Memoria Fz

7/25/2019 Memoria Fz

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FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

“Verificación de solicitaciones y característicasprincipales de tolva para Mina Sur”

ANTOFAGASTA, Noviembre 2010



UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA




Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos

para optar al título de:

Ingeniero civil Industrial en Mecánica

FRANCISCO MARCELO ZEPEDA CARVAJAL

Antofagasta, Noviembre 2010



UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA



“Verificación de solicitaciones y características principalesde tolva para Mina Sur”

FRANCISCO MARCELO ZEPEDA CARVAJAL

Trabajo de titulación presentado en conformidad

a los requisitos para obtener el título de

INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL EN MECÁNICA

Leopoldo Jauriat – Ing. Civil Mecánico - Profesor Guía

Hugo Cayo – Dir. Depto. Ingeniería Mecánica

COMISIÓN EXAMINADORA

Raúl Henríquez – Máster en Metalurgia Física y Mecánica

Luis sanchez – Doutor em Engenharia Mecânica



ii



iii

DEDICATORIA

A mis padres Hernán Zepeda y Angélica Carvajal

A mi hermano Gabriel Zepeda

A mis abuelos Diógenes Zepeda, Elena Lavín,

Ernestina Vidal y Gastón Carvajal (Q.E.P.D.)

A mi familia.

Al más grande de todos, Dios.



iv

AGRADECIMIENTOS

Primero que todo agradecer a mis padres Hernán Zepeda Lavín y

Angélica Carvajal Vidal por darme lo más importante de la educación: los

valores de la familia y de una buena persona. Por entregarme todo su cariño

y amor, por ayudarme a salir adelante, por entregarme las herramientas

para cumplir este objetivo y por darme la oportunidad de estudiar esta

carrera. Finalmente cumplí mi primer objetivo en la vida. Doy gracias a Dios

por haberme enviado a esta gran familia que formamos junto a mi hermano

Gabriel Zepeda, a quien también agradezco todo lo logrado; sé que pronto

lograrás también tus objetivos.

También le doy gracias a mi gran familia conformada por mis tíos, primos

y principalmente gracias a mis abuelos, por estar siempre con nosotros.

Gracias a los amigos, ya sea de la universidad o de la vida con los que

juntos logramos superar todas las barreras de esta carrera y además con los

cuales formamos una gran amistad y otros que no me acompañaron en la

universidad, pero que sin duda me acompañaron y acompañarán en la vida.

Finalmente agradecer al más grande de todos y al que dedico este gran

logro a Dios, el cual sabe todos los problemas que tuve para conseguir este

objetivo, todas las caídas y que siempre está con nosotros para perdonarnos

y mostrarnos el camino adecuado. Gracias Dios por darme la oportunidad de

vivir esta vida con estas personas y con esta gran familia. Mi forma de

agradecértelo es dedicarte cada uno de mis logros.



v

Resumen del trabajo de título presentado a la Universidad de Antofagasta como

parte de los requisitos necesarios para la obtención del Título de Ingeniero Civil

Industrial en Mecánica.


Francisco Marcelo Zepeda CarvajalNoviembre / 2010

Profesor Guía : Leopoldo Jauriat, Ingeniero Civil Mecánico

Número de Páginas: 150 Páginas.

Resumen: El presente trabajo aborda la problemática de poseer un producto degran importancia para las compañías mineras como lo son las tolvas de los

grandes camiones, fabricado inicialmente para un cliente específico, al cual se

le quiere dar un nuevo uso en otra compañía minera. Como se puede pensar

estas dos compañías poseen características de operación e instalaciones de

gran diferencia, por lo que se deberá realizar un análisis de las solicitaciones

del componente, ya sea estático, dinámico y de impacto. Para así establecer si

se podrá utilizar el componente sin realizar modificaciones en su estructura, o

por el contrario deberá realizarse cambios en esta.

Para una mejor comprensión el trabajo de título está dividido en 6

capítulos que se detallan a continuación.



vi

Capítulo 1 Planteamiento de la Problemática

Se plantea la problemática, se fija el objetivo general y los específicos,además de establecer la justificación y alcance del trabajo.

Capítulo 2 Revisión Bibliográfica

Se da a conocer información de la empresa, cliente principal, clientes

secundarios y se describe la importancia del buen diseño de una tolva.

Capítulo 3 Materiales y métodos

Se entrega y describe toda la información sobre métodos de elementos

finitos, además se describe y explica los factores y consideraciones importantes

para el diseño de una tolva.

Capítulo 4 Desarrollo y Resultados obtenidos

Se aplican metodologías de diseño mecánico para el desarrollo del

trabajo y la resolución del problema, mediante gráficos de colores

proporcionados por software de elementos finitos se exponen estos.

Capítulo 5 Discusión de Resultados

Se discuten y comparan los resultados obtenidos.

Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones

Se establecen las conclusiones según los resultados obtenidos y se

definen recomendaciones para el problema planteado en este trabajo.



vii

ÍNDICE

LISTA DE FIGURAS..........……………………………………………………………x

LISTA DE TABLAS………………………………………………………………… .xiv

SIMBOLOGÍA....................................................................................................xvi

CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA…………………..1

1.1.- Introducción……………………………………………………………… .1

1.2.- Objetivos………………………………………………………………… ..3

1.2.1.- Objetivo general……………………………………………………3

1.2.2.- Objetivos específicos……………………………………………….4

1.3.- Justificación del trabajo………………………………………………….4

1.4.- Delimitación o alcances………………………………………………….5

CAPITULO 2 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA………………………………………6

2.1.- Historia y evolución del proveedor Conymet………………………….6

2.2.- Historia del cliente Mina Sur y de la explotación de cobre enChile……………………………………………………………………...10

2.3.- Historia de Komatsu (Cliente Secundario) y su aporte en lo quecorresponde a maquinaria pesada……………………………………15

2.4.- Descripción de la importancia del buen diseño de tolvas para lascompañías mineras…………………………………………………….16

2.5.- Definición del método de elementos finitos (M.E.F.) y su importanciapara el diseño…………………………………………………………...20



viii

CAPITULO 3 MATERIALES Y MÉTODOS……………………………………..26

3.1.- Características y consideraciones importantes en el diseño de unatolva………………………………………………………………………26

3.1.1.- Empty Vehicle Weight (E.V.W.)………………………………….28

3.1.2.- Gross Vehicle Weight (G.V.W.)………………………………….28

3.1.3.- Volumen de carga, forma y peso………………………………...29

3.1.4.- Materiales utilizados en la fabricación de la tolva…………..…30

3.1.5.- Body Application Worksheet (B.A.W)…..…………………...….32

3.1.6.- Volumen SAE………………………………………………………33

3.1.7.- Volumen KAC………………………………………………………35

3.1.8.- Volumen Real………………………………………………………37

3.1.9.- Solicitaciones de carga, carga por ejes y centro de gravedad.37

CAPITULO 4 DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS………………40

4.1.- Parámetros y condiciones para el análisis…………………………...41

4.1.1.- Características y datos importantes de camión Komatsu830……………………………………………………………….. ..41

4.1.2.- Características importantes de material a transportar ………...42

4.1.3.- Características mecánicas de aceros con los que se encuentrafabricada la tolva…………………………………………………...42

4.2.- Construcción de modelo de tolva para camión Komatsu 830 y desus volúmenes de carga mediante software Solidworks…………..45

4.3.- Desarrollo y resultados del análisis…………………………………...54

4.3.1.- Estudio volumétrico y de disposición de carga………………...54



ix

4.3.2.- Análisis estático de la tolva……………………………………….56

4.3.3.- Análisis dinámico de la tolva……………………………………101 4.3.4.- Análisis de impacto de la tolva………………………………….107

CAPITULO 5 DISCUSIÓN DE RESULTADOS……………………………….121

5.1.- Análisis geométrico de resultados…………………………………..122

5.2.- Análisis de esfuerzos mecánicos……………………………………124

CAPITULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………127

6.1.- Conclusiones…………………………………………………………..127 6.2.- Recomendaciones…………………………………………………….130

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS……………………………………………...131

ANEXOS

Anexo N°1: Soldadura y procesos de soldadura

Anexo N°2: Body Application Worksheet (B.A.W.)

Anexo N°3: Catalogo Camión Komatsu 830

Anexo N°4: Ficha Técnica Acero Anti-Abrasivo EH-500

Anexo N°5: Ficha Técnica Acero Estructural Hiten 780

Anexo N°6: Ficha Técnica Neumáticos 40.00R57



x

LISTA DE FIGURAS

- Figura 2.1 – Visión General Organizacional de la Empresa Conymet…9- Figura 2.2 – Estructura Organizacional Conymet La Negra…………...10- Figura 2.3 – Carry Back en tolva de cuerpo metálico………….……….19 - Figura 2.4 – Modelos de CFD de automóvil de carrera………………..21 - Figura 2.5 – Modelos de CFD de avión de guerra……………………...22- Figura 2.6 – Modelos de MEF de buque de carga……………………...23 - Figura 3.1 – Volumen SAE 2:1 de tolva típica…………………………..34 - Figura 3.2 – Volumen SAE 2:1 sobre tolva y camión típicos…………..34

- Figura 3.3 – Corte para construir volumen KAC (vista posterior devolumen SAE)…………………………………………………………………36 - Figura 3.4 – Corte para construir volumen KAC (vista lateral de volumen

SAE)……………………………………………………………………………36 - Figura 4.1 – Medidas generales de camión 830E…………...………….41 - Figura 4.2 – Vista de modelo de Front de la tolva……………..……….45 - Figura 4.3 – Vista de modelo de Lateral de la tolva…………..………..45 - Figura 4.4 – Vista de modelo de Visera de la tolva…………..………...46 - Figura 4.5 – Vista de modelo de Piso de la tolva……………...………..46 - Figura 4.6 – Vista general 3D modelo de la tolva………………….……46

- Figura 4.7 – Vista general superior modelo de la tolva……………...…47 - Figura 4.8 – Detalle de obtención del centro de gravedad de la

tolva…………………………………………………………………………….48 - Figura 4.9 – Vista lateral de volumen SAE………………….………….49 - Figura 4.10 – Vista general de volumen SAE…………...………………..50 - Figura 4.11 – Vista lateral de volumen KAC…………..………………….50 - Figura 4.12 – Vista general de volumen KAC………...…………………..51 - Figura 4.13 –Detalle de obtención de coordenadas de centro de

gravedad a partir de pivote del volumen KAC con software Solidworks..52- Figura 4.14 – Vista frontal de corte de volumen KAC para análisis

estático…………………………………………………………………………56 - Figura 4.15 – Vista lateral de corte de volumen KAC para análisis

estático…………………………………………………………………………57 - Figura 4.16 – Vista superior de división de volúmenes…….…………..58 - Figura 4.17 – Situación física del problema…………………..…………..60 - Figura 4.18 – Condiciones de borde…………………………..…………..61



xi

- Figura 4.19 – Carga en Front…………………………………..…………..62 - Figura 4.20 – Carga en Laterales……………………………………..…...63

- Figura 4.21 – Carga en piso…………………………………………...……63 - Figura 4.22 – Fuerza Dispersa…………………………………..…………64 - Figura 4.23 – Situación física para análisis del Front de tolva……...…..65 - Figura 4.24 – Condiciones de borde………………………………..……..66 - Figura 4.25 – Diagrama de esfuerzos parte Frontal del Front……..…...67 - Figura 4.26 – Diagrama de esfuerzos parte posterior del Front……..…68 - Figura 4.27 – Diagrama de esfuerzos con límite superior 700Mpa…….68- Figura 4.28 – Diagrama de esfuerzos en plano paralelo a Front……….69- Figura 4.29 – Diagrama de deformación en Front…………………..…...69 - Figura 4.30 – Situación física para análisis del lateral de tolva…………71

- Figura 4.31 – Condiciones de borde…………………………………..…..72 - Figura 4.32 – Diagrama de esfuerzos en cara exterior de lateral……....73- Figura 4.33 – Diagrama de esfuerzos en cara interior de lateral……….73- Figura 4.34 – Diagrama de esfuerzos en componentes interiores de

viga……………………………………………………………………………..74 - Figura 4.35 – Diagrama de iso-superficie para esfuerzos de

270Mpa………………………………………………………………………...74 - Figura 4.36 – Diagrama de iso-superficie para esfuerzos de

125Mpa………………………………………………………………………...75

- Figura 4.37 – Diagrama de deformación en Lateral………..……………75 - Figura 4.38 – Diagrama de esfuerzos con límite superior 360Mpa…….76- Figura 4.39 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de

250Mpa………………………………………………………………………...76 - Figura 4.40 – Situación Física superior para análisis del Piso de la

tolva…………………………………………………………………………….78 - Figura 4.41 – Situación Física inferior para análisis el Piso de la

tolva…………………………………………………………………………….79 - Figura 4.42 – Condiciones de borde parte superior del Piso……..…….80 - Figura 4.43 – Condiciones de borde parte inferior del Piso………..……81

- Figura 4.44 – Diagrama de esfuerzos en cara inferior del Piso…….......82- Figura 4.45 – Diagrama de esfuerzos en cara superior del Piso…….....82- Figura 4.46 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de

300Mpa………………………………………………………………………...83 - Figura 4.47 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de

400Mpa………………………………………………………………………...83



xii

- Figura 4.48 – Diagrama de deformación en Piso…………...……………84 - Figura 4.49 – Diagrama de deformación en Piso…………...……………84

- Figura 4.50 – Diagrama en donde se muestra el punto máximo deesfuerzo………………………………………………………………………..85

- Figura 4.51 – Diagrama de esfuerzos en oreja de pivote (máx. 300Mpa)……………………………………………………………………….…………85

- Figura 4.52- Diagrama de esfuerzos en oreja de levante (máx.100Mpa)………………………………………………………………………..86

- Figura 4.53 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de130Mpa………………………………………………………………………...86

- Figura 4.54 – Acercamiento zona con mayor esfuerzo en diagrama deesfuerzos con límite superior de 130Mpa……………………..…………...87

- Figura 4.55 – Situación física superior para análisis del Piso de latolva………………………………………………………………………….....89

- Figura 4.56 – Situación física inferior para análisis del Piso de latolva………………………………………………………………………….. ...90

- Figura 4.57 – Condiciones de borde parte superior del piso……….......91- Figura 4.58 – Condiciones de borde parte inferior del piso………...…...91 - Figura 4.59 – Diagrama de esfuerzos en cara superior del Piso…….....92- Figura 4.60 – Diagrama de esfuerzos en cara inferior del Piso…….......93- Figura 4.61 – Diagrama de esfuerzos con límite superior

300Mpa………………………………………………………………………...93 - Figura 4.62 – Diagrama de esfuerzos con límite superior300Mpa………………………………………………………………………...94

- Figura 4.63 – Diagrama de deformación en Piso………...………………94 - Figura 4.64 – Diagrama de deformación en Piso…………...……………95 - Figura 4.65 – Diagrama en donde se muestra el punto máximo de

esfuerzo………………………………………………………………………..95 - Figura 4.66 – Diagrama de esfuerzos en oreja de pivote (máx.

500Mpa)………………………………………………………………………..96 - Figura 4.67 – Diagrama de esfuerzos en oreja de levante (máx.

300Mpa)………………………………………………………………………..96 - Figura 4.68 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de

600Mpa………………………………………………………………………...97 - Figura 4.69 – Acercamiento zona con mayor esfuerzo en diagrama de

esfuerzos con límite superior de 600Mpa…..……………………………...97 - Figura 4.70 – Carguío de camión mediante cargador frontal………….107



xiii

- Figura 4.71 – Carguío de camión mediante pala eléctrica………….....108- Figura 4.72 – Detalle de medidas importantes de neumáticos………..112

- Figura 4.73 – Situación física para análisis al impacto del Piso de latolva…………………………………………………………………………...114

- Figura 4.74 – Condiciones de borde de zona inferior de la tolva……..115- Figura 4.75 – Condiciones de borde de zona superior de la tolva……115- Figura 4.76 – Esfuerzos de impacto, vista superior de Piso de

tolva…………………………………………………………………………...116 - Figura 4.77 – Esfuerzos de impacto, vista inferior de Piso de

tolva…………………………………………………………………………... 117- Figura 4.78 – Esfuerzos de impacto, en zona de orejas de pivote de

tolva…………………………………………………………………………...117

- Figura 4.79 – Esfuerzos de impacto, en zona de vigas de piso detolva…………………………………………………………………………...118

- Figura 4.80 – Deformación de impacto, vista superior de Piso detolva…………………………………………………………………………...118

- Figura 4.81 – Deformación de impacto, vista inferior de Piso detolva…………………………………………………………………………...119

- Figura A.1 – Esquema de soldadura general …………………Anexo N°1 - Figura A.2 – Proceso SMAW……………………………………Anexo N°1 - Figura A.3 – Elementos de FCAW con gas protector...……… Anexo N°1



xiv

LISTA DE TABLAS

- Tabla 3.1- Espesores de las planchas anti desgaste……………………..32- Tabla 4.1 – Características mecánicas de acero EH-500………………...43- Tabla 4.2 – Características mecánicas del acero Hiten-780……………..44- Tabla 4.3- Resumen de datos de tolva………………………………….….49 - Tabla 4.4- Resumen de volúmenes………………………………………...51- Tabla 4.5- Resumen de datos de volumen KAC……………………….….53 - Tabla 4.6 – Detalle de resultados de estudio volumétrico y de disposición

de carga…………………………………………………………………….….54 - Tabla 4.7- Resumen de resultados obtenidos con un 15% de

sobrecarga…………………………………………………………………………...64

- Tabla 4.8- Resumen de resultados en estado estático obtenidos en Frontde tolva Kom 830……………………………………………………………..70

- Tabla 4.9- Resumen de resultados en estado estático obtenidos enLateral de tolva Kom 830…………………………………………………….77

- Tabla 4.10- Resumen de resultados en estado estático obtenidos en Pisode tolva Kom 830 para el caso N°1 de análisis……………………………88

- Tabla 4.11- Resumen de resultados en estado estático obtenidos en Pisode tolva Kom 830 para el caso N°2 de análisis……………………………99

- Tabla 4.12- Resumen de resultados en estado estático obtenidos paralas distintas partes y casos de una tolva para camión Komatsu 830….100

- Tabla 4.13- Resumen de resultados en estado dinámico obtenidos paralas distintas partes y casos de una tolva para camión Komatsu 830….102

- Tabla 4.14- Factores para la determinación del coeficiente desuperficie……………………………………………………………………..103

- Tabla 4.15- Factores para la determinación del coeficiente de carga…104- Tabla 4.16- Resumen de resultados de ciclos resistidos por el

componente en estado dinámico obtenidos para las distintas partes ycasos de una tolva para camión Komatsu 830…………………………..106

- Tabla 4.17 – Detalle de carrera máxima de suspensión de camión Kom

830……………………………………………………………………….…...111 - Tabla 4.18 – Detalle de neumáticos utilizados por camión Komatsu830…………………………………………………………………………….111

- Tabla 4.19 – Detalle de medidas importantes de neumáticos ………....113- Tabla 4.20- Resumen de resultados en estado de impacto obtenidos en

Piso de tolva Komatsu 830…………………………………………………120



xv

- Tabla 5.1- Resumen de resultados de índole geométricos de tolva Kom830…………………………………………………………………………….122

- Tabla 5.2- Resumen de resultados de esfuerzos mecánicos de tolva Kom830……………………………………………………………………….…...124



xvi

SIMBOLOGÍA

Alfabeto latino:

A Factor de amplificación de carga de impacto Adimensional

B.A.W. Body Application Worksheet Adimensional

C.F.D. Computational Fluid Dynamics Adimensional

E.V.W Empty Vehicle Weigth kgFD Fuerza dinámica o de impacto kg

FS Factor de seguridad Adimensional

G.V.W Gross Vehicle Weigth kg

h Altura desde donde cae el cuerpo m

Ka Factor de Superficie Adimensional

Kb Factor de Tamaño Adimensional

Kc Factor de Carga Adimensional

Kd Factor de Temperatura Adimensional

Ke Factor de Efectos diversos Adimensional

M.E.F. Método de Elementos Finitos Adimensional

N N° de ciclos que soporta la pieza para el nivel Ciclos/año

de esfuerzos al que se encuentra sometida

n N° de ciclos a los que esta expuesta la pieza Ciclos/año

Q Calor aportado V*A*s/mm

Ra Reacción en eje delantero de camión kg



xvii

Rb Reacción en eje trasero de camión kg

Sa Componente alterna del esfuerzo kg/cm

2

S´e Límite de resistencia a la fatiga en viga rotatoria kg/cm2

Se Resistencia a la Fatiga kg/cm2

Smáx Esfuerzo máximo fluctuante kg/cm2

Smin Esfuerzo mínimo fluctuante kg/cm2

Sm Componente media del esfuerzo kg/cm2

Sut Resistencia a la tracción del material kg/cm2

w Peso estático del cuerpo que cae kg

y Desplazamiento producido por el impacto mm

ysuspensión Desplazamiento de la suspensión con camión mm

completamente cargado

ytolva Desplazamiento por deformación de la tolva mm

con camión completamente cargado

ychassiscamión Desplazamiento por deformación del chassis mm


yneumáticos Desplazamiento por compresión de neumáticos mm




1CAPITULO 1 - PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA

CAPITULO 1

PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA

1.1.- Introducción

Chile ocupa un lugar de avanzada en tolvas para camiones mineros de

gran tonelaje. Existen dos empresas operando en este mercado y se espera

que dentro de poco ingrese un tercer proveedor en el segmento de "tolvas

livianas".

En la actualidad ofrecen tolvas livianas la empresa Conymet, que inició

su actividad fabricando tolvas tradicionales para Chuquicamata y hoy en día

provee de tolvas convencionales a un gran número de empresas mineras desdela Primera a la Región Metropolitana; y la empresa DT Hi-Load, la que en casi

diez años ha colocado más de 360 tolvas livianas en empresas mineras de todo

el mundo, especialmente en Estados Unidos y Canadá.




Genéricamente, una tolva liviana se caracteriza por una estructura de la

caja muy flexible, gracias al empleo de una geometría innovadora y a la

utilización de aceros especiales de gran tolerancia a la flexión, lo que hace

posible una tolva menos pesada.

Este menor peso permite a los camiones de gran tonelaje (240 a 360

toneladas), aceptar más carga útil sin exceder el peso vehicular máximo del

camión debido al mayor tamaño y capacidad de la caja, comparada con una del

tipo convencional.

Hoy en día, prácticamente ningún fabricante trae a Chile camiones con

tolvas. Debido a que en el país existe una variada oferta de este componente;con calidad y con respaldo técnico probado.

Conymet adquirió una fábrica en Australia, donde se fabrica una tolva

con piso de goma en suspensión soportado por cuerdas elastómeras. La tolva

se comercializa bajo la marca Duratray. Este concepto se probó por primera vez

en Chile en la Compañía Minera Doña Inés de Collahuasi. Paralelamente la

empresa fabricó hasta fines de 2009 la tolva liviana TAE (tolva de alta

eficiencia).

Es por lo expuesto anteriormente y siendo la segunda región la capital

minera del mundo y considerando además los adelantos tecnológicos, es que

se busca realizar la verificación de las solicitaciones y características principales

de una tolva para Mina Sur mediante la utilización del método de elementos

finitos. La verificación de las solicitaciones y características principales se debe

a que esta tolva T.A.E. modelo Komatsu 830, inicialmente fue fabricada para

Compañía Minera Doña Inés de Collahuasi, y la diferencia entre las

características del mineral influye en la estructura de la tolva. De esta manera

el problema de las solicitaciones de la tolva se pretende atacar realizando una

modelación de ésta mediante el software Solidworks, para que posteriormente

aplicando el método de elementos finitos mediante el software Cosmosworks,




se pueda obtener las solicitaciones en la tolva y las características principales

como lo son las cargas por ejes, los volúmenes de carga y centros de gravedad.

La utilización de estos softwares ha permitido a los diseñadores realizar

proyectos y diseños más innovadores, los cuáles en tiempos anteriores no eran

ejecutados debidos a las dificultades técnicas de cálculo, facilitando así la

innovación y desarrollo tecnológico de la humanidad.

Asimismo se busca combinar en este trabajo de titulación dos factores

muy importantes debido a las tecnologías disponibles y a las características de

la segunda región, es decir mezclar la utilización de software de diseño por el

método de elementos finitos y el cálculo de una tolva para camión minero,equipo muy importante y crítico para estas faenas mineras. De manera de

mantener y expandir el conocimiento de la minería en el país, hacia el diseño,

mantención y modificación de todo lo que involucra a esta actividad tan

relevante e importante tanto para la ciudad, región y país.

1.2.- Objetivos

1.2.1.- Objetivo general

El objetivo es realizar un estudio de un modelo numérico computacional

mediante relaciones teóricas y empíricas, que se obtienen con datos reales del

comportamiento de una tolva, realizando una validación de los distintos

parámetros entregados por el modelo. Determinando con estos resultados las

modificaciones que se deberán realizar a la tolva para ser utilizada en Mina Sur

y así cumplir con las características y restricciones de esta faena.




1.2.2.- Objetivos específicos

1- Crear una simulación numérica computacional de una tolva existente y

obtener esfuerzos a los cuales es sometida la estructura mediante el uso de

elementos finitos.

2- Obtener estudio analítico de la tolva.

3- Obtener estudio de volumen, características geométricas y cargas

volumétricas, como lo son el BAW documento solicitado por Komatsu, volumen

SAE, Volumen KAC y Volumen real con sus respectivos centros de gravedad ycargas soportadas por cada eje del camión.

4- Obtener análisis de resultados obtenidos analítica y computacionalmente.

1.3.- Justificación del trabajo

El departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de

Antofagasta ha adquirido recientemente software para simulación mecánica confines académicos, es importante tener una noción de cuan confiable pueden ser

los resultados que estos entregan, teniendo en cuenta que dichos programas

son utilizados actualmente a nivel mundial en diseño mecánico como

herramienta de apoyo.

Hay situaciones en las cuales no es posible conocer el comportamiento

de una estructura o un sólido con características geométricas de difícil cálculo,es por ello que se requiere justificar y validar la utilización de estos programas

en el diseño de distintos componentes que también pueden ayudar en la

minería y otra índole de nuestras vidas.




1.4.- Delimitación o alcances

Para la simulación de la tolva se utilizarán las características del mineral

que posee Mina Sur. Estableciendo de este modo los esfuerzos que se

producen en esta tolva fabricada inicialmente para otra compañía minera, como

los esfuerzos estáticos, dinámicos vale decir de carga-descarga de la tolva o de

transporte del mineral y de impacto los cuales son producidos a causa de

carguíos efectuados por palas o cargadores frontales. En este estudio no se

profundizará el caso de fatiga por transporte de mineral, debido a que parapoder realizar este estudio se debe tener acceso a la información entregada por

las suspensiones del camión o a la instalación de estampillas medidoras de

deformación en tolva en operación, situaciones que no son factibles a realizar

por limitantes en el acceso a la información y a la intervención de la tolva en

operación mina.

Este estudio busca sólo determinar si la tolva deberá someterse a

modificaciones en su estructura para poder cumplir con las nuevas

solicitaciones requeridas en la nueva faena minera y no determinará las

modificaciones definitivas a la tolva, ya que estas se obtendrán después de un

largo proceso en el cuál se ve involucrado Komatsu y el cliente.



6CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA

CAPITULO 2

REVISIÓN BIBLIOGRAFICA

2.1.- Historia y evolución del proveedor Conymet

En 1973 nació la Constructora y Metalúrgica Manuel Medel Lepe Ltda.

(Conymet) como una maestranza multipropósito que hacía mantención a

equipos mineros y atendía a Chuquicamata. Además, fabricaba partes y piezas

de maquinarias con licencia de fabricantes extranjeros.

En los años 80, Conymet crece y se fortalece con Codelco. El primer

gran logro para el presidente de la empresa, Manuel Medel Lepe, llegó cuando

en 1984 Conymet lanza al mercado su primera tolva para la gran minería. Sin

embargo, no es sino hasta 1996 que la firma sorprende al mercado al inventar

el concepto de Tolva Liviana de Alta Eficiencia (TAE), desarrollo pionero que

revolucionó lo conocido en explotación minera.

La Tolva de Alta Eficiencia permite optimizar el peso bruto vehicular

máximo del camión, considera requerimientos operacionales de cada mina en

particular y especificaciones técnicas de los fabricantes de camiones. De este




modo, se comenzaron a incluir el tipo, tamaño y densidad de cada mineral, así

como también condiciones geológicas, relación entre el tipo de tolva y el equipo

de carguío, y ciclos de la mina, entre otros.

Luego de un proceso de investigación y diseño, los ingenieros

desarrollaron una tolva metálica liviana que se basa en la relación existente

entre capacidad volumétrica y de carga. Requerimientos de orden técnico, tales

como distribución de carga por eje, concepto ergonométrico entre camión y

tolva, así como el de centro de gravedad de la carga, influyeron poderosamente

el concepto de la TAE.

Ingenieros y diseñadores de Conymet incorporaron nuevas tecnologías,

permitiendo a sus clientes reducir costos y mejorar la productividad a la vez.

Como consecuencia de estos esfuerzos, la compañía puso en el mercado el

concepto de una tolva reparable a través de la mantención preventiva y

overhaul.

En este contexto, Conymet detectó la oportunidad de manufacturar

tolvas que permitieran obtener beneficios durante muchos años.

En 2001 Conymet se transforma en industria internacional al comprar la

firma australiana Dunlop Pacific, división Duratray. Así nace Conymet Duratray

International.

A partir de esta nueva estrategia comercial, Conymet comienza a

producir tolvas con piso de goma en suspensión Duratray, desarrollando

operaciones mixtas entre Chile, donde se fabrican las estructuras metálicas, y

Australia, que junto a la planta Duratray Chile en Antofagasta, produce los

componentes de goma que las recubren.




La primera tolva CAT 797 modelo Duratray probada en Chile se realizó

para la Minera Escondida Ltda. Y alcanzó un peso de 42 toneladas, la tolva

estuvo a prueba por un periodo de 6 meses, tiempo en el que ambas empresas

monitorearon exitosamente ciertos factores como peso y disponibilidad,

capacidad volumétrica y capacidad de carga o payload.

El modelo también busca satisfacer objetivos de menor costo y tiempo

de mantención, y menor impacto y vibración sobre chasis y cabina. Otro

aspecto no menos relevante es la solución que significa contar con este tipo detolva recubierta en goma, que viene a mejorar el rendimiento frente a la

abrasión de los minerales, comparada con el acero.

Con una planta en Melbourne y con oficinas en Sydney y Perth,

Conymet Duratray consolida su presencia en el mercado Australiano.

Para ese tiempo, la empresa ya contaba con la colaboración profesional

de los hijos del fundador: Marco Medel, Gerente General de Duratray Australia;

Mauricio Medel, Gerente General de Duratray Chile; y Manuel Medel

Echevarría, quien después de 8 años emprendiendo las operaciones de

Conymet Duratray, primero en Estados Unidos y luego en Australia, asumió la

Gerencia General de Conymet en Chile en 2005.

Tres décadas después de su nacimiento, Conymet sigue en manos de

la familia. A principios de 2006 se incorporó a la compañía Matías Medel, cuarto

hijo de Medel Lepe, como Gerente de Operaciones en Santiago.

Así, gracias al empuje y a la perseverancia de Manuel Medel Lepe,

Conymet está presente en 20 países y cuatro continentes (América, Oceanía,




Europa y Asia), hoy es una de las 3 compañías más grandes del mundo en la

fabricación de tolvas para camiones de alto tonelaje.

Actualmente Conymet posee la siguiente organización, la cuál se

muestra en la figura 2.1 y 2.2:

Figura 2.1. Visión General Organizacional de la Empresa Conymet




Figura 2.2. Estructura Organizacional Conymet La Negra

2.2.- Historia del cliente Mina Sur y de la explotación del Cobre en Chile

La Historia de Codelco comienza con la promulgación de la reforma que

nacionalizó el cobre el 11 de Julio de 1971. La creación de la Corporación

Nacional del Cobre de Chile como se la conoce en la actualidad fue formalizada

por decreto el 1 de Abril de 1976.

Pero la empresa es heredera de una larga historia de vinculación entre

los seres humanos y la minería del cobre que deja en evidencia la riqueza

minera en esta zona de la cordillera de Los Andes, identificada como el principal

depósito de este elemento metálico en el planeta.




Existen pruebas sobre la utilización de cobre en la región andina varios

cientos de años antes de Cristo. Las diversas culturas que habitaron la zona

conocieron metalurgias elementales que les permitieron explotar y trabajar el

metal, incluso para producir aleaciones.

En el norte de Chile atacameños y diaguitas conocieron este metal. Y

desde un pasado remoto las comunidades de la zona habían comenzado a

explotar las riquezas de un yacimiento con futuro: Chuquicamata. Las culturas

Tiahuanaco e Inca, que ejercieron fuerte influencia en la región antes de la

llegada de los europeos, utilizaban el bronce, una aleación de gran durezaelaborada a partir de cobre y estaño.

Durante la época de la colonia la explotación de cobre se mantuvo

como una pequeña industria, un hecho que comenzará a cambiar en el siglo

XIX. En 1810, año de la Independencia de Chile, el país registraba una

producción de 19.000 toneladas de cobre.

Entre 1820 y 1900 Chile produjo 2 millones de toneladas de cobre.

Durante un tiempo fue el primer productor y exportador mundial. Sin embargo a

fines del siglo XIX comenzó un periodo de decadencia, debido al gran impacto

del salitre que acaparaba el interés y las inversiones, y al agotamiento de los

yacimientos de alta ley. En 1897 se produjeron apenas 21.000 toneladas.

La situación cambió a comienzos del siglo XX cuando grandes

consorcios internacionales comenzaron a poner la vista en los yacimientos

chilenos, dotados de avances tecnológicos que permitirían la recuperación de

cobre aún cuando estuviera presente en bajas concentraciones.

En 1904 fue iniciada la explotación de EL Teniente por la Braden

Copper CO., que luego fue traspasada a la administración de la Kenecott




Este proceso determinó en esa época la transformación del

Departamento del Cobre en una Corporación del Cobre. El Estado asumió un

papel decisivo en la producción y comercialización del cobre.

La participación de 51 por ciento del Estado se concretó en los

yacimientos más importantes y emblemáticos: Chuquicamata, El Teniente y

Salvador, que como resultado de este proceso recibieron inversiones de

importancia. Entre los objetivos de la chilenización también se buscaba refinar

todo el cobre dentro de este país y aumentar la producción hasta un millón de

toneladas.

El escenario de la industria cambió radicalmente en Julio de 1971

cuando el Congreso aprobó por unanimidad el proyecto sobre Nacionalización

de la Gran Minería del Cobre, promulgado en la ley 17.450.

Para concretar este proceso de nacionalización fue necesario modificar

el artículo 10 de la Constitución Política de Estado de Chile, al cual se le agregó

una disposición transitoria en la cual se planteaba que ―por exigirlo el interés

nacional y en ejercicio del derecho soberano e inalienable del Estado de

disponer libremente de sus riquezas y recursos naturales, se nacionalizan y

declaran por tanto incorporadas al pleno y exclusivo dominio de la Nación las

empresas extranjeras que constituyen la gran minería del cobre…‖.

Los bienes y las instalaciones de estas empresas pasaron a ser

propiedad del Estado de Chile, que creó sociedades colectivas para hacerse

cargo de las operaciones, coordinadas por la Corporación del Cobre de aquel

entonces.




La nueva normativa facultó al Gobierno chileno para que dispusiera

sobre la organización, explotación y administración de las empresas

nacionalizadas. También determinó que solo podrían enajenarse o constituirse

derechos de explotación sobre concesiones mineras para yacimientos que no

estuvieran en explotación para ese momento, previa autorización por ley.

Como resultado de estas atribuciones fueron dictados los decretos ley

1.349 y 1.350 publicados en 1 de Abril de 1976, que formalizaron la creación de

una empresa minera, la Corporación Nacional del Cobre de Chile, Codelco.

Codelco Chile fue constituida como una empresa del Estado que

agrupaba los yacimientos existentes en una sola Corporación, minera, industrial

y comercial, con personalidad jurídica y patrimonio propio, domiciliada en el

departamento de Santiago.

Su primera misión fue profundizar la transformación administrativa que

implicó darle continuidad a la explotación de los yacimientos nacionalizados,

sus establecimientos, faenas y servicios anexos.

En 2002 fue creada Codelco Norte como resultado de la fusión entre las

divisiones Chuquicamata y Radomiro Tomic.

El complejo de Chuquicamata está ubicado a 1.650 kilómetros al norte

de la capital de Chile, a 2.870 metros sobre el nivel del mar. Cuenta con dos

minas donde el tipo de explotación es a rajo abierto, ―Chuquicamata― y ―Mina

Sur‖. Chuquicamata entró en operaciones en 1910, aunque sus propiedades

mineras también eran conocidas desde hace siglos por culturas prehispánicas.




2.3.- Historia de Komatsu (cliente secundario) y su aporte en lo quecorresponde a maquinaria pesada

Se nombra a Komatsu como cliente secundario debido a que el

diseñador de la tolva debe tener presente que no sólo su cliente es la compañía

minera, sino también el proveedor del camión en el cuál se instalará la tolva

diseñada, debido a que son ellos los que en definitiva aprueban el proyecto, la

construcción y su recepción final. Para poder realizar esta aprobación del

proyecto, Komatsu ideó un método de control denominado Body Application

Worksheet más conocido como BAW, el cual contempla mediciones físicas del

proyecto, permitiendo de este modo constatar si el equipo cumple con las

exigencias de Komatsu Latinoamérica. Este control es realizado por Komatsu

para así garantizar en las distintas faenas mineras el correcto funcionamiento

de sus camiones y que las características de estos no se vean disminuidas o

afectadas por el diseño y construcción de la tolva

El origen de Komatsu surgió de la entonces denominada Takeuchi

Mining Industry, una empresa japonesa fundada en 1894 por Meitaro Takeuchi.

El visionario Takeuchi tempranamente percibió que si el negocio fundamentalde Takeuchi Mining Industry era la minería, lo lógico era concentrarse en esa

actividad, desligándose de la fabricación de máquinas para el movimiento de

tierra que la misma TMI llevaba a cabo para apoyar sus operaciones y entregar

a un tercero la responsabilidad de la fabricación de tales máquinas.

Con esa decisión, en Enero de 1917, Takeuchi nos daba la primera

lección sobre la relevancia de la especialización y el outsourcing, al establecer

Komatsu Iron Works. El 13 de mayo de 1921, separó Komatsu Iron Works de su

compañía fundando la que hasta hoy sería Komatsu Ltda.

Bajo un concepto muy similar se desarrolla la historia de Cummins.

La formación de Cummins Engine Corp. el 3 de febrero de 1919, reunió




recursos poco comunes. William Glanton W.G. Irwin-un exitoso banquero e

inversionista de Columbus aportó el capital inicial.

El nombre de la nueva compañía viene de Clessie Lyle Cummins, quien

era un mecánico inventor autodidacta. Los Irwins lo contrataron en 1908 para

manejar y mantener sus automóviles, y después lo iniciaron en el negocio como

un mecánico de auto.

Durante la Primera Guerra Mundial, Clessie operó una tienda de

maquinaria que creció gracias a los contratos del gobierno. Por entonces, él

estaba convencido que una tecnología del motor inventada por Rudolph Diesel

en 1890 -aunque aún no probada comercialmente- tenía una gran promesapara su economía de combustible y durabilidad. Para asegurar su entrada al

negocio de motores, Cummins consiguió los derechos de fabricación de un

licenciado holandés llamado Hvid.

De estas dos ideas empresariales con el tiempo se deriva la formación

en el año 1999 de Komatsu Cummins Chile Ltda.

Su capital se constituyó con un 18% por parte de Cummins y un 82%

por parte de Komatsu.

Desde esa fecha se han desarrollado múltiples negocios en las áreas

Mineras, de Construcción, Industrial y Forestal a través de sus distintas filiales.

2.4.- Descripción de la importancia del buen diseño de tolvas para las

compañías mineras

Para poder explicar la importancia que posee este tema en las

compañías mineras se debe comenzar por definir el concepto de diseño.―Shigley [1] expresa que, Diseñar es formular un plan para la satisfacción de

una necesidad específica o resolver un problema. Si el plan propicia la creación

de algo que tiene una realidad física, entonces el producto debe ser funcional,

seguro, confiable, competitivo, útil, que se pueda fabricar y comercializar ‖.




Es importante que el diseñador sepa identificar la problemática o lo que

el cliente quiere, esto permite que se plantee bien el problema y por ende se

llegue a soluciones reales y satisfactorias. Determinar la solución adecuada o

alternativa satisfactoria depende de la utilización de estrategias de optimización,

para lo cual, se hace necesario desarrollar las siguientes tareas:

- Lluvia de ideas.

- Por medio del análisis y ensayos, simular y predecir el desempeño

de cada alternativa, conservar las alternativas satisfactorias y

desechar las que no lo son.- Elegir la mejor alternativa satisfactoria descubierta, como una

aproximación a la optimización.

- Implementar el diseño.

Ahora que ya se conoce el término diseño, se da paso a la exposición de

las características relevantes que debe poseer una tolva según las compañías

mineras. Principalmente todas éstas influyen y concluyen en una razón principal

―la economía‖. Las principales características en las que se debe centrar el

diseñador son las que a continuación se detallan:

- Menor Peso: Este es una de las más importantes para las

empresas. Cualquier disminución en el peso de la tolva influye en

que el volumen de carga sea mayor y multiplicado por la cantidad

de carreras realizadas por el camión, sumado por la cantidad de

camiones que poseen las mineras implican un aumento de la

producción de la empresa.

- Mayor Durabilidad: Esta característica conlleva a que una mayor

durabilidad del componente implica una menor tasa de reemplazo

o reparación, por ende, un menor costo de mantención y la




disminución en los tiempos de detención por reparación a un

mismo costo, generaría mayores producciones para la empresa.

- Menor tiempo de mantención: Esta característica puede o no estar

relacionada con la anterior. Situación que se puede evidenciar

claramente en la tolva Duratray, debido a que su piso de caucho

permite facilitar su reemplazo, optimizando de esta manera los

tiempos de mantención. Puesto que la goma desgastada, sólo se

reemplaza, a diferencia de una tolva completamente metálica que

implicaría torchar las planchas interiores desgastadas yreemplazarlas por nuevas, si las vigas de piso o laterales han

sufrido daños se debe efectuar el mismo procedimiento. El

reemplazo de vigas no se realiza en las tolvas Duratray, ya que el

piso de goma se encuentra en suspensión por medio de Ropes de

fibras elastómeras que impiden que la goma toque las vigas

durante el proceso de carguío de la tolva. Este menor tiempo de

mantención implica menor tiempo de detención del equipo, por

ende una mayor disponibilidad para las actividades de

producción.

Evitar el Carry Back: Para entender claramente el concepto que

conlleva esta característica, se debe conocer la definición de

Carry Back. Es el efecto que se produce cuando materiales muy

finos, a consecuencia de la humedad o bajas temperaturas se

adhieren al cuerpo de la tolva bajando el rendimiento de esta en

alrededor de un 5%. Situación que provoca pérdidas significativas

para la empresa, por disminución del volumen de carga de la tolva

en cada viaje, ver Figura 2.3.




Figura 2.3. Carry back en tolva de cuerpo metálico.

Existen otros factores que debe ser considerados por el diseñador de

una tolva, los cuales pueden parecer básicos, pero revisten una gran relevancia

en el correcto funcionamiento del equipo, los que se detallan a continuación:

- Camión en el cuál se montará la tolva: Da al diseñador las

características geométricas que debe poseer la tolva, para no

causar interferencia negativa con el camión.

- Utilidad que dará el cliente (Compañía Minera) a la tolva: Se

refiere a si será utilizada para transportar mineral, escoria, entre

otros. Esto permite al diseñador constatar el tipo de trabajo que

realizará y de este modo determinar la densidad y la abrasión, la

que utilizará para el diseño del equipo.

- Mecanismo de carga que utilizará el cliente: el

conocimiento de este factor permite determinar y calcular el

esfuerzo por impacto que se producirá en el carguío del equipo.




2.5.- Definición del Método de Elementos Finitos (M.E.F.) y su importancia

para el diseño

El método se basa en dividir el cuerpo, estructura o dominio (medio

continuo) —sobre el que están definidas ciertas ecuaciones integrales que

caracterizan el comportamiento físico del problema— en una serie de

subdominios, no intersectantes entre sí, denominados elementos finitos. El

conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio también

denominada discretización. Dentro de cada elemento se distinguen una serie de

puntos representativos llamados nodos. Dos nodos son adyacentes sipertenecen al mismo elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un

elemento finito puede pertenecer a varios elementos. El conjunto de nodos

considerando sus relaciones de adyacencia se llama malla.

Los cálculos se realizan sobre una malla o discretización creada a partir

del dominio con programas especiales llamados generadores de mallas, en una

etapa previa a los cálculos que se denomina pre-proceso. De acuerdo con estas

relaciones de adyacencia o conectividad se relaciona el valor de un conjunto de

variables incógnitas definidas en cada nodo. El conjunto de relaciones entre el

valor de una determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma

de sistema de ecuaciones lineales (o linealizadas). La matriz de dicho sistema

de ecuaciones se llama matriz de rigidez del sistema. El número de ecuaciones

de dicho sistema es proporcional al número de nodos.

Típicamente el método de los elementos finitos se programa

computacionalmente para calcular el campo de desplazamientos y,

posteriormente, a través de relaciones cinemáticas y constitutivas, las

deformaciones y tensiones respectivamente, cuando se trata de un problema de

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_ecuaciones

http://es.wikipedia.org/wiki/Matriz_de_rigidez

http://es.wikipedia.org/wiki/Matriz_de_rigidez

http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_ecuaciones




mecánica de sólidos deformables o más generalmente un problema de

mecánica de medios continuos.

El método de los elementos finitos es muy usado debido a su

generalidad y a la facilidad de introducir dominios de cálculo complejos (en dos

o tres dimensiones). Además el método es fácilmente adaptable a problemas de

transmisión de calor, de mecánica de fluidos para calcular campos de

velocidades y presiones (mecánica de fluidos computacional, CFD) o de campo

electromagnético. Dada la imposibilidad práctica de encontrar la solución

analítica de estos problemas, con frecuencia en la práctica ingenieril los

métodos numéricos y, en particular, los elementos finitos, se convierten en unade las pocas alternativas prácticas de cálculo, a modo de ejemplo se muestran

a continuación las Figuras 2.4, 2.5 y 2.6.

Figura 2.4. Modelos de CFD de automóvil de carrera

Una importante propiedad del método es la convergencia; si se

consideran particiones de elementos finitos sucesivamente más finas, la

solución numérica calculada converge rápidamente hacia la solución exacta del

sistema de ecuaciones.

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_medios_continuos

http://es.wikipedia.org/wiki/Transmisi%C3%B3n_de_calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidos

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidos_computacional

http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_electromagn%C3%A9tico




http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidos_computacional

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidos

http://es.wikipedia.org/wiki/Transmisi%C3%B3n_de_calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_medios_continuos




Figura 2.5. Modelos de CFD de avión de guerra

Cuando se produce la llegada de los primeros ordenadores en la década

de los 50, el cálculo de estructuras se encontraba en un punto en el que los

métodos de cálculo predominantes consistían en técnicas de iteración (métodos

de Cross y Kani) que se realizaban de manera manual y por tanto resultaban

bastante tediosos. El cálculo de una estructura de edificación de varios pisos,

por ejemplo, podía llevar varias semanas, lo cual suponía un coste sustancial

de tiempo, en menoscabo de la posibilidad de invertir éste en la optimización de

la estructura.

La llegada de la computadora permitió el resurgimiento del método de

los desplazamientos ya conocidos en siglos anteriores (Navier, Lagrange,

Cauchy), pero que eran difíciles de aplicar dado que al final conducían a laresolución de enormes sistemas de ecuaciones inabordables desde el punto de

vista manual.




El Método de Elementos Finitos (MEF) fue al principio desarrollado en

1943 por R. Courant, quien utilizó el método Ritz de análisis numérico y

minimización de las variables de cálculo para obtener soluciones aproximadas a

un sistema de vibración. Poco después, un documento publicado en 1956 por

M. J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, y L. J. Topp estableció una definición

más amplia del análisis numérico. El documento se centró en ―la rigidez y

deformación de estructuras complejas‖.

Figura 2.6. Modelos de MEF de buque de carga

En los años 70 se produce un gran crecimiento de la bibliografía, así

como la extensión del método a otros problemas como los no lineales. En esta

década, el MEF estaba limitado a caros ordenadores centrales, generalmente

poseídos por las industrias aeronáuticas, de automoción, de defensa y

nucleares. Se estudian nuevos tipos de elementos y se sientan las bases




matemáticas rigurosas del método, que había aparecido antes como técnica de

la ingeniería más que como método numérico de la matemática.

Por último, a partir de la década de los 80, con la generalización de los

ordenadores personales, se extiende el uso de los programas comerciales que

se especializan en los diversos campos, instaurándose el uso de pre y post-

procesadores gráficos que realizan el mallado y la representación gráfica de los

resultados. Se continúa en el estudio de la aplicación del método a nuevos

modelos de comportamiento (plasticidad, fractura, daño continuo, etc.) y en el

análisis de los errores. En la actualidad dentro del campo estructural el MEFcomparte protagonismo con el método matricial, siendo muchos los programas

que mezclan el análisis por ambos métodos debido, sobre todo, a la mayor

necesidad de memoria que requiere el análisis por elementos finitos. Así se ha

dejado la aplicación del MEF para el análisis de elementos continuos tipo losa o

pantalla, mientras que los pórticos siguen todavía discretizándose en barras y

utilizando el método matricial. Y desde el rápido declive en el coste de los

ordenadores y el fenomenal incremento en la potencia de cálculo, el MEF ha

desarrollado una increíble precisión. En la actualidad, los superordenadores son

capaces de dar resultados exactos para todo tipo de parámetros.

El MEF consiste en un modelo informático del material o diseño que es

tensado y analizado para conseguir resultados específicos. Es usado en el

diseño de nuevos productos, y en la mejora de los actuales. Una empresa

capaz de verificar un diseño propuesto será capaz de ajustarse a las

especificaciones del cliente antes de la fabricación ó construcción. Modificando

un producto o estructura existente es utilizado para calificarlo para unas nuevas

condiciones de servicio. En caso de falla estructural, el MEF puede ser usado

para ayudar a determinar el diseño de las modificaciones para ajustarse a las

nuevas condiciones.

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Modelo_inform%C3%A1tico&action=edit&redlink=1

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Hay, generalmente, dos tipos de análisis que son usados en la

industria: modelos en 2D y en 3D. Mientras los modelos en 2D conservan la

simplicidad y permiten que el análisis se realice en un ordenador normal, tiende

a dar resultados menos precisos. El modelado en 3D, sin embargo, produce

resultados más precisos mientras sacrifica la habilidad para funcionar de

manera efectiva en cualquier ordenador, menos en los más rápidos. Con cada

uno de estos esquemas modelados, el programador puede insertar numerosos

algoritmos ó funciones que pueden hacer al sistema comportarse de manera

lineal o no lineal. Los sistemas lineales son menos complejos y normalmente notienen en cuenta deformaciones plásticas. Los sistemas no lineales toman en

cuenta las deformaciones plásticas, y algunos incluso son capaces de testear el

material hasta la fractura.

El MEF es un método numérico de resolución de ecuaciones

diferenciales. Para ello trabaja discretizando la estructura en elementos de

forma variada (pueden ser superficies, volúmenes y barras), que se conectan

entre sí mediante ―nodos‖. La solución ahora es sólo aproximada en función de

los resultados obtenidos para los nodos. El MEF parte del cálculo matricial en el

planteamiento del equilibrio en los nodos mediante un sistema de ecuaciones

resultado de la contribución de los elementos.



26CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS

CAPITULO 3

MATERIALES Y METODOS

3.1.- Características y consideraciones importantes en el diseño de una

tolva

Todo diseño posee características importantes o críticas a considerar,

como los son la forma geométrica, cargas entre otras. Es así como, por

ejemplo, la alteración geológica, la resistencia, el índice de abrasión, el efecto

esmerilado, la densidad específica de la roca, el impacto y la humedad

especifica de los minerales son radicalmente distintas en cada una de las

compañías y explotaciones mineras, por lo tanto cada una de las tolvas está

diseñada en virtud de estas características.

La necesidad de la gran industria minera ante factores que afectan el

mercado como lo son la disminución del valor de los distintos metales, se ha

visto en la necesidad de reducir sus costos operacionales, implementando

programas que tienden a desarrollar procesos y procedimientos que minimicen

costos y generen mayor eficiencia, tanto en niveles administrativos como




operacionales. Es por esta razón que la exigencia en calidad y seguridad de

maquinarias y equipos utilizados en las faenas, reducción de tiempos muertos

en los procesos de extracción y de operación, disponibilidad de servicios

contratados y durabilidad de maquinarias y equipos, juegan el papel crítico en el

sistema.

Por lo anterior, las distintas compañías mineras se han visto en la

necesidad de adecuar su producción a dichos requerimientos, elevando la

productividad de bienes y otorgando mayores garantías.

Estas situaciones obligan a que el diseño de la tolva deba considerar un

gran número de variables o consideraciones para estar al nivel de las

necesidades de los clientes y para poder ser competitiva en el mercado.

Algunas de las consideraciones importantes para el diseño de estos

componentes son:

- Empty Vehicle Weight

- Gross Vehicle Weight

- Volumen de carga real (Payload)

- Forma (Características geométricas)

- Peso propio de la tolva

- Materiales utilizados en la fabricación de la tolva

- B.A.W. (Medición de parámetros para tolvas modelo Komatsu)

- Volumen de carga SAE

- Volumen de carga KAC

- Solicitaciones de carga

- Carga por ejes

- Ubicación del centro de gravedad




Todas estas características serán definidas y explicadas a continuación,

las cuales constituyen la primera etapa en el diseño de una tolva.

3.1.1.- Empty Vehicle Weight (E.V.W)

El Empty Vehicle Weight es un dato muy importante para el diseñador

y es proporcionado por el fabricante del camión, este consiste en como su

nombre lo indica en el peso del camión considerando:

- Tanque de petróleo completamente lleno

- Tanque hidráulico completamente lleno- Sin considerar al camión cargado, es decir, Payload igual a cero

- Sin considerar la tolva

Este factor junto con el Gross Vehicle Weight constituye el segundo paso

de diseño del Ingeniero.

3.1.2.- Gross Vehicle Weight (G.V.W)

El Gross Vehicle Weight consiste en como su nombre lo indica el peso

bruto del camión, y considera lo siguiente:

- Tanque de petróleo completamente lleno

- Tanque Hidráulico completamente lleno

- Considera el camión cargado

- Considera el peso de la tolva

Es decir este es el peso límite mayor del camión con todos sus

componentes que garantiza el correcto funcionamiento de éste, por lo tanto es

un dato importantísimo para el diseñador, ya que la resta entre el G.V.W y el

E.V.W constituye la suma del peso del payload y de la tolva, por lo tanto son




inversamente proporcionales, es decir, si se necesita mayor Payload de

transporte implica diseñar una tolva de menor peso y por el contrario una tolva

muy pesada conlleva a un payload reducido.

3.1.3.- Volumen de carga, forma y peso

Las características geométricas casi siempre son las primeras variables

a definir, ya que establecen las directrices del diseño para el ingeniero que

creará y realizará el proyecto.

El volumen de carga va asociado directamente con la forma, ya que la

altura de los laterales y el frontón determinan la cantidad de volumen que podrá

transportar la tolva. El peso de la tolva ayuda a determinar el payload de carga,

esto asociado a la densidad del mineral determina la cantidad de volumen que

se podrá transportar y por ende se obtienen la altura de los laterales y frontón,

el ancho y largo de la tolva.

Otro factor de forma que implica una gran importancia son las críticas

zonas de conexión, vale decir, los diámetros de los alojamientos ya sea, de

pivote o levante, la posición de las orejas de conexión y la ubicación de los

principales componentes de centrado de tolva de los diferentes modelos de

camiones. En el caso de Komatsu este método de centrado lo constituye una

guía centradora, en el caso de Caterpillar esta función la cumplen las consolas

y en el caso de los camiones Liebherr esto se logra con dos guías centradoras.

El peso afecta el diseño, debido a que un mayor peso de la tolva

influye directamente en que el camión gastará más potencia en el transporte

de la tolva que en el del mineral propiamente tal, por lo que si se disminuye el

peso de ésta al mínimo admisible que garantice su correcto funcionamiento




estructural, se logra una mejor distribución del gasto de potencia. Lo que se

traducirá en mayores beneficios para el usuario del equipo.

3.1.4.- Materiales utilizados en la fabricación de la tolva

Los aceros usados en las fabricaciones y reparaciones de tolvas se

clasifican en dos grandes tipos: estructurales y anti desgaste, siendo los

primeros los usados para mantener la estructura, es decir, vigas, alerones,

entre otros y los segundos corresponden a los aceros con tratamientos

especiales adecuados a procesos donde el desgaste es común.

A continuación se presenta una breve descripción de cada tipo,

destacando los aceros recomendados para las fabricaciones y reparaciones de

tolvas.

Aceros estructurales

Existen dos tipos de aceros estructurales que se usan en la fabricacióny reparación de tolvas: aceros de alta resistencia y baja aleación, y los aceros

tratados térmicamente.

Existen un gran número de aceros de alta resistencia y baja aleación

cubiertos por las normas ASTM bajo varios números. Además de contener

carbono y manganeso, la resistencia de estos aceros se debe a que se usan

como elementos de aleación el niobio, vanadio, cromo, silicio, cobre, níquel y

otros. Estos aceros tienen límites de fluencia tan bajos como 42,000 psi (2,940

kg/cm2) y tan altos como 65,000 psi (4,550 kg/cm2). En este grupo se incluyen

el A572, A36 y A52, los cuales son los más utilizados en fabricaciones y

reparaciones de tolvas.




Los aceros tratados térmicamente contienen elementos de aleación en

mayor cantidad que los de baja aleación y alta resistencia y además se tratan

térmicamente (por templado y revenido), para obtener aceros tenaces y

resistentes. Se enlistan en las normas ASTM con la designación A514 y tienen

límites de fluencia de 90,000 a 100,000 psi (6,300 a 7,030 kg/cm2).

Los aceros ASTM A514 se someten a tratamiento térmico con

enfriamiento por inmersión en agua o aceite a no menos de 898,9° C, y luego,

templado a no menos de 593° C.

Aceros Anti desgaste

En esta clasificación los aceros son tratados térmicamente y alcanzan

durezas más elevadas que los aceros normales. Para las fabricaciones y

reparaciones de tolvas, en especial para las planchas ubicadas en el interior de

la tolva (en contacto con el material extraído, recibiendo los impactos en el

carguío y el desgaste en la descarga) se recomienda aceros que aseguren una

dureza de 500 HB en toda la plancha, es decir, en toda la superficie y en todo el

espesor.

De esta forma, para la fabricación y reparación de tolvas se utiliza

actualmente el acero anti desgaste NKK JFE-EH500LE, de procedencia

japonesa. Los espesores de las planchas se pueden visualizar en la Tabla 3.1presentada a continuación, dependiendo de los sectores del interior de la tolva:

el interior se divide en: piso central, piso lateral, front y laterales y barras

protectoras. La sección de la visera que está en contacto con el front (se calcula




un metro desde la unión front – visera) se considera como parte del front, por lo

tanto se le aplican los resultados de esta sección.

Tabla 3.1. Espesores de las planchas anti-desgaste

Tolva

Espesores (mm)

Piso

Central

Piso

Lateral

Front y

Laterales

Barras

Protectoras

830E 20 16 10 32, 38 y 50

793 20 16 10 32, 38 y 50

797 25 20 12 32, 38 y 50

Soldaduras involucradas en la Fabricación y Reparación de Tolvas

Debido a que este trabajo no considera el análisis de la soldadura. El

detalle del tipo de soldadura y los procesos utilizados en la fabricación de las

tolvas se puede ver en el Anexo N°1.

3.1.5.- Body Application Worksheet (B.A.W.).

Este consiste en una metodología de control que utiliza Komatsu para

garantizar la dimensión real de la tolva fabricada comparada con las

dimensiones proyectadas. Esto permite a Komatsu garantizar y asegurar que

las tolvas posean un volumen de carga adecuado a las especificaciones, ya que

esto asegura la correcta distribución de carga por eje. Este factor de distribución

de carga por eje es crítico debido a que una distribución de carga inadecuadapodría causar que el camión perdiera estabilidad en una pendiente de subida de

10%, es decir, podría generar la separación del apoyo producido por el eje

delantero.




A causa de lo indicado en el párrafo anterior Komatsu ocupa este

método, en el cual se registran las dimensiones principales de la tolva para

generar así el volumen de carga real de ésta, estableciendo de este modo los

centros de masa reales de la tolva y de la carga. Con estos datos se determina

la carga soportada por cada eje del camión.

Este documento también establece que el diseño de la tolva no supera

el G.V.W y por ende garantiza el correcto funcionamiento de sus camiones. El

no contar con un B.A.W aprobado implica a las Compañías Mineras a renunciar

a las garantías de fabricación otorgadas por Komatsu a sus camiones.

En este documento se cuenta con la participación y aprobación de

cuatro entidades, como lo son la Compañía Minera (cliente de la tolva y

camión), Fabricante y/o diseñador de la tolva (proveedor de la tolva), Komatsu

Chile (ente fiscalizador de proyecto tolva y proveedor de camión) y Komatsu

Latinoamérica (Ente Fiscalizador de proyecto y proveedor de garantía a camión

por contemplar B.A.W aprobado), ver anexo N°2.

3.1.6.- Volumen SAE

El volumen SAE, consiste en el tipo de volumen que sigue la norma

SAE 2000-01-2652, la cual establece un volumen de carga de lados lisos y

planos, la parte interior de la caja o tolva. En este caso la contempla con carga

a tope, es decir, como si existiera un bloque dentro de ésta con la forma interior

de la tolva, luego establece en la parte superior de este bloque construir una

pirámide cuya base sea el doble de la altura de ésta, es por tal razón que se

denomina volumen SAE 2:1, así se obtiene un volumen de caras planas para el

diseño, como se observa en las figuras 3.1 y 3.2.




Este tipo de volúmenes es utilizado solamente como base por Komatsu,

ya que el volumen utilizado por ellos para el diseño de la tolva es el

denominado Volumen KAC que será explicado y definido en el siguiente punto

de este informe.

Figura 3.1. Volumen SAE 2:1 de tolva típica

Figura 3.2. Volumen SAE 2:1 sobre tolva y camión típicos




3.1.7.- Volumen KAC

El denominado volumen KAC es el utilizado por Komatsu como

volumen de diseño de las tolvas para sus camiones. Este tipo de volumen fue

creado por esta compañía para garantizar y asegurar que en las tolvas de sus

camiones no se producirá derrame, vale decir, si se carga la tolva con el

payload de diseño en el camión, no se producirá pérdida de material

transportado.

Por lo tanto, con la metodología del volumen KAC se obtiene elvolumen de carga, el payload (multiplicando el volumen KAC por la densidad

del material a transportar), centro de gravedad del payload, carga por ejes,

entre otros datos relevantes.

Para construir el volumen KAC se debe comenzar construyendo el

volumen SAE y luego trazar en el lateral una línea paralela a la parte superior

a una distancia de 150 mm efectuando en este lugar el corte del volumen (ver

Figura 3.3). Asimismo se debe trazar una línea paralela al piso a una distancia

de 200mm (ver Figura 3.4). Posteriormente se debe efectuar un corte al

volumen de carga, lo que revela que Komatsu considera 150mm de lateral y

200 mm de piso libres de carga.




Figura 3.3. Corte para construir volumen KAC

(Vista posterior de volumen SAE)

Figura 3.4. Corte para construir volumen KAC

(Vista lateral de volumen SAE)

150mm

200mm




3.1.8.- Volumen Real

El volumen real consiste como su nombre lo indica en el volumen de

carga que realmente transportará la tolva. Este considera la densidad aparente,

factor de carga, entre otros factores que de igual modo afectan el transporte de

material.

3.1.9.- Solicitaciones de carga, carga por ejes y centro de gravedad

El cálculo de las solicitaciones de carga es parte común de lo que sesabe debe cumplir el equipo y a su vez, es parte del diario vivir del diseñador,

como lo son los esfuerzos producidos por el peso propio de la tolva y el

payload, es decir, esfuerzos estáticos. Otro tipo de esfuerzo producido en este

tipo de diseño es el esfuerzo de impacto, producido generalmente por el carguío

del equipo, ya sea por palas, cargadores frontales, entre otros. Un último caso

es del esfuerzo dinámico debido a la carga-descarga de la tolva o de transporte

del mineral. En este estudio no se profundizará el caso de fatiga por transporte

de mineral, debido a que para poder realizar este estudio se debe tener acceso

a la información entregada por las suspensiones del camión o a la instalación

de estampillas medidoras de deformación en tolva en operación, situaciones

que no son factibles a realizar por limitantes en el acceso a la información y a la

intervención de la tolva en operación mina. Por tratarse de principios

fundamentales del diseño mecánico y estructural no se profundizará en la

definición de estas situaciones de esfuerzos.

En General para el diseño de toda tolva se debe considerar el cálculo

de la carga por eje. En el caso puntual de Komatsu se debe cumplir con ciertas

tolerancias a valores nominales establecidos en la hoja de control BAW. Lo que

establecen estos valores de carga por eje es que cada uno de los neumáticos




del camión soporte la misma cantidad de carga cuando el camión esté cargado

con el payload y la tolva, es decir, cuando se cumpla con el G.V.W. Ejemplo de

esto es que el eje trasero del camión posee cuatro neumáticos y el eje

delantero dos, lo que se traduce en un total de seis neumáticos, por ende cada

neumático debe cargar el 16,67% del G.V.W aproximadamente, por lo tanto el

eje delantero que posee dos neumáticos debe soportar el 33,33% del G.V.W y

el eje trasero que posee cuatro neumáticos debe soportar el 66,67% del G.V.W

que son los valores nominales de carga por eje descritos en la hoja de control

BAW.

En lo que al centro de gravedad se refiere, este constituye otro factor

importante ya que su ubicación garantiza la estabilidad del camión con carga y

sin ésta. Debido a que la tolva afecta la estabilidad de éste en ambas

situaciones, inclusive si el camión se encuentra desplazándose por camino

plano, con pendiente positiva máxima de 10%, pendiente negativa máxima de

10%, en montículos o en el acto mismo de tolva arriba, es decir, en la

realización misma de la descarga. Los valores nominales y de tolerancia de los

centros de gravedad de la tolva y del payload, también se encuentran

especificados en el BAW.




Concluido el análisis y definición de los puntos de mayor relevancia

que debe tener presente el diseñador para llevar a buen término el proyecto,

cumpliendo de igual modo con el objetivo del diseño de la tolva se obtiene el

siguiente diagrama de proceso, el que contemplará varias iteraciones.

Esquema 3.1. Flujo de diseño

Como se visualiza en el esquema a lo que el diseñador debe optar es a

obtener que el peso de la tolva sumado con el payload sean igual a la restaentre el G.V.W y el E.V.W, y que se obtenga el peso del payload lo mayor que

se pueda, esto permitirá sacar mayor rendimiento al camión, mayor carga por

viaje del camión y por ende generar un buen diseño de tolva.

Modelo

Camión

Diseño

Tolva

Peso

Tolva

Volumen

KACPayload

Peso tolva

+

Payload

G.V.W – E.V.W

CumpleOK

NO CUMPLE

< o =

VOLVER A ITERAR



40CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS

CAPITULO 4

DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS

En este capítulo se expresa el desarrollo en sí del trabajo que convoca

este trabajo, y demuestra cada una de las etapas seguidas para obtener los

resultados que se expondrán al final de este capítulo convirtiéndose en la base

de la conclusión de este informe. Para ello se cumplen diferentes etapas como

lo son la descripción de características importantes del camión donde se

montará la tolva, la construcción del modelo en Solidworks, los resultados

geométricos o volumétricos obtenidos y además los resultados mecánicos

logrados ya sean por análisis estático, dinámico o de impacto.




4.1.- Parámetros y condiciones para el análisis

4.1.1.- Características y datos importantes de camión Komatsu 830

Como es sabido para realizar los análisis volumétricos y de disposición

de carga se debe poseer ciertos datos característicos del camión, datos que se

extraen del catalogo del camión Kom 830E otorgado por Komatsu en su página

de internet www.komatsu.cl (ver anexo número 3), siendo éstos los que se

detallan a continuación, pudiendo ser visualizados en la Figura 4.1:

- G.V.W= 385.558 kg- E.V.W= 134.467 kg

- Distancia entre eje delantero y trasero= 6.350 mm- Distancia entre eje trasero y pivote= 744 mm

Figura 4.1. Medidas generales de camión Komatsu 830E

http://www.komatsu.cl/






4.1.2.- Características importantes del material a transportar

Como se ha mencionado, es primordial conocer las características del

material a transportar, ya que esto permite conocer cuál finalmente será el

volumen a transportar y la carga que transportará el camión en cada una de las

carreras o viajes a realizar. A continuación se mencionan las características

principales del material a transportar:

- Material a transportar: Mineral de Cobre

- Densidad de material a transportar: 1.8 T/m3

- Angulo de reposo o de estancamiento del mineral: 26,6°

Indicadas las características del material que se transporta y las del

camión, sólo bastaría por señalar los datos y características mecánicas de los

materiales con que se fabricó la estructura de la tolva.

4.1.3.- Características mecánicas de aceros con los que se encuentra fabricadala tolva

Los aceros utilizados en la fabricación de esta tolva corresponden a un

acero resistente al desgaste en la zona interior de la caja, es decir, en sus

planchas bases, el cual consiste en un acero EH-500 de la fábrica Japonesa

JFE Steel Corporation. Este acero corresponde al de tipo estructural tratado

térmicamente para obtener una dureza superior a los 477 BHN y cuyas

características mecánicas se pueden observar en la Tabla 4.1. En el caso del

acero utilizado para la fabricación de las vigas de esta tolva se utilizó acero

Hiten 780 de la misma fábrica, que corresponde a un acero estructural de muy

buenas características mecánicas, las cuales se muestran en la Tabla 4.2. Las




tablas de características mecánicas de ambos aceros se obtuvieron de los

catálogos proporcionados por la fábrica y que se muestran en su totalidad en el

anexo N°4 y N°5.

Tabla 4.1. Características mecánicas del acero EH-500




Tabla 4.2. Características mecánicas del acero Hiten-780




4.2.- Construcción de modelo de tolva para camión Komatsu 830 y de sus

volúmenes de carga mediante software Solidworks

Debido a que la tolva ya se encuentra físicamente construida, para la

realización de la construcción del modelo 3D de la tolva se realiza un

levantamiento y mediante las herramientas proporcionadas por el software se

realiza la construcción de la tolva por partes, obteniendo los resultados que se

muestran en las Figuras 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 y 4.7.

Figura 4.2. Vista de modelo de front de la tolva.

Figura 4.3. Vista de modelo de lateral de la tolva.




Figura 4.4. Vista de modelo de visera de la tolva.

Figura 4.5. Vista de modelo de piso de la tolva.

Figura 4.6. Vista general 3D modelo de la tolva.




Figura 4.7. Vista general superior modelo de la tolva.

Al modelar la tolva se obtienen datos de gran relevancia para el estudio

volumétrico y de disposición de carga como centro de gravedad de la tolva y

peso de ésta como se observa en la Figura 4.8.




Figura 4.8. Detalle de obtención del centro de gravedad de la tolva.




Al efectuar modelamiento en solidworks de la tolva se obtuvieron los

datos que se pueden visualizar en Tabla 4.3. que se muestra a continuación.

Tabla 4.3. Resumen de datos de tolva

RESUMEN DE DATOS DE TOLVA

X (mm) Y (mm)

CENTRO DE GRAVEDAD 1781 597

PESO TOTAL DE LA TOLVA 27.680 kg

Posterior a la construcción del modelo de la tolva corresponde la etapa

de construcción de los volúmenes SAE y KAC (estos volúmenes son los que

puede transportar la tolva fabricada, y que no necesariamente serán iguales a

los obtenidos en el estudio volumétrico, ya que estos volúmenes constituirán la

restricción máxima de transporte según características de camión, densidad de

material y peso de la tolva). Para ello se toman en consideración las medidas

generales de la tolva, estableciendo la fabricación del volumen SAE 2:1 que ya

fue definido en el punto 3.2.6 es decir, tolva colmada con una pirámide en su

parte superior con ángulo de 26,6° (Ver Figura 4.9 y 4.10).

Figura 4.9. Vista lateral de volumen SAE.




Figura 4.10. Vista general volumen SAE.

Para la construcción del volumen KAC se realiza la disminución en 150

mm de la altura de los laterales y se acorta el piso en 200mm obteniendo el

siguiente resultado (Figura 4.11 y 4.12).

Figura 4.11. Vista lateral volumen KAC.




Figura 4.12. Vista general volumen KAC.

Los volúmenes SAE y KAC obtenidos se detallan en la Tabla 4.4 que

se muestra a continuación

Tabla 4.4. Resumen de volúmenes

RESUMEN DE VOLUMENES OBTENIDOS

TIPO DE VOLUMEN METROS CUBICOS

VOLUMEN SAE 158

VOLUMEN KAC (Tolva construida) 129,8

Además de los datos mostrados en la Tabla 4.4 es necesario obtener

las coordenadas del centro de gravedad del volumen KAC, las que se muestran

en la Figura 4.13 y se detallan en la Tabla 4.5.




Figura 4.13. Detalle de obtención de coordenadas de centro de gravedad a

partir de pivote del volumen KAC con software solidworks.




Tabla 4.5. Resumen de datos de volumen KAC.

RESUMEN DE DATOS DE VOLUMEN KAC (tolva fabricada)

X (mm) Y (mm)

CENTRO DE GRAVEDAD 2333 1446

VOLUMEN KAC 129,8 m

PAYLOAD (DENSIDAD 1,8t/m ) 233,64 toneladas

Ahora que se conocen todos los datos relevantes: del camión, mineral a

transportar, aceros con los que se fabricó la tolva, volúmenes SAE y KAC,

centro de gravedad, peso de la tolva y centro de gravedad del volumen KAC

finalmente se cuenta con todos los datos para poder realizar los estudios

volumétricos y de disposición de carga como también, los análisis mecánicos

de la estructura de la tolva, resultados que serán evidenciados en un

subcapítulo posterior.




4.3.- Desarrollo y resultado del análisis

4.3.1.- Estudio volumétrico y de disposición de carga

Para el desarrollo del estudio volumétrico y de disposición de carga, se

generó una planilla de cálculo donde se introdujeron los datos mostrados

anteriormente. Los resultados obtenidos se visualizan en la Tabla 4.6.

Tabla 4.6. Detalle de resultados de estudio volumétrico y de disposición de

carga.




Como se observa en la Tabla 4.6 y obteniéndose de la fórmula 4.1:

G.V.W – Masa del camión – Masa de la tolva = Masa de la carga (4.1)

La masa de la carga a transportar es de 223,4 toneladas (carga máxima

que puede transportar el camión para el peso de la tolva (restricción máxima de

carga)).

El volumen KAC según las características físicas del camión, tolva y

densidad del material (volumen máximo a transportar (restricción máxima devolumen)) se obtiene de la siguiente fórmula 4.2:

Masa de la carga / densidad del mineral = Volumen KAC (4.2)

Por lo tanto el volumen máximo a transportar para el peso de esta tolva

y la densidad del mineral de transporte es de 124 m 3.

Para la distribución de carga por ejes, en primer lugar se obtiene el

centro de gravedad total y luego se realiza un cálculo de las reacciones

generadas por el contacto del eje delantero y del eje trasero con el suelo,

obteniéndose una distribución de carga de 34,9% en el eje delantero y un

65,1% en el eje trasero.




4.3.2.- Análisis estático de la tolva

Para la realización del análisis estático de la tolva se procede a cortar el

volumen KAC en varios volúmenes menores, para así poder determinar qué

cantidad de carga es soportada por los laterales, front y piso respectivamente.

Es decir, se obtiene las reacciones provocadas entre el volumen y la pared de

la tolva, para así posteriormente cargar las paredes de la tolva con las fuerzas

obtenidas.

Se realizan los cortes del volumen según se muestra en las Figuras

4.14 vista frontal y 4.15 vista lateral.

Figura 4.14. Vista frontal de corte de volumen KAC para análisis estático.

Como se muestra en la Figura 4.14 se estima que el mineral que se

encuentre sobre los 26,6° (ángulo de estancamiento o de reposo del material)

deslizará a través del mineral que se encuentre bajo los 26,6°, vale decir la

Este volumen

deslizará en esta

dirección

Este volumen

deslizará en esta

dirección

26,6° 26,6°




carga generada por el deslizamiento del mineral sobre los 26,6° en este caso

será soportado por los laterales.

Figura 4.15. Vista lateral de corte de volumen KAC para análisis estático.

Como se muestra en la Figura 4.15 se estima que el mineral que seencuentre sobre los 26,6° (ángulo de estancamiento o de reposo del material)

deslizará a través del mineral que se encuentre bajo los 26,6°. Es decir, la

carga generada por el deslizamiento del mineral sobre los 26,6° en este caso

será soportado por el Front de la tolva.

Al realizar los cortes mostrados en las Figuras 4.14 y 4.15 se generan 4

volúmenes independientes que deslizan los unos con los otros, algunos de

estos volúmenes cargan el Front, otro sólo los laterales y otro sólo el piso

logrando así asemejar el comportamiento que tendría un cono de material

granulado al deshacerse a causa del deslizamiento de material.

Este volumen

deslizará en esta

dirección

26,6°




En la siguiente Figuras 4.16 se muestra e identifica cada uno de los

volúmenes para así establecer los resultados de las fuerzas que restringen el

movimiento de estos volúmenes.

Figura 4.16. Vista superior de división de volúmenes.

Cargan al Front

Carga al lateral

Volumen N°1

Volumen N°2

Volumen N°2

Volumen N°3

Carga al lateral




Como se observa en la Figura 4.16 el denominado volumen N°1

(volumen verde) carga solamente al Front. Los volúmenes N° 2 cargan sólo al

lateral (volumen rojo) y el volumen N° 3 (volumen amarillo) que debido a

encontrase siempre debajo de los 26,6° no desliza por lo que solamente carga

el piso de la tolva.

Obtención de fuerzas reactivas generadas por el deslizamiento de

volúmenes.

Los resultados que se obtienen en los programas computacionales demodelación mediante método de elementos finitos dependen de las condiciones

a las que sea sometida el objeto de análisis. Estas son las denominadas

condiciones de borde del modelo y que contemplan puntos como: restricciones,

cargas externas, tipos de contactos, gravedad, entre otras. Es decir, el éxito del

modelo depende de que se igualen las condiciones reales del problema a

simular con las herramientas proporcionadas por el programa. A continuación

se muestran las condiciones del modelo para la obtención de los resultados

deseados.




Situación física del problema

Como se observa en la Figura 4.17, la situación física del problema

contempla 4 volúmenes que interactúan entre si y que poseen apoyos en el

volumen general en 4 paredes, 2 laterales, un piso y un Front. No se

contemplan cargas externas, sólo la aceleración de gravedad. Se considera una

sobrecarga del 15%, la cual corresponde a la sobrecarga permitida por

Komatsu para este modelo de camión.

Figura 4.17. Situación física del problema.

Objetivos del análisis F.E.M.

- Calcular reacciones entre apoyos y volúmenes

- Calcular áreas de contacto entre volúmenes y apoyos

- Calcular presiones mediante la división de las fuerzas reactivas entre

apoyos, volúmenes y áreas de contacto.

Apoyos




Condiciones de borde

De igual forma, se considerarán condiciones de contacto entre los

volúmenes siendo estos los siguientes (ver Figura 4.18):

- Entre volumen Verde-Rojo: Contacto sin penetración, esto debido a que estos

dos volúmenes no se penetran pero sus caras deslizan entre sí.

- Entre Rojo-Amarillo: Contacto sin penetración, esto debido a que estos dos

volúmenes no se penetran pero sus caras deslizan entre sí.

- Entre Verde-Amarillo: Contacto sin penetración, esto debido a que estos dos

volúmenes no se penetran pero sus caras deslizan entre sí.

Figura 4.18. Condiciones de borde.

Restricción al

movimiento normal

a la superficie

Aceleración de

gravedad

Densidad de los volúmenes 1,8T/m3




Resultados del programa

Los resultados de las reacciones obtenidas en los laterales, Front y Piso

se muestran en las Figuras 4.19, 4.20 y 4.21. Además, en la Figura 4.22, se

visualiza la fuerza que se dispersa, la cual aparece debido a la condición de

equilibrio en la que se encuentra el volumen de carga, de igual forma debido al

comportamiento tipo cuña que poseen los volúmenes superiores que tienden a

desplazar el volumen amarillo hacia la parte posterior de la tolva.

Figura 4.19. Carga en front.

En éste cálculo sólo se consideró las resultantes Fy y Fz, debido a lagran magnitud de éstas en comparación con la resultante Fx, la cual se puede

considerar despreciable, dada su baja magnitud. Criterio utilizado en las demás

situaciones.




Figura 4.20. Carga en laterales.

Figura 4.21. Carga en piso.




Figura 4.22. Fuerza dispersa.

A continuación se muestra Tabla 4.7 con el resumen de los resultados

obtenidos:

Tabla 4.7. Resumen de resultados obtenidos con un 15% de sobrecarga.

Fuerza (kg) Área de contacto (m ) Presión(Kgf/ m )

Carga Total

Sobre tolva

233.644

Front 63.005 23,96 2.629,59

Lateral (C/U) 23.413 12,79 1.830,57

Piso 244.230 48,22 5.064,91

Dispersa 37.500




Análisis estático en Front de tolva Komatsu 830

Con los resultados expuestos en la Tabla 4.7 se procede al análisis del

comportamiento estructural estático de la tolva, comenzando con el análisis del

Front de ésta, situación que se muestra a continuación en la Figura 4.23.


Figura 4.23. Situación física para análisis del front de tolva.

Como se observa en la Figura 4.23 la situación física del problema

contempla el Front sometido a una carga, se desprecia la aceleración de

Apoyos fijo en todo

el perímetro

En esta área actúa una fuerza

normal de 63.005kg




gravedad, debido a que el peso propio es despreciable comparado con el de la

carga.

Objetivos del análisis

- Obtener diagrama de esfuerzos generados en pared Front de tolva.

- Obtener diagrama de desplazamientos generados en pared Front de

tolva


Figura 4.24. Condiciones de borde.

Apoyos fijo en todo

el perímetro

63.005 kg normal a

La superficie




Como condiciones de borde se contempla un apoyo de tipo geometría

fija en todo el perímetro, debido a que no analizaremos las uniones soldadas y

también, a las grandes rigideces generadas por los otros componentes de la

tolva. Igualmente se contempla la carga de 63.005kg normal a la superficie de

contacto entre el lateral y el volumen de carga (esta carga se establece en la

Tabla 4.7) lo que se puede visualizar en Figura 4.24.


En las figuras 4.25, 4.26, 4.27, 4.28 y 4.29 se muestran los resultadosobtenidos en este análisis.

Figura 4.25. Diagrama de Esfuerzos parte Frontal del Front




Figura 4.26. Diagrama de Esfuerzos parte Posterior del Front

Figura 4.27. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior 700 Mpa




Figura 4.28. Diagrama de Esfuerzos en Plano Paralelo a Front

Figura 4.29. Diagrama de Deformación en Front




Al revisar los resultados obtenidos por el programa se pueden

determinar los esfuerzos a los que están sometidos las distintas partes del

Front, en este caso puntual se determinaron los esfuerzos máximos producidos

en la plancha base (acero EH 500) y vigas de Front (acero Hiten 780).

Como se puede observar en las figuras 4.25 y 4.26 el esfuerzo máximo

producido en las vigas de Front es de 881Mpa aproximadamente y se produce

en un punto especifico de unión entre las vigas verticales y la viga horizontal

superior, de igual forma se puede observar en la figura 4.27 que el esfuerzo

máximo producido en la plancha base es de alrededor de 700 Mpa, a

continuación se muestra la tabla 4.8 donde se resumen los resultados obtenidos

en el Front.

Tabla 4.8 Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos en Front deTolva Kom 830

Componente Esfuerzo máximo producido σ0

Vigas de Front 881 Mpa 777 MpaPlancha base de Front 700 Mpa 1297 MpaDesplazamiento

Conjunto Front 45 mm




Análisis estático en Lateral de tolva Komatsu 830

Con los resultados mostrados en la tabla 4.7 se analiza el

comportamiento estructural estático de la tolva, a continuación se examina el

Lateral de esta.


Como se observa en la figura 4.30 la situación física del problema

contempla el Lateral sometido a una carga, se desprecia la aceleración degravedad.

Figura 4.30. Situación Física para Análisis del Lateral de Tolva


- Obtener diagrama de esfuerzos generados en pared Lateral de tolva.

- Obtener diagrama de desplazamientos generados en pared Lateral de

tolva

En esta área actúa una fuerza

normal de 23.413kg Apoyos fijo





Como condiciones de borde se contempla un apoyo de tipo geometríafija en las partes indicadas en la figura 4.31 debido a que no se analizarán las

uniones soldadas y asimismo debido a las grandes rigideces generadas por los

demás componentes de la tolva. De esta manera se contempla la carga

distribuida de 23.413kg normal a la superficie de contacto entre el lateral y el

volumen de carga (esta carga se establece en la tabla 4.7).

Figura 4.31. Condiciones de Borde

En las figuras 4.32, 4.33, 4.34, 4.35, 4.36, 4.37, 4.38 y 4.39 se muestran

los resultados obtenidos en este análisis.

Apoyos fijo Simulando

unión con Front, Piso y

Visera

23.413 kg normal a

La superficie





Figura 4.32. Diagrama de Esfuerzos en Cara Exterior de Lateral

Figura 4.33. Diagrama de Esfuerzos en Cara Interior de Lateral




Figura 4.34. Diagrama de Esfuerzos en Componentes Interiores de Viga.

Figura 4.35. Diagrama de Iso-Superficie para Esfuerzos de 270Mpa




Figura 4.36. Diagrama de Iso-Superficie para Esfuerzos de 125Mpa

Figura 4.37. Diagrama de Deformación en Lateral




Figura 4.38. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior 360Mpa





Al revisar los resultados obtenidos por el programa se pueden determinar

los esfuerzos a los que están sometidos las distintas partes del Lateral en este

caso, se determinan los esfuerzos máximos producidos en la plancha base

(acero EH 500) y viga de Lateral (acero Hiten 780).

Como se puede observar en la figura 4.39 el esfuerzo máximo producido

en la viga de Lateral es de alrededor de 250Mpa. El esfuerzo máximo de

449.6Mpa mostrado en las figuras 4.32, 4.33 y 4.34 corresponde como se

especifica en la figura 4.34 al esfuerzo producido en uno de los Gousset

(atiesador) de la viga lateral. De igual modo se puede observar en la figura 4.38

que el esfuerzo máximo producido en la plancha base es de alrededor de

360Mpa, el cual se origina en la unión entre el lateral y el piso de la tolva, a

continuación se muestra la tabla 4.9 con el resumen de los resultados

obtenidos en el Lateral.

Tabla 4.9. Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos en Lateral de

Tolva Kom 830


Viga de Lateral 250 Mpa 777 MpaPlancha base de Lateral 360 Mpa 1297 MpaGousset de viga lateral 449.6 Mpa 777 Mpa

DesplazamientoConjunto Lateral 64 mm




Análisis estático en Piso de tolva Komatsu 830

Con los resultados mostrados en la tabla 4.7 se analizará el

comportamiento estructural estático de la tolva. A continuación se evidencia

análisis del Piso de ésta. Para el caso del piso se realizarán dos análisis uno

considerando apoyo fijo en tres de los cuatro lados del perímetro del piso para

simular la rigidez otorgada por los otros componentes de la tolva y el segundo

únicamente considerando como apoyos fijos las orejas de levante y de pivote,

posteriormente se estudiarán los resultados obtenidos para ambos casos (caso

N°1 con rigidez y caso N°2 sin rigidez).

Caso 1: considerando rigidez en tres de los cuatro lados del perímetro del

piso de la tolva.


Figura 4.40. Situación Física Superior para Análisis del Piso de la Tolva

Apoyos fijo

En toda el área del piso actúa una

presión normal de 5.065 kg/m2





contempla por la parte superior el piso sometido a una carga de presión, la cual

se muestra en la tabla 4.7, se desprecia la aceleración de gravedad.

Además contempla sujeciones de tipo geometría fija en tres lados del

perímetro del piso de la tolva, los cuales son, lado delantero y ambos laterales

de piso, de igual modo simulan la unión generada entre estos componentes y

el piso de la tolva.

Figura 4.41. Situación Física Inferior para Análisis del Piso de la Tolva

Apoyos fijo En

orejas de Pivote

Apoyos fijo

En orejas de

Levante




La posición física más crítica para el piso se produce al realizar la

descarga del material, es decir, cuando se produce el levante de la tolva, por lo

tanto como se observa en la figura 4.41 se contempla una sujeción de

geometría fija en las zonas de pivote y levante.


- Obtener diagrama de esfuerzos generados en piso de tolva.

- Obtener diagrama de desplazamientos generados en piso de tolva



fija en las partes indicadas en la figura 4.42 y 4.43 debido a que no se

analizarán las uniones soldadas y debido a las grandes rigideces generadas

por los demás componentes de la tolva, del mismo modo se contempla una

presión de 5.065kg/m2 normal a la superficie de contacto entre el piso y el

volumen de carga (esta presión se establece en la tabla 4.7).

Figura 4.42. Condiciones de Borde parte Superior del Piso

Apoyos fijos simulan

unión con laterales



Apoyo fijo simula

unión con Front




Figura 4.43. Condiciones de Borde parte Inferior del Piso

En las figuras 4.44, 4.45, 4.46, 4.47, 4.48, 4.49, 4.50, 4.51, 4.52, 4.53 y

4.54 se muestran los resultados obtenidos en este análisis.


unión con cilindros de

levante (en 4 orejas)


unión con oreja pivote

camión (en 4 orejas)





Figura 4.44. Diagrama de Esfuerzos en Cara Inferior del Piso

Figura 4.45. Diagrama de Esfuerzos en Cara Superior del Piso




Figura 4.48. Diagrama de Deformación en Piso





Figura 4.50. Diagrama en Donde se Muestra el Punto Máximo de Esfuerzo

Figura 4.51. Diagrama de Esfuerzos en Oreja de Pivote (máx. 300Mpa)




Figura 4.52. Diagrama de Esfuerzos en Oreja de Levante (máx. 100Mpa)

Figura 4.53. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior de 130Mpa




Figura 4.54. Acercamiento Zona con Mayor Esfuerzo en Diagrama deEsfuerzos con Límite Superior de 130Mpa

Al revisar los resultados obtenidos por el programa se logra determinar

los esfuerzos a los que están sometidos las distintas partes del piso en este

caso, se puede determinar los esfuerzos máximos producidos en la plancha

base (acero EH 500), vigas de piso, vigas chasís, orejas de levante y orejas de

pivote (acero Hiten 780).

Como se puede visualizar en las figuras de los resultados obtenidos tras

el análisis MEF realizado con el programa cosmosworks de solidworks se

puede observar por ejemplo en las figuras 4.44 y 4.45 una vista general de los

esfuerzos producidos en la estructura del piso de la tolva para el caso N°1 de

análisis. En estas se observa que el esfuerzo máximo producido en este

análisis es de 1084Mpa, pero al observar la figura 4.50 este esfuerzo se




produce en un nodo que se ubica en una punta muy aguda, lo que genera este

sobresfuerzo que no es real, ya que como se dijo se produce en un nodo mal

ubicado, por lo que al realizar sesgos en los análisis se logra establecer los

resultados que se evidencian a continuación. Las siguientes figuras muestran

zonas más específicas en la estructura de piso con las cuales se puede

establecer que las vigas de piso están sometidas a un esfuerzo máximo de

400Mpa como se observa en la figura 4.47; de igual forma, se puede revelar

que se producen alrededor de 300Mpa (esfuerzo Máximo) en la viga chasís en

la zona de pivote y en la oreja de pivote. Finalmente en la figura 4.52 se

muestra 100Mpa como máximo en la viga chasis zona levante y en la oreja delevante. En las figuras 4.53 y 4.54 se muestra que la plancha base de piso está

sometida a un esfuerzo máximo de 130Mpa, finalmente con respecto al

desplazamiento producido en la estructura, esta se grafica en las figuras 4.48 y

4.49 y corresponde a 8mm, estos resultados se resumen en la tabla 4.10 que

se muestra a continuación:

Tabla 4.10. Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos en Piso deTolva Kom 830 para el Caso N°1 de Análisis.


Viga de piso 400Mpa 777 MpaViga Chasís 300Mpa (Zona Pivote) 777 MpaOreja de Pivote 300Mpa 777 MpaOreja de Levante 100Mpa 777 MpaPlancha de Piso 130Mpa 1297 Mpa

Desplazamiento

Conjunto Piso (Caso N°1de análisis)

8 mm




Caso 2: sin considerar rigidez en 3 de los 4 lados del perímetro del piso de

la tolva, debido a la unión con los demás componentes de la tolva.



contempla por la parte superior el piso sometido a una carga de presión, la cual

se muestra en la tabla 4.7, se desprecia la aceleración de gravedad.

Figura 4.55. Situación Física Superior para Análisis del Piso de la Tolva






La posición física más crítica para el piso se produce al realizar la

descarga del material, es decir, cuando se produce el levante de la tolva, por lo

tanto como se observa en la figura 4.56 se contempla una sujeción de

geometría fija en las zonas de pivote y levante.

Figura 4.56. Situación Física Inferior para Análisis del Piso de la Tolva


- Obtener diagrama de esfuerzos generados en piso de tolva.

- Obtener diagrama de desplazamientos generados en piso de tolva

Apoyos fijo

En orejas de

Levante

Apoyos fijo En

orejas de Pivote





Figura 4.57. Condiciones de Borde parte Superior del Piso

Figura 4.58. Condiciones de Borde parte Inferior del Piso




unión con cilindros de

levante (en 4 orejas)


unión con oreja pivote

camión (en 4 orejas)





fija en las partes indicadas en la figura 4.58 debido a que no se efectuará

análisis de las uniones soldadas, también se contempla una presión de

5.065kg/m2 normal a la superficie de contacto entre el piso y el volumen de

carga (esta presión se establece en la tabla 4.7).


En las figuras 4.59, 4.60, 4.61, 4.62, 4.63, 4.64, 4.65, 4.66, 4.67, 4.68 y

4.69 se muestran los resultados obtenidos en este análisis.

Figura 4.59. Diagrama de Esfuerzos en Cara Superior del Piso




Figura 4.60. Diagrama de Esfuerzos en Cara Inferior del Piso






Figura 4.65. Diagrama en Donde se Muestra el Punto Máximo de Esfuerzo




Figura 4.66. Diagrama de Esfuerzos en Oreja de Pivote (máx. 500Mpa)

Figura 4.67. Diagrama de Esfuerzos en Oreja de Levante (máx. 300Mpa)




Figura 4.68. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior de 600Mpa

Figura 4.69. Acercamiento Zona con Mayor Esfuerzo en Diagrama deEsfuerzos con Límite Superior de 600Mpa




Al revisar los resultados obtenidos por el programa se logra determinar

los esfuerzos a los que están sometidas las distintas partes del piso. En este

caso, se puede determinar los esfuerzos máximos producidos en la plancha

base (acero EH 500), vigas de piso, vigas chasís, orejas de levante y orejas de

pivote (acero Hiten 780).

Como se muestran en las figuras de los resultados obtenidos tras el

análisis MEF realizado con el programa cosmosworks de solidworks se puede

observar por ejemplo en las figuras 4.59 y 4.60 una vista general de los

esfuerzos producidos en la estructura del piso de la tolva para el Caso N°2 de

análisis, en estas se observa que el esfuerzo máximo producido en este análisis

es de 1026Mpa, pero al observar la figura 4.65 este esfuerzo se produce en un

nodo que se ubica en una punta inmensamente aguda, lo que genera este

sobresfuerzo que no es real, ya que como se mencionó anteriormente se

produce en un nodo mal ubicado, por lo que realizando sesgos en los análisis

se pueden establecer los resultados que se señalan a continuación.

Las siguientes figuras muestran zonas más específicas en la estructura

de piso con las que se puede revelar que las vigas de piso están sometidas a

un esfuerzo máximo de 300Mpa, como se observa en la figura 4.62. De igual

forma se logra observar que se producen alrededor de 500Mpa (esfuerzo

Máximo) en la viga chasís en la zona de pivote y en la oreja de pivote.

Finalmente en la figura 4.67 muestra 300Mpa como máximo en la oreja de

levante, de la misma forma en las figuras 4.68 y 4.69 se muestra que la plancha

base de piso está sometida a un esfuerzo máximo de 600Mpa en definitiva, con

respecto al desplazamiento producido en la estructura, esto se grafica

claramente en las figuras 4.63 y 4.64 y corresponde a 27mm, estos resultados

se resumen en la tabla 4.11.




Tabla 4.11 Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos en Piso deTolva Kom 830 para el Caso N°2 de Análisis.



DesplazamientoConjunto Piso (Caso N°2de análisis)

27 mm




Al finalizar el análisis estático de los componentes de la tolva es

conveniente realizar un resumen de los resultados obtenidos, para de este

modo poder realizar un correcto análisis de los resultados y establecer las

conclusiones adecuadas, a continuación se muestra Tabla 4.12, la cual

contiene resumen de los resultados obtenidos.

Tabla 4.12 Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos para lasDistintas Partes y Casos de una Tolva para Camión Komatsu 830


FrontVigas de Front 881 Mpa 777 MpaPlancha base de Front 700 Mpa 1297 Mpa

DesplazamientoConjunto Front 45 mmLateralViga de Lateral 250 Mpa 777 MpaPlancha base de Lateral 360 Mpa 1297 MpaGousset de viga lateral 449.6 Mpa 777 Mpa

DesplazamientoConjunto Lateral 64 mmPiso caso N°1


DesplazamientoConjunto Piso (Caso N°1 deanálisis)

8 mm

Piso caso N°2Viga de piso 300Mpa 777 MpaViga Chasís 500Mpa (Zona Pivote) 777 MpaOreja de Pivote 500Mpa 777 MpaOreja de Levante 300Mpa 777 MpaPlancha de Piso 600Mpa 1297 Mpa

DesplazamientoConjunto Piso (Caso N°2 deanálisis)

27 mm




4.3.3.- Análisis dinámico de la tolva

La mayoría de las fallas que se producen en componentes de máquinas

ocurren debido a la acción de cargas que varían en el tiempo y no por la acción

de cargas estáticas. Normalmente estas fallas se producen con niveles de

esfuerzos que suelen estar bastante por debajo de la resistencia a la fluencia.

Este es el tipo de falla conocida como falla por fatiga.

Para la realización de este análisis se consideró un esfuerzo cíclico que

varía desde un mínimo de esfuerzo que corresponde a la tolva vacía, sin carga,es decir, considera sólo el peso de la tolva y un esfuerzo máximo cuando la

tolva se encuentra cargada y apoyada en las orejas de pivote y de levante.

El presente análisis se ha basado en el Libro Diseño en Ingeniería

Mecánica de Joseph E. Shigley y Charles R. Mischke, fundado en la ecuación

de Marin, la resistencia Se es función de la resistencia a la fatiga del material,

ajustada por una serie de factores (ver ecuación 4.3):

,

éed cbae S k k k k k S

(4.3) Los factores empleados corresponden a:

k a: Factor de superficie

k b: Factor de tamaño

k c: Factor de carga

k d: Factor de temperatura

k e: Factor de efectos diversos

Sé: Límite de resistencia a la fatiga en viga rotatoria.

La teoría indica que se puede considerar el valor del límite de resistencia

a la fatiga (Sé) como 0,5*σu (esfuerzo máximo en tracción), por lo tanto se

podría definir como:

Sé (Hiten 780)= 0,5 * 835 Mpa= 417,5 Mpa (4.4)




S´e (Nkk-500)= 0,5*1.449 Mpa= 724,5 Mpa (4.5)

Para los cálculos de fatiga o de carga dinámica se utilizaron las

siguientes ecuaciones 4.6, 4.7 y 4.8, extraídas del Libro Diseño en Ingeniería

Mecánica de Joseph E. Shigley y Charles R. Mischke:

2

minmax S S S a

; Determinación de componente alterna del esfuerzo (4.6)

2

minmax S S S m

; Determinación de componente media del esfuerzo (4.7)

FS S

S

S

S

ut

m

e

a 1 ; Determinación del factor de seguridad a la fatiga, según el

criterio de Goodman (4.8)

En la siguiente tabla 4.13 se muestran los resultados obtenidos, para

ello se utilizan los valores de esfuerzos obtenidos en el análisis estático

anteriormente mostrados:

Tabla 4.13. Resumen de Resultados en Estado Dinámico Obtenidos para lasDistintas Partes y Casos de una Tolva para Camión Komatsu 830

Componente Esfuerzo (Mpa) Factores Esfuerzo(Mpa)

FS

Front Smax Smin Sa Sm Sut ka kb kc kd ke S´e Se

Vigas de Front 881 0 440 440 835 0,75 1 1 1 1 418 314 0,52

Plancha base de Front 700 0 350 350 1449 0,75 1 1 1 1 725 1087 1,77

LateralViga de Lateral 250 0 125 125 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,83

Plancha base deLateral

360 0 180 180 1449 0,75 1 1 1 1 725 1087 3,45

Gousset de viga lateral 450 0 225 225 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,01

Piso caso N°1Viga de piso 400 0 200 200 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,14

Viga Chasís 300 0 150 150 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,52

Oreja de Pivote 300 0 150 150 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,52Oreja de Levante 100 0 50 50 835 0,75 1 1 1 1 418 314 4,56

Plancha de Piso 130 0 65 65 1449 0,75 1 1 1 1 725 1087 9,56

Piso caso N°2Viga de piso 300 0 150 150 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,52

Viga Chasís 500 0 250 250 835 0,75 1 1 1 1 418 314 0,91

Oreja de Pivote 500 0 250 250 835 0,75 1 1 1 1 418 314 0,91

Oreja de Levante 300 0 150 150 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,52

Plancha de Piso 600 0 300 300 1449 0,75 1 1 1 1 725 1087 2,07




Para la obtención de los factores ka, kb, kc, kd y ke se utilizaron las

siguientes formulas:

k a: Factor de superficie

Tabla 4.14 Factores para la Determinación del Coeficiente de Superficie.

),1(* C LN S ak b

ut a

a

Acabado superficial * Kpsi Mpa b Coeficiente de variación,C

Esmerilado 1.34 1.58 -0.086 0.120

Maquinado o Laminado en frío 2.67 4.45 -0.265 0.058

Laminado en caliente 14.5 56.1 -0.719 0.110

Como sale de forja 39.8 271 -0.995 0.145

(*) Debido a la amplia dispersión en los datos de superficie esmerilada, una

función alterna es ka=0.878LN(1,0.120). Nota Sut en kpsi o Mpa.

k b: Factor de tamañoPara la determinación del factor de tamaño se considera las siguientes

ecuaciones:

Kb: (d/0.3)-0.107=0.879d-0.107 "211.0 d (4.9)

0.859-0.02125d "102 d (4.10)

(d/7.62)-0.107=1.24d-0.107 mmd 5179.2 (4.11)

0.859-0.000837d mmd 25451 (4.12)

Para carga axial no hay efecto de tamaño, por tanto:

Kb=1




k c: Factor de carga

Tabla 4.15. Factores para la Determinación del Coeficiente de Carga.

),1( C LN S k ut c

α

Modo de carga kpsi Mpa β C Promedio Kc

Flexión 1 1 0 0 1

Axial 1.23 1.43 -0.078 0.125 0.85

Torsión 0.328 0.258 0.125 0.125 0.59

k d: Factor de temperatura

Para temperatura ambiente (20°C) considerar factor de temperatura

Kd=1.

k e: Factor de efectos diversos

Aunque el factor ke tiene el propósito de tomar en cuenta la reducción en

el límite de resistencia a la fatiga debido a todos los otros efectos, en verdad

significa un recordatorio que estos efectos se deben tomar en cuenta, porque

los valores reales de ke, no siempre están disponibles, por lo que generalmente

se considera de valor 1.

Como diseñadores o fabricantes para un análisis dinámico del

componente no nos basta con saber cuáles son los límites a la fatiga de las

distintas partes del equipo, sino que para un correcto estudio o garantía de éste

debemos saber cuánto tiempo durará el componente funcionando

correctamente sometido a cargas dinámicas. Para determinar este factor se

debe utilizar las siguientes formulas 4.13, 4.14, 4.15 y 4.16, las cuales fueron




extraídas del Libro Diseño en Ingeniería Mecánica de Joseph E. Shigley y

Charles R. Mischke:

Según la regla de Palmgren-Miner, se puede definir el daño como una

razón entre los ciclos a los que está expuesta la pieza o componente (n) versus

los ciclos que soporta dicha pieza para el nivel de esfuerzo al que se encuentra

sometida (N).

N

n Daño

(4.13)

Para poder obtener la cantidad de ciclos que soporta la pieza ―N‖ se

empleó la siguiente fórmula 4.14 que proviene de la curva de Wöhler:

Sf =a*Nb (4.14)

Para obtener los factores a y b se utilizan las siguientes formulas 4.15:

345´ ut f S S 610*2log/´log e f S S

b b

ut

f

S

S f )10*2(´

3 e

ut

S

S f a

22*

(4.15)

Debido a que este caso de carga dinámica contempla una combinación

entre un esfuerzo alternativo y uno medio, se hace necesario obtener un

esfuerzo equivalente, que correspondería a un esfuerzo completamente

invertido que genere el mismo daño que la combinación de esfuerzos (sin

esfuerzo medio), para ello se empleo la siguiente fórmula 4.16:

ut

m

a

eq f

S

S

S

S S

1

(4.16)

Se estima que el camión realiza dos ciclos de carga por hora, trabajando

6500 horas al año, por lo tanto, n= 13.000 Ciclos/año. Por lo cual, se obtuvieron




los siguientes resultados que se detallan en la tabla 4.16 que se muestra a

continuación:

Tabla 4.16. Resumen de Resultados de Ciclos Resistidos por el Componenteen Estado Dinámico Obtenidos para las Distintas Partes y Casos de una Tolva

para Camión Komatsu 830

Componente S f́

(Mpa) Factores Seq

(Mpa) N Daño/año Vida(años)Front b f a n

Vigas de Front 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 930 6,7841 1916,23 5e-4Plancha base de Front 1794 -0,0345 0,9523 1752 13000 461 5,9e16 2,183e-13 4,6e12LateralViga de Lateral 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 147 4,1e9 3,176e-6 314864Plancha base de Lateral 1794 -0,0345 0,9523 1752 13000 206 8,8e26 1,470e-23 6,8e22Gousset de viga lateral 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 308 1,2e6 0,0105 95Piso caso N°1Viga de piso 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 263 7e6 0,001863 537Viga Chasís 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 183 3,7e8 3,469e-5 28824Oreja de Pivote 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 183 3,7e8 3,469e-5 28824Oreja de Levante 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 53 2,8e14 4,601e-11 2,17e10Plancha de Piso 1794 -0,0345 0,9523 1752 13000 68 7,0e40 1,847e-37 5,41e36Piso caso N°2Viga de piso 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 183 3,7e8 3,469e-5 28824Viga Chasís 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 357 2,5e5 0,0528 19Oreja de Pivote 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 357 2,5e5 0,0528 19Oreja de Levante 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 183 3,7e8 3,469e-5 28824Plancha de Piso 1794 -0,0345 0,9523 1752 13000 378 1,8e19 6,9312e-16 1,44e15

La tabla muestra en la columna vida; la cantidad de años que durará lapieza o componente al ser sometida a estas solicitaciones, una mayor discusiónsobre los resultados obtenidos se realizará en el capítulo 5.




4.3.4.- Análisis de impacto de la tolva

En primer lugar se procederá a definir y explicar en qué consiste una

carga de impacto. Son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es

coincidente con la dirección en que se produce la carga. Se caracterizan por un

tiempo de aplicación muy breve (instantánea).

Las cargas de impacto en una tolva se generan en la etapa de carguío y

afectan a distintas partes de ésta, dependiendo del tipo y modo de carga

utilizada en la operación minera, esto se explica debido a que principalmente

hay dos maneras de realizar el carguío de una tolva, estas pueden realizarse

mediante cargadores frontales o mediante palas, ya sean hidráulicas oeléctricas. La utilización de cargadores frontales para la realización de la

operación de carguío principalmente afecta la estructura del lateral contrario al

que se realiza el carguío. Esto se debe a la proyección de la carga del balde,

como se puede visualizar en la figura 4.70.

Figura 4.70. Carguío de Camión Mediante Cargador Frontal.

Proyección de material decarga hacia el lateral de la

tolva




A diferencia del carguío mediante cargador frontal, cuando se realiza el

carguío de la tolva mediante pala, ya sea hidráulica o eléctrica la carga de

impacto afecta principalmente al piso de la tolva, esto debido a que la descarga

del balde de la pala se realiza principalmente de forma vertical como se muestra

en la figura 4.71.

Figura 4.71. Carguío de Camión Mediante Pala Eléctrica.

Proyección de material de

carga hacia el Piso de la

tolva




Para realizar el cálculo del esfuerzo generado por la carga de impacto,

en primer lugar se debe obtener la magnitud de la fuerza generada por el

impacto propiamente tal, para ello se utiliza la siguiente ecuación 4.17, la cual

define el trabajo realizado en el impacto:

12

y

hw F D

(4.17)

Donde:

FD: Fuerza dinámica o de impacto

w: Peso estático

h: Altura desde donde cae el cuerpo

y: Desplazamiento producido por el impacto

Para la utilización de esta fórmula se debe tener presente principalmente

el tipo de cargador utilizado por Mina Sur. Según los resultados obtenidos de la

investigación realizada en lo que a este tema puntual refiere, este corresponde

a una pala eléctrica P&H 2800, por lo que de esta manera se logra obtener la

altura de caída del cuerpo, que como se observa en la figura 4.71 es de

aproximadamente 10 metros de altura (lo que considera entre 2 a 3 metros

sobre la altura máxima de la tolva), el peso del cuerpo que impacta se obtendrá

una vez conocido el diámetro máximo permitido de la roca en la entrada del

chancador primario, el cual es de 54‖, dato obtenido según investigación

realizada. Con este valor se obtiene el volumen de la roca. Por ende, como seconoce la densidad, se logra la obtención del peso del cuerpo. Sólo faltaría por

dilucidar el desplazamiento producido por el impacto (y).




Puesto que es casi imposible saber cuál será el valor de ―y‖ para distintos

tipos de cargas estáticas, se torna más factible calcular un factor ―A‖, que

llamaremos factor de amplificación dinámico y estará definido por la ecuación

4.18:

12

y

h A

(4.18)

Este factor servirá para cualquier valor de ―w‖, pero para un determinado

valor de ―h‖. Para este caso se considerará una altura de descarga de la pala de

10m teniendo en cuenta que la altura del piso de la tolva al suelo es de 4m, se

obtiene un valor de caída h=6m. Sólo faltaría por determinar el valor de ―y‖, para

ello se conoce el desplazamiento que se produce en el camión con una carga

completa, este desplazamiento ―y‖ contempla:

cosneumatiionchassiscamtolva suspensión y y y y y (4.19)

Una vez calculado el valor de Ytolva, el cual, fue obtenido en el cálculo

estático del piso, siendo este de 27mm (ver tabla 4.12) y debido a que no se

conoce el valor de desplazamiento del chasis del camión se presumirá un valor

semejante al de la tolva para este factor.

Para el valor de ysuspensión se considerara que cuando el camión se

encuentre completamente cargado la suspensión recorrerá toda su carrera

permitida, dicho valor se extrae del catalogo del camión (Anexo N°3) como se

visualiza en la siguiente tabla 4.17:




Tabla 4.17. Detalle de carrera máxima de suspensión de camión Kom 830

Se considera el valor máximo de la carrera de la suspensión delantera,

debido a que en el primer carguío de la tolva todo el impacto es soportado por

la suspensión delantera, lo que se debe a que el centro de gravedad del camión

descargado se encuentra más adelante y de igual forma debido a la inclinación

del chassis del camión, por ende de la tolva. Por lo tanto el valor de y suspensión es

de 335mm. Finalmente sólo queda por determinar el desplazamiento que se

produce a causa de los neumáticos, para ello nuevamente se recurre a los

datos contenidos en el catalogo del camión siendo estos lo que a continuación

se muestran en la tabla 4.18:

Tabla 4.18. Detalle de Neumáticos Utilizados por Camión Komatsu 830




Como se muestra en la tabla 4.18 el neumático utilizado por el camión

Komatsu 830, es el modelo 40.00R57. Para la obtención de los datos

necesarios para el presente estudio se recurrió al catalogo del modelo

contenido en el anexo N°6, extracto que se puede visualizar para una mayor

comprensión de lo expuesto en figura 4.72.

Figura 4.72. Detalle de Medidas Importantes de Neumáticos

Como se puede observar en la figura 4.72 la medida ―OD‖ corresponde

al diámetro mayor sin carga y la medida ―SLR‖ corresponde al radio con el

neumático cargado en forma estática, estos valores para el modelo en estudio

son los que se destacan en la siguiente tabla 4.19:




Tabla 4.19. Detalle de Medidas Importantes de Neumáticos

Como se observa en la tabla 4.19 las medidas significativas de los

neumático son OD=3512mm y SLR=1560 mm, por lo tanto el valor de yneumáticos

es de 196 mm.

Una vez obtenidos los datos anteriores se puede calcular el factor de

carga dinámica ―A‖ que será utilizado.

h=6m

mmmmmmmmmm y y y y y neumatiionchassiscamtolva suspención 5851962727335cos

5,221585,0

6212

m

m

y

h A

Obtenido el valor de ―A‖ se procede al cálculo de la carga de impacto

provocada por una roca de 54‖, para ello se presumirá que esta se trata de una

roca esférica con 54‖ de diámetro, es decir 1,37m. Debido a que se conoce la




densidad de este mineral, se puede concluir que la roca tiene un peso de 2430

kg, siendo esta la carga estática, por lo tanto la carga dinámica generada al

caer desde 6 metros de altura será de:

FD= A*w= 22,5*2430=54.675 kg

Luego se procede a calcular mediante el software cosmosworks, para

establecer cuáles son los esfuerzos provocados por el carguío de la pala, y por

ende los esfuerzos provocados por el impacto de la roca.



contempla el piso en posición de descanso de la tolva, es decir, apoyada en el

pivote y en el chasis del camión.

Figura 4.73. Situación Física para Análisis al Impacto del Piso de la Tolva

Apoyo de tolva en pivote de

camión

Apoyo de chassis de la tolva

con chassis del camión




Objetivos del análisis:

- Obtener diagrama de esfuerzos generados en piso.- Obtener diagrama de desplazamientos generados en piso.


Figura 4.74. Condiciones de Borde de Zona Inferior de la Tolva

Figura 4.75. Condiciones de Borde de Zona Superior de la Tolva

Apoyo del tipo geometría fija

Apoyo del tipo geometría fija

54.675 kg normal a

la superficie





fija en las partes indicadas en la figura 4.74 debido a que no se analizara las

uniones soldadas y asimismo debido a las grandes rigideces generadas por los

demás componentes de la tolva, también se contempla la carga de 54.675kg

normal a la superficie de contacto mostrada en la figura 4.75 y que contempla el

impacto generado por la roca al golpear con la tolva.


En las figuras 4.76, 4.77, 4.78, 4.79, 4.80 y 4.81 se muestran los

resultados obtenidos en este análisis.

Figura 4.76. Esfuerzos de Impacto, Vista Superior de Piso de Tolva




Figura 4.77. Esfuerzos de Impacto, Vista Inferior de Piso de Tolva

Figura 4.78. Esfuerzos de Impacto, en Zona de Orejas de Pivote de Tolva




Figura 4.79. Esfuerzos de Impacto, en Zona de Vigas de Piso de Tolva

Figura 4.80. Deformación de Impacto, Vista Superior de Piso de Tolva




Figura 4.81. Deformación de Impacto, Vista Inferior de Piso de Tolva

Al revisar los resultados obtenidos por el programa se puede determinar

los esfuerzos generados por el impacto de las distintas partes del piso. En este

caso, se determinan los esfuerzos máximos producidos en la plancha base

(acero EH 500), vigas de piso, vigas chasís y orejas de pivote (acero Hiten 780).

Como se muestran en las figuras de los resultados obtenidos tras el

análisis MEF realizado con el programa cosmosworks de solidworks se puede

observar por ejemplo en las figuras 4.76 y 4.77 una vista general de los

esfuerzos producidos en la estructura del piso de la tolva para el caso de

impacto, en estas se establece que el esfuerzo máximo producido en el análisis

es de 108Mpa. Las siguientes figuras muestran zonas más específicas en la

estructura de piso con las que se obtiene que las vigas de piso están sometidas

a un esfuerzo máximo de 108Mpa como se visualiza en la figura 4.79, del

mismo modo se observa que se producen alrededor de 36Mpa (esfuerzo




Máximo) en la viga chasís en la zona delantera, en la oreja de pivote no se

observan valores relevantes (figura 4.78), en las figuras 4.76 y 4.77 se muestra

que la plancha base de piso está sometida a un esfuerzo máximo de 25Mpa.

Finalmente con respecto al desplazamiento producido en la estructura, esta se

grafica en las figuras 4.80 y 4.81 y corresponde a 0,341mm, resultados que son

expresados en tabla 4.20, la cual se muestra a continuación:

Tabla 4.20. Resumen de Resultados en Estado de Impacto Obtenidos en Pisode Tolva Komatsu 830.


Viga de piso 108Mpa 777 MpaViga Chasís 36Mpa 777 MpaOreja de Pivote 0 Mpa 777 MpaOreja de Levante 0Mpa 777 MpaPlancha de Piso 25Mpa 1297 Mpa

DesplazamientoConjunto Piso 0,341 mm

En el cálculo de impacto realizado no fueron incluidas la totalidad de

pérdidas de energía, siendo éstas la pérdida por calor, por roce, por rebote, porsonido, entre otras. Es decir, se realizó un cálculo de impacto de manera ideal,

debido al desconocimiento de la magnitud de estas pérdidas, lo que permitió

determinar los esfuerzos máximos que se producirían en forma ideal, vale

decir, sin perdidas de energía.



121CAPITULO 5 - ANÁLISIS DE RESULTADOS

CAPITULO 5

ANÁLISIS DE RESULTADOS

El análisis de resultado del presente estudio se divide en dos partes

principales, la primera contempla un análisis más bien volumétrico o también

denominado geométrico. Debido a que establece el cálculo de volúmenes de

carga, payload (o carga a transportar), centros de gravedad, peso y geometríade la tolva, cargas por ejes (o reacciones), entre otros. La segunda parte del

análisis contempla el ámbito de las características mecánicas del diseño, es

decir, examinar formas geométricas, materiales y métodos de fabricación,

específicamente la verificación de esfuerzos o cargas estáticas, cargas

dinámicas o de fatiga. Para concluir con la cargas de impacto.




5.1.- Análisis geométrico de resultados

Antes de comenzar con el análisis de los resultados obtenidos en elámbito geométrico de este estudio, es conveniente evidenciar resumen de los

resultados obtenidos para la tolva construida y los resultados esperados para

un proyecto adecuado ver Tabla 5.1.

Tabla 5.1. Resumen de Resultados de Índole Geométricos de Tolva Kom 830

Resumen de resultados geométricos del diseñoResultados

Esperados

Resultados

Obtenidos

Volumen SAE 158 m

Volumen KAC 124 m 129,8 m

Payload 233,4 Kg 233,4 Kg

Porcentaje de carga en eje delantero 33,3 % 34,9 %

Porcentaje de carga en eje delantero 66,7 % 65,1 %

Para una mayor claridad en el tema desarrollado se hace necesario

definir que los resultados obtenidos corresponden a volúmenes que puede

transportar la tolva ya fabricada según las dimensiones que posee y por ende,

la carga por ejes obtenida proviene del conocimiento de los centros de

gravedad del volumen de carga y la densidad de 1800 Kg/m 3, que es la

densidad del mineral que explota la empresa minera donde se pretende, opere

la tolva sujeta a análisis.

Como se observa en la tabla 5.1 los resultados obtenidos corresponden

al estudio geométrico realizado. En esta tabla se observan diferencias entre los

resultados obtenidos y los resultados esperados para el diseño de la tolva,




como se puede visualizar en la columna resultados obtenidos se muestra un

valor de volumen KAC o real de 129,8 m3, esto se debe a que la tolva fue

fabricada para ser utilizada con una densidad de mineral de 1720 Kg/m3, y hoy

en día se pretende utilizar en el transporte de mineral de 1800 Kg/m 3 de

densidad, es decir, deberá transportar un volumen de 124 m 3 para respetar el

payload nominal.

Asimismo debido a la diferencia de ambas densidades de minerales, se

produce una carga por eje inadecuada para los estándares de diseño, ya que

se logra una carga por ejes de 34,9 % en el eje delantero del camión y un 65,1

% en el eje trasero del mismo, a diferencia de lo valores óptimos de diseño, que

debieran ser de 33,3% en el eje delantero y un 66,7% en el eje trasero debido a

la cantidad de neumáticos en cada uno de los ejes, situación expuesta

anteriormente.




5.2.- Análisis de esfuerzos mecánicos

Antes de analizar los resultados en el ámbito de esfuerzos mecánicos deeste estudio, es conveniente mostrar un resumen de los resultados obtenidos

para la tolva construida. Situación para lo cual se elaboró Tabla 5.2.

Tabla 5.2. Resumen de Resultados de Esfuerzos Mecánicos de Tolva Kom830

Análisis estático Análisis dinámico Análisis de impacto

Componente Esfuerzoestático FS Duraciónaños FS Esfuerzosimpacto FS

FrontVigas de Front 881 Mpa 0,88 5e-4 0,52Plancha base de Front 700 Mpa 1,85 4,6e12 1,77Desplazamiento del conjunto Front 45 mmLateralViga de Lateral 250 Mpa 3,11 314864 1,83Plancha base de Lateral 360 Mpa 3,60 6,8e22 3,45Gousset de viga lateral 449.6 Mpa 1,73 95 1,01Desplazamiento conjunto Lateral 64 mmPiso caso N°1Viga de piso 400Mpa 1,94 537 1,14Viga Chasís 300Mpa

(Zona Pivote)2,59 28824 1,52

Oreja de Pivote 300Mpa 2,59 28824 1,52

Oreja de Levante 100Mpa 7,77 2,17e10 4,56Plancha de Piso 130Mpa 9,98 5,41e36 9,56Desplazamiento del conjunto Piso(Caso N°1)

8 mm

Piso caso N°2Viga de piso 300Mpa 2,59 28824 1,52 108Mpa 7,19Viga Chasís 500Mpa

(Zona Pivote)1,554 19 0,91 36Mpa 21,58

Oreja de Pivote 500Mpa 1,55 19 0,91 0 MpaOreja de Levante 300Mpa 2,59 28824 1,52 0MpaPlancha de Piso 600Mpa 2,16 1,44e15 2,07 25Mpa 51,88Desplazamiento conjunto Piso (CasoN°2)

27 mm 0,341mm

Es primordial mencionar que los resultados obtenidos y mostrados en la

Tabla 5.2 se obtuvieron del análisis de la tolva ya fabricada, al modelarla por

medio de software y analizarla mediante el método de elementos finitos.




Como se puede observar la Tabla 5.2 se divide en tres ítems principales,

los cuales son el análisis estático, dinámico o fatiga y de impacto. Se

comenzará analizando los resultados obtenidos por el estudio estático del

diseño.

En la primera columna se muestran los esfuerzos máximos

obtenidos tras el análisis estático para las distintas partes de la tolva, en la

segunda columna se muestran los factores de seguridad, los cuales como se

menciona anteriormente dependen del material con que se fabricaron las

distintas partes de la tolva. Como se puede visualizar la columna de factores de

seguridad para el estudio estático muestra que el único componente que posee

un factor de seguridad menor a 1 son las vigas del Front, debido a que los

demás componentes poseen factores de seguridad que varían entre 1,55 y

9,98, los cuales son considerados valores aceptables, es decir, la tolva no

sufrirá deformación plástica permanente a excepción del Front, el cual deberá

ser analizado para obtener una solución que consiga elevar el factor de

seguridad para las vigas de este componente.

Luego se procede al análisis de los resultados obtenidos en el estudio

dinámico, la Tabla 5.2 muestra dos factores importantes para la discusión de

estos resultados como lo son factor de seguridad a la fatiga y años de duración

del componente sometido a la carga dinámica.

Para poder efectuar el siguiente análisis se debe tener presente que la

denominada resistencia a la fatiga nos permite graficar la curva de Goodman

para así establecer cómo se comportará la pieza sometida a las cargas alternasy media. Si la combinación de los esfuerzos alternos y medios a los cuales está

sometida la pieza analizada queda dentro de la curva, significa que la pieza

durará un número infinito de ciclos sin sufrir falla sometido a esa condición de

esfuerzos. Pero como es sabido hoy en día realizar diseños de piezas o




componentes que cumplan con una vida infinita muchas veces se traduce en un

elevado costo. Por ejemplo en el caso de este estudio diseñar una tolva para

vida infinita puede significar diseñar una tolva más pesada, por ende más cara

en su fabricación y en su utilización, ya que una tolva más pesada implica que

se puede cargar menos material en ese camión, lo que conlleva a una pérdida

para la compañía minera.

Una vez expuesto y aclarado lo anterior, se puede establecer que una

tolva con las características mencionadas debiera permanecer operativa dentro

del rango de dos a cinco años, sin tener que recurrir a ningún tipo de

reparación considerable debido a daños en la estructura a causa de las

solicitaciones estáticas, dinámicas u otro tipo de problemas. De ahí deriva la

importancia de la columna denominada duración que se presenta en la tabla

5.2, en esta columna se puede visualizar que el componente de menor

durabilidad serán las vigas del front, las cuales tendrían una duración no mayor

a un año sometidas a esta situación de carga. Resultado esperado tras el

análisis estático efectuado a la tolva, mientras que los demás componentes

tendrían una duración aceptable al ciclo de carga, obteniendo de esta manera

un factor de seguridad considerable para poder absorber los factores diversos

(ke) que pueden afectar la vida a la fatiga del material y que no fueron

considerados en este estudio, por lo tanto se deberá analizar el front de la tolva

para obtener una solución que consiga elevar la duración de las vigas de este

componente.

Finalmente se deben analizar los resultados obtenidos en el impacto

sobre el piso de la tolva y a su vez los factores de seguridad para estas

condiciones; como se observa en la Tabla 5.2 los factores de seguridad en los

componentes del piso de la tolva para la condición de impacto superan el valor

de 7, por lo cual se puede decir, que no se producirá falla a causa del impacto

en el carguío de la tolva.



127CAPITULO 6 - CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CAPITULO 6

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1.- Conclusiones

Mediante el presente estudio se logra revelar la gran importancia que

implica la realización de un buen diseño, que satisfaga las condiciones y

características proporcionadas y deseadas por el cliente. Además de la

creatividad e inventiva que debe proporcionar el diseñador para poderinterpretar las necesidades ocultas que posea el mandante y de este modo

poder establecer una solución que permita obtener el mayor de los beneficios

del producto diseñado.

En lo que respecta al tema sujeto a análisis, un buen diseño de tolva

implica una durabilidad adecuada para las labores mineras, lo cual se traduce

en el correcto funcionamiento de las distintas partes de esta frente a las

solicitaciones de carga, transporte e impacto presentes en la faena minera parala cual se está diseñando el proyecto. Lo recientemente expuesto tiene que ir

relacionado con características geométricas importantes para el diseño, como

es un peso adecuado de la tolva, ya que a menor peso, mayor payload de carga

y por ende menos viajes del camión para realizar el transporte del mismo




volumen. Lo que además debe ir relacionado estrechamente con las limitantes

de diseño que proporciona el camión para el cual estará diseñada la tolva, los

esfuerzos provocados en esta, durabilidad y factibilidad de fabricación.

En lo que respecta a los objetivos propuestos para la realización del

estudio se puede establecer que se cumplió con todos ellos a cabalidad,

detallándose a continuación:

Creación del modelo en 3D de la tolva para camión Komatsu 830

construida inicialmente para la compañía minera Doña Inés de

Collahuasi, creándose con este modelo una simulación mediante elmétodo de elementos finitos de distintos tipos de análisis, como lo son el

análisis estático, el cual nos da como resultado un correcto

comportamiento del estructura de la tolva, excepto para el componente

Front de la misma, debido a que en este componente no se cumple con

un factor de seguridad adecuado, por lo que se produciría una falla

plástica en este componente para las nuevas solicitaciones a las que se

encontrará en la faena Minera Mina Sur de Codelco, faena a la cuál será

derivada. En lo que respecta al análisis de simulación (MEF) de la

condición de impacto (carguío de la tolva mediante pala eléctrica P&H

2800), se concluye que la tolva tiene un comportamiento adecuado, el

cual no implicaría ningún tipo de problema en la operación en Mina Sur.

Elaboración de estudio analítico de la tolva en lo que respecta a las

solicitaciones dinámicas de esta, se determina que la tolva está sometida

a dos ciclos de carga por hora trabajando 6500 horas al año, lo que da

como resultado un adecuado comportamiento de la tolva a las

solicitaciones dinámicas. Proporcionando una durabilidad de la tolva,

mayor a dos años, exceptuando el front como era de esperarse, debido




a que en este componente no se tiene un buen comportamiento a las

cargas dinámicas produciéndose una durabilidad de este menor a un año

sometido a estas solicitaciones, por ende se deberá realizar una

modificación en esta parte para de esta manera cumplir con las

solicitaciones a las que se encontrará sometida en Mina Sur.

Se efectúa análisis volumétrico, de carga por ejes y centros de gravedad.

En este punto se observa que los resultados obtenidos indican que se

debe realizar una disminución en el tamaño de la tolva, puesto que la

densidad de Mina Sur es superior a la densidad de Collahuasi, por endepara mantener el mismo payload (determinado según modelo de camión

y peso de la tolva) se debe disminuir el volumen de carga. Además de ir

iterando conjuntamente al disminuir el tamaño de la tolva con el centro

de gravedad y la carga por ejes, con el objetivo de determinar un

volumen de carga y tamaño de tolva que permita obtener una carga por

ejes adecuada la cual está dada por el valor de 33,3% en el eje delantero

y un 66,7% en el eje trasero.

Se realiza análisis de resultados obtenidos analítica y

computacionalmente (capitulo 5).

Se logra establecer el análisis de una tolva ya fabricada y los puntos

sujetos a análisis y modificación para de esta forma poder cumplir con las

solicitaciones a las que será sometida la tolva en sus nuevas condiciones de

trabajo.

En conclusión, contar con todos los datos y condiciones para poder

establecer procedimientos para el mejoramiento de esta tolva y de este modo

dar cumplimiento a los objetivos propuestos por Conymet Ltda., en cuanto a




proporcionar productos específicos para cada uno de sus clientes, y a su vez

liderar en ámbito del diseño de estos componentes a nivel mundial.

6.2.- Recomendaciones

Al finalizar el estudio, surge la necesidad de recomendar a la empresa

con el sólo propósito de que se alcancen los objetivos de esta. La modificación

principalmente en la estructura del Front de la tolva que se proporcionará a

Mina Sur, ya sea modificar forma, cantidad de vigas, entre otras, para poder

cumplir con una estructura que permita soportar las solicitaciones mecánicas,

ya sea estáticas (deformación plástica) o dinámicas (falla por fatiga) y garantizar

de esta manera el cumplimiento de una duración mínima de dos años del

componente sin la realización de reparaciones importantes.

En el ámbito de la geometría se deberá diseñar un volumen de carga

adecuado para avalar el payload, establecido como restricción de diseño del

camión. Además de establecer así una distribución de carga por ejes adecuada

para garantizar un correcto funcionamiento del conjunto camión-tolva. Esto

puede implicar una iteración de volúmenes hasta llegar a la forma adecuada, lo

que puede traducirse en cambios en el largo del piso, alto del lateral y/o alto del

front, los cuales conllevarían a cambios menores que no afectarían los

resultados obtenidos en este estudio y a su vez no se efectuarían cambios

radicales en la forma de la tolva sujeta a análisis.



131

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Joseph Shigley. Diseño en Ingeniería Mecánica, 6° Edición,

Mc Graw Hill

Enrique Quiroga. Tolva Alta Eficiencia Para Camión Komatsu

630, Conymet, Chile

Jorge Alvear. Chile Nuestro Cobre, 1°Edicion, Editorial Lastra

S.A. Chile Rodrigo Divizzio, Análisis de la Estructura Actual de la Tolva

Duratray y Propuesta de Mejoras a su Diseño, Informe IE-013-

2010-DRT, Cadetech, Chile

www.komatsu.cl



ANEXO N°1

SOLDADURA Y PROCESOS DE SOLDADURA



Descripción del proceso de soldadura en general

La soldadura con arco eléctrico, SAC (arc welding en inglés, AW), es un

proceso de soldadura en el cual la unión de las partes se obtiene por fusión

mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y el material de trabajo.

Figura A.1 Esquema de una soldadura general

Un proceso de AW general se muestra en la Figura A.1. Un arco

eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en

un circuito. Se sostiene por la presencia de una columna de gas térmicamente

ionizada (denominada plasma) a través de la cual fluye la corriente. En un

proceso de AW, el arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza de

trabajo, después del contacto el electrodo se separa rápidamente de la pieza a

una distancia corta. La energía eléctrica del arco eléctrico así formado produce

temperaturas de 5500°C o mayores, que son lo suficientemente calientes para

fundir cualquier metal. Se forma un pozo de metal fundido, que consiste enmetal(es) base y metal de aporte (si se usa uno), cerca de la punta del

electrodo. En la mayoría de los procesos de soldadura con arco eléctrico, se

agrega un metal de aporte durante la operación para aumentar el volumen y

fortalecer la unión soldada. Conforme el electrodo se mueve a lo largo de la



unión, el pozo de metal fundido se solidifica de inmediato. El movimiento del

electrodo se consigue ya sea mediante una persona que suelda (soldadura

manual) o por medios mecánicos (soldadura con máquina, soldadura

automática o soldadura robótica). Un aspecto problemático de la soldadura

manual con arco eléctrico es que la calidad de la unión fundida depende de la

habilidad y ética de trabajo del soldador.

Antes de describir los procesos individuales de soldadura con arco

eléctrico, es conveniente examinar algunos de los aspectos técnicos que se

aplican a estos procesos.

Electrodos

Los electrodos que se usan en los procesos de AW se clasifican como

consumibles y no consumibles. A continuación se describen los electrodos

consumibles, ya que son los que se usan en la reparación de tolvas.

Los electrodos consumibles contienen el metal de aporte en la

soldadura con arco eléctrico; están disponibles en dos formas principales:

varillas (también llamados bastones) y alambres. Las varillas para soldadura

normalmente tienen una longitud de 225 a 450 mm y un diámetro de 9.5 mm ó

menos. El problema con las varillas de soldadura consumibles, al menos en las

operaciones de producción, es que deben cambiarse en forma periódica,

reduciendo el tiempo de arco eléctrico del soldador. El alambre para soldadura

consumible tiene la ventaja de que puede alimentarse en forma continua al

pozo de soldadura desde bobinas que contienen alambres en grandescantidades, con esto se evitan las interrupciones frecuentes que ocurren

cuando se usan las varillas para soldadura. Tanto en forma de varilla como de

alambre, el arco eléctrico consume el electrodo durante el proceso de soldadura

y éste se añade a la unión fundida como metal de relleno.



Principales consideraciones en elección de las soldaduras

Al momento de elegir que electrodos y qué tipo de soldadura se debe

implementar en cada situación, se deben considerar las siguientes variables:

Propiedades mecánicas del metal base: La soldadura debe

superar las propiedades mecánicas del material base.

Composición química del metal base: Considerar en lo

principal el porcentaje de carbono y con ello determinar si se necesita

precalentar y /o realizar un tratamiento de alivio de tensiones.

Tratamientos térmicos del material base: De ser tratado

térmicamente este debe precalentarse y enfriarse según indicaciones del

fabricante.

Especificaciones y condiciones de servicio: La parteestructural siempre está sometida a esfuerzos cíclicos, por lo mismo en los

sectores críticos deben emplearse soldaduras de mayor tenacidad.

Espesor y forma del metal base a soldar: Siempre debe

soldarse generando radios suaves, para evitar las zonas de concentración

de esfuerzos.

Alivio de tensiones: todo proceso de soldadura genera

tensiones y por supuesto las zonas de material no cambiadas ya tienen

tensiones propias del trabajo, por lo tanto si es factible realizar, se

recomienda practicar algún tipo de alivio de tensiones a la pieza soldada.



Diseños de las uniones (biseles): el buen diseño de los

biseles permite soldaduras de buena calidad.

Corriente, amperes, voltaje, velocidad de depósito: es

fundamental mantener parámetros de los fabricantes de soldaduras, así

los depósitos cumplirán con las características técnicas especificadas, en

función del aporte de soldadura, voltaje y amperaje. Además de la

velocidad de avance a través de la pieza es posible determinar la cantidad

de calor aportado por el arco eléctrico al metal base. Se debe tener

presente que en función del aporte del calor se controla la posible

deformación y tensión que pueda sufrir la pieza así como muchas otras

variables metalúrgicas importantes, lo cual se calcula mediante la

Ecuación 3.1.

(3.1)

Donde

Q: Calor Aportado (V*A*min/Pulg)

Volts y amperes: potencia del arco

Velocidad de avance: pulg. X min.

Posición de las soldaduras: Estas deben ser depositadas

por soldadores calificados en el proceso y posición.

Preparación de limpieza y eliminación de material dañado;

a) oxicorte, este proceso al aplicarlo en materiales tratados térmicamente,

por las temperaturas involucradas es factible que cambien las

avancedevelocidad

amperesvoltsQ

_ _

60**



características de estos en zonas cercanas al corte. b) torch con

electrodos de grafito, este proceso genera altas temperaturas que llevan a

la fusión del acero y con el aire expulsan el material fundido. El proceso en

sí genera dos tipos de contaminación: la primera es que agrega carbono a

la superficie y la segunda por el enfriamiento brusco induce un tratamiento

térmico no deseado de las superficies. Por lo mismo estas superficies

deben ser esmeriladas a lo menos 1 mm. de espesor, asegurando que las

zonas a soldar estén libres de contaminación

En el caso particular de los aceros de alta resistencia o losinoxidables, la selección de electrodos generalmente está limitada a uno o

dos electrodos diseñados específicamente para dar una composición

química determinada en el metal depositado.

En el caso de los aceros al carbono y de baja aleación, la

selección de electrodos debe basarse, además de la composición química

y resistencia mecánica del metal de soldadura, en otras características delos electrodos. Esto se debe a que para aceros al carbono y de baja

aleación, hay varios tipos diferentes de electrodos que pueden

proporcionar la misma composición química en el metal de soldadura. En

este caso, el electrodo se selecciona para obtener la calidad deseada al

más bajo costo. Esto es, el electrodo a elegir es aquel que permite la más

alta velocidad de soldadura para cada unión en particular.

Debido a las propiedades de los aceros anti desgaste, se sabe que los

electrodos usados en la soldadura de las planchas de 500 HB deberán ser

electrodos de bajo hidrógeno. Por ello, se presenta a continuación una breve

descripción de ellos.



Electrodos de bajo hidrógeno: Estos electrodos están diseñados para

producir soldaduras de alta calidad en aplicaciones en las cuales el metal base

tiene tendencia al agrietamiento, los espesores a soldar son relativamente

grandes (mayores a 19 mm.) o cuando el metal base tiene un contenido de

aleantes ligeramente mayor al de los aceros dulces. Los electrodos de bajo

hidrógeno están disponibles ya sea con las características de llenado rápido o

solidificación rápida. Electrodos pertenecientes a esta clasificación: E-7018 y E-

7028.

En este Ítem se analizan varios procesos importantes de soldadura con

arco eléctrico que utilizan electrodos consumibles y que se practican en la

reparación de tolvas.

Soldadura metálica con arco protegido SMAW

La soldadura metálica con arco protegido (en inglés shielded metal arc

welding, SMAW), es un proceso de soldadura con arco eléctrico que usa un

electrodo consumible y consiste en una varilla de metal de aporte recubierta con

materiales químicos que proporcionan un fundente y protección. El proceso se

ilustra en la Figura A.2.



Figura A.2. Proceso SMAW

En ocasiones, el proceso de denomina soldadura de varilla. La varilla

de soldadura normalmente tiene una longitud entre 225 a 450 mm y un

diámetro de 2.5 a 9.5 mm. El metal de aporte usado en la varilla debe ser

compatible con el metal que se va a soldar y, por tanto, la composición debe ser

muy parecida a la del metal base. El recubrimiento consiste en celulosa

pulverizada (polvos de algodón y madera) mezclados con óxidos, carbonatos y

otros ingredientes integrados mediante un aglutinante de silicato. En ocasiones

se incluyen en el recubrimiento polvos metálicos para aumentar la cantidad de

metal de aporte y agregar elementos de aleación. El calor del proceso de

soldadura funde el recubrimiento y proporciona una atmósfera protectora y

escoria para la operación de soldadura. También ayuda a estabilizar el arco

eléctrico y regula la velocidad a la que se funde el electrodo.

Durante la operación, el extremo de metal descubierto de la varilla de

soldadura (que está en la otra punta de la soldadura) se sujeta en un soporte de

electrodos conectado a la fuente de energía. El soporte tiene una manilla

aislada para que lo tome y manipule el soldador. Las corrientes que se usan

regularmente en la SMAW varían entre 30 y 300 A y 15 a 45 V. La selección de

los parámetros de energía adecuados depende de los metales que se van a



soldar, del tipo y longitud del electrodo, así como de la profundidad de

penetración de la soldadura requerida.

Por lo general, la soldadura metálica con arco protegido se ejecuta en

forma manual y sus aplicaciones comunes incluyen la construcción, instalación

de tuberías, estructuras de maquinaria, construcción de embarcaciones, tiendas

de manufactura y trabajos de reparación. Se prefiere sobre la soldadura con

oxígeno y gas combustible para secciones más gruesas que 4.8 mm debido a

su mayor densidad de energía. El equipo es portátil y de bajo costo, lo que

convierte a la SMAW en el proceso más versátil y de mayor uso entre losprocesos de AW. Los metales base incluyen los aceros, los aceros inoxidables,

los hierros fundidos y ciertas aleaciones no ferrosas. No se usa o se emplea

rara vez en aluminio y sus aleaciones, al igual que en las aleaciones de cobre y

titanio.

La desventaja de la soldadura metálica con arco protegido como

operación de producción proviene del uso de varillas de electrodos

consumibles, porque éstos deben cambiarse en forma periódica a causa del

desgaste. Esto reduce el tiempo de arco eléctrico en este proceso de soldadura.

Otra limitación es el nivel de corriente que puede usarse, porque la longitud del

electrodo varía durante la operación y ésta afecta el calentamiento de la

resistencia del electrodo. Los niveles de corriente deben mantenerse dentro de

un rango seguro o el recubrimiento se sobrecalentará y fundirá prematuramente

cuando se empiece a usar una nueva varilla de soldadura. Algunos de los otros

procesos de soldadura con arco eléctrico superan las limitaciones de la longitud

de la varilla de soldadura en este proceso, usando un electrodo de alambre que

se alimenta en forma continua.



Selección de la fuente de potencia

Son varios los factores a considerar cuando se selecciona una fuente

de potencia para SMAW:

La selección del tipo de corriente, ca, cc o ambas, dependerá en gran

medida en los tipos de electrodos que se usarán y de los tipos de soldadura que

se realizarán. Para ca, puede usarse una fuente de potencia del tipo de

transformador o de alternador; para cc se dispone de fuentes de transformador-

rectificador o de motor-generador. Si se necesita tanto ca como cc, puedeusarse una fuente monofásica de transformador-rectificador o de alternador-

rectificador. Si no, se necesitarán dos máquinas soldadoras, una para ca y otra

para cc.

Los requerimientos de amperaje dependerán de los tamaños y tipos de

electrodos que se usarán. Si la variedad es amplia, la fuente de potencia debe

ser capaz de suministrar el intervalo de amperaje requerido. El ciclo de trabajo

debe ser suficiente.

También hay que considerar las posiciones en que se soldará. Si se

planea soldar en posición vertical o sobre cabeza, probablemente será

conveniente ajustar la pendiente de la curva volt-ampere. Si es así, la fuente de

potencia deberá incluir esta función. Para esto por lo regular se necesitan

controles tanto del voltaje como de la corriente de salida.

Se requiere una fuente de potencia primaria. Si se dispone de potencia

de línea, deberá averiguarse si es monofásica o trifásica. La fuente de potencia

para soldadura debe estar diseñada para potencia monofásica o trifásica, y

deberá usarse con la potencia para la cual fue diseñada. Si no hay potencia de



línea disponible, será necesario usar un generador o alternador impulsado por

motor.

Soldadura por arco con núcleo de fundente FCAW

La soldadura por arco con núcleo de fundente (flux cored are welding,

FCAW) es un proceso de soldadura por arco que aprovecha un arco entre un

electrodo continuo de metal de aporte y la poza de soldadura. Este proceso se

emplea con protección de un fundente contenido dentro del electrodo tubular,

con o sin un escudo adicional de gas de procedencia externa, y sin aplicación

de presión.

El electrodo con núcleo de fundente es un electrodo tubular de metal de

aporte compuesto que consiste en una funda metálica y un núcleo con diversos

materiales pulverizados. Durante la soldadura, se produce un manto de escoria

abundante sobre la superficie del cordón de soldadura.

El aspecto que distingue al proceso FCAW de otros procesos de

soldadura por arco es la inclusión de ingredientes fundentes dentro de un

electrodo de alimentación continua. Las notables características de operación

del proceso y las propiedades de la soldadura resultante se pueden atribuir al

empleo de este tipo de electrodo.

El proceso FCAW tiene dos variaciones principales que difieren en su

método de protección del arco y de la poza de soldadura contra la

contaminación por gases atmosféricos (oxígeno y nitrógeno). Una de ellas, la

FCAW con autoprotección, protege el metal fundido mediante la



descomposición y vaporización del núcleo de fundente en el calor del arco. El

otro tipo, la FCAW con escudo de gas, utiliza un flujo de gas protector además

de la acción del núcleo de fundente. En ambos métodos, el material del núcleo

del electrodo proporciona una cubierta de escoria sustancial que protege el

metal de soldadura durante su solidificación.

Los beneficios de FCAW se obtienen al combinarse tres características

generales:

1. La productividad de la soldadura de alambre continúo.

2. Las cualidades metalúrgicas que pueden derivarse de un fundente.

3. Una escoria que sustenta y moldea el cordón de soldadura.

El proceso FCAW combina características de la soldadura por arco de

metal protegido (SMAW), la soldadura por arco de metal y gas (GMAW) y la

soldadura por arco sumergido (SAW). En la Figura A.3 se muestran los

elementos del proceso FCAW.

Figura A.3. Elementos de FCAW con gas protector



Las aplicaciones de las dos variantes del proceso FCAW se traslapan,

pero las características específicas de cada una las hacen apropiadas para

diferentes condiciones de operación. El proceso se emplea para soldar aceros

al carbono y de baja aleación, aceros inoxidables y hierros colados. También

sirve para soldar por puntos uniones traslapadas en láminas y placas, así como

para revestimiento y depositación de superficies duras.

El tipo de FCAW que se use dependerá del tipo de electrodos de que se

disponga, los requisitos de propiedades mecánicas de las uniones soldadas y

los diseños de las uniones. En general, el método auto protegido puede usarseen aplicaciones que normalmente se unen mediante soldadura por arco de

metal protegido. El método con escudo de gas puede servir para algunas

aplicaciones que se unen con el proceso de soldadura por arco de metal y gas.

Es preciso comparar las ventajas y desventajas del proceso FCAW con las de

esos otros procesos cuando se evalúa para una aplicación específica.

En muchas aplicaciones, el principal atractivo de la soldadura por arco

con núcleo de fundente, en comparación con la de arco de metal protegido, es

la mayor productividad. Esto generalmente se traduce en costos globales más

bajos por kilogramo de metal depositado en uniones que permiten la soldadura

continua y están fácilmente accesibles para la pistola y el equipo de FCAW. Las

ventajas consisten en tasas de depositación elevadas, factores de operación

altos y mayores eficiencias de depositación (no se desechan "colillas" de

electrodo).

La FCAW tiene amplia aplicación en trabajos de fabricación en taller,

mantenimiento y construcción en terreno. Se ha usado para soldar ensambles

que se ajustan al código de calderas y recipientes de presión de la ASME, a las

reglas del American Bureau of Shipping y a ANSI/AWS D1.1, código de



soldadura estructural - Acero. La FCAW tiene categoría de proceso

precalificado en ANSI/AWS D 1.1.

Se han usado electrodos de acero inoxidable con núcleo de fundente,

auto protegidos y con escudo de gas, para trabajos de fabricación en general,

recubrimiento, unión de metales disímiles, mantenimiento y reparación.

Las desventajas más importantes, en comparación con el proceso

SMAW, son el mayor costo del equipo, la relativa complejidad de la

configuración y control de éste, y la restricción en cuanto a la distancia deoperación respecto al alimentador del electrodo de alambre. El proceso puede

generar grandes volúmenes de emisiones de soldadura que requieren equipo

de escape apropiado, excepto en aplicaciones en terreno. En comparación con

el proceso GMAW, libre de escoria, la necesidad de eliminar la escoria entre

una pasada y otra representa un costo de mano de obra adicional. Esta

eliminación es necesaria sobre todo en las pasadas de raíz.

Selección del Equipo

Para este tipo de soldadura, existen equipos semiautomáticos y

automáticos. A continuación se presentan breves descripciones de ambos.

Equipo semiautomático

El equipo básico para la soldadura por arco con núcleo de fundente

auto protegida y con escudo de gas es similar. La principal diferencia radica en

el suministro y regulación del gas para el arco en la variante con escudo de gas.

La fuente de potencia recomendada es la de cc de voltaje constante, similar a

las que se usan para soldadura por arco de metal y gas. Esta fuente deberá ser



capaz de trabajar en el nivel de corriente máximo requerido para la aplicación

específica. La mayor parte de las aplicaciones semiautomáticas usa menos de

500 A. El control de voltaje deberá poderse ajustar en incrementos de un volt o

menos. También se usan fuentes de potencia de cc de corriente constante con

la suficiente capacidad y controles y alimentadores de alambre apropiados, pero

estas aplicaciones son poco comunes.

El propósito del control de alimentación del alambre es suministrar el

electrodo continuo al arco de soldadura con una velocidad constante

previamente establecida. La rapidez de alimentación del electrodo determina elamperaje de soldadura suministrado por una fuente de potencia de voltaje

constante. Si se modifica esta rapidez, la máquina soldadora se ajustará

automáticamente para mantener el voltaje de arco preestablecido. La velocidad

de alimentación del electrodo se puede controlar por medios mecánicos o

electrónicos.

Este proceso requiere rodillos impulsores que no aplanen ni

distorsionen de alguna otra manera el electrodo tubular. Se emplean diversos

rodillos con superficies ranuradas para alimentar el electrodo. Algunos

alimentadores de alambre tienen sólo un par de rodillos impulsores, mientras

que otros cuentan con dos pares en los que por lo menos uno de los rodillos de

cada par está conectado a un motor. Si todos los rodillos están motorizados, el

alambre se podrá alimentar ejerciendo menos presión con los rodillos.

Las pistolas típicas para soldadura semiautomática están diseñadas de

modo que se sostengan cómodamente, sean fáciles de manipular y duren largo

tiempo. Las pistolas establecen un contacto interno con el electrodo a fin de

conducir la corriente de soldadura. La corriente y la alimentación del electrodo

se accionan con un interruptor montado en la pistola.



Las pistolas soldadoras pueden enfriarse con aire o con agua. Se

prefieren las pistolas enfriadas por aire porque no hay necesidad de un

suministro de agua, pero las enfriadas por agua son más compactas y ligeras, y

requieren menos mantenimiento que las enfriadas por aire. Además, suelen

tener especificaciones de corriente más altas, que pueden llegar a 600 A con

ciclo de trabajo continuo. Las pistolas pueden tener boquillas rectas o curvas. El

ángulo de la boquilla curva puede variar de 40° a 60°.

En algunas aplicaciones, la boquilla curva ofrece mayor flexibilidad yfacilidad de manipulación del electrodo. Algunos electrodos auto protegidos con

núcleo de fundente requieren una extensión de electrodo mínima específica

para proveer una protección adecuada. Las pistolas que usan estos electrodos

generalmente cuentan con tubos guía, provistos de una extensión aislada que

sustenta el electrodo y asegura que se extenderá al menos una distancia

mínima.

Equipo automático

Para este tipo de operación se recomienda una fuente de potencia de

cc (corriente continua) de voltaje constante diseñada para un ciclo de trabajo

del 100 %. El tamaño de la fuente de potencia está determinado por la corriente

que requiere el trabajo por realizar. Como pueden ser necesarios electrodos

grandes, tasas de alimentación de electrodo elevadas y tiempos de soldadura

prolongados, los alimentadores de electrodo por fuerza tienen motores

impulsores de mayor capacidad y componentes para trabajo más pesado que

en equipo similar para operación semiautomática.

Las boquillas pueden diseñarse de modo que formen un escudo lateral

o concéntrico alrededor del electrodo. El escudo lateral permite soldar en

biseles angostos y profundos y minimiza la acumulación de salpicaduras en la



boquilla. Las unidades de boquilla pueden enfriarse con aire o con agua. En

general, se prefieren las boquillas enfriadas por aire para soldar con corrientes

de hasta 600 A. Si la corriente va a ser mayor, se recomienda usar una boquilla

enfriada por agua. En trabajos de recubrimiento a gran escala, se puede

aumentar la productividad empleando equipo automático oscilante con múltiples

electrodos. Estas instalaciones pueden incluir un manipulador montado sobre

rieles que sostiene una cabeza soldadora oscilante de múltiples electrodos con

alimentadores de electrodo individuales y un rodillo giratorio motorizado también

montado en rieles, además de fuente de potencia, controles electrónicos y

sistema de suministro de electrodo.

Otros equipos que se deberían considerar en este tipo de soldadura son

los extractores de humo y el equipo necesario para la protección con gas en

caso de que sea necesario.

Control del Proceso

La corriente de soldadura es proporcional a la velocidad de

alimentación del electrodo para un electrodo con diámetro, composición y

extensión específicos. Si las demás variables de soldadura se mantienen

constantes para un electrodo de cierto diámetro, la modificación de la corriente

de soldadura tendrá los siguientes efectos preponderantes:

1. Un incremento en la corriente eleva la tasa de depositación del

electrodo.

2. Un aumento en la corriente aumenta la penetración.

3. Una corriente excesiva produce cordones de soldadura

convexos de aspecto deficiente.



4. Una corriente insuficiente produce transferencia de gota

grande y demasiadas salpicaduras.

5. Una corriente insuficiente puede causar una absorción

excesiva de nitrógeno y también porosidad del metal de soldadura

cuando se suelda con electrodos con núcleo de fundente auto

protegidos.

El voltaje y la longitud del arco están íntimamente relacionados. El

voltaje que indica el medidor de la fuente de potencia es la suma de las caídas

de voltaje en todo el circuito de soldadura. El voltaje del arco puede afectar elaspecto, la integridad y las propiedades de las soldaduras hechas con

electrodos con núcleo de fundente. Un voltaje de arco excesivo (arco

demasiado largo) puede producir demasiadas salpicaduras y cordones de

soldadura anchos y de forma irregular. Si se usan electrodos auto protegidos,

un voltaje de arco excesivamente alto hará que se absorba demasiado

nitrógeno, y si el electrodo es de acero dulce también puede causar porosidad.

Un voltaje de arco insuficiente (arco demasiado corto) produce cordones

angostos y convexos con demasiadas salpicaduras y penetración somera.

El efecto de la extensión del electrodo como factor operativo en FCAW

introduce una nueva variable que debe mantenerse equilibrada con las

condiciones de protección y las variables de soldadura relacionadas. Si todo lo

demás es igual, una extensión excesiva del electrodo produce un arco inestable

con demasiadas salpicaduras. Una extensión muy corta puede producir un arco

demasiado largo a un nivel de voltaje determinado. En el caso de los electrodos

con escudo de gas, puede causar una acumulación de salpicaduras en la

boquilla que tal vez interfiera con el flujo de gas. Una cobertura de gas protector

deficiente puede causar porosidad y oxidación excesiva del metal de soldadura.



La velocidad de avance influye en la penetración y el perfil del cordón

de soldadura. Si los demás factores permanecen constantes, la penetración a

velocidades de avance bajas es mayor que a velocidades altas. Si la velocidad

de avance es baja y la corriente es elevada, el metal de soldadura puede

sobrecalentarse y producir una soldadura de aspecto áspero que tal vez atrape

escoria mecánicamente, o atravesar de lado a lado el metal base. Si la

velocidad de avance es excesiva, el cordón de soldadura tiende a ser irregular y

acordonada.

Si se emplean electrodos con escudo de gas, la tasa de flujo del gas esuna variable que afecta la calidad de la soldadura. Un flujo insuficiente no

protege bien la pileta de soldadura, y el resultado es una soldadura porosa y

oxidada. Si el flujo es excesivo puede haber turbulencia y mezcla con el aire; el

efecto sobre la calidad de la soldadura será el mismo que el de un flujo

insuficiente.

La tasa de depositación en cualquier proceso de soldadura es el peso

de material depositado en la unidad de tiempo, y depende de variables como el

diámetro, la composición y la extensión del electrodo, y la corriente de

soldadura. Las eficiencias de depositación de los electrodos para FCAW varían

entre el 80 y el 90% si se emplea escudo de gas, y entre el 78 y el 87% si los

electrodos proveen autoprotección. La eficiencia de depositación es la razón

entre el peso de metal soldadura depositado y el peso de electrodo consumido.

El ángulo con que se sostiene el electrodo durante la soldadura

determina la dirección en que la fuerza del arco se aplica a la pileta de metal

fundido. Si las variables de soldadura se ajustan en los niveles correctos para la

aplicación de que se trata, se puede usar la fuerza del arco para contrarrestar

los efectos de la gravedad. En los procesos FCAW y SMAW, la fuerza del arco



no sólo sirve para dar al cordón de soldadura la forma deseada, sino también

para evitar que la escoria corra por delante del metal de soldadura y quede

atrapada por él.

Al efectuar soldaduras de tope y de filete en la posición plana, la

gravedad tiende a hacer que la pileta de metal fundido corra por delante de la

soldadura. A fin de contrarrestar esto, el electrodo se sostiene angulado

respecto a la vertical, con la punta apuntando hacia la soldadura, es decir, en

dirección opuesta a la dirección de desplazamiento. Este ángulo de

desplazamiento, definido como ángulo de arrastre, se mide a partir de una líneavertical en el plano del eje de la soldadura.

El ángulo de arrastre correcto depende del método de FCAW

empleado, del espesor del metal base y de la posición de soldadura. Si se usa

el método con autoprotección, los ángulos de arrastre deberán ser de la misma

magnitud aproximada que los empleados con electrodos para soldadura por

arco de metal protegido. En las posiciones plana y horizontal, los ángulos de

arrastre variarán entre 20 y 45 grados, aunque se usan ángulos más grandes

para soldar secciones delgadas. Al aumentar el espesor del material, el ángulo

de arrastre se reduce para incrementar la penetración. Cuando se suelda

verticalmente hacia arriba, el ángulo de arrastre deberá ser de 5 a 10 grados.

Con el método de escudo de gas el ángulo de arrastre debe ser

pequeño, habitualmente entre 2 y 15 grados, pero nunca de más de 25 grados.

Si el ángulo es excesivo, se perderá la efectividad del escudo de gas.

Al hacer soldaduras de filete en la posición horizontal la pileta de

soldadura tiende a fluir tanto en la dirección del recorrido como en dirección

perpendicular a ella. A fin de contrarrestar el flujo lateral, el electrodo deberá



apuntar hacia la placa de abajo cerca de la esquina de la unión. Además de su

ángulo de arrastre, el electrodo deberá tener un ángulo de trabajo de 40 a 50°

respecto al miembro vertical.

En la soldadura vertical hacia arriba, puede usarse un ángulo de ataque

(en la dirección del recorrido) pequeño.

Todo lo anteriormente descrito solo es parte de las decisiones que debe

tomar un diseñador al crear un equipo.



ANEXO N°2

BODY APPLICATION WORKSHEET (B.A.W.)



ANEXO N°3

CATALOGO CAMIÓN KOMATSU 830



ANEXO N°4

FICHA TÉCNICA ACERO ANTI-ABRASIVO

EH-500



ANEXO N°5

FICHA TÉCNICA ACERO ESTRUCTURAL

HITEN 780



ANEXO N°6

Memoria Fz

Documents

Transcript of Memoria Fz