ANSYS

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ANÁLISIS ESTATICO, DE FRECUENCIA Y PANDEO DEL BRAZO DE UNA EXCAVADORA MEDIANTE EL SOFTWARE ANSYS.

Felipe Bustamante, Santiago López y Néstor Darío Montiel

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Antioquia, Calle 67 Número 53 - 108, Medellín, Antioquia, Colombia.

Palabras clave: Brazo, retroexcavadora, pandeo, frecuencias, fuerza de excavación, pistón.

Resumen: El brazo de una retroexcavadora es una de las piezas que está expuesta a la mayor cantidad de esfuerzos, debido a que es a este a quien esta acoplado la cuchara (balde) necesaria para la extracción de material. Después de un previo análisis se optó por hacer el análisis en una posición en la cual la cuchara ya ha recolectado la máxima cantidad de material que ocupa el volumen total de la cuchara conociendo de antemano la magnitud de la fuerza en esa posición. El presente trabajo está dedicado al análisis de la estructura y de los movimientos que realizan las máquinas excavadoras, el método utilizado para el presente diseño es analizar la estructura de forma estática (necesario para hallar las reacciones en el brazo) ubicando las restricciones de movimiento de cada articulación e interacción de piezas  y de esta manera obtener la magnitud de los esfuerzos presentes en la pieza. El segundo análisis corresponde al análisis de las características de vibración, calculando frecuencias naturales y modos propios de la estructura, determinando su respuesta y evitando factores externos que iguales estas frecuencias. Por último se realizara un análisis de pandeo en el cual se muestra los desplazamientos de la pieza sometida a esas condiciones de carga.

Para todo esto nos valemos del módulo Workbench del  software ANSYS, mediante el método de elementos finitos.

1. INTRODUCCION:

Debido al crecimiento de la población y al avance de la tecnología el hombre ha intentado facilitar su trabajo con la ayuda de máquinas o herramientas. Actualmente se cuenta con maquinaria destinada a realizar trabajos de excavación y movimiento de tierra u otros materiales, en su mayoría este tipo de maquinaria es de grandes dimensiones utilizada para realizar trabajos de gran envergadura.

Si bien es habitual ver una máquina retroexcavadora desarrollando trabajos en distintas faenas, es natural preguntarse por ejemplo, del costo de la máquina, de sus características principales, su rendimiento etc.

La forma de abordar este problema fue mediante la recopilación de toda la información, disponible en primer lugar, de Internet, además de folletos técnicos de las distintas marcas, además de una visita a un centro de distribución y mantenimiento de maquinaria pesada (Mercovil) en donde se dieron de manera breve las características técnicas, rendimientos y otros datos para desarrollar el análisis.

Se analizara  el comportamiento de un brazo  correspondiente a una excavadora Caterpillar  Hidráulica 320C/320C L, cargada con una fuerza estática en la cuchara con el fin de encontrar posibles puntos críticos de inicio de rotura o fractura con el fin de hacer mejoras o recomendaciones. Se empieza  describiendo  el modelo, sus características geométricas, los datos necesarios para la simulación

1. DEFINICION DEL MODELO:

Para el análisis utilizaremos el brazo mostrado en la Figura 1 con las dimensiones y partes  mostradas en las imágenes a continuación.

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Figura 1 Elementos que componen el brazo

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Figura 2

La longitud del vástago del pistón es de 1710mm. El brazo a estudiar tiene una carga aplicada en la cara inferior del balde, lugar en el cual se genera la fuerza a la hora de hacer la recolección del material, además de eso tiene una fuerza aplicada en la parte superior en donde actúa uno de los pistones hidráulicos que son parte del ensamble.[pic 4][pic 5]

Se decidió analizar esta parte pues el mecanismo completo incluía gran cantidad de piezas, lo que nos llevaba a una muchas condiciones de frontera o restricciones, además de generar posibles errores en el proceso de mallado pues el tiempo para encontrar una solución aumentaría demasiado no llegando a la convergencia.

MATERIAL.

Para la fabricación de esta pieza se usan los siguientes materiales

CARGAS APLICADAS:

Para el análisis que se desea realizar las cargas en el sistema son dos, el peso del material contenido en la cuchara y la que ejerce el pistón de la cuchara para producir el movimiento. Las cargas se determinan con la ayuda del catálogo de una máquina excavadora Hidráulica 320C/320C L.  

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Para el pistón se escogió la fuerza de 159kN, ya que el brazo que nosotros utilizaremos es de 2,9m, y de acuerdo a este catálogo el modelo es R2,9B. Es la única fuerza que realiza el pistón y siempre es constante para poder mover la cuchara de la excavadora.

Como condición crítica escogimos la carga máxima que encontramos en el catálogo que estaría expuesta la cuchara también tomando como condición el brazo y la referencia de R2,9B; de 8600kg, con el fin de poder analizar el posible riesgo de fallo del brazo o la cuchara de esta excavadora.

Estas condiciones de carga fueron expuestas en el trabajo de la siguiente manera:

Para el pistón se ubicó mediante las componentes en Y, Z la fuerza debida, es decir en Y=63863N; Z=142325N.En cuanto a la cuchara su máximo peso era 8600kg, convirtiendo en Newton en la dirección Y negativa: Y=-83300N.

1. RESTRICCIONES.

En el modelo a analizar cuenta con las  restricciones deducidas luego de ver el funcionamiento en la vida real de este tipo de máquina, debido a que esta contiene muchas articulaciones y contactos fueron necesarias varias restricciones mostradas a continuación.

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