alejada. Se realiza en ese caso para ver que incluso en el momento de peor situación se consigue una mejora del tiempo de handling. Se va a analizar cada movimiento en particular, remarcando claramente en cuáles de ellos se produce una mejora temporal y cómo afecta esa mejora individual en la global. El primer movimiento que se realiza es la ascensión de carro vacío, ya que para el estudio, se supone que la situación menos favorable es el momento en el que se tiene el carro en la posición más cercana a la Tierra y con el spreader lo más abajo posible. 4.1.1. Tiempo del Primer Sistema Para hallar el tiempo total del primer sistema se va a analizar cada movimiento por separado. En este caso tendremos sólo dos variaciones en los tiempos, el resto se mantendrán iguales a los del estudio previo realizado. Figura 4.4. Resultado final de los movimiento de las grúas portacontenedores y de las grúas pórtico. Fuente: Belforte, Raparelli y Grassi (2008).
4. ESTUDIO DE TIEMPOS 36 La primera de las variaciones se produce en la ascensión del spreader vacío. La velocidad de operación es de 180 m/min como se comprueba según los datos del fabricante anteriores. En este caso la distancia a recorrer es de 16.85 metros, ya que en la peor situación el spreader estará situado a la altura de la base inferior de la grúa, de ahí se obtiene el primero de los tiempos. ࢚ =16.85 ݉ 180݉/݉݅݊ =0.0936 ݉݅݊=.࢙ (ܧܿ.4.1.) La segunda de las variaciones reside en el tiempo de descenso una vez el contenedor ya está cargado. Ese tiempo se mejora porque la base del primer elevador hidráulico está situada a 9,5 metros del brazo principal, por lo que el spreader sólo tiene que recorrer esa distancia. La velocidad vuelve a ser 90 m/min, por lo que el tiempo invertido en ese movimiento es el siguiente. ࢚ =9.5 ݉ 90݉/݉݅݊ =0.105 ݉݅݊=.࢙ (ܧܿ.4.2.) Como se ha comentado el resto de movimientos permanecen iguales a los habituales, por lo tanto el tiempo total del proceso se reduce. ࢚ ࢚࢚ =ݐ ே ୀଵ =5.61 + 13 + 10 + 5 + 20 +13 + 6.33 + 5 = ૠૠ.ૢ࢙ (ܧܿ.4.3.) El tiempo total se aproxima a 78 segundos, por lo que ya se pueden calcular el número de movimientos teóricos por hora que se puede realizar con este primer sistema. 3600ݏ/ℎ 78ݏ/݉ݒ =.࢜ ࢎ (ܧܿ.4.4.) Comparándolo con el caso sin ninguna modificación se obtiene la siguiente mejora. %ࢋ࢘ࢇ=46−40 40 ∙ 100=% (ܧܿ.4.5.) Es decir, con este nuevo sistema se pueden descargar un 15% más de contenedores cada hora con los ahorros económicos y mejoras en la productividad del puerto que ello conlleva. 4.1.2. Tiempo del Segundo Sistema El segundo de los sistemas tiene un mayor número de modificaciones de los movimientos básicos del carro y/o spreader. Este mayor número de variaciones se debe al sistema de brazos extensibles que hace que se reduzcan en gran medida los movimientos, especialmente los de traslación del carro. En primer lugar, la ascensión del spreader vacío es menor que en el caso anterior, ya que siempre hay una base situada debajo del mismo, lo que hace que como máximo éste tenga que desplazarse 9.5 metros. Esta reducción produce el siguiente tiempo.
4. ESTUDIO DE TIEMPOS 37 ࢚ =9.5 ݉ 180݉/݉݅݊ =0.0572 ݉݅݊=.࢙ (ܧܿ.4.6.) En segundo lugar, el acercamiento del carro hasta la posición donde está el contenedor a recoger se reduce hasta los 12 metros de longitud, esto es debido al brazo móvil. El brazo móvil se ajusta a la posición sobre la planta del barco para favorecer la descarga de los contenedores apilados en esa posición. Es por eso que el carro sólo debe moverse 12 metros, longitud de un contenedor. Son 12 metros porque el container, una vez recogido debe girarse 90 grados para su correcta colocación sobre el brazo extensible. Con esta reducción del movimiento del carro se tiene el siguiente tiempo para este movimiento. ࢚ =12 ݉ 240݉/݉݅݊ =0.05 ݉݅݊ = ࢙ (ܧܿ.4.7.) El siguiente movimiento que se modifica es la traslación del carro una vez éste ha cargado el contenedor. De nuevo se tienen 3s, ya que la distancia a recorrer vuelve a ser 12 metros y la velocidad 240 m/min. El descenso del spreader una vez cargado vuelve a ser uno de los movimientos que varían. La distancia a recorrer es de 9.5 metros como antes, pero en esta ocasión la velocidad es menor a causa de la carga que transporta, fijándose en 90 m/min. ࢚ =9.5 ݉ 90݉/݉݅݊ =0.105 ݉݅݊ =.࢙ (ܧܿ.4.8.) Respecto al movimiento habitual de carro y spreader ya no se detectan más variaciones en los movimientos básicos, por lo que se va a hallar el tiempo total de descarga según este sistema. ࢚ ࢚࢚ =ݐ ே ୀଵ =3.16 + 3 + 10 +5+20 + 3 + 6.33 + 5= .ૢ࢙ (ܧܿ.4.9.) El tiempo total se aproxima por 55.5 segundos, lo que implica un aumento hasta 64 movimientos por hora. 3600ݏ/ℎ 55.5ݏ/݉ݒ =.ૡ࢜ ࢎ (ܧܿ.4.10.) Se va a comprobar en qué porcentaje se mejora la productividad, lo que conllevará un menor tiempo en el proceso de carga/descarga del barco. %ࢋ࢘ࢇ=64−40 40 ∙ 100=% (ܧܿ.4.11.) Se comprueba que con el segundo sistema se incrementa notablemente la productividad de la grúa. También tiene una gran repercusión en el ahorro de costes a la hora de tener los barcos atracados al reducir el tiempo necesario para descargar un contenedor.
4. ESTUDIO DE TIEMPOS 38 En ninguno de los dos casos se superan los 78 mov/h teóricos de las grúas pórtico que se encargan de recoger los contenedores una vez salen de la grúa. Ambos sistemas cumplen esa restricción, por lo que puede ser factible su implementación.
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 39 5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS Con el último de los diseños se obtiene una mayor mejora temporal y se adapta más a las necesidades del cliente. Por esta razón, se cree conveniente realizar un estudio a través de los elementos finitos con el objetivo de verificar la resistencia mecánica de la última grúa propuesta. En éste se va a dividir la grúa en subgrupos, facilitándose así el mallado de cada parte que compone el segundo sistema y reduciendo su tiempo de cálculo. Para cada uno de ellos se simulará la situación que se cree más desfavorable o la que se compruebe que tenga un mayor interés en su resultado. Es importante destacar que esta sección del proyecto se ha llevado a cabo en el seno del Área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes, dentro del Departamento de Mecánica de la Universidad de Zaragoza. Para ello se han utilizado los programas PATRAN y ABAQUS como herramienta para mallar y calculador de resultados respectivamente. 5.1. Características de la Malla y del Elemento Para todos los elementos se ha utilizado una malla de tipo “Shell” ya que se ha considerado su tratamiento como el de una placa. Esta elección se realiza con el fin de adaptarse mejor a la geometría de la grúa, ya que toda ella estará formada por placas soldadas. Solamente hay una parte de un elemento en la que se ha considerado una malla tipo “Solid”. Esta es la base del cilindro hidráulico telescópico, ya que por diseño se ha considerado sólida. Como inicialmente no se tenían restricciones en el tamaño de los elementos, éstos se han adaptado según las dimensiones de la sección de la grúa a mallar. De ahí la diferencia de tamaño entre las diferentes mallas. 5.2. Casos de Cargas según la norma FEM En esta sección se van a presentar los casos estudiados sobre la estructura de la grúa propuesta en el segundo sistema de descarga. Con el objetivo de encontrar los casos de estudio se ha revisado la norma FEM (Federación Europea de la Manutención). En esta norma se definen las solicitaciones existentes sobre una estructura de un aparato de elevación. La grúa que se propone como solución cumple las exigencias de la norma. El primer paso es clasificar la grúa. Para ello existe una tabla que determina el grupo FEM/DIN (según la normativa elegida). Ésta clasificación se rige por el estado de la carga y las vida en horas de funcionamiento real del mecanismo. En nuestro caso se obtiene una clasificación del tipo M8/5m, ya que, por una parte, se ha supuesto una frecuencia aproximada igual de cargas pequeñas, medianas y máximas, y por otra, que el mecanismo tiene una vida de 50000 horas.
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 40 Una vez se ha clasificado el aparato ya se pueden considerar los diferentes tipos de solicitaciones a tener en cuenta. Éstas son: • Solicitaciones principales que se ejercen sobre la estructura del aparato supuesto inmóvil, en el estado de carga más desfavorable. • Solicitaciones debidas a movimientos verticales. • Solicitaciones debidas a movimientos horizontales. • Solicitaciones debidas a efectos climáticos. • Solicitaciones diversas. Por solicitaciones principales se entiende, por una parte, las que son las debidas a la carga en servicio, o peso de la carga útil más el peso de los accesorios (gancho, cuchara….). Por otra parte son las debidas al peso propio, o peso de todos los elementos que componen la grúa a excepción de la carga de servicio. Las solicitaciones debidas a movimientos verticales provienen de la manipulación de la carga de servicio, aceleraciones o deceleraciones sobre el movimiento de elevación y choques verticales debidos al rodamiento sobre las vías. Para este tipo de solicitaciones es importante destacar el factor llamado “coeficiente dinámico (ψ)”. En él se tiene en cuenta la manipulación de la carga en servicio, que constituye el choque más importante. El valor del coeficiente dinámico se puede obtener de la siguiente gráfica: Con respecto a las solicitaciones horizontales, cabe destacar que son las debidas a los efectos de inercia debidos a aceleraciones o deceleraciones de movimientos de dirección, translación, orientación y recuperación de la flecha de todo el conjunto de la grúa. Figura 5.1. Gráfica de valores del coeficiente dinámico (ψ). Fuente: Miravete, Larrodé, Castejón y Cuartero (2002).
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 41 En este caso, se tiene que el efecto más influyente sobre las solicitaciones horizontales son los efectos de inercia debidos a aceleraciones y deceleraciones. Para ello se ha consultado la siguiente tabla, con el fin de conocer la aceleración a la que se somete todo el conjunto grúa, y así poder obtener la dicha solicitación. El valor obtenido es de 0.32 m/s 2 , ya que la grúa se traslada a 1.5 m/s y se considera que es la velocidad media en aplicaciones corrientes. El tratarse de una grúa de puerto, la principal solicitación debida a efectos climáticos que se observa es el viento. Para poder evaluar esta solicitación se ha considerado que el viento ejerce una presión de 110 Kg/m 2 entre una altura de 20 a 100 metros por encima del nivel del mar. Este dato se ha extraído de la siguiente tabla: Figura 5.2. Tabla de aceleraciones en función de la velocidad de desplazamiento. Fuente: Miravete, Larrodé, Castejón y Cuartero (2002). Figura 5.3. Tabla de velocidades y presiones de viento. Fuente: Miravete, Larrodé, Castejón y Cuartero (2002)
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 42 Para obtener el valor de la solicitación se utiliza la siguiente expresión, que representa la fuerza que ejerce el viento sobre un objeto. ܨ = ݍ ∙ ܣ ∙ ܥ (ܧܿ. 5.1. ) Tanto la definición de los términos de esta ecuación, como su aplicación, pueden ser consultadas en el Anexo V. El resto de efectos climatológicos no se tienen en cuenta. El último apartado de solicitaciones diversas no afecta en ningún sentido, ya que se centra en el dimensionamiento de pasarelas o barandillas. Por último, es importante destacar la combinación de solicitaciones. En la norma FEM se indican tres casos de estudio. • CASO 1: Aparato en servicio sin viento. • CASO 2: Aparato en servicio con viento. • CASO 3: Aparto sometido a solicitaciones excepcionales. o Viento en tempestad. o Efecto de choques con los topes de fin de carrera. o Ensayos estático y dinámico. Estas combinaciones también se llevarán a cabo para evaluar la resistencia de la estructura de la grúa frente a ellas. Todos los cálculos de las diversas solicitaciones se encuentran recogidos en el Anexo V. 5.3. Resultados tras el estudio por el MEF Se van a mostrar las soluciones obtenidas tras la aplicación, una a una, de las diversas solicitaciones y finalmente un resultado tras las combinaciones anteriormente citadas. Para ello, se ha creado una tabla donde se recopilan todos los datos de tensiones y desplazamientos para cada uno de los casos de carga. Los resultados gráficos de estas tensiones y desplazamientos se recogen en el Anexo VI. Ahí se muestran divididos por solicitación. Como se puede comprobar en la siguiente tabla, las solicitaciones que recaen verticalmente sobre los brazos de la grúa se han dividido en tres estudios. En ellos se aplica la tensión por separado en cada uno de los brazos y finalmente se aplica a los dos conjuntamente. A la vista de los resultados, el caso más desfavorable es cuando se aplican las dos cargas a la vez, pero a poca distancia de los casos individuales.
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 43 CASO DE CARGA TENSIÓN MÁXIMA (MPa) DESPLAZ. MÁXIMO (m) SOLICITACIONES PRINCIPALES CARGA EN 2 EXTREMOS 515.7 0.92 CARGA LADO AGUA 515.6 0.9138 CARGA LADO TIERRA 511.5 0.9201 SOLICITACIONES VERTICALES CARGA EN 2 EXTREMOS 517.4 0.9084 CARGA LADO AGUA 517.2 CARGA LADO TIERRA 511.8 0.9087 SOLICITACIONES HORIZONTALES 540.4 0.9007 SOLICITACIONES CLIMÁTICAS 526.6 0.9006 COMBINACIÓN SOLICITACIONES CASO 1 885.5 1.626 CASO2 882.8 1.646 CASO3a 554.3 0.9429 CASO 3c – DINÁMICO 532.9 0.91 CASO 3c - ESTÁTICO 532.3 0.9091 Tabla 5.1. Resultados de tensiones y desplazamientos tras la aplicación del MEF en los diferentes casos de carga. Fuente: Elaboración propia. 5.4. Resumen de Resultados Con el objetivo de visualizar mejor los resultados en tensiones, se ha generado una serie de tablas con los resultados más relevantes para cada solicitación independiente. Estos resultados se muestran para los dos brazos y para la estructura, ya que son los elementos más solicitados. En las solicitaciones que tienen más de una carga (solicitaciones principales, solicitaciones verticales), se toma sólo el caso más desfavorable, que se da cuando se tienen los dos brazos cargados.
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 50 COMBINACIÓN DE SOLICITACIONES CASO 3a – VIENTO EN TEMPESTAD TENSIÓN EN BRAZO DELANTERO (LADO AGUA) TENSIÓN EN BRAZO TRASERO (LADO TIERRA) TENSIÓN EN ESTRUCTURA Tabla 5.8. Resultados de tensiones sobre los brazos delantero, trasero y estructura en el caso 3a dentro de la combinación de solicitaciones. Fuente: Elaboración propia.
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 51 COMBINACIÓN DE SOLICITACIONES CASO 3c – ENSAYO DINÁMICO TENSIÓN EN BRAZO DELANTERO (LADO AGUA) TENSIÓN EN BRAZO TRASERO (LADO TIERRA) TENSIÓN EN ESTRUCTURA Tabla 5.9. Resultados de tensiones sobre los brazos delantero, trasero y estructura en el caso 3c –ensayo dinámico dentro de la combinación de solicitaciones. Fuente: Elaboración propia.
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 52 COMBINACIÓN DE SOLICITACIONES CASO 3c – ENSAYO ESTÁTICO TENSIÓN EN BRAZO DELANTERO (LADO AGUA) TENSIÓN EN BRAZO TRASERO (LADO TIERRA) TENSIÓN EN ESTRUCTURA Tabla 5.10. Resultados de tensiones sobre los brazos delantero, trasero y estructura en el caso 3c – ensayo estático dentro de la combinación de solicitaciones. Fuente: Elaboración propia.
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 53 5.4.1. Conclusiones del capítulo A la vista de los resultados, y como era lógico, los peores casos de carga son los que tienen alguna combinación de solicitaciones. Por ello, se propone revisar bien las secciones en las que se tengan elevadas tensiones y colocar en esas zonas un acero de alta calidad (acero DIN 1.2316 (X42CrMo17)) con un límite elástico de 900 MPa. Además de buscar una relación de espesores óptima para la unión entre tirante y orejeta. Se ha comprobado que el aumento del espesor en las orejetas delanteras mejora notablemente la tensión máxima que se da en las orejetas del brazo delantero, por lo que se propone aumentar el espesor en toda esa zona. El tirante posterior es otro de los puntos críticos a tener en cuenta. Por ello se ha comprobado también que, al variar su espesor, se mejora la tensión que recae sobre él. Todas estas variaciones y mejoras se recogen en el Anexo VII. En él se han modificado los espesores comentados y se muestran los resultados obtenidos. Otra propuesta para la reducción de la tensión máxima en el tirante trasero es colocar un pilar en el extremo del brazo trasero, que ayudaría a soportar mejor las cargas aplicadas sobre él. Ese pilar debe ser solidario con toda la estructura de la grúa y debe tener un sistema de ruedas guiadas, ya que todo el conjunto de la grúa debe desplazarse. Las secciones más esbeltas de la grúa también deben tenerse en cuenta para evitar el efecto del pandeo. Especialmente en el cilindro hidráulico telescópico del elevador intermedio. Por ello se propone crear un sistema de guiado que, además de evitar el pandeo y la flexión del cilindro, asegure el correcto posicionamiento del elevador. A la vista de los resultados en desplazamientos, se obtiene una flecha máxima de 1.64 metros. Este hecho no debe suponer un problema ya que simplemente con ajustar la altura del elevador final se puede suplir el efecto de ese desplazamiento.
5. ESTUDIO DE ELEMENTOS FINITOS 54
6. CONCLUSIONES 55 6. CONCLUSIONES 6.1. Conclusiones sobre el Proyecto El objetivo de este proyecto ha sido desarrollar unos nuevos sistemas para agilizar y automatizar los procesos de carga y descarga entre las grúas de puerto y los barcos que transportan los contenedores. En el proyecto se elabora un concepto nuevo que se cree que puede ser perfectamente aplicable en un futuro dentro del campo de la grúas de puerto. A la vista de los resultados de diseño, se puede observar que es posible la realización de cualquiera de los dos nuevos sistemas propuestos. En ambos se consigue un ahorro temporal, siendo más notable en el segundo. Se extrae también como conclusión, que la utilización de elementos que mejoren el movimiento vertical y horizontal tiene una influencia directa en la mejora de la productividad de la grúa. Por ello se cree que la utilización tanto de sistemas hidráulicos como bandas transportadoras en el transporte de contenedores aporta rapidez al proceso de handling. Por otra parte, tras el estudio por el método de los elementos finitos, se concluye que estructuralmente el segundo sistema (el que mejor ahorro temporal tiene) es estable. De este estudio se debe remarcar el refuerzo que se ha de realizar sobre las secciones más solicitadas. Éstas se corresponden con las uniones entre los brazos y la estructura, por ello se propone una mejora en los materiales utilizados y un estudio más detallado de esas uniones. Pese a la recomendación, se ha comprobado que realmente con la ampliación de los espesores de las citadas zonas se reduce notablemente la tensión que recae sobre ellas, consiguiéndose coeficientes de seguridad aceptables. Como conclusión final, se propone la posibilidad de crear una patente con este diseño, ya que pueden llegar a materializarse los conceptos que se proponen en este proyecto en el futuro. 6.2. Nuevas Líneas de Investigación Este proyecto deja abiertos muchos posibles estudios. En primer lugar existe la línea de investigación referente a la estabilidad estructural. Se han realizado cálculos sobre la estructura y las dimensiones de la misma, pero se puede profundizar en ese estudio para optimizar más tanto materiales como la propia estructura. En segundo lugar se deja abierta la investigación en temas de automatización. Se puede realizar un estudio en pro de su automatización completa, dotando al sistema de sensores que sean capaces de dar las señales necesarias para realizar los movimientos correspondientes a la descarga/carga. En tercer lugar se puede realizar un estudio económico de estas nuevas propuestas con el objetivo de que su implementación sea rentable económicamente. Se deben tener en cuenta
6. CONCLUSIONES 56 los incrementos en el coste de producción y la reducción en los tiempos de descarga como ahorro económico. Finalmente es posible elaborar un estudio hidráulico. La mayoría de los nuevos elementos seleccionados poseen partes hidráulicas, por lo que es posible realizar su estudio detallado en pro de mejorar, optimizar y automatizar los sistemas hidráulicos. 6.3. Conclusiones Personales A nivel personal la realización de este proyecto ha supuesto un reto tanto a la hora de buscar información útil para el mismo, como para idear una nueva solución que satisfaga las necesidades del cliente. Además también me ha sido útil para profundizar en el uso de los programas informáticos que he ido utilizando. Espero que este proyecto le resulte útil tanto al grupo de trabajo en el que me introduje dentro Politécnico di Torino como al puerto SECH de Génova. Por último, también espero que este trabajo sea de utilidad para el Área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes, dentro del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza, ya que ellos me han dado la oportunidad de realizar toda la parte del estudio de elementos finitos en sus instalaciones.
7. Bibliografía 57 7. BIBLIOGRAFÍA MIRAVETE, A., LARRODÉ, E., CUARTERO, J. y CASTEJÓN, L. “Los transportes en la ingeniería industrial (teoría)”. Barcelona, Editorial Reverté, S.A., 2002. MIRAVETE, A., LARRODÉ, E., CUARTERO, J., CASTEJÓN, L. “Los transportes en la ingeniería industrial (problemas y prácticas)”. Barcelona, Editorial Reverté, S.A., 2002. HIBBITT, KARLSSON & SORENSEN, “Abaqus/Standard, versión 6.5, Theory Manual”, HIBBITT, KARLSSON&SORENSEN INC., 2001. HIBBITT, KARLSSON & SORENSEN, “Abaqus/Post versión 6.5, Theory Manual”, HIBBITT, KARLSSON&SORENSEN INC., 2001. HIBBITT, KARLSSON & SORENSEN,”Abaqus/Explicit, versión 6.5, Theory Manual”, HIBBITT, KARLSSON&SORENSEN INC., 2001. PUBLICACIONES CIENTÍFICAS JORDAN, Michael A. “Quay crane productivity”. Liftech Consultants Inc. (Noviembre 2002). 300 Lakerside Dr. 14 TH Floor, Oakland CA 94612. NGUYEN VU, Duc, et al. “A dispatching method for automated lifting vehicles in automated port container terminals”. Computers & Industrial Engineering. (Septiembre 2008). Elsevier Ltd. SI JIM, Kim, et al. “ Intelligent Networked Containers for Enhancing Global Supply Chain Security and Enabling New Commercial Value”. Research of Intel Corp. (2007). ZHANG Chuqian, et al. “Dynamic crane deplyment in container storage yards”· Transportation research part B. (2002). Elsevier Science Ltd. CHIN-I Liu, et al. “Desing, Simulation, and Evaluation of Automated Container Terminal”. IEEE Transactions on intelligent transportation systems”.Marzo 2002, vol. 3, nº 1. KHOSHNEVIS Behrokh, et al. “3D virtual and physical simulation of Automated Container Terminal and Analysis of Impact on In Land Transportation”. METRANS Transportation Center. Diciembre 2000. VIS Iris F.A., et al. “Dispatching and layout rules at an automated container terminal”. Vrije Universiteit Amsterdam Research. (2006). PATENTES BRICKNER, Laurence R., CHUN, Michael D., LAKE, Budd, CHOU, Richard C., VON ISENBURG, Carl, RADZIKOWSKI, Phillip. “Grid rail container transport and storage system”. US4973219. 1988-07- 15. JONKE Hans. “Crane system with continual conveyor system for moving discrete items of freight”. US5160012. 1992-11-3.
7. Bibliografía 58 SCHOENFELD, John Scott, UGLVIG, Laurids.”A method loading or unloading container ship”. EP2000401A1. 2007-06-08. EUROPE CONTAINER TERMINUS B.V. “Loading and unloading bridge for containers”. GB1532482A.1978-11-15. LUTTEKES, Evert, JSENBRIJ, Joannes Cornelis, “Gantry Crane”. WO03099700A2. 2003-12-04. SPARENBORG, Ernst y WOBSE, Stephan. “Crane installation, in particular container crane”. US20050247657. 2005-10-05. JUKKA SUKSI, Vantaa. “Movable Bulk, Charging/Discharging equipment”. US20040071530. 2004- 04-15. VAN DER LAAN, Bernard John. “A dockship having a ride on/off system and craft units for heavy loads”. GB2107651A. 1963-05-05. FIGURAS [1] Imagen disponible en: http://www.freepatentsonline.com/4973219.pdf [2] Imagen disponible en: http://www.freepatentsonline.com/5160012.pdf [3] Imagen disponible en: http://www.espacenet.com/access/index.en.htm [4] Imagen disponible en: http://www.espacenet.com/access/index.en.htm [5] Imagen disponible en: http://www.espacenet.com/access/index.en.htm [6] Imagen disponible en: http://www.freepatentsonline.com/20050247657.pdf [7] Imagen disponible en: http://www.freepatentsonline.com/20040071530.pdf [8] Imagen disponible en: http://www.espacenet.com/access/index.en.htm [9] Imagen disponible en: http://www.meshbelt.com/Chainweave.html [10] Imagen disponible en:
7. Bibliografía 59 http://www.uv.es/dae/Apunte4.pdf [11] Imagen disponible en: http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/elementos/Tema07.pdf WEBSITES http://www.fem-eur.com/ http://www.fem-aem.org/html/aenor.htm PROYECTOS COLOMBO, S. “Verifica di fattibilità di un sistema automatico di trasferimento container su vagone ferrovioario”. Directores: Prof. Guido Belforte, Prof. Terenziano Raparelli e Ing. Roberto Grassi. Departamento de Mecánica del Politénico de Turín. Octubre 2008. BELFORTE, G., RAPARELLI, T., GRASSI, R.”Studio generale di un sistema di trasporto per il collegamento veloce delporto di Genova con l´entroterra”. Departamento de Mecánica del Politécnico de Turín. 2008.