Universidad De Guanajuato Campus Irapuato-Salamanca División de Ciencias de la Vida Programa de Ingeniería Mecánico Agrícola
Diseño de Maquinaría Agrícola “Memoria de Diseño de una Pala Cargadora Frontal para Tractor Agrícola” Elaboró: Vargas Ramos Julio César. Profesor: Dr. Ryszard Jerzy Serwatowski Hlawinska .
Irapuato, Guanajuato. México. 5 de junio de 2015
1.Introducción
1.1.
Definición de Pala Cargadora
Se llama pala cargadora, cargadora de pala frontal, pala cargadora frontal o simplemente cargador, a la pala mecánica compuesta de un tractor sobre orugas o neumáticos equipado de una cuchara cuyo movimiento de elevación se logra mediante dos brazos laterales articulados. Estos brazos o largueros articulados se acoplan los cilindros hidráulicos y dos cuadriláteros articulados. Este conjunto forma el chasis principal de la pala cargadora. En el caso de los tractores agrícolas el chasis principal se acopla al chasis del propio tractor agrícola mediante un subchasis específico para cada modelo de tractor. Este subchasis es diseñado y fabricado de forma particular para cada marca y modelo de tractor agrícola.
El
sistema hidráulico de la pala cargadora se alimenta del sistema hidráulico del propio tractor al
cual esta acoplada. La pala
cargadora toma del tractor el fluido de trabajo y la bomba de presión. El sistema hidráulico de este tipo de palas cargadoras está formado por dos parejas de cilindros hidráulico. Los cilindros hidráulicos principales son los encargados de elevar la carga y los cilindros hidráulicos secundarios encargados mover el cazo. El manejo de este tipo de palas cargadoras es muy sencillo e intuitivo, los movimientos se controlan desde la misma cabina del tractor mediante un distribuidor hidráulico.
1.2.
Partes Fundamentales de la pala
cargadora En la siguiente figura se muestran las partes fundamentales que forman la pala cargadora frontal de este proyecto.
4
1
2
3 5
Fig.1. Perspectiva de la pala cargadora diseñada. Donde: 1 Subchasis: Es la pieza de unión entre el chasis de tractor agrícola y el chasis principal y el cilindro hidráulico principal. 2 Cilindro hidráulico principal: Estos cilindros son los cargados de elevarla el chasis principal y por lo tanto la carga que queremos elevar. Está conectado por un extremo a los largueros y por el otro al subchasis. 3 Largueros: Junto con los refuerzos en las zonas que más tensión soportan forman el chasis principal, es el encargado de soporta las
distintas fuerzas además de servir como sujeción de los demás elementos. 4
Cilindro
hidráulico
secundario:
Estos
cilindros
son
los
encargados de vaciar la carga, están unidos a dos cuadriláteros articulados en sus dos extremos. 5 Cazo: Este elemento es el encargado de recolectar la carga.
2.Objetivo de Diseño Diseñar un implemento tipo pala cargadora frontal montada sobre un tractor agrícola, esta debe tener las siguientes especificaciones:
Capacidad de levante : 600kg Altura máxima de carga : 3.6 m a 4 m Alcance con aditamento sobre el suelo: 3m Tiempo de levante máximo: 5 seg.
3.Diseño Conceptual 3.1.
Posibles soluciones
Para el diseño de la pala cargadora han sido estudiadas las soluciones técnicas que utilizan los principales fabricantes de palas cargadoras tanto para tractor agrícola como industriales. Esto con la finalidad de recaudar ideas y comenzar con selección del esquema funcional del proyecto. A continuación se muestran algunos tipos de cargadores frontales:
Fig. 2 Pala cargadora Caterpillar.
Fig. 3 Cargador frontal Case L360.
Fig. 4 Cargador frontal Metal-Fach.
Fig.5 Cargador frontal Tenias.
3.2. Selección del esquema funcional
Acoplam iento
Mecanismo de cuatro barras articuladas
Fig. 6 Cargador Frontal Tenias. De esta última se tomaron varios conceptos como fueron los acoplamientos que conectan a los cilindros hidráulicos secundarios y a la biela que forma un mecanismo de cuatro barras con respecto a los largueros. Una vez teniendo claro los posibles elementos que tendrá nuestro cargador frontal se comienza a realizar la potencia hidráulica, estabilidad y la carga de eje delantero como la selección de neumáticos.
3.3. Selección del tractor Para la selección del tractor se toman los siguientes datos:
Peso total propuesto para la pala cargadora: 650 kg Capacidad de carga P: 600kg Ƞ Eficiencia mecánica hidráulica del sistema (¿¿ m h) : 0.7 ¿ Tiempo de levante máximo : 5 seg Altura máxima con carga: 4m
Con estos datos se puede calcular la potencia hidráulica necesaria para accionar el sistema: ( 6000 N +6500 N ) (4 m) Potenciahidraulica= =14285.71Watts=19.16 hp ( 0.7)(5 seg) Este valor de potencia se afecta por un factor dinámico de (1.25) Potenciahidrauli ca=( 19.16 hp ) ( 1.25 )=24 hp Como la potencia nominal de un tractor agrícola es la cuarta parte de la potencia hidráulica necesaria tenemos que: Potencianominal=24 hp∗4=96 hp
Se selecciono un tractor John Deere serie 6D de 106 hp (Ver anexo 1), los datos de interés son:
Caudal de la bomba hidráulica = 72.3 l/min Presión= 19.5 MPa ó 238 Lb/in2 Distancia entre ejes = 2310 mm Peso = 4354 kg Ancho delantero =1616mm
3.4. Estabilidad del tractor Se realizaron cálculos estáticos para la estabilidad del tractor y así seleccionar los neumáticos del tractor y determinar si se necesitan contrapesos en el eje trasero o delantero, esto se realizo con la ayuda de Auto CAD 2013 para tener una mejor exactitud en los cálculos. Se analizaron 4 posiciones (con la pala 10 cm por debajo del suelo, con la pala llena de carga pero en la posición 0, con la pala llena pero en la posición media, y con la pala llena en la posición máxima) en cada una se obtuvieron resultados similares, pero en las últimas dos se obtuvieron los datos más altos para la selección de los neumáticos, así se que solo se mostrara los resultados de estos dos casos (en el anexo 2 se muestra todo el procedimiento).
Fig.7 Posición media
∑ MA=0
R 2=
R 2=
w∗d 1+G 1∗d 2+G 2∗d 3+ P∗d 4 2.31 m
( 4354 kg ) (1 m ) + ( 100 kg ) ( 1.5 m )+ ( 400 kg ) ( 3.1 ) + ( 750 kg ) (5.06 m) 4130.43 kg = =2064.71 kg carga roda 2.31 m 2
Fig.8 Posición máxima
∑ Fy=0 R 1=w+ G1−R 2+G 2+ P R 1=4354 +100−3542+ 400+750=
2062 kg =1031 kg Carga rodado delantero 2
Tabla.1 Selección de neumáticos (ver Anexo 3) Presión
Eje
Rodado
Carga
de inflado
Delanter o Trasero
Ply rating
10-16”
2110kg
2.3 bar
8
12.4-24”
1550 kg
0.8 bar
6
3.5. Análisis de las reacciones.
P
F 1
Esquema del
R a y
R A x Fig.9 cazo
∑ MA=0 F 1=
( P ) (270.4 mm) =5973.45 N 339 mm
RBx=5973.45∗sen 77=5820.35 N
RBy=5973.45∗cos 77=1343.73 N
∑ FX=0 RAx=
−5820.35 =−2910.17 N 2
∑ FY =0 RAy=
6156.27 N =3078.135 N 2
Fig.10 Esquema del platano
∑ MC=0 Fcil=
( 5973.45 N ) (429.75 mm) =6204 N 413.78
∑ FX =0 RCx=Fcil∗sen 72−F 2∗Sen 77
RCx=
5900.35 N −5820.35 N =40 N 2
∑ FY =0 RCy=Fcil∗cos 72−F 2∗cos 77
RCy=
573.4 N =286.7 N 2
Fig.11 del
Esquema corazón
∑ ME=0 Fcil=
( 6204 N ) (332 mm) =8618.1 N 239 mm
∑ FX =0 REx=F 3∗sen 77−Fcil∗Sen72
REx=
2341.2 N =1170.6 N 2
∑ FY =0 REy=Fcil∗cos 72−F 2∗cos 73
REy=
4279 N =2139.5 N 2
Fig.12 Esquema del larguero y las cargas que actúan en él
∑ MK =0 Fcil=
( 4000 N ) ( 1626 mm ) + ( 7500 N )( 3602 mm )−(8618.1 N )(238 mm) =78589.24 N 400 mm
∑ FX =0 RKx=−F 3∗sen 73+ Fcil∗cos 26
RKx=
70635.54 N−8244.43 N =31197 N 2
∑ FY =0 RKy=F 3∗cos 73−Fcil∗sen 26+ G2+ P
RAy=
2519.66 N + 4000 N −34451.25 N + 7500 N =10215.8 N 2
3.6. Selección del Cilindro Principal. Parámetros para la selección
Fcil = 8833.78Lb Presión disponible del tractor=2688.5 Psi Eficiencias mecánica hidráulica del cilindro= .97 Primero se calcula el área del cilindro teniendo: A=
Fcil 8833.78 lb = =3.388 ¿2 ∆ P∗Ƞmhc 2688.5 psi∗.97
A=
π∗D 2 Despejando el diametro tenemos … 4
D=
√
A∗4 =2∈¿ π Carrera del vástago.
Carrera= posicion maxima− posicion cerrada∗modelo del cilindro carrera=19∈¿ 4=76∈¿
Diámetro de vástago (d) =1 in (véase anexo 4)
3.7.
Selección Cilindro Secundario.
Parámetros para la selección Fcil = 3102N Presión disponible del tractor=2688.5 Psi Eficiencias mecánica hidráulica del cilindro= .97 Primero se calcula la carrera del vastago:
Carrera del vástago.
Carrera= posicion de descarga− posicion cerrada
carrera=1634.72mm−1348.43 mm=11.5 ∈¿ Se multiplica Fcil por un factor dinámico de (1.25) Fcil=3102 N=697.26 lb∗1.25=871.7 lb
Se suponen los diámetros de cilindro y del vástago y se calcula el área 1∈¿2 2 1∈¿ 1.5∈¿2 −¿ =0.98175 ¿ 4 3.1416∗¿ π ( D2−d 2) A= =¿ 4 2
1∈¿ ∗2688.5 Psi∗.97=2560.25lb Fcil=0.98175 ¿ Las dimensiones del cilindro son óptimas para el diseño ya que puede cargar 3 veces más de lo que se requiere.
3.8.
Selección de pernos
Primero se calcula el factor de seguridad empleando el método de pugsley (ver anexo 4) Los pernos de todo el implemento se diseñaran con base a la fuerza más grande que se presento, esto para uniformizar los diámetros. Parámetros de diseño:
Material AISI 1018, esfuerzo cortante max = 220Mpa Factor de seguridad de 2.5(obtenido mediante el método de pugsley) Fmaz=Fcil principal=39294.62N P 39294.62 N A= = =1.8 x 10−4 m2 τV 220 MPa
D=
3.9.
√
1.8 x 10−4 m2∗4 =1.5∈ Diametro de todos los pernosde la pala cargadora π
Selección del material para los largueros
R-B` y MBB`
RC y RAx
RC x
RB-B` x RB-B` y
Fig.13 parte del larguero a analizar
∑ MB−B '=0 MB−B ' =286.7 N∗1 m+ 3078.1 N∗1.54 m=5025.28 Nm
∑ FY =0 RB−B' =286.7 N +3078.1 N RB−B'=3364.8 N
Parámetros de diseño:
Placa de ½ in de acero ASTM A500-B
de
alta
resistencia
con límite de fluencia 3230 kg/cm2. Fig.14. diagramas de fuerzas cortantes y momentos flexionantes. El esfuerzo cortante resultante se multiplica por un Factor de seguridad de 2.5. Se realizo con placa, ya que los largueros son de sección longitudinal variable y no existen en el mercado perfil con estas características, la sección va desde 2 in de alto x 2 in de base, hasta 7in de alto x2in de base, para los dos largueros.
Iy=
1 [ ( 2 )1 ( 4 )3 −( 1 )( 3 )3 ]=8.41 ¿4 12
τxv=
5025.28 Nm∗2.2∗39.37∗2 10351 lb = ∗2.5=25877.5 lb/¿ 2 2 8.41 ¿
25877.5 Psi < 45941.4 Psi ,
Fig.15 perfil de diseño
4. Diseño final. Para realizar el sólido de la pala cargadora frontal se utilizo el programa de AutoDesk Inventor 2013, en este programa se realizaron todas las piezas que en conjunto forman la pala cargadora frontal
para tractor agrícola. Fig.16 Vista lateral (posición 0) Fig.16 Vista lateral (posición media)
Fig.16 Vista lateral (posición máxima, antes del descargue). 5.
Especificaciones finales
Fig.17 Esquema general de la pala cargadora frontal
Parámetro
Dimensión
Altura máxima de elevación (A) Altura libre con cucharón nivelado (B) Altura libre con cucharón en descarga (C) Profundidad de excavación (H) Ángulo máximo de descarga (E) Retracción a nivel del suelo (G) Largo de la cuchara Volumen
4m 3.8m 3.4m 10 cm 76° 30° 2m .63m3
ANEXO 1 FICHA TÉCNICA DEL TRACTOR SELECCIONADO
ANEXO 2 CÁLCULOS PARA EL DISEÑO
ANEXO 3 SELECCIÓN DE NEUMÁTICOS
ANEXO 4 FACTOR DE SEGURIDAD ( MÉTODO DE PUGSLEY)
