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PROYECTO FIN DE CARRERA ANÁLISIS DE UN CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA AUTOR ALBERTO GÓMEZ SEBASTIÁN DIRECTOR PAULA CANALÍS MARTÍNEZ ESPECIALIDAD MECÁNICA CONVOCATORIA SEPTIEMBRE 2013 MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 2 ÍNDICE 1. ASPECTOS GENERALES.......................................................................................... 4 1.1. TEMA OBJETO DEL PROYECTO................................................................... 4 1.2. PETICIONARIO................................................................................................. 4 1.3. DESTINATARIO................................................................................................ 5 1.4. FECHA Y FIRMA DEL PROYECTO ............................................................... 5 2. INTRODUCCION........................................................................................................ 6 2.1. INFORMACIÓN GENERAL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA............. 6 2.1.1. CARGADOR FRONTAL ........................................................................ 6 2.1.2. MODELOS DE CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA........................ 7 2.1.3. CAZO O HERRAMIENTA ................................................................... 11 3. PARTES FUNDAMENTALES DEL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA........ 14 3.1. DESPIECE FUNDAMENTAL DEL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA 14 3.2. PARTES FUNDAMENTALES DEL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA15 3.3. CARACTERÍSTICAS Y DIMENSIONES BÁSICAS DEL CHASIS PRINCIPAL DEL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA ANALIZADO. ... 16 3.3.1. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS.......................................................... 16 3.3.2. DIMENSIONES BÁSICAS................................................................... 17 4. ANÁLISIS DEL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA ........................................ 20 4.1. HIPÓTESIS DE TRABAJO.............................................................................. 20 4.2. ANÁLISIS DE LA POSICIÓN MÁS DESFAVORABLE .............................. 21 4.2.1. ANÁLISIS DE LOS ELEMENTOS POSICIÓN 1................................ 23 4.2.2. ANÁLISIS DE LOS ELEMENTOS POSICIÓN 2................................ 30 4.2.3. COMPARACIÓN DE FUERZAS ENTRE POSICIÓN 1 Y POSICIÓN 2 ………………………………………………………………………….37 4.2.4. CÁLCULO DE PASADORES............................................................... 37 4.2.5. RESUMEN DIMENSIONAMIENTO DE PASADORES .................... 41 4.2.6. RESUMEN DE PASADORES SELECCIONADOS ............................ 42 4.2.7. CÁLCULO DE OREJETAS Y ESPESORES DE PIEZAS................... 43 4.2.8. RESUMEN ESPESORES DE PIEZAS ................................................. 46 4.2.9. RESUMEN ESPESORES DE PIEZAS SELECCIONADOS ............... 47 4.2.10. CÁLCULO DE LOS CILINDROS........................................................ 48 5. SIMULACIÓN DEL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA.................................. 55 5.1. ASPECTOS GENERALES DE LA HERRAMIENTA SOLIDWORKS......... 55 5.1.1. INTRODUCCIÓN A SOLIDWORKS................................................... 55 5.1.2. SIMULACIÓN MEDIANTE SOLIDWORKS SIMULATION............ 56 5.2. MODELADO EN 3D........................................................................................ 58 5.2.1. ENSAMBLAJE...................................................................................... 63 5.3. PREPROCESO DE SIMULACIÓN................................................................. 65 5.4. POSTPROCESO. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE ELEMENTOS............. 69 5.4.1. ACOPLE DE HERRAMIENTAS.......................................................... 69 5.4.2. BARRA .................................................................................................. 71 5.4.3. BARRA LARGA.................................................................................... 73 5.4.4. PIEZA 4.................................................................................................. 75 5.4.5. BRAZO POSICIÓN 1............................................................................ 77 5.4.6. BRAZO POSICIÓN 2............................................................................ 82 MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 3 5.4.7. ENGANCHE POSICIÓN 1.................................................................... 84 5.4.8. ENGANCHE POSICIÓN 2.................................................................... 88 6. CONCLUSIONES...................................................................................................... 91 7. BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................ 93 MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 4 1 ASPECTOS GENERALES 1.1 TEMA OBJETO DEL PROYECTO El presente proyecto está basado en la integración de herramientas CAD / CAE en el proceso de diseño. Este proyecto ha sido realizado por el alumno Alberto Gómez Sebastián de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura de Zaragoza. El objeto del proyecto es el análisis de un cargador frontal agrícola, con el fin de asimilar los siguientes objetivos: 1) Integración de SolidWorks como herramienta de CAD / CAE 2) Análisis de un cargador frontal agrícola a partir de un modelo comercial de similares características perteneciente al fabricante El león, el cual nos ha proporcionado un catalogo, y un plano de una de las piezas que lo componen. La integración de SolidWorks como herramienta de diseño nos permite tener una idea más visual de cómo funciona el cargador, así como las restricciones de movimientos y la manera de transmisión de fuerzas de unos elementos a otros. El segundo objetivo del proyecto es comprobar, a través del cálculo en SolidWorks, que los cálculos analíticos realizados, las diferentes hipótesis y las condiciones del diseño que posteriormente comentaremos sean las correctas. 1.2 PETICIONARIO El presente proyecto ha sido realizado a petición de la Escuela Universitaria de Ingeniería y Arquitectura de Zaragoza como proyecto fin de carrera, correspondiente al título de Ingeniería Técnica Industrial Mecánica. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 5 1.3 DESTINATARIO Los sectores destinatarios de estas máquinas son principalmente empresas encargadas de realizar los servicios agrícolas, ganaderos, obras públicas y construcción, quienes hacen de su uso para el transporte y manipulación de mercancías a si como otro tipo de herramientas. El empleo de estas máquinas supone un trabajo más rápido, ergonómico, intuitivo y eficaz para el operario debido a la flexibilidad de operaciones además de gran polivalencia ya que combinando diferentes herramientas se cumplen varias necesidades. 1.4 FECHA Y FIRMA DEL PROYECTO Firmado por el autor del proyecto: ALBERTO GÓMEZ SEBASTIÁN MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 6 2 INTRODUCCIÓN Este proyecto consiste en diseñar un cargador frontal agrícola, el cual su uso estaría destinado para el sector agrícola, ganadero, construcción y obras públicas. El diseño se va a realizar partiendo de las características dimensionales y de cargas de un modelo comercial, calculando las reacciones en los diferentes elementos que componen la pala para las posiciones más desfavorables en función de las características dimensionales de esta. También se escogerán los cilindros comerciales necesarios para cumplir las características de cargas requeridas y se definirá tanto el material como los diámetros necesarios para los pasadores y orejetas. La segunda parte del proyecto consiste en dimensionar y modelizar los elementos que componen el mecanismo atendiendo a los criterios de tensión, coeficientes de seguridad y de de desplazamientos requeridos. 2.1 INFORMACIÓN GENERAL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA 2.1.1 CARGADOR FRONTAL Se llama cargador frontal agrícola, pala cargadora o cargador a la pala mecánica compuesta por un tractor sobre orugas o neumáticos provisto de una cuchara, herramienta o cazo el cual su movimiento de elevación se ejecuta mediante dos brazos laterales articulados. A estos brazos laterales articulados se les acoplan los cilindros hidráulicos y dos cuadriláteros articulados para formar el chasis principal del cargador frontal. En los tractores agrícolas es necesario acoplar un subchasis específico a cada modelo de tractor agrícola concreto. A este subchasis específico montado en cada tractor agrícola acoplaremos el chasis principal del cargador frontal. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 7 El sistema hidráulico del cargador frontal se alimenta del propio sistema hidráulico del tractor agrícola al cual se acopla. Los propios cilindros hidráulicos del cargador frontal toman el fluido del propio tractor impulsado por la bomba hidráulica que el mismo posee . El sistema hidráulico de este tipo de cargadores esta compuesto por dos parejas de cilindros hidráulicos. La pareja de cilindros hidráulicos principales es la encargada de elevar la carga, los cilindros hidráulicos secundarios son los encargados de mover el cazo, herramienta o cuchara. El manejo de los cargadores frontales agrícolas es sencillo rápido e intuitivo. Los movimientos se controlan desde el propio puesto de conducción del tractor agrícola mediante un distribuidor hidráulico. En la actualidad existen diversos modelos de cargadores frontales agrícolas según las características requeridas. Las características principales son definidas según la carga elevar, y la altura a la que elevemos la carga. La masa a elevar varía entre 500kg y 2000kg, y la altura entre 2.5m y 4.5m. Cada tractor agrícola, según sus características de potencia, caudal y presión del sistema hidráulico que posee, a si como su peso, necesitara un modelo distinto de cargador frontal. 2.1.2 MODELOS DE CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA Existen modelos simples, que no son paralelos o sin sistemas de autonivelación. Por otro lado existen modelos con diferentes sistemas de autonivelación. Estos sistemas de autonivelación pueden ser mecánicos con el cuadrilátero sobre el chasis principal, mecánicos con el cuadrilátero en el interior del chasis principal o hidráulico. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 8 En las Fig.1, Fig.2, Fig.3, Fig4 y Fig.5 podemos ver distintos modelos. Fig.1: Cargador frontal López Garrido modelo LG1, sistema de autonivelación mecánico con el cuadrilátero sobre el chasis principal. Fig.2: Cargador frontal El León modelo 410E MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 9 Fig.3: Cargador frontal Deutz Fahr modelo L8, sistema de autonivelación con cuadrilátero en el interior del chasis principal. Fig.4: Cargador frontal Tenias modelo T30. Sistema de autonivelación con cuadrilátero en el interior del chasis principal Fig.5: Cargador frontal MX con sistema de auto nivelación hidráulico (PCH System). Las principales diferencias entre los cargadores autonivelables y los no autonivelables es que los autonivelables están provistos de un sistema mecánico o hidráulico formado MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 16 3.3 CARACTERÍSTICAS Y DIMENSIONES BÁSICAS DEL CHASIS PRINCIPAL DEL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA ANALIZADO. En este apartado se van a analizar las características y dimensiones básicas del modelo comercial seleccionado a partir del cual desarrollaremos muestro cargador frontal. 3.3.1 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS En la Fig. 14 se muestran las características básicas en mm. y Kg. del cargador frontal agrícola analizado: Fig.14: Características del cargador analizado. El cargador estudiado tiene una altura máxima de elevación 3850 mm. y una capacidad de elevar 2600 Kg. en el acople de las herramientas, 2000kg a una distancia de 400 mm y 1800 kg a 800 mm del acople de implementos. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 17 3.3.2 DIMENSIONES BÁSICAS En las figuras Fig.15 y Fig.16 se muestran las dimensiones básicas del chasis principal o brazos de elevación el cargador frontal agrícola analizado. El proyecto lo desarrollamos a partir de las dimensiones del brazo elevador, puesto que este elemento nos marcara la altura máxima de elevación. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 18 Fig.15: Plano alzado. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 19 Fig.16: Plano planta. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 20 4 ANÁLISIS DEL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA 4.1 HIPÓTESIS DE TRABAJO Para realizar el primer diseño se parte de un diseño comercial ya existente, del que se extrajeron las características básicas que una maquina de este tipo debe cumplir a si como las carreras de los cilindros hidráulicos que lo dotan de movimiento. En primer lugar vamos a analizar las dos posiciones extremas del cargador frontal, una vez analizadas elegiremos la posición más desfavorable. La posición más desfavorable será la que dimensionaremos del siguiente modo: Las uniones de las piezas principales y la unión de los cilindros hidráulicos se realizaran mediante pasadores. Teniendo en cuenta las características de los materiales utilizados en cada elemento a si como los coeficientes de seguridad exigidos según la teoría de cortante máximo, se tienen que determinar los siguientes puntos: 1. Fuerza que tienen que realizar los cilindros hidráulicos. 2. Dimensiones de los cilindros hidráulicos 3. Diámetro de los pasadores 4. Anchura de las orejetas. El cargador frontal es simétrico, por lo que solamente calcularemos los esfuerzos que soportan los pasadores de uno de los brazos elevadores. Una vez conocidas las acciones a las que esta solicitado cada pasador calcularemos las tensiones que los elemento sobre los que puede darse el fallo. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 21 Las tensiones reales que puedan aparecer serán siempre inferiores a las tensiones máximas admisibles. El coeficiente de seguridad mínimo admisible exigido será de 3 y se aplicara el criterio de tensiones del cortante máximo. El material utilizado para los pasadores será el E500 con σ f = 500 Mpa y para el resto de piezas E-350 con σ f = 350 Mpa 4.2 ANÁLISIS DE LA POSICIÓN MÁS DESFAVORABLE Para analizar la poción más desfavorable, vamos a estudiar las dos posiciones extremas con la carga máxima que debe soportar el cargador. Esta carga es de 1800 kg situada a 800mm del acople herramientas. Al ser una maquina simétrica, analizaremos un solo brazo elevador, por lo que la carga máxima en cada brazo será: (1800kg*9.81)/2=8829N La primera posición será con la carga sobre la horizontal, perpendicular a la misma. Fig.17: Plano posición 1. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 22 La segunda posición extrema será con la carga elevada a 3850 mm, y situada en la misma posición. Fig.18: Plano posición 2. Analizaremos los diferentes elementos de la misma en ambas posiciones por separado, haciendo un diagrama de sólido libre de cada uno de los elemento para conocer las fuerzas que actúan sobre los mismos. A continuación dimensionaremos los elementos en la posición mas solicitada. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 23 4.2.1 ANÁLISIS DE LOS ELEMENTOS POSICIÓN 1 Vamos a realizar el análisis de los elementos de forma individual en la posición 1, cuando el cargador frontal se encuentra en la posición inferior, con altura nula. Fig.19: Elementos analizados A continuación se muestra el orden en el cual se realizan los cálculos analíticos de los elementos que componen el cargador frontal: 1. acople de herramientas 2. barra 3. biela Acople de herramientas Barra Biela Cilindro 2 Pieza 4 Barra larga Cilindro 1 Brazo elevador Enganche MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 24 4. pieza 4 5. brazo elevador. El elemento barra larga, no es necesario calcularlo, solo reciben la fuerza F5 del elemento pieza 4 El elemento enganche, no es necesario calcularlo, ya que las fuerzas que recibe serán las del brazo elevador, barra larga y cilindro1, las cuales ya las tendremos calculadas al final del análisis del resto de elementos. 1. ACOPLE DE HERRAMIENTAS A continuación se muestra el análisis de fuerzas de la pieza acople de herramientas. Fig.20: Diagrama de sólido libre ΣMA = 0 8829·800 - F 1 ·cos 45º·303.59-F 1 ·sen45º·176.32=0 F 1 =20814.05N MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 25 ΣFx=0 R Ax -F 1 ·cos45º=0 R AX =14717.75N ΣFy=0 R Ay +F 1 ·sen45º=0 R AY =14717.75N F A =F B =√ R AX2 + R AY2 = 20814.05N 2. BARRA Análisis de fuerzas de la barra del cuadrilátero paralelo. Fig.21: Diagrama de sólido libre. F 2 =F B =20814.05N MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 32 R Ay -F 1 ·sen16º-8829=0 R AY =16833.31N F A =√ R AX2 + R AY2 = 32597.11N F B =F 1 =29039.29N 2. BARRA Análisis de la barra del cuadrilátero paralelo. Fig.27: Diagrama de sólido libre. F 1 =F 2 =29039.29N MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 33 3. BIELA Análisis de la biela del cuadrilátero paralelo. Fig.28: Diagrama de sólido libre. ΣMC = 0 F 2 ·cos16º·464.93+F 2 sen16º·17.32-F cil2 ·cos40º·464.93F cil2 ·sen40º·17.32=0 F cil2 =35712.52N ΣFx=0 R cx -F cil2 ·cos40º+F 2 cos16º=0 R cx =-556.97N ΣFy=0 R cy -F cil2 ·sen40º+F 2 ·sen16º=0 MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 34 R CY =-14951.25N F C =√ R CX2 + R CY2 = 14961.63N 4. PIEZA 4 Análisis de la pieza 4 del cuadrilátero paralelo. Fig.29: Diagrama de sólido libre. ΣME = 0 F cil2 ·cos40º·201.4+F cil2 ·sen40º·27.07-F 5 ·cos3º·118.31+F 5 ·sen3º·99.84=0 F 5 =54296.7N ΣFx=0 R Ex +F cil2 ·cos40º-F 5 sen3º=0 R Ex =-30199.05N MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 35 ΣFy=0 R Ey +F cil2 ·sen40º-F 5 ·cos3º=0 R EY =31266.72N F E =√ R EX2 + R EY2 = 43469.68N 5. BRAZO ELEVADOR Análisis del brazo elevador. Fig.30: Diagrama de sólido libre. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 36 R AX =27914.36N R AY =16833.31N R cx =1135.27N R CY =14466N R Ex =30199.05N R EY =31266.72N ΣMJ = 0 -R Ey ·41.41+R Ex ·1251.97-F cil1 ·cos4º·239.62+F cil1 ·sen4º·1014.5+R Ay ·1484.5R Ax 2424.74+R Cx ·2182.16-R Cy ·1383.22=0 F cil1 =-140941.32N ΣFx=0 R Jx -F cil1 ·sen4º+R Ex -R Ax +R Cx =0 R Jx =6411.61N ΣFy=0 R Jy -F cil1 ·cos4º-R Ey -R Ay +R Cy =0 R JY =187562.75N F J =√ R JX2 + R JY2 = 187672.3N F I =F cil1 =-140941.32N MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 37 4.2.3 COMPARACIÓN DE FUERZAS ENTRE POSICIÓN 1 Y POSICIÓN 2 En la siguiente tabla (Tabla 1) se muestra el resumen de fuerza en las diferentes piezas del mecanismo, elegiremos la mayor fuerza que actúa sobre cada elemento. Con esa fuerza, dimensionaremos los elementos, ya que será en ese caso cuando mas solicitados estén. Tabla 1: comparación de fuerzas. FUERZA [N] POSICIÓN 1 POSICIÓN 2 F 1 20814,05 29039,29 F A 20814,05 32597,11 F 2 20814,05 29039,29 F CIL2 20814,39 35712,53 F C 0 14961,63 F 5 23235,88 54296,7 F E 18399,76 43469,68 F CIL1 182331,97 -140941,32 F J 155319,77 187672,3 F I 182331,97 -140941,32 4.2.4 CÁLCULO DE PASADORES Las diferentes piezas que componen el cargador están unidas mediante pasadores. Los pasadores tienen las siguientes características: σ f = 500 Mpa C s, f = 3 A= área del pasador MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 38 D= diámetro del pasador A continuación calculamos la tensión máxima admisible: τ max,adm = σ f / 2· C s,f = 500/ 2·3= 83.33Mpa La tensión máxima será: τ max = F /2·A El área del pasador será: A= F / 2· τ max, adm A=π·D 2 /4 El diámetro del pasador será: D= √4·A/π PASADOR B La máxima fuerza a la que esta solicitado el pasador B es: F B =29039,29N Calculamos el área del pasador: A B =29039,29/2·83,33=174,24mm 2 Calculamos el diámetro del pasador: D B =√4·174,24/ π=14,89mm PASADOR A La máxima fuerza a la que esta solicitado el pasador A es: F A =32597,11N Calculamos el área del pasador: A A =32597,11/2·83,33=195,59mm 2 MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 39 Calculamos el diámetro del pasador: D A =√4·195,59/ π=15,78mm PASADOR D La máxima fuerza a la que esta solicitado el pasador D es: F D = FCIL2 = 35712,53N Calculamos el área del pasador: A D =35712,53/2·83,33=214,28mm 2 Calculamos el diámetro del pasador: D D =√4·214,28/ π=16,51mm PASADOR C La máxima fuerza a la que esta solicitado el pasador C es: F C =14961,63N Calculamos el área del pasador: A C =14961,63/2·83,33=89,77mm 2 Calculamos el diámetro del pasador: D C =√4·89,77/ π=10,69mm PASADOR F La máxima fuerza a la que esta solicitado el pasador F es: F F =F CIL2 =35712,53N Calculamos el área del pasador: A F =35712,53/2·83,33=214,28mm 2 Calculamos el diámetro del pasador: MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 40 D F =√4·214,28/ π=16,52mm PASADOR E La máxima fuerza a la que esta solicitado el pasador E es: F E =43469,68N Calculamos el área del pasador: A E =43469,68/2·83,33=260,83mm 2 Calculamos el diámetro del pasador: D E =√4·260,83/ π=18,22mm PASADOR G La máxima fuerza a la que esta solicitado el pasador G es: F G =54296,7N Calculamos el área del pasador: A G =54296,7/2·83,33=325,79mm 2 Calculamos el diámetro del pasador: D G =√4·325,79/ π=20,36mm PASADOR J La máxima fuerza a la que esta solicitado el pasador J es: F J =187672,3N Calculamos el área del pasador: A J =187672,3/2·83,33=1126,07mm 2 Calculamos el diámetro del pasador: D J =√4·1126,07/ π=37,86mm MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 41 PASADOR I La máxima fuerza a la que esta solicitado el pasador I es: F I =182331,97N Calculamos el área del pasador: A I =182331,97/2·83,33=1094,03mm 2 Calculamos el diámetro del pasador: D I =√4·195,59/ π=37,32mm 4.2.5 RESUMEN DIMENSIONAMIENTO DE PASADORES En la siguiente tabla (Tabla 2) se muestra un resumen del diámetro de los pasadores calculados: Tabla 2: resumen de pasadores PIEZA PASADOR DIAMETRO(mm) A 15,78 ACOPLE DE HERRAMIENTAS B 14,89 B 14,89 BARRA D 16,51 C 10,69 BIELA D 16,51 E 18,22 G 20,36 PIEZA 4 F 16,52 A 15,78 C 10,69 E 18,22 I 37,32 BRAZO ELEVADOR J 37,86 Para facilitar la construcción del cargador frontal agrícola unificaremos en la medida de lo posible los pasadores, eligiendo siempre el de mayor diámetro ya que cumpliremos con el coeficiente de seguridad requerido. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 48 4.2.10 CÁLCULO DE LOS CILINDROS Los cilindros hidráulicos del cargador frontal agrícola trabajan con la misma presión y caudal de aceite determinado por el tractor agrícola en el cual esta montado. Los tractores agrícolas trabajan con una presión y caudal de aceite variable según sus requerimientos. En este caso el tractor agrícola requerido deberá poseer una bomba hidráulica que trabaje a 190 bares con un caudal de 60l/min. CILINDRO PRINCIPAL El cilindro principal es el encargado de proporcionar el movimiento de elevación a los brazos principales los cuales son los encargados de elevar la carga. En primer lugar vamos a analizar las dos posiciones extremas para conocer la carrera del cilindro. Fig.32: Longitud del cilindro principal en posición 1 MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 49 Fig.33: Longitud del cilindro principal en posición 2. Carrera cilindros principales: 1415-890=525mm A continuación se dimensionaran los cilindros principales: Fuerza de avance: F a [N]= [P[bar] · (π · D 2 )/4[mm]] / 9,81 Fuerza de retroceso: F r [N]= [P[bar] · (π · D 2 -d 2 )/4[mm]] / 9,81 Fuerza máxima del cilindro a compresión: F cil1, pos1 =182331,97N Fuerza máxima del cilindro a tracción: F cil1, pos2 =-140941,32N Fuerza de avance: La calculamos con la fuerza máxima a compresión, ya que es la que se opondrá al avance del cilindro: 182331,97= [150· (π·D 2 )/4]/9,81 D=123,21mm Fuerza de retroceso: La calculamos con la fuerza máxima a compresión, ya que impedirá el retroceso del cilindro: MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 50 140941,32= [150· (π·125 2 -d 2 )/4]/9,81 d=64,32mm Dimensionamiento del vástago: Para calcular el vástago del cilindro principal, primero tenemos que conocer la longitud efectiva de este, que depende del tipo de apoyo del cilindro y de la longitud de vástago. L e =β·L β= 2 Unión con vástago articulado y guiado con cilindro fijado mediante articulación en la parte posterior. Fig. 34: Selección condiciones de apoyo. L=525mm longitud del vástago L e =2·525= 1050mm Diámetro del vástago a compresión: Para calcular el diámetro del vástago a pandeo, utilizamos la fuerza de compresión F a =182331,97N Entraremos en la tabla (Tabla 6) con 183KN y L e = 1050mm MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 51 Tabla 6: tabla para la selección del diámetro del vástago. Obtenemos un diámetro del vástago de: D v = 56mm A continuación comprobamos el diámetro del vástago a tracción para saber si cumple con los requisitos: Diámetro del vástago a tracción Para dimensionar el vástago a tracción, utilizamos la fuerza máxima de tracción a la que esta sometido: F r =137996,26 La tensión de fluencia será: σ f =F r /A v < σ adm La tensión máxima admisible es: σ adm = σ/3=350/3=116,66 Mpa Igualamos a expresión: 116,66=137996,26/ A v El área del vástago será: A v =1182,9mm 2 El diámetro del vástago será: D v =38,8mm 182KN 1050mm MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 52 D v =38,8mm<56mm Por lo tanto, elegiremos el vástago de D v = 56mm ya que nos cumple tanto a tracción como a compresión. CILINDRO SECUNDARIO Es el encargado de dotar de movimiento al acople de herramientas, con este movimiento se posiciona la herramienta en el ángulo adecuado para realizar el trabajo o movimiento de la carga requerido. Para calcular la carrera del cilindro secundario, calcularemos la diferencia entre las dos posiciones extremas: Fig.35: posición extrema 1 del cilindro secundario Fig.36: posición extrema 2 del cilindro secundario Carrera cilindros secundarios: 1990-1475=515mm A continuación se dimensionaran los cilindros secundarios: Para dimensionar los cilindros secundarios utilizaremos la máxima fuerza que debe realizar dichos cilindros F cil2, máx. =35712,53N MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 53 En este caso utilizaremos la misma fuerza tanto para el avance como para el retroceso. Fuerza de avance: 35712,53= [150· (π·D 2 )/4]/9,81 D=53,95mm Fuerza de retroceso: 35712,53= [150· (π·54 2 -d 2 )/4]/9,81 d=2,25mm Dimensionamiento del vástago: Para dimensionar el vástago tenemos que calcular la longitud efectiva que depende del apoyo del cilindro y de la longitud del vástago: L e =β·L β= 2 unión con vástago articulado y guiado con cilindro fijado mediante articulación en la parte posterior. Fig. 37: Selección condiciones de apoyo. L=515mm longitud del vástago L e =2·515= 1030mm MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 54 Diámetro del vástago a compresión F a =35712,53N Para conocer el diámetro del vástago, entraremos en la tabla (Tabla 7) con una fuerza de 36KN y una longitud efectiva de 1030mm Tabla 7: tabla para la selección del diámetro del vástago. Obtenemos que el diámetro de vástago es D v = 36mm Diámetro del vástago a tracción: Para calcular el diámetro a tracción, utilizamos: F r =35712,53N La tensión de fluencia es σ f =F r /A v < σ adm La tensión máxima admisible es σ adm = σ/3=350/3=116,66 Mpa Igualamos a expresión: 116,66=34957,61 / A v Obtenemos que el área del vástago es A v =299,65mm 2 Y el diámetro del vástago es D v =19,53mm < 36mm Elegiremos el vástago de D v = 36mm ya que cumple tanto a pandeo como a tracción. 36KN 1030mm MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 55 5 SIMULACIÓN DEL CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA 5.1 ASPECTOS GENERALES DE LA HERRAMIENTA SOLIDWORKS 5.1.1 INTRODUCCIÓN A SOLIDWORKS SolidWorks es un software de diseño asistido por ordenador para la automatización de modelado mecánico. Es un modelador de sólidos paramétrico. El programa permite modelar piezas y conjuntos con rapidez y experimentar con operaciones para crear modelos detallados. Permite extraer de ellos tanto planos como otro tipo de información necesaria para la producción de dichos modelos. Es un programa que funciona con base en las nuevas técnicas de modelado con sistemas CAD. El proceso consiste en plasmar una idea en el sistema CAD. Posteriormente todas las extracciones (planos y ficheros de intercambio) se realizan de manera automatizada. SolidWorks emplea un procedimiento de diseño en 3D. Al diseñar una pieza, desde el croquis inicial hasta el resultado final, está creando un modelo en 3D. A partir de este modelo, puede crear dibujos en 2D o componentes de relaciones de posición que consten de piezas o subensamblajes para crear ensamblajes en 3D. También puede crear dibujos en 2D a partir de los ensamblajes en 3D. Cuando se diseñe un modelo con SolidWorks, puede visualizarse en tres dimensiones para ver su aspecto una vez fabricado. Por otro lado SolidWorks dispone de multitud de herramientas de dibujo, diseño, ensamblaje, análisis, simulación, productividad, gestión de proyectos y presentación. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 56 5.1.2 SIMULACIÓN MEDIANTE SOLIDWORKS SIMULATION Para realizar el análisis haremos una simulación de cada una de las piezas de manera independiente en posición más desfavorable para cada una. Para ello haremos uso de la herramienta SolidWorks Simulation basada en el análisis mediante MEF (Método de los Elementos Finitos) que lleva incorporado el programa SolidWorks. El MEF es un método numérico empleado en la resolución de ecuaciones diferenciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniería como análisis de tensiones o cálculo de desplazamientos. El método se basa en dividir el cuerpo o geometría a estudiar en múltiples partes de pequeño tamaño denominados “Elementos”. Los elementos comparten entre ellos puntos comunes de intersección denominados “Nodos”. Los programas basados en MEF formulan ecuaciones matemáticas que rigen el comportamiento de cada uno de los Elementos teniendo en cuenta su conectividad con los demás elementos a través de los nodos. Las ecuaciones matemáticas empleadas definen los desplazamientos de cada uno de los nodos en las direcciones Y, X y Z en función de la carga, las restricciones de movimiento y las propiedades mecánicas del material empleado. El desplazamiento de cada uno de los nodos permite al programa calcular las deformaciones y las tensiones resultantes. Finalmente, representa el modelo tridimensional con una gama de colores que indican las tensiones y deformaciones sufridas bajo las condiciones de contorno definidas (restricciones, material y cargas). Para realizar los cálculos se suponen las siguientes hipótesis de trabajo: MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 57 Estudio estático El modelo ensayado debe soportar las cargas aplicadas de forma lenta y gradual hasta alcanzar la magnitud máxima 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 o impacto. Permite simular los desplazamientos, las fuerzas de reacción, las tensiones y las deformaciones unitarias que se producen en el modelo tridimensional bajo unas condiciones de contorno definidas previamente. También permite evaluar el factor de seguridad del modelo en función de las diferentes teorías de fallo. Modelo lineal 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. Cuando las tensiones aplicadas son bajas las deformaciones son proporcionales a dicha tensión según el Modulo de elasticidad o Modulo de Young del material seleccionado y por lo tanto, el comportamiento puede ser representativo. Fig. 38: Modelo lineal. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 64 CARGADOR FRONTAL AGRÍCOLA EN LA POSICIÓN 2 En la figura (Fig. 47) se muestra el mecanismo ensamblado en la posición desfavorable 2, es en el momento en que se encuentra a la altura máxima. Fig. 47: Ensamblaje posición 2 MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 65 5.3 PREPROCESO DE SIMULACIÓN A continuación se muestran y describen los pasos para poder llevar a cabo la simulación de los elementos. 1. Material: hay que definir el material de cada uno de los elementos que forman el mecanismo. SolidWorks tiene una amplia biblioteca de materiales de la cual se puede elegir el material definido si lo deseamos, pero también existe la posibilidad de crear nuestra propia biblioteca de materiales. Nosotros hemos decidido crear nuestros materiales comerciales E-350 y E-500 introduciendo las características de los mismos. Fig. 48: Selección del material. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 66 2. Conectores: tenemos que definir la forma en la que se unen las diferentes piezas entre si, en el ensamblaje del cargador frontal, las piezas van unidas entre si con pasadores. Como vamos a realizar un análisis pieza por pieza de forma individual, esto solo lo tendremos que hacer en el caso del brazo elevador, ya que esta pieza si que es un subensablaje. Fig. 49: Selección de contactos. 3. Sujeciones: en los elementos brazo elevador enganche y acople de herramientas colocaremos dos sujeciones fijas para que se aproxime a la realidad en la medida de lo posible. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 67 En el resto de elementos utilizaremos la propiedad de desahogo inercial y los calculara las piezas sin necesidad de colocar sujeciones. Fig. 50: Selección de sujeciones. 4. Cargas externas: elegiremos las mayores cargas calculadas anteriormente, para que sea la situación mas desfavorable para cada una de a piezas. En esa posición se definirán las fuerzas descompuestas en los ejes x e y, y seleccionaremos la dirección y magnitud de cada una de las fuerzas a las que esta sometido dicho elemento. Dichas fuerzas tendrán que ser aplicadas en la superficie respectiva. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 68 Fig. 51: Aplicación de fuerzas. 5. Malla: hay que crear la malla en los elementos, para poder analizarlos a continuación por MEF. Utilizares un mallado fino para obtener unos resultados mas exactos que si utilizamos un mallado mas grueso. Fig. 52: Mallado. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 69 5.4 POSTPROCESO. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE ELEMENTOS A continuación se muestran el análisis de elementos en la situación más desfavorable para cada uno, en el análisis se muestran los resultados de tensiones desplazamientos y factor de seguridad individualmente. Para realizar la simulación se han utilizado las sujeciones en las piezas que correspondía. Por otro lado, en aquellas piezas que no podían simularse correctamente se ha utilizado la propiedad de desahogo inercial. 5.4.1 ACOPLE DE HERRAMIENTAS Aplicaremos las fuerzas externas en las rotulas correspondientes, y dos sujeciones fijas en las dos barras en las cuales ira acoplada la herramienta suponiendo la carga máxima que debe soportar. Esta construida en E-350 Tensión de Von Mises Fig. 53: Tensión de Von Mises MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 70 Se muestra la distribución de tensiones de Von Mises, las que se encuentran sometidos los ensamblajes, siendo las áreas de color rojizo aquellas que soportan mayores tensiones. De lo contrario las partes con tonos azules representan aquellas zonas o áreas que soportan menores tensiones. En esta pieza observamos que la tensión máxima es de 110.2 Mpa. Por lo tanto la pieza tiene un diseño correcto, dado que aplicando un coeficiente de seguridad de 3, y un materia σ= 350 Mpa, la tensión máxima no debería de ser superior a de 116 Mpa. Desplazamientos Fig. 54: Desplazamientos. Los mayores desplazamientos aparecen el la zona en la cual la fuerza externa que aplicamos es mayor, puesto que esa rotula es la encargada de soportar la mayor parte de la carga, ya que es la que une esta pieza con el brazo elevador. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 71 Factor de seguridad El análisis del factor de seguridad es correcto, tiene un factor de seguridad de 3,17. a continuación se muestra el análisis con factor de seguridad de 5 para ver las zonas mas desfavorables y las zonas sobredimensionadas. Las zonas en color rojizo nos indicara que esta por debajo de 5. Fig. 55: Factor de seguridad. 5.4.2 BARRA Aplicamos las fuerzas externas en las rotulas, aplicamos la propiedad de desahogo inercial y seleccionamos el material E-350. Obtenemos los siguientes resultados: MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 72 Tensión de Von Mises La tensión máxima es de 91,3 Mpa, aparece en la zona de unión con el resto de elementos, rotulas donde aplicamos la carga. Fig. 56: Tensión de Von Mises Desplazamientos Fig. 57: Desplazamientos. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 73 Factor de seguridad El factor de seguridad es de 3,83 por lo que es correcto. Para conocer las zonas desfavorables hemos realizado el análisis con factor de seguridad de 5. Aparecen zonas en color rojizo que nos indicara que son las zonas más desfavorables debido al concentrador de tensiones. Fig. 58: Factor de seguridad. 5.4.3 BARRA LARGA Es la última pieza del cuadrilátero paralelo, es la encargada de mantener el ángulo constante de la herramienta respecto a la horizontal a medida que varía la altura de la misma. Es paralela al brazo elevador. Aplicamos la propiedad de desahogo inercial. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 80 Factor de seguridad El factor de seguridad es de 3,03 por lo que es correcto. A continuación realizamos el análisis con factor de seguridad de 5, para conocer las zonas mas solicitadas. Se muestra una vista general del análisis con factor de seguridad de 5, para apreciar las zonas desfavorables, en esta vista se ven fácilmente las zonas rojizas del brazo. En la segunda imagen, se muestra en detalle las zonas desfavorables del brazo y de las orejetas de unión de este un el cilindro principal. Fig. 67: Factor de seguridad. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 81 Fig. 68: Detalle factor de seguridad. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 82 5.4.6 BRAZO POSICIÓN 2 Se ha decidido analizar la tensión de Von Mises en la posición desfavorable 2, puesto que las fuerzas que soporta son distintas para comprobar si el diseño es correcto. Tensión de Von Mises La tensión máxima es de 104,4Mpa < 115,3Mpa, por lo que la posición mas desfavorable para el brazo es la posición uno, en el momento en que el cargador frontal se encuentra en la posición inferior. Fig. 69: Tensión de Von Mises MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 83 Factor de seguridad El factor de seguridad es de 3,35 por lo que es correcto. A continuación realizamos el análisis con factor de seguridad de 5, para conocer las zonas mas solicitadas. Las zonas desfavorables se ven fácilmente, son las zonas en tonos rojizos. Estas zonas aparecen en el brazo y en las orejetas de unión con el cilindro principal. Fig. 70: Factor de seguridad. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 84 5.4.7 ENGANCHE POSICIÓN 1 Es la pieza encargada de soporta todo el mecanismo, en ella van unidos el brazo elevador, cilindro principal y barra del cuadrilátero paralelo. Esta fabricada en E-350. Esta pieza une el cargador con el subchasis del tractor agrícola en el cual ira acoplada. En esta pieza colocaremos 3 caras de sujeción fijas, que será donde ira acoplada al subchasis que monta el tractor agrícola. Tensión de Von Mises La tensión máxima es de 162 Mpa > 116,66Mpa, no es correcta. Aparece en la zona de unión con el subchasis del tractor agrícola. Fig. 71: Tensión de Von Mises 162Mpa MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 85 Factor de seguridad. El factor de seguridad no es correcto porque aparecen colores rojizos en las zonas de acople con el subchasis del tractor agrícola, lo que indica que en estas zonas es menor de 3. Fig. 72: Factor de seguridad. Fig. 73: Detalle factor de seguridad. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 86 Las zonas rojas tienen un factor de seguridad de 2,16 Para solventar este problema, se ha decidido reforzar la zona aumentando el espesor de de la pieza. El espesor de la pieza es de 23mm, y en la zona más desfavorable ponemos un refuerzo de 17mm. El espesor final en la zona desfavorable es de 23+17= 40mm Fig. 74: Detalle del refuerzo. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 87 Tensión de Von Mises La tensión máxima es de 115,4Mpa, con la colocación de este refuerzo, la tensión es correcta, puesto que el límite elástico es de 350Mpa y el coeficiente de seguridad de 3: 350/3=166,66Mpa > 115,4Mpa es correcto. Fig. 75: Tensión de Von Mises Desplazamientos Fig. 76: Desplazamientos. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 88 Factor de seguridad El factor de seguridad es de 3,03. Realizamos un nuevo análisis con factor de seguridad de 5, para mostrar las zonas más desfavorables de la pieza, estas zonas aparecen en tonos rojizos. Estas zonas son las orejetas de unión con el cilindro principal y el pasador de unión con el subchasis de acople del tractor agrícola. Fig. 77: Factor de seguridad. 5.4.8 ENGANCHE POSICIÓN 2 Realizamos el estudio del enganche en la posición 2, para comprobar que también cumple con los requisitos. MEMORIA Análisis de un cargador frontal agrícola 89 Tensión de Von Mises La tensión máxima es de 106Mpa < 116,66Mpa, la tensión es correcta. En esta posición la tensión máxima parece en las orejetas de unión con el cilindro principal. Fig. 78: Tensión de Von Mises Desplazamientos Fig. 79: Desplazamientos. 106 Mpa