Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial

Treball de Fi de Grau Grau en Enginyeria en Tecnologies Industrials Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial MEMÒRIA Autor: Jaume Sucarrats López Director: Joan Puig Ortiz Convocatòria: 07 2024 Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona Pàg. 2 Memòria Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 3 Resum L’ús de la palla continua sent present al dia d’avui, des de les seves aplicacions tradicionals en l’agricultura, tant per aliment com pel repòs dels animals, fins als seus usos per producció de bio-combustible i com a material de construcció, entre altres. L’ampli ventall d’aplicacions que presenta fa que hi hagi un gran volum de demanda d’aquest producte i aquí és on el seu transport en vehicles industrials, en bales de grans dimensions, esdevé un punt clau. Tot i això, no són poques les dificultats que la càrrega i descàrrega d’aquest material comporta. En aquest treball s’estudia un dispositiu de descàrrega de bales de farratge prismàtiques d’un camió, accionat mitjançant un cilindre hidràulic i un sistema de guia corredora situat longitudinalment al centre del vehicle, encastat en la plataforma de càrrega. Després d’una breu explicació de la legislació vigent, es compara l’artefacte presentat amb altres alternatives existents, destacant els avantatges i inconvenients de cadascuna. Finalitzada una primera part de contextualització, es duu a terme una anàlisi mitjançant el mètode dels elements finits del mecanisme proposat, estudiant com es comporta aquest sota una càrrega habitual de treball, trobant així quins són els punts febles del disseny. Amb els resultats obtinguts, es conclou el projecte amb l’elaboració d’un nou disseny, merament teòric, que millori el model inicial en termes d’eficiència, evitant sobredimensionaments, i aplicant canvis que solucionin altres inconvenients presents en l’original. Pàg. 4 Memòria Resumen El uso de la paja continua presente hoy en día, desde sus aplicaciones tradicionales en la agricultura, tanto para el alimento como el reposo de los animales, hasta sus usos para la producción de biocombustible y como material de construcción, entre otros. El amplio abanico de aplicaciones que presenta hace que haya un gran volumen de demanda de este producto y aquí es donde su transporte en vehículos industriales, en balas de grandes dimensiones, deviene un punto clave. Sin embargo, no son pocas las dificultades que la carga y descarga de este material comporta. En este trabajo se estudia un dispositivo de descarga de balas de forraje prismáticas de un camión, accionado mediante un cilindro hidráulico i un sistema guía corredera situado longitudinalmente en el centro del vehículo, encastado en la plataforma de descarga. Después de una breve explicación de la legislación vigente, se compara el artefacto presentado con otras alternativas existentes, destacando las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Finalizada la primera parte de contextualización, se lleva a cabo un análisis mediante el método de los elementos finitos del mecanismo propuesto, estudiando como se comporta este bajo una carga habitual de trabajo, encontrado así los puntos débiles del diseño. Con los resultados obtenidos, se concluye el proyecto con la elaboración de un nuevo diseño, meramente teórico, que mejore el modelo inicial en términos de eficiencia, evitando sobredimensionamientos y aplicando cambios que solucionen otros inconvenientes presentes en el diseño original. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 5 Abstract The use of straw continues to be present nowadays, from its traditional applications in agriculture, both for animal feed and bedding, to its uses for biofuel production and as a construction material, among others. Its wide range of applications makes it a highly demanded product, and this is where its transport in industrial vehicles, in large bales, becomes a key point. However, there are many difficulties associated with loading and unloading this material. This project studies a device for unloading prismatic fodder bales from a truck, operated by a hydraulic piston and a sliding guide system located longitudinally in the center of the vehicle, embedded in the unloading platform. After a brief explanation of the current legislation, the presented device is compared with other existing alternatives, highlighting the advantages and disadvantages of each of them. Following the initial contextualization, a finite element method analysis of the proposed mechanism is carried out, studying how it behaves under a usual workload and finding the weak points of the design. Based on the results obtained, the project concludes with the development of a new, merely theoretical, design that improves the initial model in terms of efficiency, avoiding oversizing, and implementing changes that solve other drawbacks present in the original design. Pàg. 6 Memòria Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 7 Contingut RESUM ____________________________________________________ 3 RESUMEN _________________________________________________ 4 ABSTRACT _________________________________________________ 5 CONTINGUT ________________________________________________ 7 GLOSSARI I NOMENCLATURA ________________________________ 9 LLISTAT DE FIGURES _______________________________________ 10 LLISTAT DE TAULES _______________________________________ 13 1. INTRODUCCIÓ _________________________________________ 15 1.1. Problemàtica ............................................................................................ 15 1.2. Origen i motivació del treball .................................................................... 15 1.3. Objectius del treball .................................................................................. 15 1.4. Abast del treball ....................................................................................... 16 2. PART TEÒRICA ________________________________________ 17 2.1. Legislació vigent....................................................................................... 17 2.2. Vehicles industrials emprats pel transport ............................................... 18 2.3. Mecanismes existents .............................................................................. 19 2.3.1. Pis mòbil ..................................................................................................... 19 2.3.2. Arrossegador amb sirga .............................................................................. 21 2.4. Mecanisme estudiat ................................................................................. 22 2.4.1. Parts ............................................................................................................ 22 2.4.2. Funcionament ............................................................................................. 31 2.4.3. Manteniment ............................................................................................... 32 3. ESTUDI DEL MECANISME _______________________________ 33 3.1. Estudi mecànic ......................................................................................... 33 3.2. Assaig del dispositiu amb el MEF ............................................................ 36 3.2.1. Assaig del gatell .......................................................................................... 36 3.2.2. Assaig de l’arrossegador ............................................................................. 40 4. MECANISMES ALTERNATIUS ____________________________ 51 4.1. Problemàtiques del disseny original ........................................................ 51 4.2. Possibles solucions .................................................................................. 52 4.2.1. Canvis en el desplaçament ......................................................................... 52 4.2.2. Canvis en els components estudiats ........................................................... 52 Pàg. 8 Memòria 4.2.2.1. Optimització del gatell ................................................................ 53 4.2.2.2. Optimització de l’arrossegador ................................................... 58 5. RESULTATS I COMPARACIÓ _____________________________ 65 6. PLANIFICACIÓ _________________________________________ 68 7. ESTUDI ECONÒMIC ____________________________________ 69 8. ESTUDI AMBIENTAL ____________________________________ 71 9. ESTUDI SOCIAL I D’IGUALTAT DE GÈNERE ________________ 72 10. CONCLUSIONS ________________________________________ 73 11. AGRAÏMENTS _________________________________________ 74 12. BIBLIOGRAFIA ________________________________________ 75 Referències bibliogràfiques ............................................................................... 75 Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 9 Glossari i Nomenclatura CAD: Disseny assistit per ordinador (Computer-aided design) MMA: Massa màxima autoritzada MMC: Massa màxima del conjunt MEF: Mètode dels elements finits 𝜇𝑒: coeficient de fregament estàtic 𝛾: Coeficient de seguretat 𝜎𝑦: Tensió de límit elàstic 𝜎𝑒𝑞.𝑉𝑀,𝑚𝑎𝑥: Tensió equivalent de Von Mises màxima Pàg. 16 Memòria - Estudi del mecanisme, el seu funcionament, les parts que el componen i el manteniment necessari per al seu correcte ús. - Modelització en CAD de la màquina - Simulació i avaluació del seu comportament sota una càrrega nominal. - Proposta de millora del mecanisme i anàlisi d’aquest. 1.4. Abast del treball Tot i estar basat en un mecanisme real, per tal de dur a terme l’anàlisi, aquest se subjecta a suposicions i simplificacions, comentades en el seu pertinent moment, facilitant l’obtenció de conclusions. El conjunt de l’arrossegador es pot fer servir en diferents tipus de carrosseries, variant les dimensions del conjunt en cada cas. En aquest sentit, s’estudia només aquell mecanisme dissenyat per operar en camions rígids amb una massa màxima autoritzada de 26 tones, disposant d’un límit de càrrega de 15 tones. Les bales de farratge que constitueixen el conjunt de la càrrega disponible, es consideren d’una massa de 400 kg i una longitud de 2,55 metres, ocupant una única unitat la totalitat de l’amplada del camió. Tots els resultats obtinguts són teòrics, així com les propostes de millora, on els resultats finals poden no ser viables en la vida real, sigui per un major cost econòmic o per dificultat en la seva construcció a causa de la seva geometria o materials. D’aquests nous models teoritzats, es durà a terme una representació en CAD, seguidament d’una simulació per comprovar el seu comportament sota càrrega, però en cap cas se’n farà un prototip real. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 17 2. Part teòrica 2.1. Legislació vigent Abans d’iniciar l’estudi dels mecanismes és convenient saber quines són les diferents certificacions i normatives aplicables que han de complir aquest tipus de màquines, que afecten el seu disseny i funcionament final. Aquestes lleis que cal complir són: -Directiva Europea 2006/42/CE: Aquesta directiva defineix una màquina com un conjunt de parts o components vinculats entre si, dels quals almenys un és mòbil, i permet la lliure circulació d’aquestes dins la Unió Europea sempre que compleixin els requisits de salut i seguretat que presenta. Es col·loca la marca CE a aquelles màquines que compleixen la directiva. Per tal de garantir els requisits cal identificar, estimar, valorar i eliminar o reduir els riscos o perills deguts a l’ús de la màquina, a més a més de determinar els límits d’aquesta, incloent-hi l’ús previst i els possibles mal usos que se’n poden donar. [3] [4] Aquesta llei ha estat derogada, però encara serà vigent fins a l’any 2027, quan el Reglament 2023/1230 entri totalment en vigor. Els principals canvis d’aquest reglament són l’ampliació dels components de seguretat per incloure el software, noves tecnologies digitals i la ciberseguretat, entre altres. [5] Figura 1: Marca CE [6] - UNE-EN ISO 12100-1:2012: Normativa que especifica la terminologia, els principis i la metodologia necessaris per a assolir la seguretat en el disseny de màquines, especificant els principis d’avaluació i reducció de risc. [7] - UNE-EN ISO 13850:2018: Norma amb la funció de concretar els requisits funcionals i principis pel disseny de la funció d’aturada d’emergència de les màquines. [8] - UNE-EN ISO 13849-1:2016: Normativa destinada a assignar els requisits de seguretat i orientacions pel disseny i integració de les parts dels sistemes de comandament. [9] Pàg. 18 Memòria - UNE-EN ISO 13857:2020: En aquesta norma s’estableixen les distàncies de seguretat per tal d’impedir l’accés a les zones perilloses de la maquinària, sigui en àmbit industrial o públic. [10] 2.2. Vehicles industrials emprats pel transport A causa de l’elevat pes i grans dimensions de les bales de farratge, és necessari l’ús de camions pel seu transport terrestre. Aquests es poden classificar de diverses maneres, ja sigui pel nombre d’eixos que tenen, la seva Massa Màxima Autoritzada o diferenciant-los entre rígids i articulats. El nombre d’eixos es correspon amb el nombre de parells de rodes que té el vehicle, variant de dos eixos, és a dir, de 4 rodes en els camions i remolcs més petits i lleugers, fins a cinc o més eixos en aquells conjunts amb més capacitat de càrrega. Pel que fa al pes, cal diferenciar entre la Massa Màxima Autoritzada (MMA) i la tara. La tara és la massa del vehicle i el seu equip fix quan aquest es troba totalment descarregat, sense conductor, passatgers, aigua o combustible, entre altres. Per altra banda, la MMA comptabilitza la massa màxima a la qual es permet circular un determinat vehicle, inclosa ara si la càrrega útil transportada i altres elements, com el personal o el combustible. També existeix el concepte de MMC o Massa Màxima del Conjunt, que sent similar al terme de MMA, aquest afecta vehicles articulats, vehicles amb remolc o trens de carretera, havent de ser la suma de les MMA de cada vehicle involucrat inferior a la MMC del camió. La MMA d’un camió o conjunt depèn del nombre d’eixos i de si aquest és rígid o articulat. [11] Existeix també la classificació entre camions rígids i articulats. Un camió rígid és aquell on, tal com diu el seu nom, no té cap articulació, estant formats per una única peça indivisible entre la cabina i la carrosseria. Els camions rígids poden tenir de dos a quatre eixos segons la seva MMA, existint models amb una massa màxima de 3500 kg fins a les 32 tones. Els camions articulats són aquells on existeix una unió mòbil entre el camió tractor i el semiremolc. Les diferències entre remolc i semiremolc és que aquest últim distribueix la massa entre el camió tractor i els seus propis eixos mentre que el remolc suporta tota la seva càrrega ell mateix. Un camió articulat simple pot arribar a tenir una MMC de 40 tones. Dins dels vehicles articulats, existeixen també els anomenats trens de carretera, formats per un camió rígid i un remolc, amb una MMC de fins a 40 tones i amb un o dos punts d’articulació depenent del remolc. Des de l’any 2016, està permesa la circulació per Espanya dels coneguts com a megacamions, inclosos també en la classificació de trens de carretera i amb més de sis eixos, formats per un camió rígid amb un semiremolc darrere o un camió tractor amb dos semiremolcs, tenint el segon d’aquest unes dimensions lleugerament inferiors, amb una llargada màxima de 25,25 metres i fins a 60 tones de MMC. [12] [13] [14] Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 19 Finalment, a finals de 2023 la DGT autoritzava el transport dels duotrailers, vehicles compostos per un camió tractor i dos semiremolcs, de fins a 32 metres de llargada i una MMC de 70 tones. [15] Figura 2: Classificació de camions i autobusos segons la seva MMA [12] El transport de bales de palla es pot dur a terme en la totalitat dels vehicles explicats anteriorment, tot i que, en tenir limitades les vies per les quals poden circular, no es fan servir per al seu transport megacamions i duotrailers. En el cas de l’arrossegador estudiat, aquest és vàlid només pels vehicles rígids, remolcs o combinacions d’aquests, mentre que si es vol emprar en semiremolcs cal un disseny més gran per poder moure l’increment de càrrega. 2.3. Mecanismes existents 2.3.1. Pis mòbil Es tracta d’un mecanisme molt usat tant per a la càrrega com la descàrrega. Pot operar amb una àmplia varietat de mercaderies, com productes a granel, palets, bobines i, en el cas que ens interessa, bales de palla, evitant el transport de sorra i semblants per ser massa àrids i perquè fan malbé les guies de manera prematura. Instal·lat en el remolc d’un camió, el dispositiu consisteix en un seguit de taulons/perfils d’alumini instal·lats longitudinalment. El seu número pot variar entre 15 i 24 depenent de la tasca assignada, sent el cas de 24 perfils l’usat més habitualment per a les descàrregues de bales de farratge. Per dur a terme la càrrega i la descàrrega, un sistema hidràulic mou endavant i enrere els taulons, movent la càrrega per fricció. Així doncs, primer es mouen els perfils de manera independent per col·locar-se en posició sense variar la disposició de la càrrega, per després actuar de manera conjunta arrossegant-la en la direcció desitjada. L’interval de temps d’acció és aproximadament entre 8 i 10 minuts, havent de parar el sistema Pàg. 20 Memòria hidràulic un cop finalitzada. Hi ha la possibilitat d’emprar un comandament a distància per realitzar les funcions de càrrega/descàrrega. [16] Figura 3: Moviment dels perfils en l'operació de descàrrega d'un pis mòbil [17] El manteniment del dispositiu està centrat a comprovar el correcte estat dels seus components, com són els perfils, les mànegues hidràuliques i connexions, juntament amb les unions entre elements. També cal examinar que no hi hagi pèrdues d’oli i que el nivell d’aquest estigui en el rang adequat. A més a més, cal netejar la zona dels perfils sovint amb aigua a pressió per garantir un correcte funcionament. [17] Tot i ser un dispositiu molt emprat i versàtil, és també molt car i en tenir més parts mòbils també requereix un major manteniment. Figura 4:Interior d’un remolc amb pis mòbil on es poden veure els perfils d’alumini [18] Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 21 2.3.2. Arrossegador amb sirga Mecanisme amb funcionament semblant a l’estudiat, només útil per a la descàrrega, que en comptes de fer servir un pistó per al moviment de corredora empra un cabrestant. Aquest estira un arrossegador per a la descàrrega de les bales de farratge i el seu accionament és causat per un motor hidràulic. El cabestrant està situat en la part posterior del vehicle i en accionar-se recull la sirga, la punta de la qual es troba fixada a l’arrossegador, en la part frontal de la carrosseria. Un cop duta a terme la descàrrega, cal invertir el sentit de gir del motor hidràulic i estirar l’arrossegador fins a la posició inicial manualment. Actualment, és un sistema en desús, degut a l’elevat preu del cabrestant pel tonatge a arrossegar i el necessari manteniment constant del dispositiu. Aquest manteniment és causat per problemàtiques amb la sirga, que per tal de cabre correctament en el vehicle no està dimensionada per a tal tasca i cal substituir-la anualment, amb l’import econòmic que això suposa. Figura 5: Exemple de cabestrant [19] Pàg. 22 Memòria 2.4. Mecanisme estudiat 2.4.1. Parts Arrossegador: És la peça encarregada d’arrossegar les bales de farratge i està constituïda per diverses seccions unides entre elles mitjançant cordons de soldadura continus. Construït íntegrament d’acer, té unes dimensions de 1400 mm d’amplada, en la longitud transversal a la carrosseria, un màxim de 510 mm en la direcció longitudinal i una alçada de 704 mm, en el disseny per ús en camions rígids i remolcs de fins a 26 tones de MMA. La seva base consta de 3 passamans de 10 mm de gruix amb una forma final punxeguda que es col·loquen just damunt les guies, i per evitar que la peça s’enfonsi sota la palla, disposa de dues barres massisses de secció circular de diàmetre 25 mm en els extrems i una biga de secció UPN 80 en la part central. És també en la UPN on s’instal·la el mecanisme del gatell. En la part superior de la UPN hi ha soldat un agafador per facilitar el maneig del conjunt i disposa d’una platina soldada amb un forat de 14 mm de diàmetre per a la subjecció del gatell. El cos de la peça és un perfil en forma de ela de costat 100 mm i un gruix de 10 mm. En la seva base presenta un forat de 40x70 mm per on surt la punta del gatell per tal d’ancorar-se a la guia central de la carrosseria. Després d’unes primeres versions on la palla patinava de la base, es va dur a terme la instal·lació d’unes petites “dents” en la punta dels passamans per tal de millorar-ne la subjecció. Figura 6: Vista isomètrica de l’arrossegador Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 23 Figura 7: Vista posterior de l’arrossegador Gatell: El gatell és una peça prismàtica d’acer massissa de 250 mm de llarg i secció rectangular de 60x25 mm, amb dues arestes arrodonides per tal d’encaixar correctament en la UPN 80. Es talla la part inferior de manera que queda resultant una punxa d’angle 45 graus i 25 mm de profunditat, sent aquesta la part que s’enganxa amb els forats de les guies per tal de moure l’arrossegador, i la forma punxeguda necessària per permetre el desplaçament en una única direcció. En la part superior, hi ha un cilindre roscat de 250 mm d’alçada i diàmetre 12 mm. Aquest element es col·loca en la UPN 80, estant la superfície arrodonida en contacte amb la de la biga i passant el cilindre pel forat de la platina que està soldada en aquesta. Per limitar el seu moviment, s’afegeix una molla de 14 mm de diàmetre interior i 4 femelles de mètrica 12. Dues femelles es col·loquen sobre la platina per limitar el moviment inferior del gatell, permetent que sobresurti màxim uns 15 mm de la base de l’arrossegador, mentre que les altres dues estan en la part inferior de la molla i permeten regular la força que exerceix aquesta. La força efectuada per la molla assegura l’acoblament desitjat entre el gatell i els forats de la guia mòbil. Pàg. 24 Memòria Figura 8: Vista isomètrica del gatell Figura 9: Vista posterior de l’arrossegador amb el conjunt del gatell muntat Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 25 Guies: Hi ha dos tipus de guies, les estàtiques, que es troben fixades a la carrosseria; i la mòbil, encarregada de l’avanç de l’arrossegador. Les guies estàtiques, tal com defineix el seu nom, no presenten cap moviment i estan disposades de tal manera que estan en contacte amb els passamans que formen la base de l’arrossegador, reduint la fricció de moviment de l’artefacte respecte si aquest fos desplaçat pels taulons de fusta contraxapada que constitueixen la resta del terra de la carrosseria. Totes tres guies estan fetes d’acer i tenen unes dimensions de 7,5 metres de llargada. Les guies laterals estan únicament constituïdes per uns perfils de secció massissa en forma d’omega de 174 mm d’amplada i un gruix constant de 3 mm i tenen l’única funció de servir de suport per l’arrossegador. Per altra banda, la guia central és més complexa, tenint la seva secció un espai central per on es desplaça la guia mòbil, que és la que es troba en contacte amb l’arrossegador, i unes barres de secció circular soldades per evitar que aquesta perdi la seva correcta posició. Al llarg de la guia, hi ha un seguit d’orificis circulars de 60 mm de diàmetre necessaris per a la correcta evacuació de restes de palla i brutícia que podria afectar l’adient funcionament del dispositiu. En una zona pròxima al centre de la guia, que pot variar depenent de la posició dels altres elements presents en la part inferior de la carrosseria, es troba un forat rectangular de 1350 mm de llargada i 110 mm d’amplada i és per on el patí es colla a la guia mòbil. Just sota d’aquest forat, se situa un revestiment rectangular de la mateixa amplada que la guia central i 2440 mm de llargada on es col·loca el pistó. Figura 10: Vista isomètrica de les guies estàtiques Pàg. 32 Memòria que el següent forat de la guia arriba, enganxant-se el gatell en aquest i torna a avançar, repetint aquesta seqüència fins a arribar a l’extrem de la carrosseria, descarregant les bales de palla durant el procés. L’excepció és l’última columna de bales de palla, la que es troba just sobre l’arrossegador, ja que si es desitgés descarregar-la amb el mètode explicat, la palla junt amb l’arrossegador cauria del vehicle. Cal recordar que mentre el recorregut del pistó és de 900 mm, la distància entre els forats de la guia mòbil és de 700 mm, assegurant així que el gatell sempre s’enganxa al pròxim forat. Per tal de col·locar el mecanisme de nou a la posició inicial cal moure’l manualment d’un extrem a l’altre de la carrosseria. Figura 19: Seqüència, en sentit horari, del moviment del gatell en l’avanç del l’arrossegador 2.4.3. Manteniment En tindre un limitat nombre de peces mòbils amb moviments simples i no treballar en condicions especialment adverses, el manteniment del conjunt és bàsic. Aquest es limita a assegurar la correcta neteja de tots els elements, evitant concentracions de brutícia en les guies que podrien augmentar la dificultat de desplaçament, així com dur a terme comprovacions del correcte nivell d’oli en el dipòsit, i vigilar l’estat dels tubs que el transporten per evitar-ne pèrdues. També és necessari dur a terme el manteniment del comandament a distància, verificant un estat adient del fusible receptor d’aquest i de la seva bateria. El gatell pot presentar desgast al llarg del temps, sent necessari realitzar correccions en el taller per garantir un funcionament adequat. [20] Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 33 3. Estudi del mecanisme Un cop explicat com funciona el conjunt de l’arrossegador i les parts que el conformen, és hora de veure quines forces hi actuen i com es comporta l’enginy quan està sotmès a aquestes forces, mitjançant el programa ANSYS. 3.1. Estudi mecànic Durant la descàrrega de les bales de farratge del vehicle, l’arrossegador es veu sotmès a la força que les bales li apliquen, sent en direcció vertical igual al pes de la càrrega que es troba sobre l’arrossegador, i en horitzontal equivalent a la força de fregament apareguda pel moviment de la càrrega del vehicle. D’aquestes dues components, la força horitzontal i la seva afectació sobre l’arrossegador i el gatell és la que més interès presenta, donat que el pes que ha d’aguantar el mecanisme únicament genera esforços de compressió insuficients per tenir efectes sobre l’estructura. Com s’ha comentat, la força rebuda per l’arrossegador és igual a la força de fregament entre les bales de palla i la carrosseria del camió, estant la superfície d’aquesta constituïda per taulons de fusta contraxapada i les guies estàtiques i mòbil d’acer. Per trobar el valor de la força de fregament s’empra la fórmula: 𝐹𝐹= 𝜇𝑒∙ 𝑁 [Eq. 5] On 𝜇𝑒 és el coeficient de fregament estàtic i N la normal, que equival al pes del conjunt de la palla a arrossegar. Es tria el coeficient de fregament estàtic, és a dir, aquell que actua quan l’objecte està en repòs, perquè té un valor major al dinàmic, generant una força més elevada i, per tant, unes majors tensions que ha de suportar el model d’estudi. És possible trobar el coeficient de fregament resolent amb l’aplicació, de la primera llei de Newton, el diagrama del cos lliure d’un bloc sobre un pla inclinat quan aquest es troba estàtic. Descomponent per components en els eixos representats en la figura 20, s’obté: ∑𝐹 𝑦= 0 → 𝑁 = 𝑚𝑔 ∙ cos(𝛼) [Eq. 6] ∑𝐹 𝑥= 0 → 𝜇𝑒∙𝑚𝑔 ∙ cos⁡(𝛼) = 𝑚𝑔 ∙sin⁡(α) [Eq. 7] Operant amb aquestes dues equacions, s’arriba al següent resultat, on es pot comprovar que el coeficient de fricció estàtic únicament depèn de l’angle del pla inclinat: 𝜇𝑒=sin⁡(𝛼) cos⁡(𝛼) = tan⁡(𝛼) [Eq. 8] Pàg. 34 Memòria Figura 20: Diagrama del cos lliure d’un bloc sobre un pla inclinat Trobada la relació entre el coeficient de fregament i l’angle del pla inclinat, es decideix dur a terme un experiment per a trobar el seu valor. Per fer l’experiment, se substitueix la bala de palla transportada de manera usual en camions, amb un pes aproximat d’uns 400 kg, per una de més petita i fàcil de tractar, amb unes mides de 1100x500x400 mm i un pes de 23,1 kg. Per imitar el terra de la carrosseria, es fa servir un tauler de fusta igual que els que es col·loquen en el camió, obviant, a causa de la minsa superfície de contacte existent i per simplificar la prova, la interacció entre la palla i les guies metàl·liques. Figura 21: Experiment realitzat per trobar el coeficient de fregament Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 35 En l’experiment, la palla es col·loca sobre el tauler de fusta i s’eleva aquest lentament amb l’ajut d’un carretó elevador fins que la bala comença a moure’s. En el moment que la palla comença a patinar, es deté l’elevador i es deixa caure la bala fins que s’atura, procedint llavors a la mesura de l’angle d’inclinació amb un transportador d’angles. Aquest procés es repeteix un total de 20 vegades, netejant de restes de palla la superfície de la fusta en cada nou intent, per poder calcular la mitjana, evitant així agafar un resultat d’un cas extrem. Angle [º] Coeficient fricció Angle [º] Coeficient fricció 27 0,50952545 23.5 0,43481238 25.5 0,47697553 21.5 0,39391048 24 0,44522869 20 0,36397023 23 0,42447482 19 0,34432761 23 0,42447482 19 0,34432761 22 0,40402623 24 0,44522869 22 0,40402623 22 0,40402623 20 0,36397023 21 0,38386404 21 0,38386404 21 0,38386404 21.5 0,39391048 21 0,38386404 Taula 1: Valors experimentals d'angle i coeficient de fricció Avaluant les dades obtingudes, resulta una mitjana de 22,05 graus, amb una desviació típica de 2,05, traduint-se en un coeficient de fregament estàtic mitjà de 0,40504161. Un cop es té el coeficient de fregament, només cal conèixer la normal per trobar la força de fregament, que en el cas de la palla en una carrosseria plana és igual al pes. Coneixent les dimensions de les bales de palla de grans dimensions que es transporten, aproximadament 2,5x1,5x0,7 metres, i el seu pes màxim, al voltant dels 380 quilos, es pot calcular el nombre de bales de palla i el pes total que és capaç de carregar un camió com l’estudiat. La carrosseria del camió és de 7,5 metres de llargada i 2,55 metres d’amplada, i, tenint en compte que l’altura màxima del vehicle són 4 metres, la càrrega pot alçar-se fins Pàg. 36 Memòria a 2,8 metres del terra de la carrosseria. Amb aquests valors, es troba que el màxim nombre de bales de palla transportables són 20, amb una massa equivalent de 7600 kg. Els camions de 3 eixos tenen una MMA de 26 tones que, agafant un valor de tara estàndard d’11 tones, deixen un total de 15 tones de càrrega útil, gairebé el doble que la massa total de les 20 bales de palla. Tenint en compte que es busca estudiar l’arrossegador en casos de màxim esforç, i que les propietats de les bales poden variar molt, depenent de la humitat, el seu estat o del material del qual estan fetes, sent alguns més densos que la palla, es tria emprar el valor màxim de 15 tones pels càlculs posteriors. També ha influït en la tria d’aquest valor els comentaris dels transportistes que diuen que, carregant bales d’alfals, portaven el camió al límit de la seva MMA. Amb el valor de la massa definit, es calcula la normal com massa per gravetat, obtenint un valor de 147150 N, resultant en una força de fregament de 59601,873 N. 3.2. Assaig del dispositiu amb el MEF Un cop coneguda quina és la força que reben els components a estudiar, es duu a terme l’anàlisi tant de l’arrossegador com del gatell mitjançant el programari ANSYS Workbench. 3.2.1. Assaig del gatell L’estudi s’inicia amb el gatell, que és la peça més senzilla. Donada la geometria simple de la peça, aquesta es pot representar, sense tenir en compte el cilindre que té soldat, com una peça plana amb gruix. El material definit per a aquesta geometria és un acer S355 lineal, amb un mòdul de Young de 210000 MPa, un coeficient de Poisson de 0,3, una tensió de límit elàstic de 355 MPa i una tensió de ruptura de 470 MPa. [21] [22] Així doncs, es duu a terme un estudi 2D de la peça, començant pel mallat. Per a mallar-la, s’utilitzen elements de costat 2 mm, preferentment quadrilàters, tot i que a causa de la geometria també apareixen triangles per a un correcte mallat. S’aplica un refinat a les zones on apareixen esforços majors per tal d’obtenir millors resultats. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 37 Figura 22: Mallat en la zona de la punta del gatell Un cop definit el mallat, passen a definir-se les condicions de contorn. Es restringeix el desplaçament vertical en la part superior de la peça i l’horitzontal en el lateral continu a l’arrodoniment, sent aquest el costat en contacte amb la UPN, restringint en moviment en l’eix x. Per aplicar la força cal recordar com actua aquesta peça, transmetent la força del pistó a l’arrossegador estant únicament en contacte amb la guia mòbil únicament amb 15 mm de la seva punta. La superfície de contacte entre el gatell i la guia és de 15x60 mm, sent 60 mm el gruix de la peça, i aplicant-se allà tota la força necessària per moure les bales, que és de 59301,873 N. La pressió equivalent que rep el gatell en els seus 15 mm inferior és de 66,224 MPa. Pàg. 38 Memòria Figura 23: Condicions de contorn aplicades en el gatell Mallada la peça i aplicades les condicions de contorn, se soluciona el model, obtenint els resultats de les tensions equivalents que apareixen en la peça i la seva deformació quan la càrrega està aplicada. Per visualitzar els esforços, s’empren les tensions equivalents de Von Mises, aplicable per materials dúctils com és el cas. Com era d’esperar, els resultats mostren una concentració de tensions elevada en la zona d’aplicació de la pressió, que és també aquella part amb menor material. Les tensions en aquesta zona ronden valors entre els 200 i els 300 MPa, sent el valor màxim de 316,86 MPa. Aquest màxim de tensió equivalent és inferior al límit elàstic de l’acer estudiat i, per tant, la peça no plastifica, podent treballar de forma òptima sense aparició de deformacions permanents. Cal comentar l’aparició d’una singularitat numèrica, on apareixen resultats de tensió altíssims, a causa de la condició de contorn aplicada en el lateral de la peça. En aquella zona sorgeix una acumulació de material deguda a la deformació de la peça per la pressió aplicada junt amb la restricció de moviment. Es pot deduir de manera senzilla que és una singularitat per la zona on està aplicada, prop d’una restricció de moviment, i per l’elevat gradient de tensions que mostra en poc espai. Tot i els elevats valors, no cal tenir-los en compte, sent únicament presents en la simulació i no en la vida real. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 39 Figura 24: Tensions equivalent de Von Mises gatell Sense tenir en compte els valors de singularitat, es calcula el coeficient de seguretat del gatell com: 𝛾 = 𝜎𝑦 𝜎𝑒𝑞.𝑉𝑀,𝑚𝑎𝑥 =355 316,86 = 1,12 [Eq. 9] On 𝜎𝑦 és la tensió de límit elàstic i 𝜎𝑒𝑞.𝑉𝑀,𝑚𝑎𝑥 és la tensió màxima equivalent de Von Mises. Passant a les deformacions de la peça, aquestes presenten uns valors molt baixos, situantse el màxim just a la punta de la peça i prenent un valor de 0,172 mm. En la figura 25 es pot veure la deformació que apareix en la punta de manera exagerada per tal de garantir una correcta visualització, juntament amb l’acumulació de material en la zona de la condició de contorn que genera la singularitat comentada amb anterioritat. Com que no se supera la tensió màxima el llindar del límit elàstic, un cop es deixa d’aplicar la càrrega el component torna a la posició inicial. Pàg. 40 Memòria Figura 25: Deformacions totals del gatell amb la càrrega aplicada 3.2.2. Assaig de l’arrossegador A diferència del cas del gatell, en ser l’arrossegador una peça més complexa, s’utilitza una anàlisis 3D on el model és un conjunt assemblat de les diferents parts que el formen. La divisió de l’arrossegador en diferents cossos serveix per poder mallar-los de manera independent, aplicant un mallat més fi només en aquelles zones d’interès. D’aquesta manera, es redueix cost computacional, a més a més d’evitar els límits que presenta la llicència d’estudiant d’ANSYS. El criteri de divisió en cossos diferenciats es duu a terme tenint en compte els diferents elements que componen el sistema en la realitat i dividint-los en altres de més petits per facilitar l’aplicació de les condicions de contorn. Així doncs, la peça queda dividida en: l’angle estructural, la base central, la base lateral, els dos cilindres de reforç, la UPN i el cilindre vertical, estant aquests dos últims cossos, juntament amb la base central, separats també en diferents parts per poder-hi aplicar les forces correctament. Per reduir cost computacional i donada la simetria de la peça, només s’estudia la seva meitat. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 41 Figura 26: Geometria de l’arrossegador usada En aquest cas, s’aplica un acer S355 amb les mateixes propietats que en l’anterior estudi, però afegint-li la condició de no-linealitat en aquells cossos en on les tensions són més elevades. La no-linealitat s’aconsegueix definint un enduriment bilineal. En aquest model, la corba tensió-deformació de l’acer presenta un comportament lineal amb un pendent igual al mòdul de Young fins que arriba a la tensió de límit elàstic. Arribat a aquest punt, el pendent canvia per un de molt més pla, equivalent a dividir entre 100 el mòdul d’elasticitat, sent el valor de 2100 MPa. Aquest tipus d’enduriment és una manera senzilla d’obtenir bons resultats en peces que plastifiquen, però que no arriben al límit de ruptura. Pàg. 48 Memòria Figura 34: Deformacions a torsió i flexió de l’arrossegador Vistes les deformacions amb les pressions màximes aplicades, es torna a analitzar l’estructura quan aquestes prenen un valor nul per tal de visualitzar com la plastificació de la peça afecta l’estructura. Les deformacions màximes apareixen en els mateixos punts que en càlcul previ, però han vist disminuït el seu valor enormement. La deformació màxima en l’extrem del cilindre vertical és de 0,559 mm, mentre que el desplaçament permanent de la base lateral és de només 0,411 mm. Donades les dimensions totals de l’arrossegador, aquestes deformacions permanents són pràcticament inapreciables a simple vista i no afecten el funcionament òptim del mecanisme. Figura 35: Deformacions residuals de l’arrossegador Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 49 Com a punt final d’aquest apartat i, donat que l’arrossegador plastifica, es calcula quina és la càrrega màxima que podria moure l’arrossegador sense superar les tensions el límit elàstic. Per fer-ho, es va reduint el valor de les pressions aplicades fins que la tensió màxima sigui inferior als 355 MPa. El valor de pressió més baix on apareixen tensions apreciables que sobrepassen el límit elàstic és de 0,20 MPa, equivalent a, aproximadament, 8322 kg. Per a aquesta pressió, la tensió equivalent de Von Mises màxima és de 358,96 MPa i està localitzada pròxima a la zona d’unió entre l’angle estructural i la base central. Quan es deixa d’aplicar aquesta pressió, la deformació residual màxima, situada en l’extrem del cilindre vertical, és de 0,013 mm. Malgrat ser una concentració de tensions que no es pot passar per alt, es fa una comprovació per trobar si aquesta està influenciada per una singularitat. Per dur a terme aquesta prova, es canvia el material de l’angle estructural per un acer lineal per facilitar la detecció de singularitats i es va variant la mida del mallat. Si es tractés d’una concentració de tensions normal, a mesura que es redueix la mida del mallat la tensió equivalent acabaria estabilitzant-se en un cert valor. Per contra, els valors d’una singularitat augmenten cada cop que es fa més petita la mida dels elements. Així doncs, s’estudia el comportament de la zona aplicant mallats cada cop més petits. Amb una malla de mida 5 mm, el valor de tensió màxima equivalent és de 521,87 MPa, amb 4 mm és de 580,25 MPa i, quan el mallat és de 3 mm, ascendeix fins als 640,2 MPa. A partir dels resultats obtinguts, es pot afirmar que la concentració de tensions està relacionada en una singularitat numèrica, que apareix molt probablement per la proximitat a la zona d’unió entre 2 cossos i per la geometria d’aquesta. Figura 36: Distribució de tensions aplicant una tensió de 0,2 MPa amb anàlisis lineal Pàg. 50 Memòria Agafant els valors obtinguts en l’anàlisi, s’arriba a la conclusió que en l’estudi inicial hi ha sobrecàrrega de la peça d’uns 6678 kg. Operant amb una massa de 15000 kg, la càrrega és un 44,52% major a aquella a partir de la qual la peça plastifica. És convenient comentar que tots aquests resultats són els obtinguts a partir de les suposicions fetes al llarg del procés, la geometria de la peça i les connexions entre els diferents elements que la formen. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 51 4. Mecanismes alternatius 4.1. Problemàtiques del disseny original El disseny original, tot i que funcional, no està exempt de certs problemes. La plastificació que apareix en l’arrossegador és un inconvenient a tenir en compte. En haver sigut dissenyada sense càlculs previs, les concentracions de tensions aparegudes superen el límit elàstic en algunes zones i, malgrat que la seva afectació sigui baixa, convé no superar aquests valors per a assegurar un correcte funcionament. Per altra banda, el conjunt de tot el mecanisme de descàrrega de bales també presenta problemes a solucionar. En el moment en què l’arrossegador arriba al final del recorregut, quan l’última columna de bales de palla encara es troba sobre el vehicle, el moviment de vaivé de la guia central mòbil no s’atura. Això fa que, passat l’últim forat de la guia, el gatell actuï amb l’extrem d’aquesta, com si es tractés d’un altre forat. És llavors quan la guia empeny l’arrossegador més enllà del vehicle, caient aquest juntament amb les bales sobre i podent malmetre l’element. Un altre inconvenient amb la guia mòbil es dona a l’inici del moviment de l’arrossegador. És possible que, si no es col·loca correctament, el gatell no faci el contacte idoni amb el primer forat de la guia, desplaçant-se aquesta sense que l’arrossegador arribi a moure’s. Quan la guia ha recorregut més distància que la llargada de l’arrossegador, el pes que suporta aquesta peça fa que la seva base central s’enfonsi, ocupant l’espai per on es mou la guia. En el moment que aquesta canvia de sentit, xoca amb la base central del conjunt, sense poder-lo aixecar i continuar amb el moviment desitjat. En aquest xoc, i amb la impossibilitat de moure l’arrossegador, la pressió augmenta, fent que l’inversor del sistema hidràulic canviï el sentit de moviment del pistó. D’aquesta manera, la guia queda bloquejada en un recorregut més curt i incapaç de moure l’arrossegador de la seva posició inicial i, per tant, de completar la descàrrega. Aquests dos últims problemes són inconvenients que han succeït en alguna ocasió durant l’habitual funcionament del conjunt i que en dificulten tant el correcte funcionament com la vida útil. Pàg. 52 Memòria 4.2. Possibles solucions 4.2.1. Canvis en el desplaçament Els canvis en el desplaçament fan referència a les modificacions fetes per trobar solució als comentats problemes que apareixen amb el funcionament de la guia central i el moviment de l’arrossegador. Una solució fàcil, ràpida i econòmica per aquests inconvenients és simplement realitzar un tall a un cert angle en els dos extrems de la guia central, canviant les parets planes per un cert pendent. Començant pel problema de l’última bala de palla, mecanitzant en l’extrem de la guia un pendent prou pla se solucionaria. Un cop la guia torna a avançar quan l’arrossegador es troba al final del vehicle, el contacte entre el gatell i aquest nou extrem modificat aixecaria el conjunt mòbil i la columna de bales, evitant que aquests continuïn avançant i caiguin del vehicle. Evitada la caiguda de l’arrossegador i els seus possibles danys associats, es pot acabar de descarregar la columna de bales restant amb un vehicle apropiat. Una mecanització similar també seria suficient per solucionar l’altra problemàtica esmentada amb la guia mòbil. En aquest cas, introduint un cert pendent tant en l’extrem de la guia com en la base central de l’arrossegador, s’aconsegueix evitar el xoc entre aquests dos components. La guia central mòbil seria capaç d’elevar l’arrossegador i tornar a la seva posició inicial sense l’activació prematura de l’inversor, aconseguint encaixar el gatell amb el forat i iniciant correctament la seqüència de descàrrega. Figura 37: Modificacions fetes en la guia mòbil i l’arrossegador 4.2.2. Canvis en els components estudiats Els canvis en les peces, tant en l’arrossegador com en el gatell, tenen com a objectiu la reducció de material necessari per a dur a terme la tasca, és a dir, optimitzar els models, evitant, sempre que sigui possible, la zona plàstica del material. Es busca que les citades Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 53 optimitzacions siguin realment aplicables a la realitat, deixant de banda geometries complexes que, tot i que potser oferirien millors resultats, també poden ser inviables en relació amb el temps i l’esforç necessari per a la seva materialització. 4.2.2.1. Optimització del gatell En la cerca d’una millora del gatell, en comptes d’optimitzar el model inicial, s’opta per un nou disseny. Es canvia l’accionament mitjançant una molla per un que duu a terme la tasca únicament per l’acció de la gravetat i el moviment de la guia mòbil. El nou gatell es crea a partir d’un passamà d’acer S355 de 100 mm de llargada, 30 mm d’amplada i 60 mm de gruix. Es mecanitzen en el frontal dos talls a 45 graus, l’inferior per facilitar el moviment i el superior per evitar el contacte amb la UPN. A 80 mm d’alçada i centrat en la peça, es fa un orifici passant de 14,25 mm de diàmetre per on s’introdueix un eix de 14 mm, permetent la rotació de la peça. Entre el forat i l’eix es garanteix un cert joc per facilitar la rotació del component. Figura 38: Vista isomètrica del nou disseny de gatell Per incorporar aquest nou gatell, es modifica lleugerament la disposició de la UPN de l’arrossegador, que es comentarà en el pròxim apartat. Quan la guia central avança, el gatell s’arrossega sobre aquesta fins que arriba a un dels orificis, col·locant-se dins. En canviar de sentit la guia mòbil, el lateral del forat entra en contacte amb la zona inferior de la superfície posterior del gatell, empenyent tot el conjunt. Quan la posició del gatell és totalment vertical, aquest està en contacte en la cara frontal amb la base central i en la posterior amb l’angle estructural, evitant així la rotació de la peça quan la guia fa avançar l’arrossegador. Pàg. 54 Memòria Figura 39: Moviment del nou gatell en l’avanç de l’arrossegador Explicat el nou disseny i el seu moviment, s’estudia el seu comportament mecànic en ANSYS. El material emprat és el mateix acer que els casos anteriors, definint-l’hi un comportament no-lineal per obtenir resultats més encertats en cas que hi hagi plastificació. En tractar-se d’una peça plana, es duu a terme un estudi 2D de la superfície del model, definint després el seu gruix corresponent. La peça es malla d’igual manera que el gatell original, amb elements preferentment quadrilàters de 2 mm i un refinament en la part inferior. S’apliquen dues restriccions de moviment en el gatell, corresponents als contactes que apareixen quan la peça es troba en posició vertical. En la cara frontal, en contacte amb la guia central, es restringeix el moviment en x en una longitud de 20 mm. En la cara posterior, on el contacte és amb l’angle estructural, es fixa en x i y una longitud de 12 mm, restringint totalment el moviment del gatell. No hi ha aplicada cap restricció en el forat perquè es considera que hi ha joc entre el forat i l’eix, suposant que no hi existeix contacte en el cas d’estudi. La força aplicada és la mateixa que en disseny inicial, de 59601,873 N, aplicada sobre una superfície de 15x60 mm, resultant en una pressió de 66,224 MPa. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 55 Figura 40: Condicions de contorn aplicades en el nou gatell Els resultats obtinguts són la tensió equivalent de Von Mises, el desplaçament total i les reaccions que apareixen en les zones fixades. Les concentracions de tensions que apareixen són més elevades en la part inferior del gatell, a causa de l’aplicació de la força i les condicions de contorn. En aquella zona, apareixen valors d’entre 60 i 80 MPa. La tensió equivalent màxima es troba en el vèrtex entre la part mecanitzada inferior i la respectiva condició de contorn. En aquella zona, la tensió equivalent assoleix els 356,96 MPa, però, igual que passa en l’estudi original, es tracta d’una singularitat que apareix per les restriccions de moviment aplicades. Sense tenir en compte aquest últim punt i la seva zona d’influència, el següent màxim present és de 91,409 MPa, concloent que la peça no plastifica en cap lloc. En aquest cas, el coeficient de seguretat és: 𝛾 = 𝜎𝑦 𝜎𝑒𝑞.𝑉𝑀,𝑚𝑎𝑥 =355 91,409 = 3,884 Com es pot veure, es tracta d’un coeficient de seguretat elevat, tot i això, es decideix no modificar més la peça. Si es variés el gruix de la peça, l’ajust entre aquesta i la UPN no seria l’adequat, mentre que si es redueix l’amplada, la integritat estructural podria perillar en les zones properes al forat, atès el poc material que hi hauria. Pàg. 56 Memòria Figura 41: Distribució de les tensions equivalents de Von Mises en el nou gatell El baix valor de les tensions també repercuteix en un valor de deformació petits. Els valors més elevats de deformació total es troben en la zona d’aplicació de la força, coincidint amb una de les parts amb menor material. El valor màxim és de 0,031 mm. Una zona on és vital que les deformacions siguin baixes és en el forat. En el seu voltant, la deformació màxima arriba a un valor aproximat de 0,005 mm, prou baix per a garantir el joc entre eix i forat i, per tant, el correcte funcionament del gatell. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 57 Figura 42: Desplaçaments totals del nou gatell Concloent l’estudi d’aquesta peça, a causa de la variació la geometria de l’arrossegador, convé analitzar les reaccions que apareixen en les restriccions de moviment del nou gatell. En la condició de contorn superior, apareix una reacció en la mateixa direcció i sentit que l’eix x, prenent un valor de 6936,5 N. Mentrestant, en la superfície inferior en contacte amb la base central, la reacció apareguda és de 66538 N, en sentit oposat a l’anterior. Com que s’ha suposat que el joc evita el contacte entre el forat i l’eix, no apareixen reaccions en aquella zona. Pàg. 64 Memòria Figura 50: Deformacions residuals del nou arrossegador De manera anàloga a l’estudi de l’arrossegador inicial, es calcula quina és la càrrega màxima que és capaç de descarregar sense que la peça superi el límit elàstic. La millora en aquest sentit és significativa, ja que, obviant els valors singulars, apareixen tensions que superen els 355 MPa un cop la pressió frontal aplicada és de 0,42 MPa. Aquest valor de pressió es pot traduir en una càrrega aproximada de 13256 kg, solament 1744 kg per sota del màxim. Amb els valors obtinguts, la sobrecàrrega quan s’apliquen les 15 tones en aquest model és de l’11,63%. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 65 5. Resultats i comparació Analitzats els dissenys originals i els modificats tant de l’arrossegador com del gatell, es comparen els resultats obtinguts i els canvis fets per tal de quantificar-ne la millora. El gatell és la peça que ha patit canvis més significatius, canviant completament el seu sistema d’actuació. Gràcies a lleugeres modificacions en l’arrossegador, el nou gatell és capaç de dur a terme la tasca correctament sent únicament accionat per la gravetat. Aquest nou disseny prescindeix del cilindre roscat de 250 mm del seu predecessor, on s’afegien una molla i diverses femelles. Per contra, es necessita un eix de diàmetre 14 mm i uns 88 mm de llargada com a eix de rotació, lleugerament inferior a la mida de l’orifici del gatell per garantir el joc i un correcte moviment. Com cap de les dues peces plastifica i les singularitats aparegudes són semblats i molt localitzades, es pot comparar els seus comportaments mecànics, així com les diferències de massa. Per calcular la massa, se suposa una densitat constant en tots els components de 7850 kg/m3. [22] Versió original Versió nova Diferència [%] Mides [mm] 250x25x60 100x30x60 - Massa [kg] 2,748 1,235 55,058 𝜎𝑒𝑞.𝑉𝑀,𝑚𝑎𝑥 [MPa] 316,860 91,409 71,152 Def. màxima [mm] 0,172 0,031 81,977 Taula 2: Comparativa gatells La nova versió del gatell, tot i fer servir un acer més gruixut, també és més curt que el seu predecessor, passant d’una llargada de 250 mm, sense comptar amb el cilindre roscat, a només 100 mm. Aquest canvi en les dimensions, comporta una reducció del 55,058% de la massa de l’element, mentre també se’n millora el comportament mecànic. Les tensions màximes aparegudes cauen en un 71,152% en la nova versió. Unes menors tensions també impliquen una menor deformació total, passant d’un màxim original de 0,172 mm a uns insignificants 0,031 mm, una reducció del 81,977%. Valorant els resultats obtinguts, tot i que el gatell inicial complia amb la tasca satisfactòriament sense patir deformacions permanents, la posterior modificació en millora tots els aspectes reduint considerablement la massa total. Per altra banda, les modificacions de l’arrossegador han sigut més conservadores. S’han reduït les seves mides en cerca d’un disseny més compacte i se li han afegit reforços en diverses zones en un intent d’evitar la plastificació de la peça. Per poder incorporar el Pàg. 66 Memòria mecanisme del nou gatell s’ha desplaçat uns mil·límetres endavant la UPN i se li han perforat dos forats de 14,25 mm en els seus laterals per a poder encaixar-hi l’eix que permet la rotació. Tot i els canvis, regions amb tensions que superen el límit elàstic han continuat apareixent. Per aquest motiu, no només és interessant comparar les mateixes propietats i resultats que en el cas del gatell, sinó que també la deformació residual i la càrrega màxima sense plastificació. Versió original Versió nova Diferència [%] Mides [mm] 1400x620x500 1000x320x454 - Massa [kg] 42,825 31,758 25,842 𝜎𝑒𝑞.𝑉𝑀,𝑚𝑎𝑥 [MPa] 386,050 375,500 2,732 Def. màxima [mm] 40,480 13,909 65,639 Def. residual [mm] 0,559 0,014 97,495 Càrrega max. sense plast. [kg] 8322 13256 59,289 Taula 3: Comparativa arrossegadors Amb les reduccions fetes, l’amplada de l’aparell passa de 1400 mm a 1000 mm i la seva alçada màxima es retalla en 300 mm. La lleugera disminució de la mida de les bases també comporta un escurçament de 46 mm de la llargada total. Aquests canvis comporten una reducció de la massa del 25,842%, passant de 42,825 kg fins als 31,758. Aquest alleugeriment de la peça és significatiu, tenint en compte que el posicionament de l’arrossegador a la seva zona inicial es duu a terme manualment. En tots dos casos se supera el límit elàstic en algunes zones, tot i que en el segon model la seva extensió es veu considerablement reduïda. Les tensions equivalents màximes de Von Mises són de 386,050 MPa en el primer cas, mentre que en el nou disseny es redueixen un 2,732%, fins als 375,500 MPa. La deformació total màxima de la peça quan s’apliquen els màxims esforços es veu reduïda un notable 65,639%, passant dels 40,480 mm als 13,909 mm de desplaçament, els primers localitzats en el cilindre vertical i els segons en la base lateral. Retirada tota càrrega, la deformació residual permet veure les conseqüències de la plastificació. En aquest aspecte, la diferència entre els dos casos és del 97,495%, tot i que els valors obtinguts, de 0,559 mm i 0,014 mm són tots dos gairebé inapreciables i no tenen afectació en el correcte funcionament de la peça. Finalment, el darrer resultat que es compara és el de la càrrega màxima desplaçable sense plastificar. Els resultats obtinguts mostren una millora notable de 59,289%. Mentre que el disseny original només és capaç Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 67 d’empènyer 8322 kg sense superar el llindar del límit elàstic, en la versió modificada aquest valor s’eleva fins als 13256 kg, només un 11,63% inferior a la MMA del vehicle. Pàg. 68 Memòria 6. Planificació La planificació del treball es duu a terme mitjançant un diagrama de Gannt, dividint el treball en diversos grups de tasques i emprant setmanes completes com a mesura temporal. El projecte inicia la primera setmana de març amb la recopilació d’informació teòrica i estructuració del treball. Finalitzada aquesta part, el cos d’aquest TFG se centra en la modelització CAD del mecanisme estudiat i la seva anàlisi amb ANSYS, tant de les peces inicials com de les seves alternatives proposades. La redacció és constant durant tot el període, finalitzant amb l’apartat de resultats i conclusions a l’inici de la tercera setmana de juny. Mes Març Abril Maig Juny Juliol Tasques/Setmana 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 Informació part teòrica Model CAD Estudi mecànic 1r assaig ANSYS Plantejament alternatives 2n assaig ANSYS Resultats i conclusions Taula 4: Diagrama de Gantt de la planificació del projecte Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 69 7. Estudi econòmic L’estudi econòmic d’aquest treball consta únicament del cost d’enginyeria i el preu dels programes utilitzats, excloent el cost associat a la fabricació i instal·lació del mecanisme. Per saber quina ha estat la dedicació en aquests apartats, es fa servir la planificació del punt anterior i el valor curricular del TFG, que és de 12 crèdits. Cada crèdit equival 25 hores, sent la dedicació total del treball 300 hores. Per a calcular el cost, s’usa un sou d’enginyer de 15 euros/hora. Com a despeses operatives, es tenen en compte aquelles relacionades amb els serveis d’internet i les despeses en llum de l’oficina. El cost en fibra òptica s’estima en 32 € al mes, mentre que l’import en energètic per una oficina de 14 metres quadrats es considera de 735 kWh mensuals. Amb una tarifa de llum de 0,115 €/kWh, el cost de l’oficina és d’aproximadament 85 €. [24] [25] [26] La realització del treball, tant la redacció com l’ús de l’ofimàtica, s’ha fet únicament amb un ordinador portàtil. El seu cost aproximat és de 800 € i es considera amortitzat al cap de 5 anys. Durant l’estudi mecànic, va ser necessari l’ús d’un carretó elevador per fer la part experimental. El lloguer d’aquesta maquinària té un preu d’uns 60 €/dia, necessitant-se únicament el seu ús durant 1 hora. [27] Cal incloure també el cost del programari emprat, en aquest cas SolidWorks i ANSYS. La llicència trimestral de Solidworks té un preu de 1044 €, mentre que la d’ANSYS, de caràcter anual, s’enfila fins als 10000 € en la seva versió bàsica. La utilització d’aquests programes ha estat d’aproximadament 2 mesos, per tant, l’amortització d’aquest temps d’utilització és de 696 € en el cas de SolidWorks i de 1666,67 € en el d’ANSYS. [28] [29] El preu de cada tasca es desglossa en la Taula 5, on cada concepte inclou el seu corresponent temps. Pàg. 70 Memòria Concepte Duració Cost unitari Preu total [€] Redacció, modelitzacions i assajos del projecte 300 hores 15 €/h 4500 Despeses operatives 3,5 mesos 117 €/mes 409,5 Amortització lloguer carretó elevador 1 hora 2,5 €/h 2,5 Amortització dels equips 3,5 mesos 13,33 €/mes 46,66 Llicència SolidWorks 2 mesos 348 €/mes 696 Llicència ANSYS 2 mesos 833,33 €/mes 1666,67 Total 7321,33 Taula 5: Costos del projecte Sumades totes les despeses, el cost total del projecte és de 7321,33 €. Afegint-hi un IVA del 21% el cost final ascendeix a 8858,81 €, preu que es troba adequat tenint en compte el tipus de projecte. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 71 8. Estudi ambiental Els cada cop més visibles efectes del canvi climàtic fan augmentar la consciència sobre aquest fenomen i la necessitat imperant de combatre’l. Per aquest motiu, és convenient reduir a la mínima expressió l’impacte ambiental del projecte. El material principal en construcció de la totalitat del conjunt de l’arrossegador és l’acer, metall altament reciclable. Això permet que el reciclatge de l’arrossegador un cop finalitzada la seva vida útil o dels residus produïts durant la fabricació, sobretot retalls metàl·lics, no suposin un inconvenient. La simplicitat del mecanisme i la seva elecció de materials també fan que sigui fàcilment reparable enfront danys causats durant el seu ús, allargant-ne la vida útil. L’oli del sistema hidràulic opera en circuit tancat, estant sempre sota control. L’ús d’aquest oli és indefinit, no hi ha la necessitat de canviar-lo al llarg dels cicles de vida de l’arrossegador. En cas que s’hagués de substituir, pot ser reciclat per empreses especialitzades, minimitzant els residus. Per altra banda, un correcte manteniment dels tubs del sistema hidràulic evita fuites d’oli. En conjunt, es pot considerar baix l’impacte ambiental del mecanisme d’estudi, donada la seva alta capacitat de reparació i reciclatge. Pàg. 72 Memòria 9. Estudi social i d’igualtat de gènere Durant la realització d’aquest treball s’ha evitat en tot moment discriminacions segons gènere o condició social. La totalitat de tasques executades poden dur-se a terme indistintament de la identitat de gènere, nivell socioeconòmic o ètnia de la persona, garantint un tracte igualitari. També s’ha evitat la discriminació a l’hora de la recerca de la informació. Com a aspectes a millorar, és convenient comentar que les consultes fetes durant el treball s’han fet majoritàriament a homes. Preguntar consell a persones de diferent gènere hauria sigut adient no només per garantir una major igualtat, sinó també per tenir altres punts de vista i solucions possibles. Un altre concepte a tenir en compte és l’elevat cost de les llicències del programari utilitzat en el projecte. Aquesta despesa resulta limitant per a gran part dels individus si una empresa o institució no n’assumeix el cost. Tot i això, existeixen versions d’estudiant o d’altres de prova gratuïta, permetent dur a terme les corresponents anàlisis. Estudi d’un mecanisme per a la descàrrega de bales de farratge d’un vehicle industrial Pág. 73 10. CONCLUSIONS Aquest treball tenia com a objectiu l’estudi d’una peça real en ús, analitzant-ne el comportament i suggerint modificacions versemblants que milloressin el mecanisme. L’estudi mitjançant el mètode dels elements finits amb un model i unes condicions que intenten replicar amb màxima fidelitat la realitat, ha mostrat comportaments mecànics inesperats inicialment, com és la plastificació de la peça i les grans deformacions que pateix. Inicialment, i amb els coneixements del comportament de la peça durant els més de deu anys que ha estat en ús, es va pensar que, fins i tot amb la càrrega màxima del vehicle, l’arrossegador era capaç de completar la tasca sense superar el límit elàstic en cap moment. Després de l’anàlisi amb ANSYS, s’ha desmentit parcialment aquesta creença, demostrant que se supera el límit elàstic en diverses zones. Aquesta plastificació, comporta una deformació permanent en la peça que donades les dimensions d’aquesta és pràcticament imperceptible i no té afectació en el seu correcte funcionament, coincidint amb els comentaris del seu comportament real. Amb el coneixement del comportament mecànic de la peça inicial, s’ha treballat en millores i optimitzacions del disseny. Aquestes modificacions han resultat ser força satisfactòries, complint en tots aquells aspectes que es pretenia millorar. S’ha aconseguit una reducció màssica dels components simultàniament a una millora del seu comportament mecànic, amb menors deformacions i zones amb plastificació. Tot i els resultats favorables, cal tenir en compte també les limitacions del treball. Els models emprats són simplificacions d’aquells usats en la vida real i durant el projecte s’han hagut de fer diverses suposicions. Aquestes suposicions, necessàries per avançar en l’estudi, no deixen de ser intents ficticis de copiar una realitat massa complexa per ser estudiada amb total precisió. És per això que, tot i haver intentat aproximar les condicions reals de la manera més fidel possible, els resultats obtinguts poden ser diferents del cas autèntic, sent únicament vàlids completament per a les condicions establertes al llarg del projecte. Tot i això, aquests sí que aporten idees que poden utilitzar-se en la realitat i indiquen noves perspectives en una possible futura millora del model. En conclusió, es considera el projecte un èxit, havent complert amb els objectius proposats, millorant un disseny ja funcional i indicant el camí a seguir en futures iteracions del model, permetent reducció de costos i material alhora que oferint un millor comportament mecànic.