UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTELaureate international Universities

ANALISIS DE FUERZAS EN EXCAVADOR HIDRAULICO

CURSO: MECANICA

PROFESOR : JAVIER ORCOSSUPA

CICLO : 4to CICLO AULA: 402

INTEGRANTES : CASTELLO LOPEZ JUAN CARLOS SANCHEZ GONZAGA LUIS LUNA ARCOS WILLIAM

2014

INDICE GENERALINTRODUCCION1. Excavadora hidrulica2. Principio de Funcionamiento 2.1 Partes Principales 2.2 Estructura Inferior 2.3 Estructura Superior 2.4 Brazo Excavador 2.4.1 Pluma y Brazo 2.4.2 Base 2.4.3 Cilindros Hidrulicos 2.4.4 Cuchara3. Anlisis del Brazo 3.1 Calculo de fuerzas 3.2 Calculo de esfuerzos sobre el Brazo4. Anlisis de la Pluma 4.1 Calculo de fuerzas 4.2 Calculo de esfuerzos sobre la pluma5. Calculo de tornillos de sujecin6. Seleccin de los pistones hidrulicos 6.1 Pistn hidrulico de la pluma (superior) 6.2 Pistn hidrulico del brazo 6.3 Pistn hidrulico de la pluma (inferior)CONCLUSIONESBIBLIOGRAFIA

INTRODUCCION

El presente trabajo est dedicado al anlisis de la estructura y de los movimientos que realizan las mquinas excavadoras, centrndose en el diseo de un Brazo Excavador de tamao compacto as como la seleccin del Sistema Hidrulico y sus componentes. Estas mquinas son encontradas en el mercado pero la variacin que se presenta es que el Brazo Excavador diseado puede ubicarse y fijarse sobre cualquier estructura que pueda soportarlo ya que est habilitado para ello, adems que puede desplazrsele con mucha facilidad por su bajo peso. El mtodo utilizado para el presente diseo es analizar la estructura de forma esttica y de esta manera dimensionar y seleccionar los materiales ptimos tomando siempre en consideracin, aplicando de esta manera los temas aprendidos en clase.

1. Excavadora hidrulicaEs una mquina autopropulsada, sobre neumticos u orugas, con una estructura capaz de girar al menos 360 (en un sentido y en otro, y de forma ininterrumpida) que excava terrenos, o carga, eleva, gira y descarga materiales por la accin de la cuchara, fijada a un conjunto formada por pluma y brazo o balancn, sin que la estructura portante o chasis se desplace.1.1 Partes Chasis: estructura portante desplazable mediante cadenas o ruedas neumticas. En el caso de ser de ruedas llevar unos estabilizadores para constituir las bases de apoyo. Corona de giro: sirve de apoyo de la estructura sobre el chasis, permitiendo a sta girar mientras el chasis permanece en estacin. De dentado exterior o interior atacad por un pin con motor independiente y dotado de freno. Estructura: sostiene el resto de la excavadora (motores, transmisiones, cabina, contrapeso, etc.). Cuchara: fija o mvil y dispuesta en el extremo de un brazo mvil soportado por una pluma tambin mvil. Energa motriz: motor disel o disel-elctrico. Sistemas de accionamiento: cilindros hidrulicos en su mayora aunque tambin existen por cables y cabestrantes, transmisiones mecnicas, cilindros neumticos, etc.1.2 TiposExisten dos tipos de excavadoras diferenciadas por el diseo del conjunto cuchara-brazo-pluma y que condiciona su forma de trabajo: Excavadora frontal o pala de empuje: La cual se caracteriza por tener la cuchara hacia arriba. Tiene mayor altura de descarga. til en trabajos de minera, cuando se cargan materiales por encima de la cota de trabajo. Retroexcavadora: tiene la cuchara hacia abajo. Permite llegar a cotas ms bajas. Utilizada sobre todo en construccin para zanjas, cimentaciones, desmontes, etc.La excavadora hidrulica es frecuentemente usada para la excavacin de rocas y tierra, sin embargo, gracias a sus numerosos accesorios tambin puede ser usada para el corte de acero, el rompimiento de concreto, el taladro de hoyos en la tierra, el cimiento de gravilla antes del pavimento, el destrozo de rocas, acero, y concreto, y hasta para acribillar lugares.

2. Principio de Funcionamiento El movimiento que se imprime sobre el material a recoger o levantar es generado a travs de la cuchara que es la terminacin del brazo excavador; la presin es generada cuando el aceite en la bomba hidrulica se transmite hacia los cilindros, permitiendo la salida o entrada del vstago, lo que produce el movimiento del brazo para realizar su funcin.

2.1 Partes Principales Las excavadoras cuentan con tres partes principales, las cuales sern descritas brevemente: PISTON INFERIOR PLUMAPISTON SUPERIOR PLUMAESTRUCTURA SUPERIOR

PISTON DE BRAZOESTRUCTURA INFERIORPLUMACUCHARABRAZO

2.2 Estructura Inferior Es la parte de la excavadora que permite su desplazamiento hacia la zona de trabajo, sirve de base para la estructura superior. Existen dos diferentes tipos de estructura inferior: sobre orugas y sobre neumticos cada una tiene sus propias caractersticas y sirve para diferentes propsitos.

2.3 Estructura Superior La estructura superior incluye, la cabina rotatoria y la casa de mquinas, conteniendo esta ltima, toda la maquinaria necesaria para las funciones de levante, giro y empuje, as mismo los controles para comandar las operaciones mecnicas. Es aqu donde se encuentra todo el sistema hidrulico

2.4 Brazo Excavador Ubicado en la parte delantera de la mquina, comprende: la pluma, el brazo, la pala o cuchara, la base, los cilindros hidrulicos y todo el equipo que origina su movimiento como las mangueras, vlvulas y conectores parte del circuito hidrulico.

En la figura mostrada se muestran las partes que contendr el brazo excavador.

2.4.1 Pluma y BrazoLa Pluma y el Brazo estn formados por planchas de acero que conformaran la estructura que va a servir para poder sostener la carga junto con la cuchara y los cilindros hidrulicos, adems permitirn un movimiento controlado de la carga.

2.4.2 BaseServir de apoyo de la pluma y por lo tanto de toda la estructura que conforme el brazo excavador. Contar con un diseo que le permitir un movimiento amplio al brazo excavador para recoger y descargar, tambin podra ser fijada de manera sencilla a una estructura que le sirva de soporte mediante el uso de tornillos.2.4.3 Cilindros HidrulicosSon los que al recibir el aceite a una determinada presin originan el movimiento de los elementos que conforman el brazo excavador.Su principio de funcionamiento es muy sencillo, el aceite a presin ingresa por medio de conductos al cilindro, esta presin por el rea del embolo produce una fuerza que hace que el vstago ingrese o salga, segn el lado que ingrese o salga el aceite. Todo este sistema es alimentado ,por un caudal de aceite generado por una bomba hidrulica la cual es movida por el motor de la excavadora ,adems de la bomba se cuenta con vlvulas que van permitir accionar cada uno de los movimientos de brazo excavador.2.4.4 CucharaLa capacidad del brazo excavador es designada por el tamao de su cuchara la cual corresponde a la capacidad volumtrica del mismo cuando se encuentra totalmente lleno.Los tamaos frecuentemente utilizados en la industria segn la capacidad de los cucharones van desde 0.01m3 hasta ms de 30m3 segn el tamao de la excavadora.La cuchara que es la que soporta los golpes ocasionados al recoger la carga, es de un material con capacidad de endurecimiento en frio, el material de los brazos es de un acero capaz de resistir las carga que se le apliquen durante el trabajo, adems tanto la cuchara como el brazo y la pluma cuentan con proteccin contra la corrosin que el medio ambiente ocasiona. Para el presente trabajo se utiliz una capacidad de cuchara de 0.02 m3.

Las distancias que puede alcanzar el brazo en las posiciones que se aprecian en la figura.2.1A. Altura mxima de Excavacin =2050mmB. Altura mxima de vaciado =1350mmC. Profundidad de Excavacin Vertical =1580mmD. Profundidad mxima de Excavacin =1650mmE. Alcance mximo de Excavacin =2240mmLa fuerza de excavacin que podr aplicar el Brazo Excavador en las uas de la cuchara ser de 8.3kN.3. Anlisis del Brazo 3.1 Calculo de fuerzasSe probaron varias posiciones de trabajo del Brazo Excavador al momento de levantar la carga y se obtuvo la posicin en la que realiza su mayor esfuerzo en el momento de recoger la carga .Se considerara el punto A que es el punto de unin del cilindro hidrulico de la pluma con el Brazo y un apoyo fijo que ser el punto B que es el punto de unin del Brazo con la Pluma, en esta posicin se realizaron los siguientes clculos.

Figura 2.2 Fuerza F al recoger la carga y Reacciones en los apoyos Ra y RbLas distancias son:

Tambin por diseo tenemos que el Angulo que forma la reaccin Ra con la horizontal es de 10 grados en la direccin del cilindro hidrulico de la Pluma.Mediante un anlisis grfico con las direcciones de las fuerzas Ra y F podemos obtener el Angulo que forma la fuerza Ra con la horizontal:

Figura 2.3 Convergencia de fuerzas en un puntoEntonces los ngulos que forman las reacciones en la unin del brazo con la Pluma son: = Angulo que forma Ra con la horizontal F= Angulo que forma Rb con la horizontal FCalculo de Reacciones Ra y RbAplicando suma de momentos en el punto B obtenemos:

Esta reaccin es el resultado de la fuerza que ejerce el pistn hidrulico sobre el brazo para realizar su movimiento.Por equilibrio:

El resultado obtenido nos indica que el sentido de la reaccin es igual al del dibujo.

3.2 Calculo de esfuerzos sobre el BrazoLas fuerzas sobre el brazo provocaran que est sometido a esfuerzo, para lo cual este clculo se realiza para poder comprobar la resistencia de la estructura a estos esfuerzos. Se tiene como incgnita el valor de la fuerza y el Angulo que forma con la horizontal.

Figura 2.4 disposicin y ubicacin de fuerzas y distancias en el Brazo.

De la figura tomamos los siguientes datos.

Se tomara la condicin de equilibrio:

0 0 Entonces obtenemos: y forma = 34.7 con la horizontal. La fuerza trabaja a traccin en los eslabones, el pistn ejerce una fuerza para que el brazo pueda moverse.A partir de los datos de la tabla anterior y de las fuerzas ya halladas se obtuvo los diagramas de fuerzas y momentos que actan sobre la estructura:

En estos diagramas se puede apreciar los lugares donde se producir los mximos esfuerzos sobre la estructura en su posicin de mximo esfuerzo. El brazo estar conformado por planchas y bloques del material: Acero St 524. Anlisis de la Pluma4.1 clculo de fuerzasConsiderando la posicin en el que el brazo excavador realiza su mayor esfuerzo para laPosicin de la pluma se realizaron los siguientes clculos:

Las distancias son:

Las reacciones en la unin del brazo con la pluma son:

Calculo de reacciones Fj y Fk

El signo positivo indica que el sentido de la reaccin es la correcta lo cual como se esperaba quiere decir que el pistn se encuentra a traccin y est jalando la pluma para que el conjunto pueda realizar su funcin.Por equilibrio y despejando obtenemos:

Tenemos la fuerza Angulo que forma con la horizontal.Esta reaccin es el resultado de la fuerza que ejerce la pluma sobre el apoyo de la Base.Al igual que en el anlisis del brazo, tampoco se ha considerado el peso de la plumaPues no influye de manera considerable en la reacciones.4.2 Calculo de esfuerzos sobre la plumaLas fuerzas actuantes sobre el brazo provocarn reacciones en la pluma por lo cual estarSometida a esfuerzo, este clculo se realiza para poder comprobar la resistencia de laEstructura a estos esfuerzos. Para el anlisis se utiliz la parte mostrada en la siguienteFigura para facilitar el anlisis, trasladando la fuerza faltante.La fuerza sobre la pluma es:

Figura 2.6 corte de la pluma y distanciasSe tomara la condicin de equilibrio

Con estos valores podemos construir los diagramas que se presentan a continuacin:En estos diagramas se puede apreciar los lugares donde se producir los mximos esfuerzos sobre la estructura cuando esta se encuentre su posicin de mximo esfuerzo.

5. Calculo de tornillos de sujecinPara este clculo es necesario obtener un punto en donde el conjunto tenga que hacer elMayor esfuerzo para soportarla el volumen cargado, la condicin ms crtica alMomento de levantar la carga ser cuando la carga est lo ms alejada del punto deApoyo del Brazo Excavador que sera la Base.Para hallar las fuerzas actuantes sobre los tornillos se tienen las siguientes cargas:

El momento que acta en O ser:

Para hallar las fuerzas sobre cada uno de los pernos se utilizar la siguiente representacion de la placa de la base donde iran los 6 tornillos.

6. Seleccin de los pistones hidrulicosPara la seleccin de los tres pistones con los que contar el Brazo Excavador, obtuvimosPrimero la fuerza mxima que debern imprimir. Adems los pistones hidrulicosSeleccionados contarn con una presin mxima de:

6.1 Pistn hidrulico de la pluma (superior)

Fuerza comprensin mxima aplicada al cilindro hidrulico

Hallando el dimetro mnimo del embolo tenemos la frmula de presin mxima:

Despejando y reemplazando valores obtenemos:

6.2 Pistn hidrulico del brazo

Fuerza comprensin aplicada al cilindro hidrulico.

Despejando valores obtenemos:

6.3 Pistn hidrulico de la pluma (inferior)

Fuerza comprensin mxima aplicada al cilindro hidrulico

Despejando valores y obtenemos:

Caractersticas de los cilindros hidrulicos(mm)(kN)

Pluma(sup.)63404802503117.2731.212639.16

Brazo63404302503117.2731.212137.74

Pluma(inf.)63405202503117.2731.28325.83

Donde:

El material del vstago tendr la misma resistencia que el material utilizado para los pines, como lo brinda el fabricante ser de un acero endurecido y cromado duro 1.7225 y el material es de grado AISI/SAE 4140.

CONCLUSIONES Fue factible encontrar las fuerzas ejercida por la maquina gracias al previo anlisis de la excavadora dividindola esta en partes para realizar un mejor anlisis.

Debido a la teora que se nos brind en el curso se pudieron hallar las fuerzas de manera rpida y precisa.

El diseo garantiza que el brazo excavador pueda moverse a todas las posiciones indicadas para realizar su funcin de manera sencilla y segura

El diseo del sistema hidrulico incluye la seleccin de los elementos necesarios para el movimiento del brazo excavador, es decir de los tres pistones que lo conforman.

BIBLIOGRAFIA [BARRIGA B., 1985] Mtodos de Diseo en Ingeniera Mecnica. Pontificia Universidad Catlica del Per. [RODRGUEZ H., 2004] Resistencia de Materiales 2-A. Pontificia Universidad catlica del Per. [Excavadora Hidrulica CATERPILLAR] . [WIKIPEDIA-The Free Encyclopedia] . [HYUNDAI]. 620.103 HIBB/E2010; Hibbeler R.C.; Ingeniera Mecnica- Esttica; 12 Ed.; 2010: Editorial Pearsonhttp://youtu.be/HeSjumi2LD0http://youtu.be/LGqjb4H2zh0