Universidad De GuanajuatoCampus Irapuato-SalamancaDivisin de Ciencias de la VidaPrograma de Ingeniera Mecnico Agrcola

Diseo de Maquinara Agrcola

Memoria de Diseo de una Pala Cargadora Frontal para Tractor Agrcola

Elabor:Vargas Ramos Julio Csar.

Profesor:Dr. Ryszard Jerzy Serwatowski Hlawinska

.

Irapuato, Guanajuato. Mxico.

5 de junio de 2015

1. Introduccin

1.1. Definicin de Pala Cargadora

Se llama pala cargadora, cargadora de pala frontal, pala cargadora frontal o simplemente cargador, a la pala mecnica compuesta de un tractor sobre orugas o neumticos equipado de una cuchara cuyo movimiento de elevacin se logra mediante dos brazos laterales articulados. Estos brazos o largueros articulados se acoplan los cilindros hidrulicos y dos cuadrilteros articulados. Este conjunto forma el chasis principal de la pala cargadora. En el caso de los tractores agrcolas el chasis principal se acopla al chasis del propio tractor agrcola mediante un subchasis especfico para cada modelo de tractor. Este subchasis es diseado y fabricado de forma particular para cada marca y modelo de tractor agrcola. El sistema hidrulico de la pala cargadora se alimenta del sistema hidrulico del propio tractor al cual esta acoplada. La pala cargadora toma del tractor el fluido de trabajo y la bomba de presin. El sistema hidrulico de este tipo de palas cargadoras est formado por dos parejas de cilindros hidrulico. Los cilindros hidrulicos principales son los encargados de elevar la carga y los cilindros hidrulicos secundarios encargados mover el cazo. El manejo de este tipo de palas cargadoras es muy sencillo e intuitivo, los movimientos se controlan desde la misma cabina del tractor mediante un distribuidor hidrulico.

1.2. Partes Fundamentales de la pala cargadoraEn la siguiente figura se muestran las partes fundamentales que forman la pala cargadora frontal de este proyecto.

Fig.1. Perspectiva de la pala cargadora diseada.

Donde:

1 Subchasis: Es la pieza de unin entre el chasis de tractor agrcola y el chasis principal y el cilindro hidrulico principal.2 Cilindro hidrulico principal: Estos cilindros son los cargados de elevarla el chasis principal y por lo tanto la carga que queremos elevar. Est conectado por un extremo a los largueros y por el otro al subchasis. 3 Largueros: Junto con los refuerzos en las zonas que ms tensin soportan forman el chasis principal, es el encargado de soporta las distintas fuerzas adems de servir como sujecin de los dems elementos.4 Cilindro hidrulico secundario: Estos cilindros son los encargados de vaciar la carga, estn unidos a dos cuadrilteros articulados en sus dos extremos.5 Cazo: Este elemento es el encargado de recolectar la carga.

2. Objetivo de DiseoDisear un implemento tipo pala cargadora frontal montada sobre un tractor agrcola, esta debe tener las siguientes especificaciones: Capacidad de levante : 600kg Altura mxima de carga : 3.6 m a 4 m Alcance con aditamento sobre el suelo: 3m Tiempo de levante mximo: 5 seg.

3. Diseo Conceptual3.1. Posibles solucionesPara el diseo de la pala cargadora han sido estudiadas las soluciones tcnicas que utilizan los principales fabricantes de palas cargadoras tanto para tractor agrcola como industriales. Esto con la finalidad de recaudar ideas y comenzar con seleccin del esquema funcional del proyecto. A continuacin se muestran algunos tipos de cargadores frontales:

Fig. 2 Pala cargadora Caterpillar.

Fig. 3 Cargador frontal Case L360.

Fig. 4 Cargador frontal Metal-Fach.

Fig.5 Cargador frontal Tenias.

3.2. Seleccin del esquema funcional

Fig. 6 Cargador Frontal Tenias.

De esta ltima se tomaron varios conceptos como fueron los acoplamientos que conectan a los cilindros hidrulicos secundarios y a la biela que forma un mecanismo de cuatro barras con respecto a los largueros. Una vez teniendo claro los posibles elementos que tendr nuestro cargador frontal se comienza a realizar la potencia hidrulica, estabilidad y la carga de eje delantero como la seleccin de neumticos.

3.3. Seleccin del tractorPara la seleccin del tractor se toman los siguientes datos: Peso total propuesto para la pala cargadora: 650 kg Capacidad de carga P: 600kg Eficiencia mecnica hidrulica del sistema : 0.7 Tiempo de levante mximo : 5 seg Altura mxima con carga: 4mCon estos datos se puede calcular la potencia hidrulica necesaria para accionar el sistema:

Este valor de potencia se afecta por un factor dinmico de (1.25)

Como la potencia nominal de un tractor agrcola es la cuarta parte de la potencia hidrulica necesaria tenemos que:

Se selecciono un tractor John Deere serie 6D de 106 hp (Ver anexo 1), los datos de inters son: Caudal de la bomba hidrulica = 72.3 l/min Presin= 19.5 MPa 238 Lb/in2 Distancia entre ejes = 2310 mm Peso = 4354 kg Ancho delantero =1616mm

3.4. Estabilidad del tractorSe realizaron clculos estticos para la estabilidad del tractor y as seleccionar los neumticos del tractor y determinar si se necesitan contrapesos en el eje trasero o delantero, esto se realizo con la ayuda de Auto CAD 2013 para tener una mejor exactitud en los clculos. Se analizaron 4 posiciones (con la pala 10 cm por debajo del suelo, con la pala llena de carga pero en la posicin 0, con la pala llena pero en la posicin media, y con la pala llena en la posicin mxima) en cada una se obtuvieron resultados similares, pero en las ltimas dos se obtuvieron los datos ms altos para la seleccin de los neumticos, as se que solo se mostrara los resultados de estos dos casos (en el anexo 2 se muestra todo el procedimiento).

Fig.7 Posicin media

Fig.8 Posicin mxima

Tabla.1 Seleccin de neumticos (ver Anexo 3)EjeRodadoCargaPresin de infladoPly rating

Delantero10-162110kg2.3 bar8

Trasero12.4-241550 kg0.8 bar6

3.5. Anlisis de las reacciones.

Fig.9 Esquema del cazo

Fig.10 Esquema del platano

Fig.11 Esquema del corazn

Fig.12 Esquema del larguero y las cargas que actan en l

3.6. Seleccin del Cilindro Principal.

Parmetros para la seleccin

Fcil = 8833.78Lb Presin disponible del tractor=2688.5 Psi Eficiencias mecnica hidrulica del cilindro= .97

Primero se calcula el rea del cilindro teniendo:

Carrera del vstago.

Dimetro de vstago (d) =1 in (vase anexo 4)

3.7. Seleccin Cilindro Secundario.

Parmetros para la seleccin

Fcil = 3102N Presin disponible del tractor=2688.5 Psi Eficiencias mecnica hidrulica del cilindro= .97

Primero se calcula la carrera del vastago:

Carrera del vstago.

Se multiplica Fcil por un factor dinmico de (1.25)

Se suponen los dimetros de cilindro y del vstago y se calcula el rea

Las dimensiones del cilindro son ptimas para el diseo ya que puede cargar 3 veces ms de lo que se requiere.

3.8. Seleccin de pernosPrimero se calcula el factor de seguridad empleando el mtodo de pugsley (ver anexo 4)Los pernos de todo el implemento se disearan con base a la fuerza ms grande que se presento, esto para uniformizar los dimetros.

Parmetros de diseo: Material AISI 1018, esfuerzo cortante max = 220Mpa Factor de seguridad de 2.5(obtenido mediante el mtodo de pugsley) Fmaz=Fcil principal=39294.62N

3.9. Seleccin del material para los largueros

Fig.13 parte del larguero a analizar

Parmetros de diseo: Placa de in de acero ASTM A500-B de alta resistencia con lmite de fluencia 3230 kg/cm2. Fig.14. diagramas de fuerzas cortantes y momentos flexionantes.El esfuerzo cortante resultante se multiplica por un Factor de seguridad de 2.5. Se realizo con placa, ya que los largueros son de seccin longitudinal variable y no existen en el mercado perfil con estas caractersticas, la seccin va desde 2 in de alto x 2 in de base, hasta 7in de alto x2in de base, para los dos largueros.

Fig.15 perfil de diseo4. Diseo final.Para realizar el slido de la pala cargadora frontal se utilizo el programa de AutoDesk Inventor 2013, en este programa se realizaron todas las piezas que en conjunto forman la pala cargadora frontal para tractor agrcola. Fig.16 Vista lateral (posicin 0)Fig.16 Vista lateral (posicin media)

Fig.16 Vista lateral (posicin mxima, antes del descargue).

5. Especificaciones finales

Fig.17 Esquema general de la pala cargadora frontal

ParmetroDimensin

Altura mxima de elevacin (A) 4m

Altura libre con cucharn nivelado (B) 3.8m

Altura libre con cucharn en descarga (C) 3.4m

Profundidad de excavacin (H) 10 cm

ngulo mximo de descarga (E) 76

Retraccin a nivel del suelo (G) 30

Largo de la cuchara2m

Volumen.63m3

ANEXO 1 FICHA TCNICA DEL TRACTOR SELECCIONADO

ANEXO 2CLCULOS PARA EL DISEO

ANEXO 3SELECCIN DE NEUMTICOS

ANEXO 4FACTOR DE SEGURIDAD ( MTODO DE PUGSLEY)