UNIVERSIDAD UTE

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN BRAZO HIDRÁULICO DIDÁCTICO

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

FRANKLIN FABRICIO ZAMBRANO RODRÍGUEZ

DIRECTOR: ING. MANUEL ARTURO FALCONÍ BORJA MsC.

Santo Domingo de los Tsáchilas, diciembre, 2018

© Universidad UTE. 2018 Reservados todos los derechos de reproducción

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO TRABAJO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO CÉDULA DE IDENTIDAD: 172386838-4 APELLIDOS Y NOMBRES: Zambrano Rodríguez Franklin Fabricio DIRECCIÓN: Vía Quevedo Km 5 Coop. El Proletariado EMAIL: franklinzambrano26@live.com TELÉFONO FIJO: 023741524 TELÉFONO MOVIL: 0986693067

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Diseño y fabricación de un brazo hidráulico didáctico

AUTOR O AUTORES: Zambrano Rodríguez Franklin Fabricio FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO TÉCNICO: 14 de diciembre, 2018

DIRECTOR DEL PROYECTO TÉCNICO: Ing. Arturo Falconí Borja, MsC PROGRAMA PREGRADO x POSGRADO TÍTULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero automotriz RESUMEN: En la antigüedad los primeros tractores

aparecieron en el siglo IXX impulsados por motores grandes y pocos eficientes, dichos tractores fueron los encargados de principales movimientos de tierra para la apertura de nuevas conexiones viales de aquella época y con ello comenzó un largo camino en la evolución de este tipo de maquinaria pesada. En la actualidad el uso de la hidráulica es de vital importancia en nuestra vida diaria ya que la podemos encontrar en todas partes o podemos decir que tuvieron algún tipo de función para la construcción de algún proyectos de beneficio a la sociedad que nos rodea, podemos apreciar su uso a diario ya sea en los medios de transportes, edificaciones, vías, puentes, etc., lo cual crea una gran necesidad de adquirir conocimiento sobre todos los aspecto que tienen que ver con este tema ya sea sus principios de funcionamiento, las parte que la componen un sistema hidráulico, sus aplicaciones, sus ventajas, sus desventajas, su avance a través de la historia y sobre todo como usar estos

mailto:franklinzambrano26@live.com

conocimientos en nuestra vida diaria. PALABRAS CLAVES Hidráulica, brazo hidráulico, presiones,

energía, estática, dinámica. Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.

f: __________________________________________ ZAMBRANO RODRÍGUEZ FRANKLIN FABRICIO

C.I. 172386838-4

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN Yo, FRANKLIN FABRICIO ZAMBRANO RODRÍGUEZ C.C. 172386838-4 autor del trabajo de titulación: DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN BRAZO HIDRÁULICO DIDÁCTICO previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad UTE. 1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las

Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de titulación de grado para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad UTE a tener una copia del referido trabajo de titulación de grado con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.

Santo Domingo, 14 de diciembre de 2018

f: _____________________________________ FRANKLIN FABRICIO ZAMBRANO RODRÍGUEZ

C.I. 172386838-4

CERTIFICACIÓN DEL TUTOR En mi calidad de tutor, certifico que el presente trabajo de titulación que lleva por título DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN BRAZO HIDRÁULICO DIDÁCTICO para aspirar al título de INGENIERO AUTOMOTRIZ fue desarrollado por FRANKLIN FABRICIO ZAMBRANO RODRÍGUEZ, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y que dicho trabajo cumple con las condiciones requeridas para ser sometido a las evaluación respectiva de acuerdo a la normativa interna de la Universidad UTE.

_____________________________________ Ing. Arturo Falconí Borja, MsC.

DIRECTOR DEL TRABAJO C.I. 1720162179

DEDICATORIA En primer lugar, dedico el presente trabajo de titulación a Dios ya que nada de esto sería posible sin su intervención diaria y su presencia en mi vida. Gracias a su presencia he podido continuar con mis estudios en mi vida cotidiana. En segundo lugar, también dedico este trabajo de titulación a la Virgencita María ya que ella como madre intercede por mi cada día para que con su bendición poder culminar mis objetivos. También dedico este trabajo de titulación a mi familia ya que con su apoyo se convirtieron en el motor para continuar cada vez que encontraba un nuevo obstáculo en mi carrera académica.

Franklin Fabricio Zambrano Rodríguez

AGRADECIMIENTO

Primeramente, agradezco a Dios y a la Virgencita María por prestarme vida para lograr culminar mis estudios universitarios, ya que con su divina providencia he logrado mis objetivos propuestos al inicio de este ciclo educativo. También hago presente mi agradecimiento a mis padres y hermanos y demás familiares por ser el pilar que me sostiene en momentos de flaqueza. Agradezco también a cada una de las personas que de una u otra forma aportaron con su granito de arena para que logre cumplir este objetivo.

Franklin Fabricio Zambrano Rodríguez

i

ÍNDICE DE CONTENIDO

PÁGINA RESUMEN 1 1. INTRODUCCIÓN 2

1.1. MARCO TEÓRICO 3 1.1.1. PRESIÓN 3 1.1.2. PRINCIPIO DE PASCAL 4 1.1.3. HIDRÁULICA 4 1.1.4. LA RUEDA HIDRÁULICA 4 1.1.5. SISTEMA HIDRÁULICO 5

1.1.5.1. Bomba hidráulica 5 1.1.5.2. Filtro de aceite hidráulico 6 1.1.5.3. Depósito de aceite hidráulico 6 1.1.5.4. Banco de válvulas 6 1.1.5.5. Cilindro hidráulico 7 1.1.5.6. Conexiones hidráulicas 7

2. METODOLOGIA 9 2.1. RESISTENCIA 9 2.2. MATERIALES 9 2.3. TIPOS DE SOLDADURA 10 2.4. Partes del brazo hidráulico 10

2.4.1. ESTRUCTURA 11 2.4.2. BRAZO 11 2.4.3. CHASIS 14 2.4.4. ESTABILIZADORES 14 2.4.5. TREN DE RODAJE 15

2.5. SISTEMA HIDRÁULICO 15 2.5.1. BOMBA HIDRÁULICA 16 2.5.2. MANGUERAS HIDRÁULICAS 16 2.5.3. BANCO DE VÁLVULAS 16 2.5.4. MANÓMETRO 17 2.5.5. CILINDROS HIDRÁULICOS 17 2.5.6. RESERVORIO DE ACEITE 17 2.5.7. ACEITE HIDRÁULICO 19

2.6. MOTOR 19 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 21

3.1. ESTUDIO ESTRUCTURAL DE CHASIS Y BRAZO DEL PROYECTO 21 3.2. VOLUMEN Y MASA CARGA DEL CUCHARON 21 3.3. ESTUDIO ESTRUCTURAL DEL BRAZO DEL PROYECTO 23 3.4. DIAGRAMA DE FUERZAS DEL BRAZO 24 3.5. DIAGRAMA DE MOMENTOS DEL BRAZO 24

ii

3.6. CALCULO DE PRESIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO 24 3.6.1. PRESIÓN MÍNIMA DEL SISTEMA 24 3.6.2. DISTRIBUCIÓN DE CILINDROS HIDRÁULICOS 26 3.6.3. CALCULO DE CAUDAL 27

3.7. ANÁLISIS ESTÁTICO DE CHASIS: 28 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 34

4.1. CONCLUSIONES 34 4.2. RECOMENDACIONES 34

BIBLIOGRAFIA 36 ANEXOS 38

iii

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Bomba Hidráulica 16 Tabla 2. Motor Honda 19 Tabla 3. Diámetros estandarizados 25 Tabla 4. Propiedades de material 28 Tabla 5. Cargas y Sujeciones 28 Tabla 6. Cargas Ejercidas 29 Tabla 7. Fuerzas resultantes 29 Tabla 8. Resultados del estudio 30 Tabla 9. Chasis de brazo hidráulico 30 Tabla 10. Análisis estático para brazo principal 31 Tabla 11. Cargas 31 Tabla 12. Fuerzas de reacción 31 Tabla 13. Resultados del estudio 32 Tabla 14. Brazo principal 32

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Presión de pascal (Porto & Merino, 2015) 4 Figura 2. Rueda hidráulica 4 Figura 3. Sistema hidráulico (INGEMECANICA, 2018) 5 Figura 4. Depósito de aceite hidráulico 6 Figura 5. Banco de válvulas de dos y seis servicios Fuente: (HSTM, 2017) 7 Figura 6. Cilindro hidráulico (Arcadio Ríos, 2015) 7 Figura 7. Conexiones hidráulicas (Águeda, Navarro, & Gómez, 2012) 8 Figura 8. Diagrama del sistema hidráulico y estructura 10 Figura 9. Brazo (Escuela Pedro Aguirre, 2011) 11 Figura 10. Boom SOLIDWORKS 12 Figura 11. Stick SOLIDWORKS 12 Figura 12. Cucharon SOLIDWORKS 13 Figura 13. Boom Central SOLIDWORKS 13 Figura 14. Acoples Móviles SOLIDWORKS 14 Figura 15. Chasis SOLIDWORKS 14 Figura 16. Estabilizadores SOLIDWORKS 15 Figura 17. Tren de rodaje SOLIDWORKS 15 Figura 18. Mangueras hidráulicas 16 Figura 19. Banco de válvulas 16 Figura 20. Manómetro de presión rango de 0 – 2000 psi 17 Figura 21. Cilindro hidráulico 17 Figura 22. Reservorio de aceite 17 Figura 23. Visor de nivel de aceite 18 Figura 24. Filtro de aceite 18 Figura 25. Tapa de reservorio 19 Figura 26. Motor Honda (Honda, 2010) 20 Figura 27. Fases del proceso de diseño 21 Figura 28. Volumen de concreto dentro de pala SOLIDWORKS 22 Figura 29. Brazo Secundario SOLIDWORKS 23 Figura 30. Diagrama de fuerzas SOLIDWORKS 24 Figura 31. Diagrama de momentos SOLIDWORKS 24 Figura 32. Detalle de maquina SOLIDWORKS 26

v

ÍNDICE DE ANEXOS Anexo 1. Manual de uso del brazo hidráulico 38 Anexo 2. Tabla de actor de Sobrecarga 39 Anexo 3. Planos del brazo hidráulico y descripción de piezas 40 Anexo 4. Dimensiones del brazo hidráulico 41 Anexo 5. Dimensiones del chasis 42 Anexo 6. Dimensiones del boom central 43 Anexo 7. Dimensiones de boom 44 Anexo 8. Dimensiones del stick 45 Anexo 9. Dimensiones del cucharon 45 Anexo 10. Soldadura del boom 47 Anexo 11. Soldadura de cilindro hidráulico 47 Anexo 12. Armado de cilindro hidráulico 48 Anexo 13. Doblado del manto del cucharon 48 Anexo 14. Soldadura del cucharon 49 Anexo 15. Ensamblaje de acoples móviles 49 Anexo 16. Acoplamiento del pin de boom central 50 Anexo 17. Ensamblado del brazo hidráulico 50 Anexo 18. Brazo ensamblado 51

1

RESUMEN En la antigüedad los primeros tractores aparecieron en el siglo IXX impulsados por motores grandes y pocos eficientes, tractores fueron los encargados de principales movimientos de tierra para la apertura de nuevas conexiones viales de aquella época y con ello comenzó un largo camino en la evolución de este tipo de maquinaria pesada. En la actualidad el uso de la hidráulica es de vital importancia en nuestra vida diaria ya que la podemos encontrar en todas partes o podemos decir que tuvieron algún tipo de función para la construcción de algún proyectos de beneficio a la sociedad que nos rodea, podemos apreciar su uso a diario ya sea en los medios de transportes, edificaciones, vías, puentes, etc., lo cual crea una gran necesidad de adquirir conocimiento sobre todos los aspecto que tienen que ver con este tema ya sea sus principios de funcionamiento, las parte que la componen un sistema hidráulico, sus aplicaciones, sus ventajas, sus desventajas, su avance a través de la historia y sobre todo como usar estos conocimientos en nuestra vida diaria.

1. INTRODUCCIÓN

2

1. INTRODUCCIÓN La hidráulica hoy por hoy constituye una herramienta muy útil y versátil para la realización de tareas manuales facilitándolas y disminuyendo el tiempo de realización de cada, ayudando así al desarrollo de una sociedad. Además, cuenta con una gran gama de usos y facilidades de aplicación a casi todos los sistemas empleados. Esto ha generado que desde los primeros años de la vida estudiantil de una persona se impartan pequeños conocimientos sobre hidráulica y sus diversas aplicaciones. En nuestra educación como profesionales hemos recibido conocimientos más profundos sobre este tema, pero en la actual sociedad es mayor la exigencia de profesionales capaces de desenvolverse en los distintos campos laborales donde estos conocimientos hacen gran diferencia entre un profesional únicamente teórico y uno profesional teórico práctico. Por esta razón veo la necesidad de aportar una maqueta hidráulica didáctica en la cual se pueda palpar los conocimientos recibidos en el aula y comprobar todos los aspectos concernientes a la hidráulica como asignatura; para este proyecto la maqueta hidráulica didáctica será un brazo de excavadora. (Alfonso M. C., 2015) El presente proyecto nos permitirá simular el trabajo, los movimientos, las presiones, las partes, y el material de cada uno de los elementos de un brazo hidráulico. (Canales & León, 2014) El diseño de este será simulado en un software para de esta seleccionar los materiales, las presiones de igual manera serán simuladas en un programa informático luego de lo cual se procederá a la construcción de este. El objetivo de este proyecto es que sea usado en las carreras de Ingeniería Electromecánica, Ambiental y Automotriz en la asignatura de Neumática e Hidráulica y aportar a un aprendizaje teórico – práctico. Además, realizare un manual de mantenimiento y guías prácticas que podrán ser desarrolladas en clase. (Cebolla C, 2013) Esta investigación se basa en el desarrollo de tecnología enfocada a pequeños proyectos donde el factor económico y tiempo son determinantes y decisivos para la viabilidad de estos. Con el diseño y fabricación de un brazo hidráulico este proyecto aportará con una herramienta didáctica con la cual reforzaremos los conocimientos recibidos en el aula de clases. (David Gerald Capcha, 2018) El impacto social que provoca esta investigación es la mejora de la viabilidad en proyectos donde intervengan sistemas hidráulicos, ya que al contar con profesionales capacitados en generación de tecnología hidráulica podemos

3

mejorar procesos de producción y de servicios, aumentando el margen de ganancia para los inversionistas y con ello la confianza para invertir en estos pequeños proyectos y así generamos fuente de trabajo para nuestra ciudad. (Díaz B, 2013) El impacto técnico que brinda esta investigación es el aporte de una herramienta practica para los estudiantes de la Universidad UTE que estudien las carreras de Ingeniería Automotriz y Electromecánica con el objetivo de reforzar los conocimientos teóricos adquiridos en clases, logrando así un conocimiento integral en las áreas donde se pueda utilizar esta investigación y aplicación de la misma. El impacto metodológico que brinda esta investigación es la tecnificación e innovación de proceso para proyectos hidráulicos. Con esto podemos lograr ahorro de tiempo y mejor calidad de las aplicaciones donde se puedan usar la implementación de esta información. Además, tiene gran inferencia en la reingeniería metodológica de las actividades donde podamos aplicar esta investigación. (Gere & Goodino, 2017) La implicancia Práctica de esta investigación es el desarrollo tecnológico en proceso donde se requiera conocimientos hidráulicos para la implementación de nuevas herramientas, con lo cual mejora las utilidades para estos proyectos, los tiempos entren proceso y proceso mejoran, aprovechamiento en la variedad de uso que se puede dar a la aplicación de esta investigación, y facilidad de uso de esta. (Jaime Díaz, 2006) Al mejorar los procesos en los que intervengan este brazo hidráulico se disminuirá el impacto ecológico respecto al consumo de combustibles fósiles, ya que por una parte reducimos en un 70 % el requerimiento de combustible y por otra parte mitigaremos el uso de aceite ya sea de motor, transmisión e hidráulico debido a que el motor generador de potencia es de un tamaño mucho menor que los que existen actualmente. (Jaime Gilardi, 2002) 1.1. MARCO TEÓRICO Para inicias este cápitulo vamos a ver los conceptos básico que se van a emplear en el presente proyecto de titulación. 1.1.1. PRESIÓN Según (Robert Mott, 2006, pág. 3) “se define presión como la cantidad de fuerza que se ejerce sobre una unidad de área de alguna sustancia.” Este es el principal concepto ya que desde aquí partiremos con los estudios para

4

definir otras partes del proyecto tal como estructura, sistema hidráulico y motor generador de energía. (Lesur E, 2015) 1.1.2. PRINCIPIO DE PASCAL Se define como la presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido. (FISICA TERNODIMANICA , 2014)

Figura 1. Presión de pascal (Porto & Merino, 2015)

1.1.3. HIDRÁULICA Hidráulica, aplicación de la mecánica fluidos en ingeniería para construir dispositivos que funcionan con líquidos, por lo general agua o aceite. (Dionicio Gutierrez, 2016) 1.1.4. LA RUEDA HIDRÁULICA El más antiguo de los motores hidráulicos es la rueda hidráulica que está constituida por una serie de palas dispuestas en forma de rueda; en la cual el agua, al caer, choca contra las palas e impulsa a éstas con lo que se consigue el movimiento de la rueda. (Marta Pérez, 2009)

Figura 2. Rueda hidráulica

5

1.1.5. SISTEMA HIDRÁULICO Es el encargado de convertir la energía mecánica en energía hidráulica con el objetivo de realizar un trabajo ya sea cinemático o estático. (Munice power Products, 2012)

Figura 3. Sistema hidráulico (INGEMECANICA, 2018)

Las partes que constituyen un sistema hidráulico son: • Bomba hidráulica • Filtro de aceite hidráulico • Depósito de aceite hidráulico • Banco de válvula • Actuadores • Conexiones hidráulicas

1.1.5.1. Bomba hidráulica Las bombas tienen como función transformar la energía mecánica o eléctrica en energía hidráulica. De acuerdo con su capacidad de variación de caudal existe la siguiente división: bombas hidráulicas de caudal fijo y bombas hidráulicas de caudal variable. (Roldan V, 2012) Las bombas de caudal fijo se dividen en: • Bombas de paletas • Bombas de engranajes externos • Bomba de pistones Las bombas de caudal variable se dividen en: • Bomba de pistones radiales • Bomba de paletas

6

1.1.5.2. Filtro de aceite hidráulico Este componente del sistema de lubricación tiene una gran importancia, debido a que el aceite se contamina con el tiempo y pierde sus características. Existen tres causantes de la pérdida de vida útil del aceite, estas son: (Armando Alvarado Chaves, 2004) • Por partículas sólidas que llegan del exterior sin que sean filtradas y

que ingresar al motor por admisión, orificio de llenado de aceite o por el respiradero del cárter

• Por contaminación con líquido por lo general se trata de agua debido algún tipo de falla en el sellado del sistema.

• Debido al depósito que se almacena en el depósito de aceite hidráulico debido a desgaste de piezas.

1.1.5.3. Depósito de aceite hidráulico Como su nombre lo describe es un depósito cuya función principal es almacenar aceite hidráulico, además, cuenta con otras importantes funciones como son: disipar calor del sistema y separar el aire que se genera por el movimiento del aceite hidráulico. Dicho depósito debe contar con ciertas propiedades como resistencia y capacidad idóneas. Los depósitos de aceite hidráulico cuentan con las siguientes partes: tapa de llenado, mirilla o visor de nivel de aceite, tuberías de suministro y retorno y drenaje.

Figura 4. Depósito de aceite hidráulico

1.1.5.4. Banco de válvulas El banco de válvula es el elemento de control que le permite al operario seleccionar distintas acciones sobre el sistema hidráulico tales como: elevaciones, traslado y giro de un sistema mecánico. Existen varios tipos de

7

banco de válvulas según su accionamiento y números de servicios con los que cuenta. Según esta clasificación encontramos banco de válvulas de accionamientos mecánicos o mecánicos-eléctricos y de una gran gama de servicios. (Miravete & Larrodé, 2004)

Figura 5. Banco de válvulas de dos y seis servicios Fuente: (HSTM, 2017)

1.1.5.5. Cilindro hidráulico Los cilindros hidráulicos pertenecen a la familia de actuadores hidráulicos, son mecanismo que consta de un cilindro, dentro del cual se desplaza un émbolo (pistón), y que transforma la presión de un líquido en energía mecánica. (Miravete & Larrodé, 2004) Cuenta con una gran gama de aplicaciones en todos los campos de la ingeniería, los podemos encontrar en muchos lugares como herramienta para facilitar acciones mecánicas. Las partes que conforman un cilindro hidráulico son: boquillas, horquilla, cilindro, cabezal trasero, cabezal delantero, vástago y émbolo.

Figura 6. Cilindro hidráulico (Arcadio Ríos, 2015)

1.1.5.6. Conexiones hidráulicas Es de vital importancia la correcta circulación de un fluido en un sistema hidráulico, por ello hay que tener en cuenta las conexiones existentes entre sí para obtener el mayor rendimiento del sistema como tal. Existen dos

8

grandes grupos de conexiones hidráulicas, estas son: (Águeda, Navarro, & Gómez, 2012) Conexiones hidráulicas principales: estas se subdividen en: • De aspiración • De presión • De retorno Conexiones hidráulicas secundarias: están se subdividen en: • De pilotaje • De drenaje

Figura 7. Conexiones hidráulicas (Águeda, Navarro, & Gómez, 2012)

El objetivo de este proyecto será diseñar y fabricar un brazo hidráulico didáctico, para esto nos basaremos en los siguientes objetivos específicos: analizar una estructura metálica que soporte las fuerzas existentes en un brazo hidráulico en funcionamiento y las diferentes partes que lo componen, realizar una selección de materiales y elementos que se utilizaran en la realización de la estructura metálica del brazo hidráulico, dimensionar y seleccionar un sistema hidráulico con relación presión caudal que genere las condiciones idóneas para el correcto funcionamiento del brazo hidráulico, comprobar el funcionamiento correcto del brazo hidráulico en diferentes condiciones de trabajo, realizar el manual de uso para el correcto funcionamiento del brazo hidráulico. (Antonio Creus Solé, 2011)

2. METODOLOGÍA

9

2. METODOLOGIA El proyecto se realizará en la ciudad de Santo Domingo de los Tsáchilas en la Universidad UTE sede Santo Domingo. Para este proyecto voy a utilizar el método científico, experimental, bibliográfico. Para el caso del análisis sobre la estructura empleada en la maqueta voy a utilizar el método científico el cual nos permitirá realizar diseños en solidworks, probando los distintos materiales, tipo de soldadura, tolerancias y mejor diseño para la fabricación de la estructura que soportará las fuerzas de acción de trabajo, peso del sistema hidráulico y generador que en este caso un M.C.I nono cilíndrico. Una vez simulado el mejor diseño estructural emplearemos el método d mediciones para la construcción física de la estructura seleccionada. Para diseñar el sistema hidráulico voy a utilizar el método experimental el cual nos permitirá dimensionar la bomba y el tipo de la misma que genere los mejores resultados en la relación presión- caudal para el correcto funcionamiento del brazo hidráulico, también mediante este método podemos seleccionar el tipo de banco de válvulas, tipos y diámetro de manguera hidráulica que soporte resista las presiones generadas por el sistema. Para el generador voy a utilizar el método experimental y bibliográfico con el objetivo de seleccionar el motor de combustión interna nono cilíndrico entre varios parámetros como tipos de combustible, par, torque y rpm que esté a la par al sistema hidráulico seleccionado. En el caso de la estructura voy a evaluar las siguientes partes: (Rodríguez, 2009) 2.1. RESISTENCIA Se calculará la resistencia nominal a la cual se puede someter la estructura a máximo trabajo y en condiciones controladas. Esto se hará mediante un programa de simulación computarizado el cual nos dará como resultado datos para el análisis de resistencia, con estos datos se va a dejar un rango de tolerancia para evitar la fatiga estructural, y posibles fallas en la resistencia estructural del brazo hidráulico. Otro punto para analizar son los cilindros hidráulicos los cuales soportarán las cargas necesarias para vencer el peso y resistencia al movimiento de la estructura y soportará las cargas generadas por la bomba hidráulica. (Secretaría de Gestión de Riesgos, 2016) 2.2. MATERIALES Se analizará los materiales idóneos para construcción de la estructura y sus diferentes partes como son: cuerpo de boom, stick, pines, bocines,

10

cucharon, elementos de ataque como son las uñas y los esquineros, “H “de cucharon, tirantes de “H “de cucharon, pernos de seguros, rodelas de ajuste, cauchos retenedores de grasa, soporte del boom, unión entre soporte y estructura base, estabilizadores, reservorio de hidráulico y bases de motor. Por otra parte, también se hará análisis de materiales para hacer los cilindros hidráulicos. 2.3. TIPOS DE SOLDADURA Vamos a analizar el tipo de soldadura entre las distintas formas de soldadura como son por medio de arco eléctrico, oxiacetilénica, por inducción, soldadura por puntos entre otras, esta soldadura debe cumplir ciertas características entre una de las más importantes es que mantenga la integridad estructural de las partes móviles y fijas del brazo hidráulico. Para cada una de estas partes que conforman el brazo hidráulico requiere de distintas características para su correcto proceso de soldadura y distintos tipos de material de aporte.

Figura 8. Diagrama del sistema hidráulico y estructura

2.4. PARTES DEL BRAZO HIDRÁULICO En este capítulo veremos las partes que conformarán y darán funcionabilidad al brazo hidráulico como tal. Para la realización de este proyecto vamos a diseñar y/o seleccionar los distintos componentes los cuales en conjunto nos permitirán dar funcionamiento al brazo hidráulico, este capítulo se dividirá en tres grandes grupos los cuales son: • Estructura • Sistema Hidráulico • Motor

11

Cada uno contará con sus respectivas subdivisiones, con el objetivo de tomar en cuanta cada parte que conforma este proyecto. 2.4.1. ESTRUCTURA Es un conjunto estable de elementos resistentes de una construcción con la finalidad de soportar cargas y transmitirlas, para llevar finalmente estos pesos o cargas al suelo. Esto es, un conjunto capaz de recibir cargas externas, resistirlas internamente y transmitirlas a sus apoyos. El suelo es por último quien recibe todos los efectos producidos por estas fuerzas. (UTN, 2017) Conforma una el esqueleto del proyecto, ya que en dicha estructura se acoplarán todos los demás componentes como los son el sistema hidráulico y motor. La estructura está conformada por las siguientes partes: • Brazo • Chasis • Estabilizadores • Tren de rodaje 2.4.2. BRAZO Vamos a comparar este componente con el brazo del cuerpo humano ya que cumplen funciones similares, y al igual ayudan con el equilibrio a sus respectivas estructuras.

Figura 9. Brazo (Escuela Pedro Aguirre, 2011)

También son similares a las partes que las conforman, las cuales en conjuntos ayudan a realizar las funciones antes mencionadas; dichas partes son: • Boom

12

• Stick • Cucharón • Boom central • Acoples móviles Boom Diseñado para el uso real en excavaciones, es un tubo cuadrado con un ángulo determinado el cual ayudará al incremento de profundidad al momento de una excavación, está acoplado desde el boom central hasta el stick, cumple la función de transmitir movilidad al brazo mediante presión hidráulica.

Figura 10. Boom (SOLIDWORKS)

Stick Tubo cuadrado encargado de transmitir movimiento desde el boom hasta el cucharon pasando por los acoples móviles mediante presión hidráulica.

Figura 11. Stick SOLIDWORKS

13

Cucharon

Diseñado para uso real en excavaciones en tierra y movimiento de material pétreo como arena, base, sub base, ripio, etc. El cucharon está compuesto por un manto, cuchilla de ataque, uñas de agarre, planchas laterales y orejas de acople.

Figura 12. Cucharon (SOLIDWORKS)

Boom central Diseñado para soportar el peso del boom, stick, acoples móviles, cucharon y peso referencial de carga; además es el encargado de darle giro al conjunto de brazo como tal mediante presión hidráulica. Se encuentra entre el chasis y el boom.

Figura 13. Boom Central (SOLIDWORKS)

Acoples móviles Son un conjunto de elementos los cuales son encargados de transmitir ayudar como puntos pivotes y como expansores de movimientos, estos elementos son: “H” de cucharon, pines, bocines y tirantes.

14

Figura 14. Acoples Móviles (SOLIDWORKS)

2.4.3. CHASIS Encargado de soportar todas las cargas cinéticas y estáticas del brazo y los demás componentes que integran este proyecto, para lo cual se diseñó una estructura capaz de resistir todas estas especificaciones, y además resistir el trabajo que se realizará en función al uso que se le dé a la maqueta ya sea excavar o movimientos de material.

Figura 15. Chasis (SOLIDWORKS)

2.4.4. ESTABILIZADORES Es la unión de dos tubos cuadrados en un ángulo de 100 ° y como su nombre lo indica su función principal es la de proporcionar estabilidad y fijación del chasis al suelo con el objetivo de aumentar la capacidad de movimiento de materiales, profundidad de excavación y alcance del brazo.

15

Figura 16. Estabilizadores (SOLIDWORKS)

2.4.5. TREN DE RODAJE Está formado por un tubo cuadrado acoplado a un eje con cojinetes los cuales dan movimiento giratorio a ruedas de 13 pulgadas de diámetro cuya función principal es la de dar movilidad y facilidad de traslado de un punto a otro a la maqueta.

Figura 17. Tren de rodaje SOLIDWORKS

2.5. SISTEMA HIDRÁULICO El sistema hidráulico utilizado para este proyecto cuenta con los siguientes elementos: • Bomba hidráulica • Mangueras hidráulicas • Banco de válvulas • Manómetro • Cilindros hidráulicos • Reservorio de aceite • Aceite hidráulico

16

2.5.1. BOMBA HIDRÁULICA Encargada de general la fuerza hidráulica que circulara en todo el sistema. Para este proyecto se utilizará una bomba con las siguientes especificaciones:

Tabla 1. Bomba Hidráulica BOMBA HIDRÁULICA Marca Caproni Tipo piñones Presión máx. 3625 psi Caudal 2.24 g/min Tipo de eje liso Diámetro de eje 1/2 pulgada rpm máx. 1800 rpm Huecos de fijación 2

2.5.2. MANGUERAS HIDRÁULICAS Encargada de conducir el aceite hidráulico por todo el sistema.

Figura 18. Mangueras hidráulicas

2.5.3. BANCO DE VÁLVULAS Es el encargado de distribuir el paso del aceite hidráulico hacia los cilindros hidráulicos o de retorno al reservorio. Este banco de válvula es de cuatro servicios lo que quiere decir que podemos usar hasta cuatro actuadores.

Figura 19. Banco de válvulas

17

2.5.4. MANÓMETRO Encargado de medir la presión a la que se ejerce sobre el pistón del cilindro hidráulico. En este caso usaremos uno manómetro de un rango que va desde cero hasta 2000 psi.

Figura 20. Manómetro de presión rango de 0 – 2000 psi

2.5.5. CILINDROS HIDRÁULICOS Son los actuadores existentes en el sistema cuya función es proporcionar el movimiento del brazo hidráulico. Para este proyecto se diseñó cuatro cilindros hidráulicos.

Figura 21. Cilindro hidráulico

2.5.6. RESERVORIO DE ACEITE Es el depósito donde se almacena el aceite hidráulico cuando no se encuentra a presión en el sistema.

Figura 22. Reservorio de aceite

18

Además, cuenta con estos elementos fijos en su estructura como son la salida y retorno aceite; también cuenta con elemento que se fijan al mismo mediante pernos, estos son: • Visor de nivel de aceite • Filtro de aceite • Tapa de reservorio Visor de nivel aceite Cumple la función de permitir divisar la cantidad de aceite hidráulico existente en el reservorio de aceite. Ubicado en la parte lateral superior del reservorio de aceite hidráulico.

Figura 23. Visor de nivel de aceite

Filtro de aceite Encargado de impedir el ingreso de partículas ajenas al aceite hidráulico. Se encuentra ubicado en la parte superior del reservorio de aceite hidráulico.

Figura 24. Filtro de aceite

Tapa de reservorio Una de las funciones es el sellado del reservorio de aceite hidráulico, otra función es la de permitir la salida de gases generados por el aceite en movimiento.

19

Figura 25. Tapa de reservorio

2.5.7. ACEITE HIDRÁULICO Para este sistema se utilizó un aceite semi sintético ISO 68 debido a todas las propiedades de incomprensibilidad y lubricación con las que cuenta este tipo de aceite. 2.6. MOTOR El motor utilizado para general energía mecánica al sistema hidráulico cumple con las siguientes especificaciones: Descripción de las características del motor seleccionado.

Tabla 2. Motor Honda

MOTOR HONDA GCV190 Tipo de motor Cilindro individual – 4 tiempos

Motor gasolina OHC eje vertical

Calibre x Carrera 69 x 50 mm Cilindrada 187 cm³ Relación de compresión 8.5: 1 Potencia neta 3.8 kW (5.1 HP) / 3600 rpm Potencia nominal 2.6 kW (3.5 HP) / 3000 rpm Par máximo neto 11.3 Nm / 1.15 kg f m / 2500 rpm Sistema de encendido Transistorizado Motor de arranque Tirador de arranque Capacidad del depósito de combustible 0.93 Litro Consumo de combustible a potencia nominal 1.3 L/H - 3000 rpm

20

Figura 26. Motor Honda (Honda, 2010)

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

21

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. ESTUDIO ESTRUCTURAL DE CHASIS Y BRAZO DEL

PROYECTO “El proceso de diseño comienza con la identificación de una necesidad. Con frecuencia, el reconocimiento y la expresión de ésta constituyen un acto muy creativo, porque la necesidad quizá sólo sea una vaga inconformidad, un sentimiento de inquietud o la detección de que algo no está bien”. Dicho de otra manera, el autor de la literatura lo establece por medio del siguiente flujo.

Figura 27. Fases del proceso de diseño que reconocen múltiples retroalimentaciones e

iteraciones (Diseño en ingeniería mecánica de Shigley) El presente documento parte de un objetivo bajo la necesidad de tener un brazo hidráulico que pueda llevarse a distintos puntos y realizar un movimiento de masa desde el piso a un punto cercano. (Brazo de retroexcavadora). 3.2. VOLUMEN Y MASA CARGA DEL CUCHARON A continuación, se detalla el volumen y masa de carga que tendrá la pala al momento de mover un material pesado como lo es el concreto (Carga de diseño).

22

Figura 28. Volumen de concreto dentro de pala (SOLIDWORKS)

Obteniendo Masa: 31,4 Kg Volumen: 0,01 𝑚3 Densidad de concreto: 2400 𝐾𝑔

𝑚3

El peso por ser considerado una fuerza de diseño se obtendrá de:

𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑔 [1] Donde: 𝑚 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 (𝐾𝑔)

𝑔 = 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 = 9,8 𝑚𝑠2

Reemplazando se tiene:

𝐹 = 31,4 𝐾𝑔 ∗ 9,8 𝑚𝑠2

𝑭 = 𝟑𝟎𝟕,𝟕𝟐 𝑵 Al encontrar la fuerza que ejerce el concreto (Diseño inicial por tener alta densidad) se realiza un diagrama de fuerzas para encontrar el equilibrio en el brazo secundario.

23

3.3. ESTUDIO ESTRUCTURAL DEL BRAZO DEL PROYECTO

Figura 29. Brazo Secundario (SOLIDWORKS) Como se puede apreciar en el grafico se tiene dos incógnitas en el sistema de fuerzas “F” y “RA”. A continuación, se utilizará la solución de ecuaciones por medio del equilibrio de fuerzas y el equilibrio de momentos.

�𝐹 = 0 ; (𝑆𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 = 𝑐𝑒𝑟𝑜)

�𝑀 = 0 ; (𝑆𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 = 𝑐𝑒𝑟𝑜)

Bajo las siguientes ecuaciones se desea visualizar las incógnitas:

�𝐹𝑌 = 0 ; (𝑆𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑒𝑛 "𝑌" = 𝑐𝑒𝑟𝑜)

∑𝑭𝒀 = 𝟎 ↑ ⁺ [2]

−𝐹 + 𝑅𝐴 − 307,72𝑁 = 0

Mediante la sumatoria de momentos se encuentra la siguiente incógnita

�𝑀𝑅𝐴 = 0 ⤽

𝑀1𝐴 − 𝑀2𝐴 = 0 (𝐹 ∗ 0,21 𝑚)𝐴 − (307,72 𝑁 ∗ 0,78 𝑚)𝐴 = 0

(𝐹 ∗ 0,21 𝑚)𝐴 − (240 𝑁 𝑚)𝐴 = 0

𝐹𝐴 =(240 𝑁 𝑚)𝐴

0,21 𝑚

𝐹𝐴 = 1142,85 𝑁 Reemplazando F en ecuación 1 se tiene:

−𝐹 + 𝑅𝐴 − 307,72𝑁 = 0 −1142,85 𝑁 + 𝑅𝐴 − 307,72𝑁 = 0

307 N F= RA

24

+𝑅𝐴 = +307,72𝑁 + 1142,85 𝑁 +𝑅𝐴 = 1450,5 𝑁

3.4. DIAGRAMA DE FUERZAS DEL BRAZO La siguiente figura muestra el diagrama de fuerzas:

Figura 30. Diagrama de fuerzas (SOLIDWORKS)

3.5. DIAGRAMA DE MOMENTOS DEL BRAZO Mediante la siguiente gráfica se representará el cálculo de momentos mediante el software solidworks.

Figura 31. Diagrama de momentos (SOLIDWORKS)

3.6. CALCULO DE PRESIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO 3.6.1. PRESIÓN MÍNIMA DEL SISTEMA Para el cálculo de presión que se necesita al elevar la carga de la pala se parte de las medidas estándar de tuberías.

25

En la siguiente tabla se muestra las medidas estandarizadas con las cual se va a trabajar en el proyecto para el diseño de cilindros hidráulicos

Tabla 3. Diámetros estandarizados

𝒅 = 𝑫 − 𝒆 [3]

Donde: D= Diámetro exterior e= Espesor de pared d= Diámetro interno

𝑑 = 1,99 𝑃𝑢𝑙𝑔 − 0,14 𝑃𝑢𝑙𝑔 𝑑 = 1,85 𝑃𝑢𝑙𝑔

El valor anterior nos permite saber cuánta área de contacto tendría el embolo del pistón. Calculo de área:

𝑨 = 𝛑 ∗ 𝒓𝟐 [4] Donde: A= Área π= Constante 3,14 r= Radio Y:

𝑟 = 𝐷2 [5]

𝑟 =1,85 𝑃𝑢𝑙𝑔

2

26

𝑟 = 0,92 𝑃𝑢𝑙𝑔 Calculo de área:

𝐴 = 3,14 ∗ (0,92 𝑃𝑢𝑙𝑔)2 𝐴 = 2,68 𝑃𝑢𝑙𝑔2

Calculo de Presión:

𝑃 = 𝐹𝐴 [6]

Donde: P= Presión F= Fuerza A= Área

𝑃 =357 𝑙𝑏𝑓

2,68 𝑃𝑢𝑙𝑔2

𝑃 = 133 𝑙𝑏𝑓

𝑃𝑢𝑙𝑔2

Al siguiente valor se multiplica por una constante de seguridad en diseño de 2,25 (Factores de sobrecarga):

𝑃 = 133 𝑙𝑏𝑓

𝑃𝑢𝑙𝑔2∗ 2,25

𝑃 = 300 𝑙𝑏𝑓

𝑃𝑢𝑙𝑔2

3.6.2. DISTRIBUCIÓN DE CILINDROS HIDRÁULICOS Una vez calculada la presión mínima de trabajo en el sistema, se detalla la distribución de los cilindros hidráulicos

Figura 32. Detalle de maquina (SOLIDWORKS)

Descrito el sistema se puede constatar que para ejercer la efectividad de trabajo necesita 4 gatos hidráulicos por tantos:

27

Presion total de bomba = 4 ∗ 300 𝑙𝑏𝑓

𝑃𝑢𝑙𝑔2

Presion total de bomba = 1200 𝑙𝑏𝑓

𝑃𝑢𝑙𝑔2

3.6.3. CALCULO DE CAUDAL Al ser conocida la cantidad de cilindros, el área y el desplazamiento del embolo se puede calcular la cantidad de aceite que la bomba debe suministrar al sistema.

𝑄 = 𝑉𝑡 [7]

Donde Q = Caudal V= Volumen t= Tiempo = (2 seg). l= longitud de carrera A= Área de embolo

𝑉 = 𝐴 ∗ 𝑙 [8] 𝑉 = 0,00173 𝑚2 ∗ 0,25 𝑚

𝑉 = 0,00043 𝑚3 Calculo de Caudal:

𝑄 = 𝑉𝑡 [9]

𝑄 = 0,00043 𝑚3

5 𝑠𝑒𝑔

𝑄 = 0,00008 𝑚3

𝑠𝑒𝑔

Calculo del caudal total de bomba: N= Numero de cilindros (4) Q= Caudal

𝑄 = 4 ∗ 0,0008𝑚3

𝑠𝑒𝑔

𝑄 = 0,00034 𝑚3

𝑠𝑒𝑔

𝑄 = 5,39 𝐺𝐿𝑃

28

3.7. ANÁLISIS ESTÁTICO DE CHASIS: Para dicho análisis se procede con la herramienta SIMULATION del Software SOLIDWORS En la siguiente tabla se va a describir las propiedades físicas con las que cuenta el material seleccionado para la construcción del chasis.

Tabla 4. Propiedades de material

Referencia de modelo Propiedades Componentes

Nombre: ASTM A36 Acero Tipo de modelo: Isotrópico elástico

lineal Criterio de error predeterminado:

Tensión máxima de von Mises

Límite elástico: 2.5e+008 N/m^2 Límite de tracción: 4e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson:

0.26

Densidad: 7850 kg/m^3 Módulo cortante: 7.93e+010 N/m^2

Sólido 1(Combinar1) (CHASIS DE RETRO)

Nota: En esta tabla se describe los tipos de sujeciones presentes en el chasis y sus fuerzas resultantes

Tabla 5. Cargas y Sujeciones Nombre de sujeción Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Fijo-1

Entidades: 4 cara(s) Tipo: Geometría fija

Fuerzas resultantes Componentes X Y Z Resultante Fuerza de reacción(N) -2518.98 -2486.74 16695 17066.1 Momento de reacción (N.m) 0 0 0 0

29

Tabla 6. Cargas Ejercidas

Nombre de carga

Cargar imagen Detalles de carga

Fuerza-1

Entidades: 1 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza normal Valor: 3360 lbf Ángulo de fase:

0

Unidades: deg

Fuerza-2

Entidades: 1 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza

normal Valor: -560 lbf Ángulo de fase: 0 Unidades: deg

Fuerza-3

Entidades: 1 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza

normal Valor: 560 lbf Ángulo de fase: 0 Unidades: deg

Gravedad-1

Referencia: Alzado Valores: 0 0 -9.81 Unidades: SI

Fuerza-4

Entidades: 1 cara(s) Tipo: Aplicar fuerza

normal Valor: 200 lbf Ángulo de fase: 0 Unidades: deg

Nota: En esta tabla se describirán las distintas fuerzas a las que se somete el chasis.

Tabla 7. Fuerzas resultantes Conjunto de selecciones Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante Todo el modelo N -2518.98 -2486.74 16695 17066.1 Conjunto de selecciones Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante Todo el modelo N.m 0 0 0 0 Nota: En la tabla se describe las resultantes de los ejes “x” “y” “z”.

30

Tabla 8. Resultados del estudio Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 VON: Tensión de von Mises

792.979 N/m^2 Nodo: 15318

8.83047e+007 N/m^2 Nodo: 21620

CHASIS DE RETRO-Análisis estático CHASIS-Tensiones-Tensiones1

Nota: En la tabla se representan las tensiones existentes en el chasis y el análisis estático del chasis.

Tabla 9. Chasis de brazo hidráulico Nombre Tipo Mín. Máx. Factor de seguridad

1

Automático 2.83111 Nodo: 21620

315267 Nodo: 15318

CHASIS DE RETRO-Análisis estático CHASIS-Factor de seguridad-Factor de seguridad1

Nota: En la siguiente tabla se representa el facto de seguridad mínimo y máximo

31

Tabla 10. Análisis estático para brazo principal

Referencia de modelo Propiedades Componentes

Nombre: ASTM A36 Acero Tipo de modelo: Isotrópico elástico

lineal Criterio de error predeterminado:

Tensión máxima de von Mises

Límite elástico: 2.5e+008 N/m^2 Límite de tracción: 4e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson:

0.26

Densidad: 7850 kg/m^3 Módulo cortante: 7.93e+010 N/m^2

Sólido 1(Combinar1) (BRAZO PRINCIPAL)

Nota: En la tabla se va a describir las propiedades físicas con las que cuenta el material seleccionado para la construcción del brazo.

Tabla 11. Cargas

Nombre de carga Cargar imagen Detalles de carga

Fuerza-1

Entidades: 2 cara(s), 1 plano(s) Referencia: Vista lateral Tipo: Aplicar fuerza Valores: ---, ---, 560 lbf Ángulo de fase: 0 Unidades: deg

Nota: En la tabla se describirán las distintas fuerzas a las que se somete el brazo.

Tabla 12. Fuerzas de reacción Conjunto de selecciones Unidades Suma X

Suma Y Suma Z Resultante

Todo el modelo N -4981.93 -0.122559 -0.0919189 4981.93 Conjunto de selecciones Unidades Suma X

Suma Y Suma Z Resultante

Todo el modelo N.m 0 0 0 0

32

Tabla 13. Resultados del estudio Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 VON: Tensión de von Mises

248071 N/m^2 Nodo: 4204

1.56687e+008 N/m^2 Nodo: 2279

Nota: En la tabla se representan las tensiones existentes en el chasis y el análisis estático del chasis.

Tabla 14. Brazo principal Nombre Tipo Mín. Máx. Desplazamientos1 URES: Desplazamiento

resultante 0 mm Nodo: 369

9.16816 mm Nodo: 137

BRAZO PRINCIPAL-Análisis estático 1-Desplazamientos-Desplazamientos1 NOTA: En esta tabla se presenta el desplazamiento máximo y míninos del boom.

33

Tabla 15. Factor de seguridad brazo principal Nombre Tipo Mín. Máx. Factor de seguridad1 Automático 1.59554

Nodo: 2279 1007.78 Nodo: 4204

BRAZO PRINCIPAL-Análisis estático 1-Factor de seguridad-Factor de seguridad1

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

34

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1. CONCLUSIONES • El presente proyecto tuvo como objetivo la construcción de un brazo

hidráulico que cumpliera varias condiciones de diseño, así también la aplicación del mismo en el campo de trabajo. Obteniendo resultados favorables con lo que actualmente se dispone en el área metalúrgica, entre esto está el aprovechamiento de los aceros al carbono ASTM A36 que se dispone en perfiles rectangulares, cuadrados etc. En la presente aplicación se consideró para el ensamble del chasis un perfil cuadrado de 3 Pulgadas con espesor de ¼ Pulgadas con un resultado del factor de seguridad de 2,8; es decir que la aplicación puede ser esforzada un 180% de la carga normal de trabajo antes de ser deformada.

• Realicé la selección de materiales mediante las distintas simulaciones

con el software solidworks dándonos resultados determinantes en lo que respecta a tipo y calidad de materiales, ya sea en la parte estructural como hidráulica.

• Otro de los resultados obtenidos en los aceros al carbono ASTM A36

bajo la simulación estática de cuerpos finitos fue, el brazo principal donde la aplicación del perfil cuadrado de 3 pulgadas a un espesor de ¼ pulgada maneja un factor de seguridad de 1,6; es decir que se puede sobrecargar al brazo un 60% de la carga nominal de trabajo antes de llegar a la deformación.

• Las presiones de diseño dentro de los cilindros hidráulicos a manejar

están oscilando entre los 200 PSI – 300 PSI. Por lo que se vuelve interesante al tener un circuito hidráulico paralelo cuya presión de la bomba debe ser no menor a 1200 PSI a un caudal de 5,39 GPM.

• Se realizó un manual de uso el cual está destinado a maximizar la vida

útil del brazo hidráulico y se llegó a la conclusión que el seguimiento paso a paso de este manual evitará accidentes mecánicos al momento de uso de la maqueta.

4.2. RECOMENDACIONES • Para evitar un choque precipitado entre el operador y la maquina al estar

operando, es necesario colocar estranguladores de presión y de esta manera modular el paso de aceite a cada uno de los cilindros hidráulicos.

35

• La lubricación en los puntos de apoyo y oscilación debe tener una

frecuencia quincenal para evitar el desgaste entre los cojinetes y los pasadores, al tener desgate la presión de operación ira disminuyendo, así como también la confiablidad de un buen trabajo.

• El operario a usar la maqueta debe seguir previamente paso a paso los

ítems indicados en el manual, ya que con el debido cumplimiento de los mismos mitigaremos la mayoría de riegos de daños prematuros de la maqueta hidráulica.

• El operario de la máquina debe estar capacitado para el uso de esta

maqueta debido a que existe peligro latente al momento de su uso. Con el objetivo de disminuir al máximo el peligro tanto para el operario como para las personas aledañas a la estructura del brazo hidráulico debe haber una distancia aproximada de tres metros entre sí.

BIBLIOGRAFÍA

36

BIBLIOGRAFIA Águeda, E., Navarro, J., & Gómez, T. (2012). Sistemas de Transmisión de

fuerzas y trenes de rodaje. Madrid: Paraninfo S.A. Alfonso M. C. (2015). Manual de Practicas de Soldaduras. Madrid: Ediciones

de la U. Antonio Creus Solé. (2011). NEUMATICA E HIDRAULICA . BARCELONA:

Printed in Spanin. Arcadio Ríos. (2015). La ingeniería agrícola del productor cubano. Cuba:

Editorial Infoiima. Armando Alvarado Chaves. (2004). MAQUINARIA Y MECANIZACION

AGRICOLA. Costa Rica: EUNED. Automatización Integral. (08 de 05 de 2011). Neumática, Hidráulica,

MicroControladores y Autómatas. Recuperado el 01 de 11 de 2018, de http://industrial-automatica.blogspot.com/2011/05/elementos-de-un-circuito-hidraulico.html

Canales, A. G., & León. (2014). INTRODUCCION A LA POTENCIA FLUIDA. MADRID: REVERTE S.A.

Cebolla C. (2013). AutoCAD. MEXICO: ALFAGUARA. Daniel Czekaj. (1988). Aplicaciones de la ingeniería. Roma: FAO. David Gerald Capcha. (03 de 06 de 2018). repositorio.utp. Obtenido de

repositorio.utp: http://repositorio.utp.edu.pe/bitstream/UTP/375/1/0910875.pdf

Díaz B. (2013). OPERACION DE FABRICACION. GUATEMALA : EDICIONES DE LA U.

Dionicio Gutierrez. (2 de 12 de 2016). "TÚPAC AMARU"-CUSCO. Obtenido de sistema-hidraulico: https://www.monografias.com/trabajos97/sistema-hidraulico/sistema-hidraulico.shtml

Escuela Pedro Aguirre. (13 de 10 de 2011). Robotica. Obtenido de http://ayudanteshumanos.blogspot.com/2011/10/carro-con-pinzas.html

FISICA TERNODIMANICA . (5 de 04 de 2014). HERNAN LEON . Obtenido de hernanleon1002.wordpress.com: https://hernanleon1002.wordpress.com/fisica-de-fluidos-y-termodinamica/primer-corte/marco-teorico/principio-de-pascal/

Gere, & Goodino. (2017). MECANICA DE MATERIALES. ESTADOS UNIDOS : CENGAGE LEARNING.

Honda. (20 de 01 de 2010). honda-engines. Obtenido de http://www.honda-engines-eu.com/documents/10912/15884/TS_GCV190

HSTM. (21 de 05 de 2017). bancos-de-valvulas-para-control-de-cilindros/. Obtenido de http://www.ashm.mx/blog/bancos-de-valvulas-para-control-de-cilindros/

37

INGEMECANICA. (20 de 11 de 2018). ingemecanica.com. Obtenido de https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn212.html

Jaime A Cardona. (28 de 04 de 2016). cursosequipopesadojaimecardona. Obtenido de cursosequipopesadojaimecardona: http://cursosequipopesadojaimecardona.blogspot.com/2016/04/los-tipos-de-sistemas-hidraulicos.html

Jaime Díaz. (2006). MECANICA DE FLUIDOS E HIDRAULICA. UNIVERSIDAD DEL VALLE.

Jaime Gilardi. (2002). MOTORES DE COMBUSTION INTERNA . COSTA RICA : IICA.

Kalpak, & Sepore. (2014). Manufactura, ingenieria y Tecnologia . España: Pearson.

Lesur E. (2015). Manual de printuras automotriz. Francia: Trillas. Marta Pérez. (3 de 7 de 2009). recuperado. Obtenido de https://e-

archivo.uc3m.es/bitstream/id/31314/PFC_Marta_Perez_Rodriguez.pdf/;jsessionid=3E1BDFADE6A1A4A4F6881E4610F64669

Miravete, A., & Larrodé, E. (2004). Trnasportadore y elevadores. Zaragoza: Reverte S.A.

Munice power Products. (2012). SISTEMAS HIDRAULICOS . FLORIDA: INTERUP.

Porto, J. P., & Merino, M. (2015). Definición. Obtenido de https://definicion.de/principio-de-pascal/

Robert Mott. (2006). Mecánica de fluidos. México: PEARSON EDUCACION. Roldan V. (2012). Tecnologia y circuito de aplicaciones neumatica,

Hidraulica y electricidad. Mexico: Paraninfo. Sapiensman. (8 de 6 de 2017). neumatica_hidraulica. Obtenido de

neumatica_hidraulica: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica.htm

UTN. (12 de 10 de 2017). frro.utn.edu.ar. Obtenido de https://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/civil/1_anio/civil1/files/IC%20I-Estructura.pdf

ANEXOS

38

ANEXOS

ANEXO 1. MANUAL DE USO DEL BRAZO HIDRÁULICO Para un correcto y seguro uso de esta maqueta debemos tomar en cuenta las siguientes indicaciones: • La maqueta debe estar previamente desanclada del vehículo

remolcador. • Chequear que la maqueta se encuentre nivelada a relación del suelo. • Debe estar colocados los estabilizadores en los puertos delanteros

del chasis. • Chequear niveles de fluidos del motor como lo son el aceite y

combustible, eso se hará antes de encender el motor. • Chequear la existencia de anomalías como la presencia de liquéos o

elementos flojos. • Para encender el motor debemos conocer que este equipo cuenta con

aceleración fija, también nos vamos ayudar de la siguiente imagen: (1) Válvula de combustible (2) Varilla Choke (3) Interruptor de apagado del motor • Chequear que la válvula de

combustible (1) esté en la posición abierta.

• Mueva la varilla Choke hacia la posición cebador (motor ahogado) cuando se encuentre frío.

• Empuñe el arrancador y tire suavemente hasta que sienta resistencia, después jale con fuerza.

• Una vez encendido el motor ubíquese en el lugar del operario y mediante el accionamiento de los mandos del banco de válvulas coloque el brazo retraído hacia el chasis con el boom alzado al máximo, esta será la manera correcta para chequear el nivel de aceite hidráulico.

• Después del uso de la maqueta asegúrese de dejar el brazo asentado en el suelo con la finalidad de liberar las presiones de los cilindros hidráulicos y evitar accidentes posteriores.

• Procesa apagar el motor accionando el interruptor de apagado del motor

39

ANEXO 2. TABLA DE ACTOR DE SOBRECARGA

40

ANEXO 3. PLANOS DEL BRAZO HIDRÁULICO Y DESCRIPCIÓN DE PIEZAS

41

ANEXO 4. DIMENSIONES DEL BRAZO HIDRÁULICO

42

ANEXO 5. DIMENSIONES DEL CHASIS

43

ANEXO 6. DIMENSIONES DEL BOOM CENTRAL

44

ANEXO 7. DIMENSIONES DE BOOM

45

ANEXO 8. DIMENSIONES DEL STICK

46

ANEXO 9. DIMENSIONES DEL CUCHARON

47

ANEXO 10. SOLDADURA DEL BOOM

ANEXO 11. SOLDADURA DE CILINDRO HIDRÁULICO

48

ANEXO 12. ARMADO DE CILINDRO HIDRÁULICO

ANEXO 13. DOBLADO DEL MANTO DEL CUCHARON

49

ANEXO 14. SOLDADURA DEL CUCHARON

ANEXO 15. ENSAMBLAJE DE ACOPLES MÓVILES

50

ANEXO 16. ACOPLAMIENTO DEL PIN DE BOOM CENTRAL

ANEXO 17. ENSAMBLADO DEL BRAZO HIDRÁULICO

51

ANEXO 18. BRAZO ENSAMBLADO

RESUMEN1. INTRODUCCIÓN1.1. MARCO TEÓRICO1.1.1. PRESIÓN1.1.2. PRINCIPIO DE PASCAL

Figura 1. Presión de pascal (Porto & Merino, 2015)1.1.3. HIDRÁULICA1.1.4. LA RUEDA HIDRÁULICA

Figura 2. Rueda hidráulica1.1.5. SISTEMA HIDRÁULICO

Figura 3. Sistema hidráulico (INGEMECANICA, 2018)1.1.5.1. Bomba hidráulica1.1.5.2. Filtro de aceite hidráulico1.1.5.3. Depósito de aceite hidráulico

Figura 4. Depósito de aceite hidráulico1.1.5.4. Banco de válvulas

Figura 5. Banco de válvulas de dos y seis servicios Fuente: (HSTM, 2017)1.1.5.5. Cilindro hidráulico

Figura 6. Cilindro hidráulico (Arcadio Ríos, 2015)1.1.5.6. Conexiones hidráulicas

Figura 7. Conexiones hidráulicas (Águeda, Navarro, & Gómez, 2012)2. METODOLOGIA2.1. RESISTENCIA2.2. MATERIALES2.3. TIPOS DE SOLDADURA

Figura 8. Diagrama del sistema hidráulico y estructura2.4. PARTES DEL BRAZO HIDRÁULICO2.4.1. ESTRUCTURA2.4.2. BRAZO

Figura 9. Brazo (Escuela Pedro Aguirre, 2011)Figura 10. Boom (SOLIDWORKS)Figura 11. Stick SOLIDWORKSFigura 12. Cucharon (SOLIDWORKS)Figura 13. Boom Central (SOLIDWORKS)Figura 14. Acoples Móviles (SOLIDWORKS)2.4.3. CHASIS

Figura 15. Chasis (SOLIDWORKS)2.4.4. ESTABILIZADORES

Figura 16. Estabilizadores (SOLIDWORKS)2.4.5. TREN DE RODAJE

Figura 17. Tren de rodaje SOLIDWORKS2.5. SISTEMA HIDRÁULICO2.5.1. BOMBA HIDRÁULICA

Tabla 1. Bomba Hidráulica2.5.2. MANGUERAS HIDRÁULICAS

Figura 18. Mangueras hidráulicas2.5.3. BANCO DE VÁLVULAS

Figura 19. Banco de válvulas2.5.4. MANÓMETRO

Figura 20. Manómetro de presión rango de 0 – 2000 psi2.5.5. CILINDROS HIDRÁULICOS

Figura 21. Cilindro hidráulico2.5.6. RESERVORIO DE ACEITE

Figura 22. Reservorio de aceiteFigura 23. Visor de nivel de aceiteFigura 24. Filtro de aceiteFigura 25. Tapa de reservorio2.5.7. ACEITE HIDRÁULICO2.6. MOTOR

Tabla 2. Motor HondaFigura 26. Motor Honda (Honda, 2010)3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN3.1. ESTUDIO ESTRUCTURAL DE CHASIS Y BRAZO DEL PROYECTO

Figura 27. Fases del proceso de diseño que reconocen múltiples retroalimentaciones e iteraciones (Diseño en ingeniería mecánica de Shigley)3.2. VOLUMEN Y MASA CARGA DEL CUCHARON

Figura 28. Volumen de concreto dentro de pala (SOLIDWORKS)3.3. ESTUDIO ESTRUCTURAL DEL BRAZO DEL PROYECTO

Figura 29. Brazo Secundario (SOLIDWORKS)3.4. DIAGRAMA DE FUERZAS DEL BRAZO

Figura 30. Diagrama de fuerzas (SOLIDWORKS)3.5. DIAGRAMA DE MOMENTOS DEL BRAZO

Figura 31. Diagrama de momentos (SOLIDWORKS)3.6. CALCULO DE PRESIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO3.6.1. PRESIÓN MÍNIMA DEL SISTEMA

Tabla 3. Diámetros estandarizados3.6.2. DISTRIBUCIÓN DE CILINDROS HIDRÁULICOS

Figura 32. Detalle de maquina (SOLIDWORKS)3.6.3. CALCULO DE CAUDAL3.7. ANÁLISIS ESTÁTICO DE CHASIS:

Tabla 4. Propiedades de materialTabla 5. Cargas y SujecionesTabla 6. Cargas EjercidasTabla 7. Fuerzas resultantesTabla 8. Resultados del estudioTabla 9. Chasis de brazo hidráulicoTabla 10. Análisis estático para brazo principalTabla 11. CargasTabla 12. Fuerzas de reacciónTabla 13. Resultados del estudioTabla 14. Brazo principal4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES4.1. CONCLUSIONES4.2. RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFIAANEXOSANEXO 1. MANUAL DE USO DEL BRAZO HIDRÁULICOANEXO 2. TABLA DE ACTOR DE SOBRECARGAANEXO 3. PLANOS DEL BRAZO HIDRÁULICO Y DESCRIPCIÓN DE PIEZASANEXO 4. DIMENSIONES DEL BRAZO HIDRÁULICOANEXO 5. DIMENSIONES DEL CHASISANEXO 6. DIMENSIONES DEL BOOM CENTRALANEXO 7. DIMENSIONES DE BOOMANEXO 8. DIMENSIONES DEL STICKANEXO 9. DIMENSIONES DEL CUCHARONANEXO 10. SOLDADURA DEL BOOMANEXO 11. SOLDADURA DE CILINDRO HIDRÁULICOANEXO 12. ARMADO DE CILINDRO HIDRÁULICOANEXO 13. DOBLADO DEL MANTO DEL CUCHARONANEXO 14. SOLDADURA DEL CUCHARONANEXO 15. ENSAMBLAJE DE ACOPLES MÓVILESANEXO 16. ACOPLAMIENTO DEL PIN DE BOOM CENTRALANEXO 17. ENSAMBLADO DEL BRAZO HIDRÁULICOANEXO 18. BRAZO ENSAMBLADO