Camión volcador Sistema impulsado por 2 cilindros, unidos mecánicamente Dimensiones de la caja:

• Largo: 4000mm • Ancho: 2300mm • Alto: 850mm

Tiempo de descarga: 60 segundos Tiempo de reposo (sin carga): 30 segundos Calculo del peso máximo Materiales a transportar y su peso específico:

1

Considerando que la carga puede exceder en 0,2 m la altura de la caja, el volumen a transportar será:

34 2,3 0,87 8,004volumen m m m m= × × =

Los pesos específicos mas altos son los de la arena saturada, la tierra húmeda sin compactar saturada y el cemento y la arena juntos, todos ellos con un valor de 2100kg/ m3

3max 3max 8,004 2100 16808,4 .kgp vol Pesp m kg

m= × = × =

Sumándole el peso de la caja, el peso máximo lo aproximo a 18000kg.

2

Esfuerzos máximos A causa del tipo de mecanismo (sistema hiperestatico), para calcular las fuerzas se utilizo el programa WorkingModel. El esfuerzo máximo se encontró en el arranque y la fuerza del impulsor es de 850.000 Newtons. Se va a dimensionar para 900.000 Newtons , equivalentes a 91743kg. En los siguientes gráficos se pueden apreciar los esfuerzos en el cilindro impulsor (para tres posiciones distintas: inicio, posición intermedia y final) calculados con el programa WORKING MODEL.

3

4

Esquema hidráulico

5

Elección del cilindro impulsor Carrera del mecanismo = 635mm. Presión de trabajo = 200 bar Como son dos cilindros, la fuerza máxima se dividió obteniéndose 45851,5 kg por cada cilindro. Presión = Fuerza/Superficie = 45851,5 kg/ superficie Superficie = 229,3575 cm2

2 2229,3575r cπ × = m

2229,3575 8,55cmr cπ

= = m

El diámetro del pistón será de 17,1 cm De las tablas de Bosch Rexroth AG, elijo el modelo CDL1 MP5 de Ø= 200 mm ya que es el próximo superior.

En el catalogo la presión máxima es fijada en 240 bar.

6

Calculo al pandeo del cilindro según EULER Se calcula para el caso de los extremos articulados La fuerza al pandeo que puede soportar el cilindro, según EULER es la siguiente:

( ) ( )

2

2

42 5

2

2.1 1064

k

k

E IFV L

d

FV L

π

ππ

× ×=

×

⎛ ⎞×⎜ ⎟× × ×⎜ ⎟⎝ ⎠=

×

kL = Longitud libre de pandeo, es la distancia entre los extremos en este caso.

V = Coeficiente de seguridad. I = Momento de inercia. E = Modulo de elasticidad.

( ) ( )42 5

2

1102.1 10

64

3.5 1587F

ππ

⎛ ⎞×⎜ ⎟× × ×⎜ ⎟⎝ ⎠=

×

5.378.831F N=

548.300F K= g

7

Calculo de los caudales El tiempo para subir la cama es de 60 segundos A1 = 314 cm2, con una carrera de 63,5cm, el volumen sera: Vol = 19950cm3 = 19,950 lts (en 1 cilindro) Con 2 cilindros Vol = 39,9 lts

0,635 63,50,01

d d mvel t segmt vels

= ⇒ = = =

63,5 seg ---------- 39,9 lts 60 seg ---------- 37,7 lts

Q1= 37,7 lts/min (1 cilindro = 18,85 lts/min) 314 cm2 ---------- 18,85 lts/min 219,02 cm2 ---------- 13,15lts/min (1cilindro) El caudal de salida del cilindro será de 26,3 lts/min (es un caudal de retorno) El tiempo de retroceso es de 30 segundos A2 = 219,02 cm2

Vol = Area x carrera = 219,02 cm2 x 63,5 cm = 13908 cm3 = 13,908 lts Con 2 cilindros, Vol = 27,816 lts/30 seg Q2= 55,64 lts/min (1 cilindro = 27,82 lts/min) El caudal de salida del cilindro será: 219,02 cm2 -------- 27,82 lts/min 314 cm2 --------- 39,89 lts/min (1 cilindro) Con 2 cilindros Q = 79,78 lts/min este es el caudal máximo (es un caudal de retorno) El máximo caudal que debe impulsar la bomba es de 55,54 lts/min

8

Del libro tratado de oleohidráulica, obtengo los rendimientos de los cilindros:

0,94 94%totalη = =

0,95 95%mecη = =

0,99 99%hidraulicoη = = Elección de la bomba Presión = 200 bar Qmax = 55,54 lts/min n = 1500 rpm ( puedo trabajar entre 1200 – 2000 rpm)

355,64max min 0,0371 37,11500

min

ltscaudal lts cm

revvelocidad rev rev= = =

Elección de la bomba: los datos que utilizo para la elección de la bomba son: Presión: 200 bar cm3/rev = 37,1 n = 1500 rpm Voy a tratar de utilizar una bomba de engranajes por ser la más económica en cuanto a su costo y mantenimiento. Del catalogo de Eaton, selecciono una bomba de engranajes. Series L2 Pump Con una presión continua máxima de 248 bar y 38,2 cm3/rev. Es el modelo 25504.

9

Las revoluciones que se van a trabajar serán:

3 3

55,64max min 145738, 2

ltscaudaln r

cm cmrev rev

= = = pm

Del catalogo conocemos las relaciones de rpm- Q y rpm – potencia consumida por la bomba.

10

De las graficas del catalogo se puede obtener la potencia necesaria para accionar la

29,2 CV.

on los datos obtenidos del fabricante y las formulas dadas en el libro tratado practico

bomba y el caudal obtenido a 1500 rpm y 207 bar. La potencia necesaria es de 21,8 KW equivalente a El caudal es de 53,5 lts/min Cde oleohidráulica (pag 46), puedo obtener el rendimiento total de la bomba

53,33 204,3min 0,823 82,3%

450 450 29, 2e

Tbomba

lts atmQ PN cv

η××

= = = =× ×

abemos que: S

total vol mecη η η= × Y el rendimiento volumétrico es:

evol

th

QQ

η =

53,33mineltsQ =

3 3

38, 2 1500 57300 57,3min min minth

cm rev cm ltsQrev

= × = =

53,33 0,931 91,3%57,3

evol

th

QQ

η = = = =

11

Calculo de las tuberías

el libro tratado practico de oleohidráulica, capitulo 4.2, se obtiene que la velocidad

el la ecuación 25.a, pagina 52, calculo el diámetro de la tubería:

Drecomendable para un presión de 200 bar es de 6 m/seg. D

11 1,9 1,9 55,64 14,18d Q mm= × = × =

22 1,9 1,9 79,78 16,9d Q mm= × = × =

os diámetros fueron dimensionados para las condiciones más desfavorables. L

12

Del siguiente grafico puedo obtener los diámetros nominales de las tuberías, y comprobar si cumplen o no con los diámetros calculados anteriormente.

Del grafico se puede comprobar el diámetro interior de 16,9 mm

13

Calculo del Schedule para la tubería El material elegido es: SAE-AISI 1040 Laminado en frío 71000adm psiσ = Con los datos del material y sabiendo que la presión de trabajo es de 2900 psi (200 bar)

1000 iPSCHadmσ×

=

1000 2900 40,8471000

psiSCHpsi

×= =

El Schedule inmediato superior es el de 80, pero se observa que se esta muy cerca de un Schedule 40 En los catálogos comerciales se encontró una tubería marca hidrospack, con las siguientes características: Material: Acero de precisión estirado en frío, calidad ST 37.4 De los catálogos obtengo un tubo de las siguientes características: Øext = 25mm Espesor = 3mm Peso = 1,63 Kg/m Presión de trabajo = 235 kg/cm2

Se observa que estos valores son superiores a los que se obtienen con un Schedule 40.

14

15

16

Calculo de la caída de presión en la tubería Según el libro tratado practico de oleohidráulica Pág.54, formula 29:

2

2e v lP

dλ × ×

∆ = ×

Donde: λ =Coeficiente de resistencia del tubo. e = Densidad del aceite. v = velocidad de circulación del fluido. l = longitud de la tubería. Velocidad real del fluido:

3

2

80.000min

2,835

4,7

QVelA

cm

Velcm

mtsVelseg

=

=

=

Densidad del aceite Shell tellus oil 22:

e = 866 3

kgm

pero en esta formula se utiliza La Unidad Técnica de Masa

e = 88,37 UTM Coeficiente de resistencia del tubo: Para calcular el coeficiente de resistencia, antes tengo que conocer el número de Reynolds

Re vel dν×

=

Donde: ν =es la viscosidad cinemática ( del catalogo de Shell tellus oil 22) d =es el diámetro interior de la tubería

17

25

4,7 0,019Re

2,2 10

m mseg

mseg

−

×=

×

Re 4059= Para la clasificación del tipo de flujo:

Flujo laminar Re 23002300 Re 30003000 Re

<≤ ≤≤

Flujo de transición Flujo turbulento

Si es laminar 64Re

λ⇒ =

Si es turbulento λ⇒ lo saco del diagrama de moody. Ahora entro al diagrama:

Obtengo un λ = 0,04

18

Ahora vuelvo a la formula de la caída de presión:

2

2e v lP

dλ × ×

∆ = ×

( )2

2

88,37 4,7 100,004 20548,352 0,019

kpP Um

× ×∆ = × =

×TM

5

2 21 10 10kp kgm c

−= ×m

22,055 kgPcm

∆ =

Caída de presión en accesorios

2

2accvP k ρ∆ = × ×∑

En el filtro, son 2 conexiones: Conexión de ¾” a 11/4” Conexión 11/4” a ¾”

2

11

2

1 ,Ak ensanchamientoA

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

( )( )

21

22

2

1

0,375 0,442

0,625 1,227

0,4421 01,227

A

A

K

π

π

= × =

= × =

⎛ ⎞= − =⎜ ⎟⎝ ⎠

, 41

2 0,25k = , estrechamiento con relación 2:1 (de tabla mecánica de los fluidos, Potter)

19

En la válvula direccional, son 4 conexiones: 2 conexiones de ¾” a 3/8” 2 conexiones de 3/8” a ¾”

2

13

2

1 ,Ak ensanchamientoA

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

( )( )

21

22

2

3

0,1875 0,0352

0,375 0,442

0,03521 00,442

A

A

K

π

π

= × =

= × =

⎛ ⎞= − =⎜ ⎟⎝ ⎠

,84

4 0,25k = estrechamiento El resto de los accesorios tienen conexión de ¾”

( )

2

3

4,70,41 0,25 0,84 0,25 866

2acc

msegkgP

m

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠∆ = + + + × ×

2

3 21,75 866 11,045acckg mPm s

∆ = × ×eg

216738,7accNPm

∆ =

21,71acckgP

cm∆ =

20

Elección de la válvula direccional El tipo de válvula elegida es de 4 conexiones y tres posiciones, accionada manualmente con los siguientes datos: Caudal = 79.78 lts/min Presión = 200 bar Modelo: DMT-03-3C2

21

La grafica de la caída de presión dada por el fabricante es la siguiente: Según el catalogo de Yuken, es la misma que la accionada por solenoides.

La caída de presión dada por el fabricante es de 0,4 MPa para cada paso de la válvula direccional, si lo sumamos dos veces es de 0,8 MPa Es decir que la caída total de presión es de 8,14 Kg/cm2

22

Válvula de seguridad Se elije una válvula de seguridad pilotada porque esta permite el paso de grandes caudales con pequeñas perdidas de carga. Estas válvulas operan en dos fases: una primera fase de pilotaje, en la cual una pequeña válvula de acción directa, normalmente construida dentro de la válvula de seguridad, actúa como control en la válvula principal. Del catalogo de Yukón se eligió el modelo BT-03-#-32-# Con una presión máxima de 25MPa, un caudal máximo de 100 lts/min y un peso de 5Kg. Las conexiones son roscas de 3/8”. La valvula fua provada con una viscosidad de 35mm2/seg y una grvedad especifica de 0,850.

23

Válvulas reguladoras de caudal Los caudales a regular serán de 13,15lts/min y 39,89 lts/min estos caudales son regulados a la salida de los cilindros impulsores. No se elije una válvula reguladora no compensada porque las de este tipo, debido al caudal que estoy manejando, producen calor al regular el mismo. Lo que se transforma en perdida de potencia. Las válvulas reguladoras de caudal compensadas mantienen el caudal constante independientemente de la presión del fluido. Este tipo de válvulas mantienen las velocidades de los cilindros en intervalos de limites mucho mas definidos que las no compensadas. Se elije una válvula reguladora con un antirretorno, de esta forma el caudal se restringe en un solo sentido. Según el catalogo, la temperatura de trabajo varia desde -30C hasta 100C. La caída de presión necesaria para su funcionamiento es de 5 bar. Las conexiones de rosca son de 3/4”.

24

25

Elección del aceite Para la elección del aceite se tubo en cuenta el aceite recomendado por el cilindro impulsor y también el tipo de maquina en el que se encontrara el aceite, es decir en la intemperie, con grandes variaciones de temperatura. Los aceites recomendados por el fabricante son: • Mineral oil DIN 51524 (HP,HLP) • Phosphoric acid ether (HFD-R) • Water glycol HFC upon request También se recolectaron los datos dados por los fabricantes de todos los accesorios y se obtuvo el rango de viscosidad cinemática de trabajo del aceite para todo el circuito, el mismo fue de 12Cst a 380Cst. De los posibles aceites elijo el DIN 51424 HLP, o ISO HM.

Descripción del aceite La Norma DIN 51424 parte 2 describe al aceite HLP de la siguiente forma: H: que cumpla con la función de fluido hidráulico. L: que cumpla con la función de lubricante. P: significa que ese lubricante debe contener aditivo a base de fósforo ( P es el símbolo químico del fósforo que actua como antidesgaste) En el siguiente grafico se puede observar la variación de la viscosidad cinemática en función de la temperatura, para un aceite HLP seleccionado.

26

De la tabla viscosidad cinemática- temperatura. Se eligió un aceita ISO VG 22 De los catálogos de Shell se eligió el aceite Shell tellus oil 22.

27

28

Elección del filtro de aceite Elijo un filtro de retorno, estos van montados en la tubería de retorno o directamente en el deposito, en mi caso ira en la tubería de retorno. Este tipo de filtro puede limpiarse comodante desde el exterior y es interesante por el poco lugar que ocupa en relación a su capacidad. Para la elección en los catálogos hay que tener en cuenta que su capacidad debe ser el doble del caudal máximo que va a circular por el mismo y que en mi caso, en el retorno el caudal es mayor que el suministrado por la bomba (55,54 lts/min), por lo tanto el caudal a filtrar será de 79,78 lts/min, y en la elección se elige un filtro con capacidad de 160 lts/min. Del catalogo de EATON/ VICKERS se selecciona el filtro HV3R SERIES (código 10) El grado de filtración lo obtengo del cilindro impulsor, ya que este fue el más exigente en cuanto a su grado de filtración, el mismo es, según NORMAS ISO 20/18/15 Esto, según normas, quiere decir: 20 ----------- ≥ 1000 partículas de 2µ/ mililitro 18 ----------- ≥ 2500 partículas de 5µ/ mililitro 15 ----------- ≥ 320 partículas de 15µ/ mililitro

29

Calculo de la caída de presión en el filtro Del catalogo obtengo que la caída total de presión es la suma de la caída de presión de la carcaza y del elemento filtrante.

filtro carcaza elementoP P P∆ = ∆ + ∆

_0.9carcaza grafico

gravedad especificaP P∆ = ∆ +

La gravedad especifica = densidad desaceite/densidad del agua En mi caso lo calculo a 15C. �aceite = 866 kg/m3

�agua = 999,19 kg/m3

La gravedad específica es de 0,8667

0,86670, 25 0, 2410,9carcazaP∆ = × =

_ _ _32 0.9elemento

actualCst spGrP flow rate element k factor∆ = × × ×

El factor K lo obtengo del catalogo con un H-pack 1» 10µ, K= 0,006. Una viscosidad cinemática de 22Cst. La gravedad especifica = 0,8667

22 0.866780 0,006 0,3232 0.9elementoP∆ = × × × =

0,241 0,32 0,561TP∆ = + = La caída del filtro es de 0,561 BAR

30

Elección de la válvula de retención Las válvulas de retención pilotadas son válvulas de asiento con precarga por muelle, paso libre del fluido en un sentido y paso blocado en el sentido contrario, que puede ser desblocado por la alimentación de aceite del pilotaje. La presión minima necesaria para desbloquearlo es en función de la contrapresion del orifico que en mi caso será el de la conexión del cilindro. Si se establece la condición de asegurar el cilindro de doble efecto para que permanezca completamente inmóvil cuando por cualquier causa deja de suministrar la bomba o se rompe alguna tubería, puede resolverse satisfactoriamente con el uso de la válvula de retención pilotada.

Del distribuidor italiano marschesini se eligió el modelo V0205, VBPSL 1” Con un caudal máximo de 120 lts/min y una presión máxima de trabajo de 220 Bar

31

La caída de presión de acuerdo al fabricante es:

, 1, 1

p c vp v c

∆ → =∆ → =

,1,5

ar

Lo multiplico x2, porque tengo 2 cilindros

( )1,1 1,5 2 5, 2valvulap B∆ = + × = La caída de presión en el circuito debido a las válvulas de retención será de 5,3Kg/cm2

32

Tamaño del depósito de aceite Del libro tratado practico de oleohidráulica, obtengo el tamaño del tanque , según este el tamaño será: Capacidad= 1,5 x V Donde V es el volumen de los cilindros impulsores Capacidad = 1,5 x (314cm2 x 63,5cm) = 19939 cm3 Como son 2 cilindros Capacidad = 39878cm3

Selección de las mangueras

33

Del catalogo de Dayco (hoja 71): Modelo: part 010412 Diámetro interior: ¾” Diámetro exterior; 1,21” Presión máxima: 4000psi = 276Kg/cm2

Radio mínimo: 9,5inch.

34

Calculo de las potencias Potencia perdida por la bomba:

1 1

153,5 193 1min 0,823

4,93

pb etb

pb

pb

N Q P

ltsN atm

N CV

η⎛ ⎞

= × × −⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞= × ×⎜ ⎟⎝ ⎠

=

−

Potencia entregada por la bomba:

450

53,5 193min

45023

eeb

eb

eb

Q PN

lts atmN

N CV

×=

×=

=

Potencia perdida por el cilindro:

( )

( )

1450

53,5 172 1 0,94min

4501, 22

e facc tcpc

pc

pc

Q PN

lts atmN

N CV

η× × −=

× × −=

=

Potencia entregada por el cilindro:

450

53,5 165 0,94min

45018, 44

e tcec

ec

ec

Q PN

lts atmN

N CV

η× ×=

× ×=

=

35

Potencia perdida en las conducciones y controles:

,

2

450( )

450

27,977 27,07729

27,077 53,5min

4503,21

epcond

dir rec caudal ret epcond

pcon

pcon

P QN

P val tuberia val filtro val acc QN

kgP atmcm

ltsatmN

N CV

∆ ×=

∆ + + + + + ×=

∆ = =

×=

=

∑

∑

∑

Rendimientos

(4,93 23) (4,93 1,22 3,21)(4,93 23)

0,67 67%

53,5min

57,3min

0,93 93%

effm

th

th pm

th

m

m

eff

th

NNN N

NCV CV

CV

Qv

Qlts

v lts

v

η

η

η

η

η

η

η

=

−=

+ − + +=

+= =

=

=

= =

∑

∑

0,67 0,930,6262%

tot m vol

tot

tot

tot

η η ηηηη

= ×= ×==

36

Circuito hidráulico final

37

Lista de elementos descriptos en el circuito Qmax=100 lts/cm2

ref. denominación catalogo cantidad observaciones 1 cilindro si 2 Extremos articulados 2 bomba si 1 38,2 cm3/rev 3 Válvula direccional si 1 Qmax=100 lts/min 4 Válvula de seguridad si 1

Pmax= 255 kg/cm2

5 cañerías si 7,5mts 6 mangueras si 2,5mts 7 Válvula de retencion si 4 Pmax= 225 kg/cm2

8 Val. reg. decaudal si 4 9 filtro si 1 Capacidad=160 lts/min 10 deposito no 1 40 litros

38