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  ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERIA TECNICA INDUSTRIAL     Memoria         Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 2 -  Índice: 1. Memoria. 1.1. Memoria. 1.1.1. Índice general. 1.1.2. Tema objeto del proyecto. 1.1.3. Peticionario del proyecto. 1.1.4. Bibliografía. 1.2. Descripción de la maquina. 1.2.1. Definiciónytiposdeexcavadora. 1.2.2. Trabajarconunaexcavadora. 1.2.3. Características técnicas. 1.3. Cálculos analíticos. 1.3.1. Hipótesis de trabajo. 1.3.2. Procedimiento de diseño. 1.3.3. Calculo reacciones y fuerza en cilindros. 1.3.4. Calculo instalación hidráulica. 1.3.4.1. Diámetro del pistón y vástago del cilindro hidráulico. 1.3.4.2. Caudal y potencia de la bomba. 1.3.5. Diámetro de los pasadores. 1.3.6. Anchura mínima necesaria de las orejetas. 1.4. Análisis mecánico excavadora. 1.4.1. Introducción a SolidWorks. 1.4.2. Introducción a COSMOS. 1.4.2.1. Introducción a Cosmos WORKS. 1.4.2.2. Método de los elementos finitos. 1.4.2.3. Suposiciones del Análisis Estático Lineal. 1.4.3. Proceso del análisis estático. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 3 -  1.1.Memoria. 1.1.2.Temaobjetodelproyecto. Elobjetivodeesteproyectoesrealizareldiseño,cálculoymodeladodelos órganosdetrabajodeunaminiexcavadora. Enprimerlugarsellevaraacabounestudioprevioqueconsistiráenla búsquedadeinformaciónsobrelostiposdemaquinasexistentesydelasprestaciones queofrecen,conelfindedefinirlasespecificacionesquedeberátenerlaexcavadora objetodelproyecto. Unavezfinalizadaestafase,serealizaraundiseñopreviodelosórganosde trabajo,estediseñoprevioconsistiráenenumerarlaspartesquecomponenel ensamblaje,analizarlasunionesentrelosdiferentessubconjuntosypredimensionar manualmentetodosloselementos. Trasesteanálisissellevaraacaboelmodeladoparamétricoyensamblajede todaslaspiezasdefinidasanteriormente,utilizandounsoftwaredediseñoasistidopor ordenadorllamadoSolidWorks. Acontinuaciónserealizaraunanálisisdemovimiento,utilizando CosmosMotion,unaherramientaquemediantelasimulacióndelmovimientodela excavadoranosmuestralasfuerzasejercidasporloscilindroshidráulicosylas reaccionesproducidasenlasuniones,dentrodeunrangodetrabajo. Porúltimoycomométododecomprobación,serealizaraunanálisismecánico delensamblajeensuposiciónmásdesfavorableyasíverificarsisatisfacelas especificacionesiniciales.         Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 4 -  1.1.3.Peticionariodelproyecto. Esteproyectotienecomotítulo“Diseño,calculoymodeladodeunamini excavadora”,porencargodeldepartamentodeIngenieríaMecánicadelaEscuela UniversitariadeIngenieríaTécnicaIndustrialdeZaragoza.  1.1.4.Bibliografía “Maquinasymétodosmodernosdeconstrucción”FrankHarris. “Manualdemaquinariadeconstrucción”ManuelDíazdelRio “Maquinariadeobraspúblicas”PedroBarbetLloret “GranlibrodeSolidWorks”SergioGómez Páginaswebconsultadas: http://members.fourtenecity.es/100pies/ http://www.jcb.com/ http://www.komatsu.com/ http://www.bobcat.eu/bobcat/eu‐es/ http://www.hitachi‐c‐m.com/ http://www.yanmar.com/ http://www.wackerneuson.com/es‐index.php http://www.casece.com/       Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 5 -  1.2.Descripcióndelamaquina. 1.2.1.Definiciónytiposdeexcavadora Excavadora Maquinaautopropulsadasobreruedasocadenasconunasuperestructura capazdeefectuarunarotacióndealmenos360°,queexcavaocarga,eleva,gira,y descargamaterialesporlaaccióndeunacucharafijadaaunconjuntodeplumay balancínobrazo,sinqueelchasisolaestructuraportantesedesplace. (UNE115‐405‐88/ISO6165)  Miniexcavadora Maquinaautopropulsadasobreruedasosobrecadenasmetálicasodegoma, conunasuperestructuracapazdeefectuarunarotacióndealmenos360°,queexcava ocarga,eleva,gira,ydescargamaterialesporlaaccióndeunacucharafijadaaun conjuntodeplumaybalancínobrazo,sinqueelchasisolaestructuraportantese desplaceyconunpesonosuperioralos6000kg.  Retroexcavadora Maquinaautopropulsadasobreruedasconunbastidorespecialmentediseñado quemontaalavezunequipodecargafrontalyotrodeexcavacióntraserodeforma quepuedeserutilizadoalternativamente.Cuandoseempleacomoexcavadora,la maquinaexcavanormalmentepordebajodelniveldelsuelomedianteunmovimiento decucharahacialamaquinayeleva,recoge,transportaydescargamateriales mientraslamaquinapermaneceinmóvil.Cuandoseempleacomocargadora,cargao excavamediantesudesplazamientoyelmovimientodelosbrazo,yeleva,transportay descargamateriales. (UNE115‐405‐88/ISO6165)     Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 6 -  1.2.2.Trabajarconunaexcavadora Capitulo1:Introducción. Quierodarenestaspáginasunavisióngeneralqueencuadreycentrelas técnicasdemanejodelasexcavadorasdecadenas,asícomolaformaderealizar laboresconcretasquesuelenencomendaraestasmáquinas. Porello,eltemacomienzaconunaprimerapartellamada"NormasGenerales" enlaqueseexplicanlosaspectosfuncionalesdelasexcavadorasydondesacamos conclusionesparasumanejo,paraluegoseguirconelestudiodelosprincipales trabajosdelaexcavadora. Estoesunestudiogeneralquesepuedeaplicaratodaslasmarcasde excavadorasengeneral. Capitulo2:Normasgeneralesparatodoslostrabajos. o Lasdosfranjasdeterrenosobrelasqueseapoyanlascadenasdebenestar horizontalesyanivel;sielterrenonoloestá,laexcavadoraseprepararásu propiabasedeapoyoenhorizontal.  o Sielterrenoenqueestásituadalaexcavadoraesunplanoinclinado,por ejemplounaladera,lasuperestructuratenderáagirarsobresueje,demodo queelpesodelamismaquedehaciaabajodelapendientedelterreno.Esto dificultalaexcavaciónyaquehayqueestarretocandoelgirodela superestructuracontinuamente,yfrenándolapuesnoesconvenientequeel cazogolpeecontralasparedesdelazanja.Además,silaexcavadoranoapoya sobreunabasehorizontal,lazanjanoquedaravertical,sinoperpendicularal terrenoyunpocoinclinada,conlaparedaltadelamismazanjamuypropensa adesprendimientos.  o Tambiénalgirar360ºenterrenoinclinado,laexcavadorapuedeperderla estabilidadyvolcarhaciaabajo.Todosesosproblemasprocedendequeenla excavadora,elcentrodegravedaddelapartegiratoria(superestructuramás pluma)nocoincidenuncaconelejedegirodelamisma,yporlotanto,en cuantoelrodajeestémínimamenteinclinadoseproduceunpardefuerzasque tiendeagirarlasuperestructuraalaposicióndeequilibrioestable.Larazónde quenocoincidaelcentroconelejeesque,pormuybienestudiadosqueestén lospesosdelaspiezas,sinembargolapluma,balancínycucharasonmovibles, loquehacevariarcontinuamentelaposicióndesucentrodegravedad. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 7 -  o Laconvenienciaonodenivelarsupropioterrenodeapoyoantesdelos desplazamientosparciales,segúnsedijoantes,dependedeltiempoquelleve hacerestaoperación.Muchasvecesleresultafácilalmaquinistagirarla superestructuraunpocomáscuandohallenadolacuchara,ydescargaralgode tierraenlafranjadeterrenoporlaquevaairlacadenamásbaja,yconelloya trabajaráconlamáquinaenhorizontal.  o Cuandoseestállenandolacuchara,sedebehacerfuerzaúnicamentehaciala excavadora,ohaciaafuera,esdeciralejaroacercarlacuchara,peroenningún casosedebehacerfuerzalateralmenteconelcazo;lacucharadebemoverse enunplanoquepaseporelejedelaexcavadorasolamentehaciaadelantey haciaatrás,ocerrandoyabriendoelcazo.Mientrasestáencontactoconel terreno,elpalistaapenasaccionaráelgirolosuficientepararectificarla posición,porejemplocuandolasuperestructuratiendaagirarsehaciaunlado. Unavezquesehallenadoelcucharón,sísedeberealizarelgiroylaelevación delapluma,aperturadebalancínetc.  o Larazóndeestanormaesque,apartedequelaexcavadorapuedehacermuy pocafuerzalateralmentedebidoalgranbrazodepalancadesdelacucharaal ejedegirodelasuperestructura,yporlotantonoesefectivaparaesta finalidad,ademássesometealosbulonesdearticulacióndelimplementoaun esfuerzodetorsiónparaelquenoestándiseñados,asícomoalosengranajes reductoresdelgiroyalpropiomotordegiro.Esteesundefectodemanejo bastantecorriente,quepuededarlugaraaveríasalargoplazo.  o Tantoenlaversiónretrocomolafrontal,hayquetratardequeelrodajeesté posicionadodemodoquelasgarrasdelastejasquedenperpendicularesala direcciónenqueseestáexcavando,paraunamáximaadherenciaalterrenoy paraimpedirelarrastredelamáquina.Entrabajosconequiporetro,por debajodelniveldelterrenoenquesesitúalamáquina,lapropiacucharahace quelascadenassepeguenmásalterreno,conloqueesdifícilquepatinela excavadora.Porelcontrario,siseexcavalateralmenterespectoalrodaje,es fácilquelamáquinaresbalealcoincidirladireccióndelasgarrasdelastejas conladirecciónenquesehaceelesfuerzo.  o Elrodajedebeposicionarseparaexcavacióndemodoquelaruedaguíaquede delante,máspróximaalpuntodeexcavación.Lasuperficiedelaruedaguíaes planaymásanchaquelaruedacabillayapoyasobreloseslabonesdela cadenaenunagransuperficie;porelcontrario,sieslaruedacabillalaque Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 8 -  quedamáspróximaalpuntodeexcavación,losesfuerzosqueseproducen sobreellapuedensermásperjudicialesquesobrelaruedaguía.(Larueda cabillasoloapoyasobreloscasquillosdelacadena).Hayquetenerencuenta quedurantelaexcavación,aunqueelrodajeesteencontactoentodasu longitudconelterreno,ellonoquieredecirquelapresiónsobreelsuelosea uniformealolargodeél,sinoqueseconcentramásenlapartemáspróximaa laexcavación  o Enelciclodetrabajo,encadacucharadescargadahayquetratardereduciral mínimoelgirodelasuperestructuraparadescargarlatierra.Sonángulosde gironormaleslosquevande40a60grados.Ángulosmenoressondifícilesde conseguir,yángulosmayoresindicanuntrabajomalrealizadoomalpensado.  o Loscilindrosdetrabajo,losquerealizanelesfuerzodeexcavar,sonelbalancín yelcucharón.Accionarloscilindrosdeelevacióndurantelaexcavaciónsuele producirelcabeceodelamáquina,yademástienenpocafuerzade arrancamiento.Sonmásbiencilindrosdeposicionamientodelapluma. o Loscilindrosdelbalancínydelcucharónrealizanelmáximoesfuerzode arrancamiento,paraunamismapresióndeaceiteenelcircuito,cuandoactúan conmáximobrazodepalancarespectoalpuntodegiro,esdecircuandola partealtadelbalancínformaángulorectoconlaplumaycuandolabieladela cinemáticadelacucharaesperpendicularalbalancín,respectivamente.Esto quieredecirque,dentrodelalcanceteóricodelaexcavadora,hayunazona óptimadetrabajo,queeslazonaenquesemuevelacucharacuandola posicióndelbalancínycucharóneslamáspróximaaladescritaanteriormente.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 9 -  Sepuedesimplificardiciendoquelaposiciónoptimadetrabajoesun metroymedioantesydespuésdelaposiciónverticaldelbalancín.Elloquiere decirquelaexcavadora,cuandozanjaysequieretrabajarenlazonade rendimientooptimo,tienequeirexcavandoentramosdeunostresmetrosde longitud,odichodeotromodotienequeirdesplazándosedetresentres metros.(Estedatoesaproximadoydependedeltamañodelbalancínquelleve laexcavadora).Elalcanceteóricodelaexcavadoraesmuchomayor,no convienetrabajaramáximadistanciaporqueelrendimientobajamucho.Por otrapartehayquetenerencuentaquelostresbulonesdelbalancínnoestán alineadosyporlotantolaposicióndemáximafuerzanoesexactamenteenla verticalsinounpocomáshaciaafuera.Sihiciéramoscoincidirelbulónde articulacióndelbalancínconelcentrodelaesferadeunreloj,lamejorzonade utilizacióndelbalancíniríadelas8alas5horas.  Capitulo3:Normasparaeldesplazamientodelaexcavadora. o Anularelgirodelasuperestructuracolocándolaenposiciónlongitudinalconel trenderodajeyfijandoelbulóndeanulacióndegiro.Asínocabeelerrorde accionamientodelgiro,loquepuedeserpeligroso.Además,estamaniobrase completaconelaccionamientodelfrenodegirodeestacionamiento. o Desplazarsesiempreconlaruedaguíadelrodajeenposicióndelantera(estono valeenlosdesplazamientoscortosquesehacenenzanjado).Enel desplazamientodelasexcavadorasdecadenassonaplicablesalrodajelas mismasnormasquevalenparalostractoresdecadenas,porejemploquelos desgastesenmarchaatrássonmuchomayoresqueenavance,peroconla particularidaddequeparaunmismotamañodecadenasderodajela excavadorapesamásdeldoblequeeltractordecadenas. o Normalmenteelfuncionamientodelfrenodetraslación,queinmovilizalas cadenas,esapruebadeerrorensumanejo.Eselpropiopedaldelmandode traslaciónelqueensuprimerapartederecorridoactúasobreelfrenode traslaciónquitándolooponiéndolo.Porsupuestolacapacidaddefrenadodela excavadoraessuficienteparainmovilizarlascadenasencualquierpendiente enquesepuedasituarporsímisma. o Lostrasladosdelaexcavadoradebenserreducidosalmínimo.Elrodajede estasestádiseñadoparaofrecerunbuenapoyoalamáquinayparamoverse ellamismadeunsitioaotro,peronoestáconstruidopararecorrergrandes distancias,ymenostrabajarcomomáquinadeempujeoderemolque.Elrodaje Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 16 -  Capitulo6:Manejodecargas Laexcavadorahidráulicaesutilizadafrecuentementecomogrúa,trabajoalcual seadaptaperfectamente.Enparticular,laexcavadoradecadenaspuedetransportar,a pequeñasdistanciasydentrodelaobra,pesadoselementosdeconstrucción,ycon ventajasobrelasderuedasyaqueesmuchomásestable.Lascargasquemanejala excavadorasonconfrecuenciatubosdehormigón. Lacargaquepuedeelevarunaexcavadoradependedelossiguientesfactores: o Elpesodelamismaylasituacióndesucentrodegravedad. o Ladistanciadelcentrodegravedadalpuntodelrodajealrededordelcualse iniciaríaelvuelco.Secomprendeque,segúnlaorientacióndelapluma,la cargadevuelcoserámáximacuandolaplumaestáorientadahaciaadelanteo haciaatrásymayortodavíacuandoesteorientadaunpocoladeadaconel pesosobrelaruedaguía. o Lahorizontalidadolainclinacióndelterrenodondeseencuentralamáquina. o Lamayoromenoraperturadelbalancín. o Lacapacidadhidráulicadelamáquina. Lasnormasaseguirenmanejodecargassonlassiguientes: o Úsensecablescortos,demodoquelacargaoscilepoco. o Manténgaselacargacercadelsuelo,justamentedespegadadeél. o Nodebeizarseunacargapesadaabasedeestirarelbalancínasumáximo alcance.Esmejorquelaexcavadoraseaproximealacarga. o Almanipularlascargas(tubosuotras),nosedebepasarconlacargapor encimadepersonas. o Altransportarlacargaestásedebellevarlomáscercaposibledelamáquinay delsuelo.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 17 -  Capitulo7:Excavacionesparaedificación. Lasexcavacionesparacimentacionessonuntrabajohabitualparaexcavadoras hidráulicas.Lasnormasaseguirduranteeltrabajosonlassiguientes: o Empezaraexcavarporlapartequehadequedarmásbaja,parapermitirquesi llueveelaguanoestorbelacontinuacióndelaexcavación,demodoqueel puntodeexcavaciónesteseco. o Lomásprácticosiesposibleconsisteenhacerelarranqueylacargaalmismo tiempo. o Laexcavaciónseempiezaporunaesquina,dejandoelmontónalaizquierdade lamáquinayquedandolazonadeexcavaciónaladerechadelamisma. o Dejarlasesquinasdelaexcavaciónlibresdetierrasparadepositarmateriales deconstrucción. o Ponerelejedelaexcavadoraparaleloalapareddelaexcavación,demodoque sepuedaperfilarelplanodelamismacontodafacilidad        Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 18 -  Capitulo8:Trabajosconelmartillohidráulico. Partedeestecapítulosetrataenelapartadodedicadoalosmartilloscomo implementodeunaexcavadora,conloquesolamenteserepasaranalgunascosas. Aplicaciones: o Construccióndecarreteras;pararomperelpavimento. o Minería;parataqueodebloquesgrandesproducidosenvoladura. o Enderribosdeedificiosydecimientos. o Obrasdecanalesodeconducciones,paraabrirzanjasenterrenosrocososo dondenosepuedanutilizarexplosivos. o Enmineríasubterránea,paralimpiezadetechosysaneamientodegalerías. o Colocacióndepilotajesporpercusión,queseintroducenporimpactosobreel terreno. Debetenersepresentelosiguienteeneltrabajodelmartillo: o Nuncadebeaccionarseelmartilloenvacío,sinoapoyandopreviamenteel punteroenlasuperficiequesetrateydejandoelpesodelimplementosobre estasuperficie. o Unavezfragmentadalaroca,déjeseinmediatamentedeaccionarelmandodel martillohidráulicoparaqueestenogolpeeenvacío. o Elpunterodebequedarlomásperpendicularposiblealarocaquesepretende fragmentar,paraqueelimpactosealomásefectivoposible. o Hayqueprocurartambiéngolpearenelcentrodelaroca,sinoestasegirara sobresimismaperdiendoeficaciaeltrabajo.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 19 -  1.2.3.Característicastécnicas. Capitulo1:Principiosdediseño Alahoradeplantearseeldiseñodeequiposdeconstruccióndebemos tenermuyclaroquelamaquinaencuestióndeberácumplirunosprincipiosde diseñocomo: I. Fiabilidad. II. Duración. III. Productividad. IV. Confort.  Capitulo2:Componentesdelaexcavadora. Unaexcavadorahidráulicaestáconstituidaporunbastidorprincipalalquese unenelsistemadedesplazamiento(rodajeoneumático),unacoronadegiro,una superestructuraquemontalaplantamotriz,lacabinayelequipodetrabajoformado porunapluma,unbalancínyuncucharón. Pasamosadescribirenmayorprofundidaddequeelementosestá compuestaunaexcavadora,paraellodividiremoslamaquinaentresgrandes grupos: o Trenderodaje. o Bastidor o Superestructuraounidadgiratoria. o Órganodetrabajo  Trenderodaje: El24denoviembrede1904seensayóelprimertractordecadenasdemarca Holt.Lapruebaconstituyounéxitorotundoquediolugaraqueinmediatamentese popularizaseelsistemaporlagranatenciónprestadaporlaprensadelaépoca. Hanpasadocasicienañosdesdesuinvenciónyelsistematodavíapervive, aunquealolargodelosañossuscomponentesyfuncioneshanidocambiandoy adaptándosealasnuevastecnologíasynuevasnecesidadesderendimientoy produccióndelasmodernasmáquinasdemovimientosdetierras. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 20 -  Actualmentevariosmodelosdemáquinasmontantrenesderodaje, (excavadoras,buldóceres,cargadorasdecadenas,tractoresagrícolas,etc.).Existen diferenciasentreunasaplicacionesyotrasyentreunasmáquinasyotras,peroeneste artículovamosahablardeloscomponentesgeneralesdelosrodajesysu funcionamiento.  Aspectosatenerencuenta: o Flotabilidad:seleccionarlalongituddecadenaencontactoconelsuelo ysuancho o Estabilidad:seleccionarelanchoylongituddeltrenyunbuenreparto demasasquegaranticeestabilidad. o Máximatracción:seleccionarlazapatasygarrasapropiadasparael movimientodelamaquina. Componentes: o Eslabones.Eslapartequesirvedeuniónalconjuntodelacadenaysobrela cualsedeslizalamáquina.Llevadosperforacionesenlosextremosdondese alojanlosbulonesyloscasquillos.Porunladollevaelrielqueesdondese deslizanlosrodillosparaelmovimientodelamáquinayporlaotrallevados taladrosdondeseatornillanlastejasdelamáquina.    o Pasadoresobulones.Vanalojadosdentrodelcasquilloytienendosfunciones: Mantenerunidouneslabónconelsiguienteyarticularlacadenahaciendode bisagra. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 21 -  o Bujesocasquillos.Sirvendealojamientoalosbulonesyeselsoportepor dondelasruedasdentadasocabillasefectúanlatracciónparamoverlacadena. o Zapatasotejas.Constituyenlasuperficiedecontactodelamáquinaconel suelo,vanatornilladasaloseslabonesdecadena. o Rodillosinferiores.Tienendosfunciones:Primerosoportanelpesodela máquinayluegosirvendeguíaaldeslizamientodelascadenas.Suelenserde dostipos:pestañadobleopestañasencilla.Estosúltimosseusanmáscercade lasruedascabillasyruedasguíasparaquenointerfieranconestas.Losde pestañadoblesecolocanenelcentroparaquemaximicenelefectoguíadela cadena.   o Rodillossuperiores.Sirvendesustentoyguíaalacadenaensupartesuperior. o Ruedasmotricesocabillas.Sonlasruedasdentadasquetransfierenlascargas deimpulsióndelmandofinalaloscasquillos.puedenserenterasdeunapieza odevariaspiezasatornilladasparafacilitarsureposición. o Ruedastensorasoguías.Guíanlasalidayentradadelacadenaenlosrodillos inferiores,soportanelpesodelacadenaycontrolanlacombaylatensióndela misma.   Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 22 -  o Proteccionesinferiores.Alolargodeltrenderodajeensuparteinferiorse puedenmontarunasproteccionesquetapanlaentradadematerialsuelto entrelosrodillos. Lascadenaspuedenllevarensuinterioraceitelubricantequecerrado convenientementeporretenesevitaeldesgasteinternodelasmismas,loquepermite laprolongacióndesuvidaútil,puestoqueloscasquillosdespuésdegastarseporuna desuscarasesposibledesmontarlosygirarlosparaobtenereldobledehorasde servicio. Habitualmentelascadenasdeexcavadorasuelenserdetiposeco,esdecirsin lubricaciónyelrestodelasmáquinashabitualmentesuelenllevarcadenaslubricadas. Lasruedasguías,rodillosinferioresysuperiorestienenlubricaciónpermanente poraceiteinternamente. Cadenas: Lostractoresderuedasconpropulsiónavaporfueronlamaravillaensudía. Fácilmenteremolcabangrandescargas,locualimpresionabaamuchagente. Elfracasodeestasmáquinasfuequeconfrecuenciaseatascabanensuelos blandosobarrososcosaporotrapartehabitualenlosprimerosañosdelsiglopasado enelcualnoexistíanlasinfraestructurasdecarreterasasfaltadasyfrecuentementelos caminosestabanencharcadosydeslizantes.Enmuchoscasossepodíanpasardías enterosdesatascandounodeestosgigantesdesuprisióndebarro. En1904seensayóelprimertractordecadenasdemarcaHolt.Lamáquina cosechóunéxitorotundotrabajandoensuelosblandosdondehabíanfracasadolos tractoresderuedas.AcausadelaaparienciadelaprimeramáquinadeHoltde cadenasyalhechodequeparecíaarrastrarseporelsuelo,losclientescomenzarona llamarlasorugas,yseacuñopocotiempodespuéslamarcaregistrada"Caterpillar". Estamarcahaestadopresenteenelnegociodetrenesderodajedesde1925, cuandoBenjamínHoltyDanielBestseunieronparaformarlacompañía. HistóricamenteCaterpillarhasidolacompañíalíderconnuevatecnologíayconceptos endiseñosdetrenesderodaje.PorejemplosoninnovacionesdeCaterpillarlos segmentosderuedamotrizatornillables,eslabonesmaestrosdedospiezas,sellos dúo‐conepararodillosyruedastensoras,cadenaconbujesrotatorios,rodillosde lubricaciónpermanente,eslabonesconrefuerzocentral,etc.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 23 -  Tiposdecadenas: Losactualestrenesderodajeutilizadosenlamaquinariaseclasificanenvarios tiposdependiendodelsistemabulón‐casquillo(vercomponentes)queseuse. Losprimerosrodajesqueexistieroncontactabandirectamentemetalcontra metalentreelbulónyelcasquillo.Conelgirodelascadenasamboscomponentesse desgastabanhastaelpuntodedestrucciónenuncortoperiododetiempo.Lasuciedad seintroducíaentreelbulónyelasquilloyacelerabaelprocesodedestrucción. Ademáselcontactodelcasquillocontralaruedacabillaproducíatambiénundesgaste exteriorenelcasquillo.Porotraparteloseslabonessedesgastabanencontactocon lasruedasguíasylosrodillosinferioresysuperiores. Mástardeseintrodujounreténqueimpedíalaentradadesuciedadentrelos bulonesyloscasquillosloqueretardabaeldesgastequeseproducíaenelconjunto.A estetipodecadenasselellamacadenasellada.Sonlascadenasquevemos habitualmenteencasitodaslasexcavadorasdecadenas. Unavariantedeestesistemaloconstituyenlascadenaslubricadascongrasa queesunacadenaselladaenlaqueseleintroducegrasaenelinteriorenelmomento delmontaje.Loutilizanalgunascasascomercialesúltimamenteensusexcavadoras. Acontinuaciónsecambióelsistemaderetenesyseintrodujoaceiteentreel eslabónyelcasquillo.Sonlascadenasselladasylubricadas.Conestoseconsigueque eldesgasteinternoentreelbulónyelcasquilloseaprácticamenteinexistente, prolongandolavidaútildelconjuntodelascadenaspasandoasereldesgasteexterno deloscasquilloselfactorcríticodedestruccióndelacadena.Estetipodecadenas selladasylubricadasrequierennormalmenteunmantenimientoalamitaddesuvida útil.Sedesmontatodoelconjuntoyalmontarlodenuevosegiranloscasquillos180 gradosdemaneraquelapartemásdesgastadapasealladocontrario,conloquesiel desgastedeleslabónlopermitesedispongadeun50%másdevida.Esnecesarioun seguimientodelrodajeparadeterminarelpuntoenelcualesnecesarioel mantenimiento.Estetipoderodajesseusannormalmenteenpalasdecadenas, buldócer,tiendetubos,etc.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 24 -   Unpasomásadelanteloconstituyenlascadenasdecasquillogiratorioquees elúltimoinventodeCaterpillar.   Estetipodecadenasademásdeserselladasylubricadasllevanundoble sistemaderetenesquepermiteelgirolibredeloscasquillosalentrarenlaruedade tracciónoruedacabilla,conloqueseevitaeldesgasteexternodeloscasquilloscomo factorcríticodedestrucciónyademássedescartaelmantenimientodelascadenas conelconsiguienteahorrodecostes.Estesistemaporsuscostesseaplicasolamente enbuldócerdemomento.Esteinventoposiblementeenunospocosaños revolucionarálostrenesderodajedelamaquinaria,modificandoposiblementela conexióndetodosloscomponentesdelsistema.Actualmenteexistenmuypocas máquinasenelmercadoconestetipoderodajes,perononoscabelamenordudade queelfuturollevaestecamino. Losrodillosinferiores,superioresyruedasguíasllevantambiénaceiteenel interiordesusejesparaevitareldesgasteprematuro. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 25 -  Factoresqueinfluyenenelmantenimientoderodajes: Lostractoresypalasdecadenasasícomolasexcavadorasdecadenastienenen comúnelrodaje,peroenelcasodelosdosprimerosestecomponentesuponeun costemuyelevadoenelcostohorariodelamaquina,mientrasqueenelcasodelas excavadorasdecadenasaunsuponiendotambiénuncoste,esteesmuchomenor dadaslascaracterísticasdefuncionamientodecadaunadelasmaquinas. Generalmenteentractoresypalascargadorasdecadenassesuelenutilizarlos rodajesconlubricaciónpermanentedesusistemadebulonesycasquillos,mientras queenlasexcavadoraselsistemavamontadoenseco,aunquelatendenciageneralen estosmomentoseseldelubricardeformapermanentelosrodajedeexcavadoracon grasa.Enelcasodelosprimeroscomosepuedesuponerescríticoelqueelaceiteque lubricaelinteriordelrodajeseconservedentrodelmismoelmayortiempoposible, paralocualestosrodajesestándotadosdeunosretenesqueimpidenlasalidadel aceitealexterior.Enlasexcavadorastambiénllevanretenesaunquesuutilidadestá másbienorientadaaevitarlaentradadematerialesdentrodelcasquillo‐bulón,conel findequeestosmaterialesnocontribuyanaldesgastedeloscomponentesinternosde lacadena. Comoconsecuenciadelasdiferentesformasdetrabajardeunasmáquinasy otras,yasehadichoquelainfluenciadelrodajeenelcostohorariodelamáquina, puedeserimportante. Teniendoencuentaestasconsideraciones,sevaatratarenestaslíneasdel mantenimientodelosrodajesdelostractoresypalascargadoras. Haytrestiposdefactoresqueinfluyenenelmantenimientodelostrenesde rodaje:Factoresnocontrolables,factoresderivadosdelaformadetrabajodela máquinayfactorescontrolables. Factoresnocontrolables. Sonaquellosenlosquenotenemosningunainfluenciaduranteeltrabajoyque puedenmantenerseconstantesovariarsegúnsevayaavanzandolaobra,sonentre otroslossiguientes: o Impactodelmaterialenlascadenasquedependedelestadodelterrenoyla fragmentacióndelmismo. o Humedaddelterrenoquevaríaenfuncióndellugarenquesetrabaja. o Abrasióndelmaterial,dependedeltipodematerialenqueseestétrabajando, existeunagrandiferenciaenteunosmaterialesyotros. o Compactacióndelterreno,siesmaterialsuelto,voladuras,etc. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 32 -  máspróximasalacuchillaquesedesgastenmás.Ensegundolugarelmaterialquese acumulaycompactaentrelaschapasactúadeproteccióndelfondoycontrael desgaste,encasodeestarcolocadaslongitudinalmenteelmaterialseríaarrastradoy desgastaríamáselfondoylaspropiaschapas.   Lafuerzadellenadodelbalancínvienedadaporladistanciaentrelapuntade laplumayeldientedecucharónsumadoelbrazodelbalancín.Ylafuerzadevolteo delcucharónqueesladistanciaentreelcentrodelbulóndepuntadelbalancínyla puntadeldientedelcucharón.Esteaspectopuedeserútilparacompararydistinguir distintasfuerzassobreelcatalogo. Ambasseespecificanenlafigurasiguiente.   Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 33 -  Otrosimplementos: Martillo:Losprincipiosbásicosdelaactuacióndeunmartillohidráulicoyla correspondienteherramienta(pica),consistenentransformarlapotenciahidráulicade lamaquinaenimpactosmecánicos,elmétodopracticovaríasegúnelfabricante. Lamayoríadelosmartilloshidráulicostienencomponentesencomún: o Válvuladistribuidora.‐Controlalosmovimientosdelpistón. o Acumuladordegasomembrana.‐Restauralaenergía. o Cilindroocuerpo.‐Permiteeldeslizamientodelpistón. o Pistón.‐Produceelmovimientodepercusión. Porelprincipiodefuncionamientolosmartilloshidráulicossepuedendividirenlos siguientestipos: o Altapresión.‐Elmartilloaceleraelpistónconlaayudadeunacumuladorde altapresióntipomembrana. o Altapresión+Gas.‐Ademásdeunacumuladordealtapresión,llevaun acumuladordenitrógenoalrededordelacabezadelpistón;esterecibeparte desuenergíadelgasypartedelacumulador. o Presióndegas.‐Elmartillosolorestauralaenergíaconunacumuladordegas. o Bajapresión.‐Elmartillollevauncircuitodepresiónindependiente,quese regulaconunaválvuladecontrol.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 34 -  Acontinuaciónseindicanloscomponentesycaracterísticasquecomponenunmartillo dealtapresión. 1) Amortiguador:Evitaelretrocesoyabsorbenlosimpactosde choquesobrelamaquinayelmartillo. 2) Acumulador:Generalmentellevaunamembranatipo diafragma. 3) Válvulashidráulicas:Controlanlapresiónhidráulica. 4) Tirantes:Sujetanloscomponentesprincipalesunidosy alineados. 5) Portajuntas:Sirvenparasituarlosretenesqueevitanlas fugas. 6) Frenohidráulico:Amortigualosgolpesenvacíoyevitael contactometalcontrametalentrelacamisayelpistón. 7) Carcasa:Protegeloscomponentesdelosimpactosexternosa lavezquesirvedesoporteatodoelconjunto. 8) Conduccionesdeaceite:Permitenelpasodeaceite interiormente. 9) Pistón:Produceelmovimientoylapotenciaquesetrasmitea lapica. 10) Camisa:Controlalosmovimientosdelpistón. 11) Placasdedesgaste:Estánsituadasenlascuatroesquinasdelacélulade potenciaysumisiónesamortiguarlosimpactosyreducirelruido. 12) Casquillosuperior:Sirveparaguiarlapartesuperiordelapicayalinearlaconel pistón. 13) Pasadorderetención:Sujetalapicaensusitioduranteelfuncionamientodela herramienta. 14) Casquilloinferior:Guíalapicaensuparteinferior,estásujetoaimportante desgaste.Esconvenientequeseafácildecambiar. 15) Pica:Eselelementoqueefectúaelimpactocontraelmaterial.Generalmente eselcomponentequehayquecambiarmásamenudo. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 35 -  Haydosformasdeefectuaroperacionesconlosmartillos: a) Porpenetración. b) Porimpacto. Penetración. Trabajosenzanjas,hormigón,excavaciónmasiva.Sedebeusarcomoherramienta picasdetipocincelotipolápiz.Elmaterialseráblando,estratificadooplástico. Impacto. Pararomperpiezasdetamañograndeencanteras,sedebeusarpicasromasen materialesduros,quebradizosyabrasivos. Posicióndelamáquina: Nosedebetrabajarhacialosladosdelascadenasdelamáquina.Laoperación hacialosladosdalugaracargastorsionalesenlacadenaopuestaalladodetrabajo pudiendoprovocardañosimportantesenelbastidordelamáquina. Sedebetrabajarsiempreconloscilindrosenposiciónintermedia,esdecirel cilindrodelbalancínyeldelcucharóndebendeestarconaproximadamentelamitad delvástagofuera.            Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 36 -  Métodoscorrectos: Sedebepararsiempreelmartilloantesdequeelmaterialcolapse.Losgolpes envacíoprovocanmuchodesgasteyaveríasprematuras. Nuncasedebegolpearmásde15segundosseguidosconelmartillo.Siel materialnoserompecoloquelapicaenotraposiciónunaveztranscurridoeste tiempo.Altrabajarmuchotiempoenunsolopuntoseproduceunabolsadepolvoque provocaamortiguacióndelimpacto,calorydesgasteprematurodelapicayelmartillo. Mantengaelmartillosiempreenunángulode90°conrespectoalmaterialque sequiereromper.Efectúepresiónsobreelmaterialaromperperonoexcesiva. Nosedebehacerpalancaconlapicaenterradaenelmaterialniempujarla mismaenunángulodistintodelrectoconrespectoalmaterial.Lapicaesdeunagran durezaperoestambiénmuyfrágil.Cualquierpequeñoesfuerzodelamismaenotro sentidoquenoseaeldetrabajodarálugarasurotura. Silatemperaturaesinferiora20°Cbajocerosedebecalentarelmartilloyla picaantesdetrabajar.Latemperaturadelaceitehidráuliconuncadebesobrepasarlos 80°C. Engancherápidomanual:Esimportantecuandosepiensaencompraruna nuevaexcavadoratenerencuentacualeseltrabajoparaelcualsevaautilizardeuna formahabitual,peronoesposibleenlamayoríadeloscasosestarelcienporciendel tiempotrabajandoconelmismoimplemento.Aunqueseusesiemprecucharónserá deunauotramedidadependiendodeltrabajoqueserealice,otrasvecessedebeusar martilloparapicaryluegocucharónparaextraerelmaterial,etc.Teniendoencuenta esto,esconveniente,pensarenlanecesidaddequelamáquinamontedeorigenun acoplamientorápido,quenospermitacambiarrápidamenteysinesfuerzodeun cucharónaotro,odeunimplementoaotro.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 37 -  Existenenelmercadoactualmentedistintosacoplamientosrápidospara excavadorasloscualessepuedenclasificarbásicamenteendostipos: Acoplamientosdebulonesyacoplamientosdeplaca.Ambospuedenmontarse opcionalmenteenlaexcavadoraparaquelaaperturaycierredelosmismosseefectúe mecánicamenteencuyocasoserequierequeeloperadordesciendadelamáquina paraquitaryponerlatraba,obien,hidráulicamentedemaneraquelatrabasemaneja desdelacabinapormediodeuninterruptor,sinnecesidaddedescender,salvoenel casoqueserequieralaconexiónmecánicadelatiguillosotuberíascomoeselcasode losmartillos. Losacoplamientosdebulonessecaracterizanporquenoesnecesarianinguna reformadelosimplementosodelossoportesdelosmismosqueutilizalaexcavadora, yencualquiermomentosepuedesustituirdirectamenteelacoplamientoporelpropio implementosinmásproblemaqueeldesacarymeterlosbulones.Generalmente estosacoplamientotienenunpreciomásasequiblequelosdeplacas,porqueestos últimosrequierenunareformaenlosacoplamientosoenlossoportesdelos acoplamientosparaadaptarlosalnuevosistema,locualencarecebastantela operación.  Losacoplamientosdebulonesalllevarcuatrobulonespresentanundesgaste doblequeconstituyeelprincipalproblemadeestos,asícomoelhechodeque aumentanlalongituddelbrazodebalancínconlaconsiguientepérdidadefuerzade arrancamientodelamáquina. Losacoplamientosdeplaca,ademásdesumayorprecio,tienenel inconvenientedequelosimplementosnosepuedenutilizarsinelacoplamiento.Se caracterizanpornecesitar,comoyamencionéanteriormente,unaadaptacióndelos cucharonesydemásimplementosdelamáquina.Porotrapartegeneralmenteno Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 38 -  aumentanelbrazodebalancínalestarestudiadosdeformaquesugrosornosea mayorqueeloriginalocupadoporlasorejetasdelcucharónestándar.Suelenvenir montadosporfabricantedelamáquinayadoptandistintasvariantesenfuncióndela soluciónadoptadaporcadamarca.Engeneralnopresentandesgastedobledebulones puestoquesolollevanunjuegoysediseñandeformaquenolesafectenlosdesgastes derivadosdeltrabajo.Sonengeneralmáseficacesquelosdebulones.  Lasventajaseinconvenientesdeunosyotrosquedanexpuestasyadoptaruna soluciónuotraseveráenfuncióndelosinteresesdecadatrabajo.Espuesmuy importantecontemplarlaposibilidad,cuandoseadquiereunanuevaexcavadora,de montarunacoplamientorápido. Hoyadora:Lasposibilidadesdeutilizacióndelashoyadorassonmúltiples.Ideal paralaplantaciónenlasexplotacionesguardabosques,eljardínyenlacreacióndel paisaje,paralacolocacióndelospostesyparalaperforacióndelascimientos.   Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 39 -  Capitulo3:Característicastécnicasdelaminiexcavadoraadiseñar. Estetipodemaquinastienenlacapacidaddepodercruzarunapuertaestándar de762mmdeancho,superandoladificultaddellegarazonasdedifícilacceso. Puedenserllevadasdentrodeedificios,áreasconespaciolimitadoyjardines. Unavezquesehayatransportadolaminiexcavadoraallugardetrabajo,se compruebaquesetratademáquinasdetamañoreducidoperoconelevado rendimiento,quepuedenrealizarlostrabajosmásdifícilesenlosentornosmás adversosydisponendeunaexcelenteestabilidadycapacidaddeelevación. Estetipodeexcavadorahasidodiseñadapensandoenelconfortylafacilidad deuso,yhacenquecualquierpersonapuedautilizarlasdeformaseguraconrapidezy facilidad.  Característicasmásdestacables: ‐ Eltamañocompactoyunmínimovoladizopermitensuutilizaciónenáreascon limitacionesdeespacio,interiordeedificiosycontraparedes. ‐ Reduceeltiempoylamanodeobranecesarios(sólountrabajadormáslamini excavadora)paratrabajosdeexcavaciónintensivos ‐ Eldiseñodeplumatubularmantienesupesoreducidoynoshapermitidopasar lasmanguerasatravésdesuinterior,locualsuponeunaprotecciónañadida contraposiblesdañosduranteeltrabajo. ‐ Laampliagamadeaccesoriosaumentalaversatilidaddeestasmáquinas ‐ Sutransporteenunremolquepermiteundesplazamientomásrápidoentre lugaresdetrabajo ‐ Enrelaciónasumantenimiento,lascomprobacionesdeserviciodiariasson rápidasysencillas. ‐ Losdepósitosdecombustiblede11,5litrospermitentrabajarundíacompleto sinrepostar. ‐ Sucomodidadyfácilcontrolpermitenquecualquierapuedautilizarlas máquinas. ‐ Lapinturadelaexcavadoraesenbaseapolvoepoxi,estaesunaresina formadapordoscomponentesyuncatalizador,lacualesmuyresistenteala intemperieyademásactúacomoanticorrosivo.Lascargaselectromagnéticas queposeeestepolvohacenquelasmaquinasseanvistashastaenlaszonas Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 40 -  másinaccesibles,elprocesodecoccióndelapinturaaseguraunacabadoliso resistenteyduradero. Porúltimodecirquetambiénofrecenexcelentessolucionesparaempresasde jardinería,reurbanización,mantenimientodeterrenosyentusiastasdelbricolaje. Graciasasuampliagamadeimplementosentrelosqueelegir(cazos,hoyadoras, zanjadoras,garras,etc.),sonperfectasparadocenasdeaplicacionescomopor ejemplo,graciasasupesoligeroylabajapresiónsobreelsuelo,sonidealesparala nivelacióndelterreno,sincompactar,antesdeprocederconlacolocacióndelcésped.                  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 41 -  1.3.Cálculosanalíticosysimulacióndemovimiento. 1.3.1.Hipótesisdetrabajo. Enlafigurasemuestraunesquemadelaexcavadoraacalcular,reflejaunpre diseñobasadoenunmodelocomercialdeminiexcavadora,yaexistente.Lascarreras deloscilindroshansidoestimadasapartirdedichomodelo,siendolacarreradelos cilindrosuno,dosytres,380mm,350mmy380mmrespectivamente.Loscilindros hidráulicossonalimentadosaunapresiónnominalde160bares. Tantolaunióndelaspiezasprincipalesentressicomolaunióndeloscilindros condichaspiezas,serealizamediantepasadores. Lasfuerzasdevolteo,arrancamientoyelevaciónhansidodefinidaseneldiseño previoysonlassiguientes.Lafuerzadevolteodelacucharaes7,5KN,lafuerzade arrancamientodelbalancínes3,5KNyporúltimolafuerzadeelevaciónejercidaporla plumaesde2KN.  ,500 ,350 ,3  Teniendoencuentalascaracterísticasdelosmaterialesutilizadosencada elementodelsistema,asícomoloscoeficientesdeseguridadexigidossegúnlateoría decortantemáximo,sehadedeterminarlossiguientespuntos: a. Fuerzaquedebenrealizarloscilindros. b. Dimensionesdeloscilindroshidráulicos: o Diámetrodelpistón. o Diámetrodelvástagoapartirdegráficos. c. Caudaldelabombadealimentaciónnecesariaypotenciadelmotorde accionamiento. d. Diámetrodelospasadores. e. Anchuramínimaorejetas. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 48 -   Paraestaposición,enlacualseproduceelmáximoesfuerzodearrancamiento, elcilindro1encargadodelaelevacióndelaplumanoejerceningunafuerza.Sin embargoenestaposiciónlareacciónenelbulóndeunióndelaplumaconelsoporte plumaesmáxima. Diagramadesolidolibrepluma:figura4    Equilibriodefuerzas: ΣFx=041910,842307  84217,8 ΣFy=014958,54  85536  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 49 -  Enlasiguientefigurasemuestralaposiciónenlacualelcilindro1,cuyamisión eslaelevacióndelapluma,ejercefuerzamáxima.Enelmomentodeelevaciónlos cilindros2y3noactúan.     Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 50 -  1.3.4.Calculoinstalaciónhidráulica Enlaconstruccióndelaminiexcavadoraseusarancilindroshidráulicos comerciales,enestecasohasidoelegidouncilindrohidráulicodelaserieAX‐200de dobleefectoyconculatareforzadaquecumplelanormaISO‐3320,deHidráulica Ferrer,empresaconmásde30añosdeexperienciaenlafabricacióndecilindros hidráulicos. CaracterísticastécnicasdelaserieAX‐200: PRESIÓN: •Mínimadetrabajo=10bar. •Máximadetrabajo=220bar. •Normalenservicio=160bar. TEMPERATURA: •Juntasestándar. ¾ mínima–20ºC. ¾ máxima70ºC. •Juntasparatemperaturaselevadas. ¾ mínima–10ºC. ¾ máxima160ºC. VELOCIDAD: Aptosparatrabajarconvelocidadesmáximasentre6y10m/mín.conjuntas estándaryhasta10m/s,conjuntasespeciales. FLUIDO: Loscilindrossesuministranconjuntasestándarparatrabajarconaceite mineralhidráulico(viscosidadde2a10ºE.A50ºC.),bajodemandapueden suministrarseparatrabajarconfluidosresistentesalfuego(inflamables),comopueden serdeltipoestefosfatooagua‐glicol,paralocualhabríaquecolocarlasjuntas adecuadas.   Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 51 -  GeneralidadesdelaserieAX‐200: CAMISA: ConstruidaentubodeacerodecalidadST‐52,laminadoenfríoconuna toleranciadediámetroH‐8yunarugosidadentre0.3y0.2micras. VÁSTAGO: ObtenidodeaceroF‐114rectificadoycromadoconunatoleranciadeacabado def‐7yunespesordecromode2.5micras.Bajodemandasepuedesuministraren aceroinoxidable,conmáscapasdecromo,etc. JUNTAS: Lasjuntasdinámicascorrespondientesalaestanqueidaddelpistónsonde cauchosintéticomástejido.Sudiseñogarantizasuestanqueidadperfectaysubajo coeficientederozamiento.Lasjuntasestáticassondecauchosintéticoasícomoel anillorascador,elcualestáreforzadomedianteacero.Estasjuntassondetipo estándaryparaunatemperaturadetrabajoentre–20y70ºC.Paracasosespeciales puedencolocarsejuntascuyoslímitessonsuperioresalosindicados. CONEXIONES: LasroscasdelasconexionesdeentradaysalidasondeltipoBSP(roscagas),su posiciónpuedeverseenlaspáginasdelcatálogodimensional. CARRERA: Carreramáximaestándaresde3000mm.Latoleranciadelacarreraeslasiguiente: ¾ 1.5mm.paracarrerasde0a499mm. ¾ 2mm.paracarrerasde500a1249. ¾ 3mm.paracarrerasde1250a3149. ¾ 5mm.paracarrerassuperioresa3150mm. Convenienteañadiralacarreraalgunosmilímetrosrespectoalnecesariopara evitarqueseutilicelacabezadelcilindrocomotopefinaldecarreraorecorrido. DISTANCIADOR: Encilindrosconcarrerassuperioresa1000mmseintercalaundistanciador internoparaaumentarlalongituddeguiadoyevitarsobrecargasenelpistónyenla guíadelvástago. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 52 -  Lalongituddeldistanciadorvariarásegúnlacarrera,siendoaconsejabletener encuentalasiguienterelación: ¾ 50mm.paracarrerasde1001a1500mm. ¾ 100mm.paracarrerasde1501a2000mm. ¾ 150mm.paracarrerasde2001a2500mm. ¾ 200mm.paracarrerasde2501a3000mm. EXTREMIDADDELVÁSTAGO: Loscilindrossesirvenconelextremoroscado,alcualsepuedeacoplarlos siguientesaccesorios: ¾ Horquillahembra. ¾ Charnelamacho. ¾ RótulaINAGIHN...LOoGIHR...DO(bajopedido). Tambiénbajodemandasepuedesuministrarsinroscaoconroscahembra. NOMENCLATURAPARACILINDROSHIDRAULICOSSERIEAX‐200  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 53 -    EnnuestrocasoelegiremoscilindrosS1consujeciónporcharnelatrasera.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 54 -                   Cilindrousadoenlaexcavadora,dobleefecto. Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 55 -  1.3.4.1.Dimensionesdelcilindrohidráulicoydiámetrodelvástago ‐Cilindro1:(elevaciónpluma) A.1.‐Diámetrodelpistón: Setienecomodatolapresióndealimentacióndelcilindro160baresylafuerza deaccionamientodelcilindro1. P=   .    A=  /2857  A=. . =60,31mm Unavezqueseconoceeldiámetroexactonecesario,seseleccionaeldiámetro comercialmáspróximoaesteparaluegorecalcularlapresióndetrabajoque permitatenerlafuerzanecesariaenelcilindro.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 56 -  Segúnlatabla,enestecasolamejoropciónpareceserelcilindrode63mm. Paraelpistónde63mm: P= = 14,66  146,6bar A.2.‐Diámetrodelvástago Elvástagoseencuentrasometidoenestecasoaunafuerzade compresiónporacciónyreacción.Altratarsedeunelementodetipocolumna existelaposibilidaddequefalledebidoapandeo.Enestecasosevanautilizar lasgraficascomercialesparacilindros. Enlagrafica,elejedeaccisasindicalalongituddepandeo.Estase obtienecomo: Carrera. 380mm.2=760mm  Dondelacarreraesiguala380mmyeselcoeficientedepandeoque esfunción,asuvez,delascondicionesdeapoyo.Enestecasoelcilindrose encuentraarticuladoenlosdosextremos(vertabla2),porloqueelcoeficiente valdra2.      Jos é   sigui  Ene s           é Antonio A Conest o entegrafic a s tecasoco r A cevedo G o sdosvalor a . r responde a Diseño, c G ómez esyapued e a unvástag o c álculo y m e obteners e o dediáme t m odelado e eldiámet r t roiguala 3 de una m M r odelvásta 3 6mm. ini excav a M emoria - gosegúnl a a dora 57 - a   Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 64 -  Diámetropasadorcilindro2:  2. 42307 2.  ,  .,= . 83,33 , 42307 2. 83,33 A=253,85 .4 17,920  Diámetropasadorcilindro3:  2. 49866 2.  ,  .,= . 83,33 , 49866 2. 83,33 A=299,2 .4 19,5120      Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 65 -  Diámetropasadoruniópluma‐soporte:  2.85536 2.  ,  .,= . 83,33 , 85536 2. 83,33 A=513,23 .4 25,5627  Diámetropasadoruniópluma‐balancín:  2.44500 2.  ,  .,= . 83,33 , 44500 2. 83,33 A=267 .4 18,4318      Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 66 -  Diámetropasadorunióbalancín‐cucharon:  2.57267 2.  ,  .,= . 83,33 , 57267 2. 83,33 A=343,61 .4 20,9121                Jos é  1.3. 6 anc h mis m tran s orej e Lat e Lat e dife r 350 M imp o será é Antonio A 6 .Anchur Siguiend h uradelao r m a.Eneste s miteatra v e ta,aparec e e nsiónnor m e nsióncort a Hayque r entesmat e M Pa)launi ó o nersepara ahora: A cevedo G amínima oelproce d r ejetaenp r caso,enel v ésdelpas a e unesfuer z m alseobte n   a ntemáxim  tenerenc u e rialesyda d ó nfallarae n eldiseño d ,  Diseño, c G ómez necesari a d imientod e r imerlugar puntoC,e s a dordeuni ó z odecom p n drácomo:     a,cuando s  24.  u entaquel a d oqueel m n esteele m d elaorejet a     .     4986 6 4.20. e= c álculo y m a enlasor e finidoene l hayqueve s táactuand ó n.Debido p resiónsob r   /2    s oloexiste t   .   a orejetay e m aterialdel a m ento.Elco e a esde3,l a   ,=  .   , 6  58, 3 10,6811    m odelado ejetas l apartado a rquefuerz a olafuerza d aestaacci ó r eestaúlti m  /2  .  t ensiónnor m   4 e lpasador e a bielaes m e ficiented e a tensiónc o  58, 3  3 3 mm     1 /2 de una m M a nterior,p a a sestánac t d elcilindro ó ndelpasa d m a(aplasta m    m alseobti e 49866 4 .20. e stánreali z m enosresis t e seguridad o rtantemá x 3 3  1 /2  ini excav a M emoria - a racalcular t uandosob quese d orsobrel a m iento). e necomo: z adosen t ente(= quedebe x imaadmisi    a dora 67 - la rela a  ble Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 68 -  1.4. Análisismecánicoexcavadora  1.4.1. IntroducciónaSolidWorks SolidWorksesunasolucióndediseñotridimensionalcompletaqueintegraun grannúmerodefuncionesavanzadasparafacilitarelmodeladodepiezas,crear grandesensamblajes,generarplanosyotrasfuncionalidadesquelepermitenvalidar, gestionarycomunicarproyectosdeformarápidaprecisayfiable. SolidWorkssecaracterizaporsuentornointuitivoypordisponerde herramientasdediseñofácilesdeutilizar.Todointegradoenunúnicoprogramade diseñoconmásde45aplicacionescomplementariasparafacilitareldesarrollodesus proyectos. LasprincipalescaracterísticasquehacedeSolidWorksunaherramientaversátil yprecisaessucapacidaddeserasociativo,variacionalyparamétricodeforma bidireccionalcontodassusaplicaciones.AdemásutilizaelGestordediseñoquefacilita enormementelamodificaciónrápidadeoperacionestridimensionalesydecroquisde operaciónsintenerquerehacerlosdiseñosyaplasmadosenelrestodesus documentosasociados. JuntoconlasherramientasdediseñodePieza,EnsamblajeyDibujo,SolidWorks incluyeHerramientasdeProductividad,deGestióndeProyectos,dePresentaciónyde AnálisisySimulaciónquelohacenunodelosestándaresdediseñomecánicomás competitivodelmercado. OtrasaplicacionesdeSolidWorks: o Simulaciónymovimiento: EsunaherramientaintuitivadeSimulaciónFísicaincluidaenSolidWorksque permiteagregardistintosmovimientosaloscomponentesqueformansu ensamblajeparaevaluarcomolaforma,lasdimensionesylasrelaciones geométricasestablecidasentreellosdefinenlacinemáticadesuconjunto.Es unaayudaimprescindibleparaasegurarlaausenciadeinterferenciaso choquesentreloselementosdeunensamblaje.Además,lasimulacióndel movimientoobtenidaleayudaraenladefinicióndelascargasycondicionesde contornocuandoempleelaherramientaCosmoXpressparaevaluarel comportamientomecánicodesuproducto.    Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 69 -  o Análisisdeinterferencias: EstáformadoporherramientasincluidasenelModulodeEnsamblajecuyo objetoesdetectarposiblesinterferenciasenconjuntosoensamblajes.Deentre lasprincipalesherramientasdestacanaquellasquedeterminanelvolumenreal delainterferenciaentredosomáscomponentes,lostaladrosdeajusteforzado ylasinterferenciasentrecierresroscados,entreotras. o Del2Dal3D: Constituyeunconjuntodeherramientasqueleayudaraaconvertirsus antiguosomodernosdibujosbidimensionalesaunapiezaen3Dmediantela definicióndelcroquisysuposteriormodeladotridimensional.  o Superficies: Constituyeunconjuntodeherramientasquepermitencrearsuperficies complejasenelmodeladodepiezasmedianteoperacionescomo RecubrimientosoBarridosconCurvasGuía,operacionesdeRelleno,entre otras.  o Tablasdediseño: Herramientaquepermiteobtenergrannumerodevariacionesdeundiseñode piezaoensamblajeenúnicodocumentomediantelavariacióndelas dimensiones,relacionesgeométricasuotrosparámetros.SolidWorkspermite crearunafamiliadepiezascondiferentesconfiguracionesmediantelacreación deunahojadecálculoenMicrosoftExcelysuvinculaciónaSolidWorks.  o Moldes: Elmodulodemoldescontieneunconjuntodeherramientasquepermiten obtenerlacavidaddeunmoldedeinyeccióndeplásticos(macho‐hembra)a partirdeunapiezaen3D.SeincluyenfuncionescomoelAnálisisdelAngulode salida,creacióndelaLíneadeparticiónylaCreaciónautomáticadelacavidad, entreotrasfunciones. Ymuchasmásaplicaciones.      Jos é  1.4. 2 Mét o des p mat e piez a segu orde é Antonio A 2 . Intro d Cosmos o dodelos E p lazamient o e rial,lasre s Esunah a ?,¿Cómo s ridad?Tod a nadorsin n A cevedo G d uccióna C Works  esu E lementos F o s,lasdefor s tricciones y erramienta s edeforma r a slasresp u n ecesidadd e Diseño, c G ómez C osmos W naherrami F initos(ME F maciones u y lascargas quepermi t r a?,¿Espo s u estasseo b e crearpro t c álculo y m W orks. entadeval F )enelAn á u nitariasyl a aplicadas. t erespond e s ibleemple b tienenen c t otiposfísi c       m odelado idaciónde d á lisisdeten a stensione e racuesti o armenos m c ortosperi o c osyensay o de una m M d iseñoque sionespar a senunapi e o nescomo: m aterialsin o dosdepru o sdelabor a ini excav a M emoria - empleael a calcularlo e zasegún e ¿Serompe r perjudicar s eba‐ensay o a torio. a dora 70 - s e l r ála s u o por   Jos é  1.4. 2 lare s inge n dep e pun t  com p conl emp YZe mec á per m ylas tridi m sufri d   é Antonio A 2 .1.Mét ElMéto d s oluciónd e n ieríacom o Elméto d e queñota m t oscomune Lospro g p ortamient osdemás e leadasdefi n nfunción d á nicasdel m m itealprog r tensiones r m ensional c d asbajola s A cevedo G ododelo s d odelosEl e e ecuacione s o esanálisis d osebasa e m añodeno m sdeinters e g ramasbas a odecada u e lementos a n enlosdes d elacarga, m aterialem r amacalcu l r esultantes . c onunaga m s condicion e Diseño, c G ómez s Elemen t e mentosFi n s diferenci a detension e ndividirel m inadas“El e cciónden o a dosenME u nodelos E a travésde l plazamient lasrestricci pleado.El d l arlasdefo r . Finalment m adecolor e sdecont o c álculo y m t osFinito s n itos(MEF ) a lesmuyut i esoanálisi cuerpoog ementos”. o minados“ N Fformulan E lementost l osnodos. L osdecada onesdem o d esplazami e r maciones u e,elpost‐p esqueindi c o rnodefinid m odelado s  ) esunmét o i lizadoend sestático. eometríaa Loseleme n N odos”. ecuacione s eniendoen L asecuacio n unodelos o vimiento y e ntodeca d u nitariase n rocesorep r c anlasten s as(restricc de una m M o donumér i iversospro validaren m n toscompa r  s matemáti c cuantasu c n esmatem nodosenl a y laspropie d d aunodel o n lasdifere n r esentael m s ionesyde f iones,mat e ini excav a M emoria - i coemplea d blemasde múltiplesp r tenentre e c asquerig e c onectivid a áticas a sdireccion d ades o snodos n tesdirecci o m odelo f ormacione e rialycarg a a dora 71 - d oen a rtes e llos e nel a d esX, o nes s a s). Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 72 -  1.4.2.2.SuposicionesdelAnálisisEstáticoLineal ElanálisisestáticolinealefectuadoporCosmosWorksrealizatressuposiciones quedebeconocerytenerencuentaalahoraderealizarelensayoyvalidarsumodelo: Linealidad,Elasticidadysuposiciónestática. Suposicióndelinealidad.Larespuestadelmodeloesproporcionalalacarga aplicada.Elincrementodelacargaincrementalosdesplazamientos,deformaciones unitariasytensionesdeformaproporcional. Estasimplificaciónnodebeimportarlecuandoensayeelmodelobajotensionesquese encuentrenenelintervalolinealdelacurvatensión‐deformación,esdecir,enlazona elástica.Enestazona,lasdeformacionessonproporcionalesalatensiónaplicada segúnelModulodeelasticidadoModulodeYoungdelmaterialseleccionadoyporlo tanto,elcomportamientopuedeserrepresentativo.Sinembargo,elempleode tensionessuperioresaladelLímiteelásticorequiereelusodeaplicacionesnolineales quetengaencuentalasposiblesdeformacionesplásticasdelmaterial. Suposicióndeelasticidad.Loscálculosrealizadossuponenquelastensiones aplicadasseencuentrandentrodelazonadeelasticidaddematerialempleadoyque laeliminaciónoelcesedetensionesprovocanlarecuperacióndelasdimensiones inicialesdelmodeloensayado.Lasuposicióndeelasticidadexcluyelos comportamientosdebidosadeformacionesplásticaspermanentes. Enelcasodequesumodelovayaaestarsometidoatensionessuperioresaladel Límiteelásticoypreveaquevaasufrirdeformacionesplásticaspermanentesdeberá utilizaraplicacionesdeAnálisisnolineal. Suposiciónestática.Elmodeloensayadodebesoportarlascargasaplicadasde formalentaygradualhastaalcanzarlamagnituddefinida.Enloscasosenqueel modelodebasoportarlascargasdeformarepentinalasdeformacionesunitariasylas tensionessufridasseránmayoresydeberáusaraplicacionesdeAnálisisDinámico.  Diseño, cálculo y modelado de una mini excavadora  José Antonio Acevedo Gómez Memoria - 73 -   Diagramadetracción  SuposiciónIsotrópicadelmaterial.LosmaterialespuedenserIsotrópicos, AnisotropicosoOrtotropicosenfuncióndelcomportamientomecánicodelmodeloen lasdiferentesdireccionesdelespacio. Cuandolaspropiedadesmecánicassonlasmismasentodaslasdireccionesdel espaciosedicequeelcomportamientoesIsotrópico(acero).Losmateriales Anisotropicostienendiferentecomportamientomecánicoenlasdiferentesdirecciones delespaciomientrasquelosOrtotropicostienenpropiedadesmecánicasúnicasy diferentesporcadaunadelasdireccionesporcadaunadelasdirecciones(madera, muchoscristalesymetaleslaminados). CosmosWorksempleaelModuloelástico,elCoeficientedePoissonyelLimite elásticoenlarealizacióndelanálisisdeesfuerzo.LosmaterialesIsotrópicosson definidosconelModulodeElasticidad(EX)yelCoeficientedePoisson(NUXY). Moduloelásticos(EX) Eslarelaciónentreelesfuerzo(σ)ydeformación(ε)cuandoestaesúnicamente elástica.Esunamedidadelarigidezdelmaterial.TambiénseconocecomoModulode Young(E).Paralamayoríadematerialesestácomprendido4,5x10MPay40,7x10 MPa.Enlascurvastensióndeformacióneslapendientedelazonaelástica.La expresiónqueladefinees:  Jos é  Res u  sigui posi c laq u del a herr a reac c a  C ensa con c é Antonio A u ltados: Elanális i entesimág c iónenlaq u elaexcava a simulació n a mientaqu c ionespro d a ) Tensio n C omosepu e mblajeson c entradord e A cevedo G i smecánic o enes.Esta p uelasfuer z dorasopor n delmovi m ecomose h d ucidasen c n es. e decompr o satisfactor e tensione s Diseño, c G ómez o ,hasidor e p osiciónha z asaplicad a taramáse s m ientodela h aexplicad o c adainstan t o barenlai m iosyaque n s . c álculo y m e alizadoen sidoconsi d a ssobrela m s fuerzos.S e maquina, r o anterior m t edetiem p m agenlos r n oseprod u m odelado laposición d eradalam m aquinaso n e llegoaest r ealizadac o m entenos m p o. r esultados d u ceningún p de una m M quemuest r asdesfavo r n máximas aconclusió o nCosmos M m uestralas d elastensi o p icodeten s ini excav a M emoria - r anlas r ablepors e yportant o ntraselan M otion, fuerzasy o nesenel s ióno a dora 80 - e rla o en álisis   Jos é  b é Antonio A b ) Defor m  A cevedo G m aciones. Diseño, c G ómez c álculo y m m odelado de una m M ini excav a M emoria - a dora 81 -  Jos é  c C enl a des d válid  é Antonio A c ) Despla z     C omosepu e a puntadel a d eelpunto d o. A cevedo G z amiento e deobserv a a cuchara, a d evistadel Diseño, c G ómez s. a relmáxi m a lgototalm desplaza m c álculo y m m odesplaza entenorm a m ientodele m odelado mientoesi a lydentro d nsamblaje, de una m M guala3m m d elorazon a eldiseños e ini excav a M emoria - m ,seprodu a ble.Port a e consider a a dora 82 - ce a nto a    Jos é  d  E ensa pue s está nos p   é Antonio A d ) Distrib u  E staimage n mblaje.De b s esmuydi f pordebajo p uedenser A cevedo G u cióndel n nosmues t b idoalaes f ícilconoce r delodese a demucha m Diseño, c G ómez coeficien t t raladistri b caladelad r lospunto s a do.Porell m ásayuda. c álculo y m t edeseg u b ucióndelc istribución s máscrític o oacontinu m odelado u ridad oeficiente d estaimage o sdondeel aciónsem u de una m M d esegurida nnoesde m coeficient e u estranun a ini excav a M emoria - dalolarg o m uchautili e deseguri d a simágene s a dora 83 - o del dad d ad s que   Jos é  e é Antonio A e ) Puntos   A cevedo G críticos d Diseño, c G ómez d elcoefici e c álculo y m e ntedes e m odelado e guridad de una m M ini excav a M emoria - a dora 84 -    Jos é   por d lasq azul zona L que n aum e radi o   é Antonio A  Estasim á d ebajodel d ueelcoefi c sonlaszon a squenoti e L aszonase n n otieneng e ntandom í o deredon d A cevedo G á genesnos d eseado,e n c ientedes e a squetien e e nenriesg o n rojoque m ranimport a í nimament e d eodeotra s Diseño, c G ómez muestran l n estecaso e guridades t e nuncoefi o defallo. m uestranla a nciapues t e elancho d s . c álculo y m l aszonasd o 3.Laszona s t ápordeba cientepor e simágenes t oqueestá n d ealgunad m odelado o ndeelcoe s coloread a jodelespe c e ncimadel ,seconsid e n muylocal elaspieza s de una m M ficientede a senrojos o c ificadoye especificad e ranzonas d izadas.Se p s afectadas, ini excav a M emoria - seguridad e o naquellas lrestodec oyportan d efalloloc a p odríanres o asícomoe a dora 85 -  e stá en olor t o a lesy o lver l  Jos é  f    com p som e está n colo r  é Antonio A f ) Compr o SolidWo p robarsilo e tidos.En e n dimensio n r rojo,deb e A cevedo G o bación d rksysuapl spasadore s e stecasoto n adoscorr e e ríaserrec a Diseño, c G ómez d elospas a icaciónde a s calculado s doslospas a e ctamente. a lculado. c álculo y m a dores a nálisisme c s ,aguanta n a doressale Siporelco m odelado c ánicoCOS M n losesfuer z nencolor v ntrarioalg u de una m M M OSWORK S z osalosqu v erde,loq u u nodeello s ini excav a M emoria - S ,nosper m eestán u eindicaq u s estuviera e a dora 86 - m iten u e e n Nombredearchivo:MemoriaPFC Directorio:C:\Users\Jose\Desktop\Proyecto‐Miniexcavadora\Memoriay calculos Plantilla: C:\Users\Jose\AppData\Roaming\Microsoft\Plantillas\Normal. dotm Título: Asunto: Autor:JoseAntonioAcevedoGomez Palabrasclave: Comentarios: Fechadecreación:12/03/201013:00:00 Cambionúmero:55 Guardadoel:04/05/201020:37:00 Guardadopor:JoseAntonioAcevedoGomez Tiempodeedición:1.123minutos Impresoel:09/05/201012:04:00 Últimaimpresióncompleta Númerodepáginas:86 Númerodepalabras:15.075(aprox.) Númerodecaracteres:82.916(aprox.) 