Arequipa, 30 de junio de 2016
DISEÑO DE UN BRAZO A PARTIR DEL PRINCIPIO DE UNA PALA HIDRÁULICA Y MECÁNICA Universidad Católica de Santa María Facultad de Ciencias Físicas y Formales Programa de Ingeniería Mecánica, Mecánica-Eléctrica y Mecatrónica Curso: Termodinámica I Docente: Ing. Camilo Fernández Barriga
INTEGRANTES: Castro Salazar, José Quiroz Núñez, Gonzalo Villanueva Palo, Andrea
A
INDICE CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN .................................................................. 4 OBJETIVOS ............................................................................................. 5 OBJETIVO GENERAL.............................................................................. 5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................... 5 DIAGRAMA DE GANTT ............................................................................. 5 CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ............................................................... 6 1. PALA HIDRÁULICA ........................................................................... 6 1.1. HISTORIA........................................................................... 6 1.2. LAS EXCAVADORAS HIDRÁULICAS HOY EN DÍA .............. 10 1.3. CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO DE UNA PALA HIDRÁULICA ..................................................................................... 12 2. PALA MECÁNICA ............................................................................ 17 2.1 HISTORIA ........................................................................... 17 2.2 CARACTERISTICAS Y PARTES........................................... 19 2.3 FUNCIONAMIENTO O PRINCIPIO ........................................ 20 3. FALLAS EN LAS PALAS HIDRÁULICAS Y MECÁNICAS .................... 20 3.1. MECANISMOS DE DESGASTE .......................................... 20 3.2. DESGASTE ABRASIVO ..................................................... 21 3.3. LUBRICACIÓN DE BOMBAS HIDRÁULICAS ...................... 21 3.4. OXIDACIÓN DEL FLUIDO .................................................. 21 3.5. SOBRE PRESURIZACIÓN ................................................. 21 3.6. DESGASTE ADHESIVO ..................................................... 21 3.7. DESGASTE POR EROSIÓN ............................................... 21 3.8. DESGASTE POR CAVITACIÓN .......................................... 21 3.9. DESGASTE CORROSIVO .................................................. 21 3.10. DESGASTE POR FATIGA ................................................. 22 22
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4. SOLUCIONES PARA LAS FALLAS DE LAS PALAS HIDRÁULICAS Y MECÁNICAS ......................................................................................... 23 4.1. EN LA BOMBA .................................................................. 23 4.2. EN EL SISTEMA DE LUBRICACIÓN ................................... 25 4.3. EN LOS CILINDROS HIDRÁULICOS .................................. 26 CAPÍTULO III: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ............................................. 29 1. MAQUETA 1: BRAZO HIDRÁULICO ................................................. 29 Pártes básicas de la maqueta ................................................... 29 Materiales necesarios: ............................................................. 31 Herramientas necesarias: ........................................................ 31 2. MAQUETA 2: BRAZO MECÁNICO .................................................... 32 3. DISEÑO DEL BRAZO ....................................................................... 35 CAPÍTULO IV: RESULTADOS Y CONCLUSIONES ................................... 37 1. DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ...................................... 37 2. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES ............................................. 38 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................... 39
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TABL ABLA A DE FIGURAS FIGURA1. PRINCIPIO DE LA PALA MECÁNICA, MECÁNICA, MEDIANTE POLEAS. POLEAS. .................... .......... .................... ............ .. 7 FIGURA 2. FUNCIONAMIENTO CILINDRO-PISTÓN CILINDRO-PISTÓN DE LA PALA HIDRÁULICA. .................. ........... ....... 7 FIGURA 3. INICIOS DE LAS EXCAVADORAS Y GRÚAS. ..................................................... 8 FIGURA 4. PALA HIDRÁULICA. ........................................................................................ 9 FIGURA 5. FUNCIONAMIENTO PALA HIDRÁULICA. .......................................................... 9 FIGURA 6. PRIMERA PALA HIDRÁULICA. ....................................................................... 10 FIGURA 7. CLASES DE PALA HIDRÁULICA .................................................................... 11 FIGURA 8. PARTES DE UNA PALA HIDRÁULICA ............................................................. 12 FIGURA 9. FUNCIONAMIENTO DE COMPONENTES ESPECÍFICOS. ESPECÍFICOS. .................... ......... ..................... ............. ... 14 FIGURA 10. SISTEMA DE CHASIS DE ORUGAS............................................................... 15 FIGURA 11. ACCIONAMIENTO DE LAS PALAS HIDRÁULICAS ......................................... 16 FIGURA 12. PALA MECÁNICA ANTIGUA. ........................................................................ 17 FIGURA 13. MUÑECA EXCAVADORAS ........................................................................... 18 FIGURA 14. PARTES DE UNA PALA MECÁNICA. ............................................................. 19 FIGURA 15. FUNCIONAMIENTO DE LA PALA MECÁNICA. ............................................... 20 FIGURA 16. PIEZAS MAQUETA 1. ................................................................................... 30 FIGURA 17. HOMBRO Y CODO DE LA PALA HIDRÁULICA. .............................................. 30 FIGURA 18. MUÑECA DE LA PALA HIDRÁULICA. ........................................................... 31 FIGURA 19. MAQUETA 2, VISTA GENERAL..................................................................... 32 FIGURA 20. MOVIMIENTO DE GIRO DEL HOMBRO CODO Y MUÑECA DE LA PALA MECÁNICA. MECÁNICA. ............................. ........................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ..................... ....... 32 FIGURA 21. MAQUETA GENERAL PALA MECÁNICA. ...................................................... 33 FIGURA 22. MUÑECA DE LA PALA MECÁNICA. .............................................................. 33 FIGURA 23. BRAZO ROBÓTICO, PROTOTIPO FINAL. ...................................................... 35 FIGURA 24. PARTES DEL CODO DEL BRAZO ROBOTICO. .............................................. 35 FIGURA 25. MUÑECA DEL BRAZO ROBÓTICO ............................................................... 36
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Desde hace más de un centenario, el ser humano ha buscado soluciones para remover grandes cantidades de tierra. Se valió del agua y, luego, otros fluidos, para construir máquinas que resolvieran su problema. La pala o retroexcavadora primero fue estática y desde 1900 fue mejorando a la que es hoy en día. Se pasó de una pala hidráulica a una mecánica. ¿Por qué no sacar lo mejor de ambas y construir algo más útil y de uso más común para el ser humano? Por ello se desea diseñar un brazo (una prótesis) que reuniera lo mejor de ambos diseños. Y, asimismo, ver temas de eficiencia. Esta investigación trata la aplicación del principio de la pala hidráulica y la pala mecánica en el diseño de un brazo, cuyo objetivo principal es: diseñar un brazo mediante los principios de una pala hidráulica y mecánica, el cual se llevará a cabo mediante el cumplimiento de los objetivos específicos, los cuales son: Conocer el principio y funcionamiento de una pala hidráulica, conocer el principio y funcionamiento de una pala mecánica, hacer el diseño de un brazo a partir del principio y funcionamiento de una pala hidráulica y mecánica. La metodología aplicada es de revisión bibliográfica del tipo exploratorio-explicativo, cuya fuentes consultadas son principalmente: Sitios web como Todo Robot y blogs como margtecnología, y libros de historia y principio de las palas hidráulicas. Se consultaron, además, artículos web de nuevos y antiguos modelos de palas hidráulicas y sitios web de los principales productores como Hitachi y Caterpillar. Asimismo, se consultó páginas web y libros sobre el funcionamiento de un brazo humano para así poder imitar el movimiento de este.
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Diseñar un brazo mediante los principios de una pala hidráulica y mecánica. Conocer el principio y funcionamiento de una pala hidráulica. Conocer el principio y funcionamiento de una pala mecánica. Hacer el diseño de un brazo a partir del principio y funcionamiento de una pala hidráulica y mecánica.
SEMANA DESCRIPCIÓN
Formación del equipo Elección del tema Elaboración del primer informe Sustentación Fase I Diseño del proyecto Construcción del proyecto - Construcción de la maqueta 1 - Construcción de la maqueta 2 Sustentación Fase II Elaboración del informe final Elaboración del paper Elaboración del PPT Sustentación final (Fase III)
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La hidráulica es la ciencia que forma parte de la física y comprende la transmisión y regulación de fuerzas y movimientos por medio de los líquidos (Andrés, 2013). Es decir, en esta ciencia se ve el efecto que causan y generan los líquidos, los cuales son fuerzas y, en consecuencia, movimientos. Ocurre una transformación de energía, por lo que de la energía hidráulica, mediante fluidos, se obtendrá la energía mecánica, al finalizar el proceso. O, en otras palabras, como lo definen en la página web área tecnología, la hidráulica consiste en la tecnología que emplea un líquido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. Básicamente, consiste en “hacer aumentar la presión de ese fluido por medio de elementos del circuito hidráulico para utilizarlo como trabajo útil” (Área Tecnología, 2013). En el sitio web más tipos de definen a la máquina hidráulica como una variedad de máquina de fluido que utiliza las propiedades del fluido incompresible o que se comporta como tal debido a que su densidad en el interior del sistema no sufre variaciones importantes. Una excavadora o también llamada pala hidráulica es frecuentemente usada en toda excavación de rocas y tierra, sin embargo, gracias a sus numerosos accesorios, como lo menciona RitchieWiki, también puede ser usada para el corte de acero, rompimiento de concreto, taladro de hoyos en la tierra, entre otros usos. En ello radica la importancia de esta y su necesidad en la vida de todos nosotros. La invención de la excavadora hidráulica con su fácil operación y barata producción, reemplazó a la excavadora de cable. Fue desde 1880 que se pensó en el desarrollo de máquinas hidráulicas en el mundo. Inicialmente, se lograron diseños de grúas, principalmente, los que llevaron a lo que es hoy día las palas hidráulicas, ya que tienen el mismo mecanismo y funcionamiento. En la página web Ritchiewiki dice que la pala hidráulica documentada más antigua apareció en el año 1882. Esta información es respaldada, también, por PaticoJaimes de Club de Ensayos . Y, asimismo concuerdan en que esta fue producida por Sir W.G. Armstrong & Co, la cual era una 6|Página
compañía británica que (ClubEnsayos.com, 2012).
previamente
construyó
hull
docks
Si bien no se trata de una pala hidráulica, en sí, es lo que se asemejaría a una pala hidráulica y nos llevaría a las modernas de hoy en día ya que tiene el mismo principio y funcionamiento. Esta empresa se enfocaba, más que todo, en la construcción de barcos y de maquinaria y armamento para la guerra.
Las figuras 1 y 2 podemos ver son similares. Ambos diseños se realizaron el mismo año (1868) por la compañía Sir Armstrong & Co, sin 7|Página
embargo la construcción de estos proyectos demoró años. Estos dos son los principios de la maquinaria hidráulica. El desarrollo de nuevas palas mecánicas e hidráulicas continuó. Se continuaron con máquinas estáticas. Sin embargo, la necesidad llevó, recién en 1900, a pensar en máquinas hidráulicas móviles. Se comenzó diseñando y construyendo grúas. En 1948, un prototipo con ruedas de la excavadora fue desarrollado por Carlo y Mario Bruneri, quienes cedieron las patentes y derechos de autor a una compañía Francesa llamada SICAM en 6 años después. Ese mismo año SICAM construyó el Yumbo, una excavadora S25 que poseía una cadena montada. En el mismo año se construyó la primera grúa móvil y fue en este entonces cuando se dividieron los dos tipos de máquinas.
En la figura 6 podemos apreciar la primera grúa móvil, por primera vez una máquina que no necesitaba de otro arnés o rieles para movilizarse. El ejemplo americano más antiguo conocido de una grúa tal fue el Nº 328 Viajar excavadora, construido por el John F. Byers Machine Company de Ravenna, OH. Presentado ya en 1909, que era una máquina de media oscilación que podrían ser configurado como una grúa o un coche de la cubierta torre de perforación móvil. Sin embargo, para la totalidad de su mejora de la movilidad, que tuvo que ser trasladado por los equipos que utilizan una lengua y Doubletrees previsto a tal efecto. (Berry, The first Truck Crane, 2013) 8|Página
En la figura 3 y en la figura 4 podemos ver una fotografía y un bosquejo de la pala hidráulica Kilgore 2½. Esta consiste en un diseño más avanzado ya y contiene los elementos básicos de una pala hidráulica de hoy en día. Como podemos apreciar, el funcionamiento es el mismo que el de la de Sir W.G. Armstrong & Co. Fue inventada en la época de auge de las excavadoras hidráulicas, ya que se veía la necesidad de remover la tierra en cantidad. Claramente, en el aviso de la figura 5, vemos que le llaman a esa época como la “revolución 9|Página
en acaparar grandes trabajos”. Esta compañía, la Kilgore Machine Co, ofrecía entre sus productos máquinas excavadoras, conocidas por su gran velocidad, capacidad, durabilidad y economía.
Además, en 1948, el modelo H-2 fue producido por Milwaukee Hydraulics Corp. en 1948, fue la primera hydrocrane. El H-3 y el H-5 fueron versiones mas avanzadas y introducidas después. La primera excavadora hidráulica, la TU, fue producida en 1951 con la ayuda de Poclain. La excavadora no podía producir giro completo y la energía hidráulica era obtenida con ayuda de una bomba. Poclain introdujo el TY45, la primera máquina giratoria, en 1960. Unrelated Armstrong también construyó palas hidráulicas para agua. Otra compañía que también intentó producirlas fue Kilgore Machina Co. de Minneapolis, Minnesota, quienes patentaron la pala en 1897. El tractor Gradall fue inventado por Ray Ferwerda de Cleveland, Ohio. Ferwerda es conocido por crear una excavadora telescoping-boom la cual era única por haber sido montada a un camión.
Modelos como el Hitachi 570-ton EX5500 y el Caterpillar 360-ton Modelo 523OB se encuentran entre las más notables máquinas en la industria. Sin embargo, estas no igualan en tamaño a Liebre R996, la cual pesa 720 toneladas y tiene una capacidad de 44 yardas cúbicas (34 m3); el 10 | P á g i n a
Komatsu PCS8000, un modelo de 755 toneladas con una capacidad de 46 yardas cúbicas (35 m3); o el Terex/O&K RH-400, una maquina capaz de excavar 57 yardas cúbicas (44 m3) y 1,000 toneladas. (Maquinaria Pesada, 2015) Los principales modelos de excavadoras que hoy en día existen son: Excavadora de cable de arrastre Excavadora de largo alcance Excavadora-arrastradora Excavadora de succión Pala a vapor Pala hidráulica
Pala con carga frontal.
Pala con carga retro.
Existen dos tipos de palas hidráulicas: las palas frontales y las retros. La diferencia básica entre ellas radica en el movimiento de baldes y su geometría y por consiguiente en la acción de la carga. En general una excavadora hidráulica de cualquier tipo cuenta con 3 partes principales.
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1.3.1.1. UNIDAD DE PROPULSIÓN:
Esta parte de la excavadora que permite su desplazamiento hacia la zona de trabajo, sirve de base para la estructura superior. Existen dos tipos de bases en excavadoras. Una de estos está compuesta por ruedas como cualquier automóvil, conocido también como el tipo rueda. Debido a la naturaleza de la base, es primariamente usada en superficies sólidas, como el concreto y la gravilla. El segundo tipo es conocido como la oruga por su habilidad de transitar en superficies menos estables, como el barro y la arena. A diferencia del tipo rueda, la oruga cubre un área mayor de la superficie y por consiguiente se hunde en la tierra. Funciona tal como el nombre lo sugiere, arrastrándose, con un tipo de mecanismo de banda transportadora. Ésta máquina solo puede ser usada en emplazamientos y tiene que ser transportada de un lugar a otro por medio de otros vehículos.El tema del proyecto se basa en el funcionamiento hidráulico, por lo que esta parte no es de mucho interés 12 | P á g i n a
1.3.1.2. UNIDAD GIRATORIA
Esta parte de la excavadora incluye una cabina giratoria y todo el sistema de control (motores, sistema hidráulico, etc.). El giro en círculo comprende varios componentes: un outer race, un inner race, rodamientos de bolas y un piñón. Mientras que el outer race se voltea, el piñón opera junto al inmóvil inner race. El rodamiento de bolas trabaja asegurando de que esta operación de realice suavemente.
1.3.1.3. ESTRUCTURA MANIPULADORA
Esta máquina hidráulica móvil tiene una estructura de manipulación compuesta por la pluma (Boom), el brazo (Stick ) y un cucharón (bucket). El brazo (también llamado balancín) y la pluma son los eslabones principales; el cucharón es el efector final móvil de la máquina, es decir el que produce el trabajo de la excavación en sí como último recurso mecánico. El cucharón es el recipiente en el cual se deposita el material. Está provisto de dientes en su borde para facilitar el arranque de los materiales. Dentro del cilindro hidráulico hay un rod, el cual conforma la parte interior del cilindro, y un pistón, el cual se encuentra al extremo final del cilindro y permite que el brazo se mueva con la ayuda de aceite. Si es que no hay aceite en el cilindro, el pistón se caería al fondo, pero por la característica natural del aceite, su volumen siempre permanece igual. Aceite es bombeado a través del extremo final del pistón y en éste empuja el rod a través del cilindro, creando un movimiento en una o las dos partes del brazo. Con control de la cantidad de aceite que es bombeado a través de la válvula, la precisión del brazo puede ser fácilmente manipulada. Este movimiento es activado mediante el uso del control de válvulas que son posicionadas dentro de la cabina. Lo que busca una Pala hidráulica como objetivo de diseño y funcionalidad es: Diseño compacto y peso relativamente reducido en relación con la capacidad de los baldes. Gran movilidad y flexibilidad en la operación (especialmente en la versiones diésel), con velocidades de desplazamiento de 2,4 km/h. 13 | P á g i n a
Excelente posicionamiento gracias al accionamiento independiente de las orugas. Capacidad de remontar pendientes de hasta 80%, y posibilidad de realizar la operación continuada en pendientes de 60%. Velocidades de rotación elevadas, de 2,5 a 5 r.p.m., por lo que se pueden lograr ciclos de carga pequeños. Fuerzas de penetración y excavación elevadas, permitiendo la carga directa de materiales compactos. Versatilidad para orientar el balde en el frente de la excavación, por lo que son muy adecuadas para la explotación selectiva. Poco espacio para operar, constituyendo el equipo ideal en la excavación en zanjas o espacios estrechos. Menor necesidad de empleo de máquinas auxiliares respecto de una pala de cables. Una vida útil media de 25.000 a 35.000 h
Funcionamiento de componentes específicos.
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1.3.3.1. CHASIS Y TREN DE RODAJE:
El chasis tiene como misión transmitir las cargas de la superestructura al tren de rodaje. Los chasis para trenes de rodaje de orugas están constituidos por una estructura en forma de H que aloja en la parte central la corona de giro y va apoyada y anclada en los carros de oruga. El sistema de orugas está formado por los siguientes componentes: Cadenas de tejas ensambladas por bulones y casquillos sellados. Tensores de cadena. Rodillos guía. Ruedas guía. Rueda motriz. El sistema de traslación mediante tren de rodaje responde a tres funciones: otorgar una plataforma de trabajo estable: soportar los movimientos de la máquina, permitiendo hacerla girar durante la traslación, y aportar, al conjunto del equipo, movilidad y capacidad para remontar pendientes. El sistema de chasis de orugas presenta las siguientes ventajas en relación con el chasis neumático: Mayor tracción sobre el suelo. Menor presión sobre el terreno. Mayor estabilidad. Menor radio de giro.
Sistema de chasis de orugas
1.3.3.2. SUPERESTRUCTURA:
Es el conjunto formado por dos vigas cajón y una serie de módulos adosados, que deben absorber los esfuerzos transmitidos por el equipo de trabajo en la excavación y la aceleración producida por el giro. La superestructura está unida al chasis mediante la corona de giro, que es el 15 | P á g i n a
elemento de la pala que permite la rotación de la superestructura respecto del chasis inferior, que permanece fijo sobre el suelo.
1.3.3.3. ACCIONAMIENTO
Accionamiento de las palas hidráulicas
Las palas de carga utilizan sistemas eléctricos o hidráulicos. Si bien los primeros ofrecen un menor costo de mantención, menor nivel de ruido y mayor disponibilidad mecánica, las palas pierden movilidad al necesitar de un cable. Respecto del sistema hidráulico, los elementos más importantes del circuito son el depósito, las bombas, los distribuidores y receptores, motores o cilindros. 1.3.3.4. CABINA
Si bien la cabina tiene una influencia indirecta en el rendimiento de las excavadoras, su funcionamiento es de gran importancia, por lo que deben ser funcionales y confortables. La posición de la cabina suele estar en el lado izquierdo de la máquina, ya que desde allí el operador tiene mayor facilidad para posicionar rápidamente el camión, al contactarse visualmente ambos operadores (el de la pala y el del camión).
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El primer tipo de máquina excavadora o PALA MECANICA fue desarrollada en el siglo XVIII y fue conocida como la draga flotante . Aunque esta máquina fue usada no sobre terreno sólido sino en el agua en un comienzo, su desarrollo marcó el comienzo de la maquinaria avanzada. La dragadora flotante consistió en una cadena conectada a un cucharón que era dirigido por fuerza animal o humana. Al comienzo, obreros ingeniosos usaron hasta el viento para ayudar a levantar barro de la superficie a ser excavada. El dispositivo de draga más antiguo apareció en 1776 y fue usado para el trabajo de excavación en el Puerto de Sunderland en Inglaterra. Las máquinas dragadoras fueron usadas con regularidad pero fue su uso sobre la tierra el cual realmente cambió la industria.
Un hombre llamado Otis S. William, comprendió claramente las dificultades que surgirían de un proyecto de semejante magnitud y arduo trabajo como este. Para poder rebajar los costos de excavación y poder estar de acuerdo al horario previsto, Otis diseñó una excavadora de cucharón-individual llamada la Pala Otis para su empresa contratista, Carmichael & Fairbanks. Otis utilizó la invención del motor a vapor, que había estado disponible desde el 1800 y pensó que podría funcionar con un cucharón y un brazo articulado. Montado en las vías férreas, y consistiendo de un resinero de una yarda cúbica (0.8-m3) y con un balanceo parcial; fue el primer equipo de excavación de tierra en aparecer. Otis patentó su 17 | P á g i n a
invención del año 1835, una decisión que mantuvo alejados a otros fabricantes de desarrollar esta valiosa maquina durante más de 40 años. En 1913, otros fabricantes como Osgood Dredge Co., Vulcan, y Bucyrus Foundry & Manufacturing, produjeron una maquina similar a la Pala Otis. Para este tiempo, las maquinas excavadotas habían alcanzado gran popularidad. Las primeras palas fueron inicialmente hechas para poder montarlas en las vías férreas y tuvieron características similares a la pala creada por Otis. Estos modelos fueron hechos de madera o de steel fame , usados para soportar el boiler como también el brazo de la maquina. La invención de Otis se mantuvo casi igual por más ó menos 100 años. Después de este tiempo, fabricantes comenzaron a usar nuevos diseños y a crear nuevas configuraciones para adaptar a la maquina. La excavación era ahora el proceso principal de la construcción. Con el poder del vapor, tiempo, costo y la mano de obra asociada con este trabajo fueron eliminados del proceso. Grandes proyectos fueron realizados y gracias a la excavadora se completaron en tiempo récord. Uno de los proyectos de mayor magnitud a finales del siglo XIX fue el canal de Manchester en Inglaterra. En 1887, cincuenta y ocho palas a vapor Ruston y dieciocho excavadoras clamshell, entre otros tipos de excavadoras, fueron empleados para remover 54 millones de yardas cúbicas (41 millones m3) de tierra durante el curso de seis años.
El éxito del uso de vapor en excavadoras condujo a otros tipos de maquinas con propulsión a vapor. Tractores a ruedas, que reemplazaron los caballos y mulas, fueron capaces de halar escrepas y conformadoras. Justo después del siglo **, un tractor sobre orugas con propulsión a vapor fue inventado, y fue un éxito con los contratistas de la industria. El tractor 18 | P á g i n a
sobre orugas hizo su primera aparición en la industria en 1713, producido por Frenchman M. D’Hermand. Este fue un crawler tread trailer que usaba animales como propulsión. Máquina autopropulsada, sobre neumáticos u orugas, con una estructura capaz de girar al menos 360º (en un sentido y en otro, y de forma ininterrumpida) que excava terrenos, o carga, eleva, gira y descarga materiales por la acción de la cuchara, fijada a un conjunto formada por pluma y brazo o balancín, sin que la estructura portante o chasis se desplace.
Chasis:
estructura portante desplazable mediante cadenas o ruedas neumáticas. En el caso de ser de ruedas llevará unos estabilizadores para constituir las bases de apoyo. Corona de giro :
sirve de apoyo de la estructura sobre el chasis, permitiendo a ésta girar mientras el chasis permanece en estación. De dentado exterior o interior atacad por un piñón con motor independiente y dotada de freno. Estructura :
sostiene el resto de la excavadora (motores, transmisiones, cabina, contrapeso, etc).
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Cuchara :
fija o móvil y dispuesta en el extremo de un brazo móvil soportado por una pluma también móvil. Energía motriz : motor diésel, diésel-eléctrico o eléctrico.
En las palas mecánicas se utilizaba el principio de funcionamiento de poleas y engranajes. Sin embargo estos están ya en desuso debido a la mayor falla que presenta y menor eficiencia en comparación con las palas hidráulicas. Básicamente, este consistía en que un engranaje recto, acoplado con otro recibía energía del motor y la transmitía al otro, a continuación se encontraba un cable que hacía girar una polea la cuál a su vez se comunicaba con otras dos las cuáles eran para el movimiento del hombre y del codo, respectivamente, luego transmitía a la muñeca y esta consistía en tres engranajes cónicos. Siendo este diseño difícil para el mantenimiento y para la reparación en caso de fallas, se encuentra actualmente en desuso.
Los procesos de desgaste más comunes son: desgaste abrasivo, desgaste adhesivo, desgaste por erosión, desgaste por cavitación, desgaste corrosivo y desgaste por fatiga. 20 | P á g i n a
Se refiere al corte del metal por partículas duras o una superficie áspera. Este tipo de desgaste puede disminuirse removiendo los restos de manufactura antes de iniciar el trabajo. Una fuente de fallas en las bombas hidráulicas es la mala lubricación. Muchos componentes en el pistón están en contacto deslizante. Este desgaste por deslizamiento afecta el rendimiento del plato y del eje del pistón. Desgaste en esta superficie puede facilitar las fugas, que aumentarán con fluidos menos viscosos. Este desgaste también impacta en gran medida el rendimiento de la bomba en general. Los fluidos forman ácidos debido a la oxidación. Esto es acelerado por la operación extendida a altas temperaturas. Una bomba hidráulica no debe ser sometida a presiones de operación más altas que esas para las que ha sido diseñada. La sobre-presurización también se puede causar por fallas de componentes Ocurre cuando las asperezas de la superficie se someten a contacto deslizante bajo una carga. Si suficiente calor es generado, se darán microsoldaduras en la superficie. Partículas de líquido o impregnación de gotas de líquido en la superficie causan el desgaste por erosión. La cavitación se da cuando hay un número excesivo de burbujas de gas. Luego de repetidas implosiones, el material se daña por fatiga, resultando en daños en forma de agujeros. Este tipo de daño se relaciona con ataques electroquímicos al metal. Algunas causas comunes de corrosión son la condensación del agua en la humedad del ambiente, vapores corrosivos en la atmósfera, procesamiento 21 | P á g i n a
de químicos corrosivos como lo son los refrigerantes y limpiadores, presencia de ácidos de descomposición o exposición a metales activos, etc. La fatiga es favorecida por áreas de contacto pequeñas, cargas altas y flexión repetida bajo ciclos o deslizamientos recíprocos. Si el esfuerzo aplicado es mayor al esfuerzo de fluencia del material, el proceso es acompañado de calor por fricción y flujo plástico del material. Cambios estructurales también se observan en el material.
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Todo sistema hidráulico incluye una bomba y el de una pala hidráulica no es la excepción. Su función consiste en transformar la energía mecánica generada por el motor en energía hidráulica, impulsando el fluido hidráulico en el sistema. El fabricante determina la presión nominal y está basada en una duración razonable en condiciones de funcionamiento determinadas. Es lógico pensar entonces que bajo cierto tipo de condiciones las bombas pueden fallar. Es importante anotar que no hay un factor de seguridad normalizado correspondiente a esta estimación. Así, trabajando a presiones mayores se puede reducir la duración de la bomba, causar daños serios y ocasionar fallas. Una bomba viene caracterizada por su caudal nominal en galones por minuto; en realidad puede bombear más galones por minuto en ausencia de carga y menos a su presión. Una solución viable para un sistema hidráulico con pala es la prevención y el mantenimiento, para esto es necesario tomar en cuenta los siguientes puntos: Comprobar el motor y la transmisión. Buscar la presencia de cuerpos extraños o depósitos que obstruyan los orificios y las válvulas.
Comprobar el estado del aceite. Analizar el aceite para controlar su estado de oxidación. Comprobar el sistema de lubricación y darle un constante mantenimiento. Comprobar el montaje o reajustar el mismo. Comprobar el estado de las válvulas, pistones o engranajes. Cambiar las piezas desgastadas. Consiste en comprobar la aspiración de la bomba. La sección de aspiración debe ser poco más o menos el doble que la de escape. 23 | P á g i n a
Comprobar los tubos de aspiración. Si es necesario utilizar un aceite de viscosidad más baja o con un punto de congelación más bajo. Un requerimiento esencial para el óptimo desempeño y servicio de por vida de una bomba hidráulica es que su cámara de bombeo se llene fácil y completamente durante la succión. De ahí que, si el objetivo es conseguir la máxima vida útil de la bomba, debe evitar entonces cualquier situación que impida o dificulte que la cámara de bombeo se cargue libre y completamente. Las ventajas ofrecidas por la filtración en la succión de la bomba son superadas por mucho por las desventajas asociadas con la caída de presión creada por el cedazo o tamiz. Cualquier beneficio ofrecido por la filtración en la succión, manteniendo los contaminantes lejos del alcance de la bomba, se ve superado por el posible daño que puede sufrir la bomba por cavitación.
Es más probable que ocurra en la succión de la bomba. El problema de este punto radica en que la posibilidad de cavitación se incrementa cuando el fluido contiene aire atrapado. Puede conducir al rompimiento de la película lubricante y puede ocasionar daños en la bomba. La Solucion a este problema siempre es hacer purgaciones cada vez que se de mantenimiento a la pala mecánica de manera que no quede burbujas de aire y que con el cambio de temperatura de trabajo tampoco pueda producirse aire de vapor. Es importante resaltar que el problema de burbujas no solo se da en el sistema de bombeo sino también con el sistema de lubricación Controlar las juntas de aspiración; para ello poner aceite en el exterior de las juntas y observar los puntos donde esta aplicación de aceite hace disminuir o desaparecer el ruido. El alojamiento de la bomba de engranajes puede haberse roto después de haber sido alesado o raspado con repetidos surcos y excesiva presión. La solución lógica es trabajar con las indicaciones del fabricante, sin embargo es importante obtener información sobre las condiciones del 24 | P á g i n a
material y la frecuencia del mantenimiento de tal manera que se pueda tener un rendimiento uniforme durante el tiempo de vida. Las condiciones en la succión de la bomba también afectan el ruido y el calor generado. Un aceite hidráulico mineral contiene entre un 6 y un 12% en volumen de aire disuelto, cuando se encuentra a presión atmosférica y a temperatura ambiente. Si la presión del aceite se reduce por debajo de la atmosférica -debido a restricciones en la succión de la bomba o porque el aceite debe ser levantado- ese aire se expande, ocupando un porcentaje mayor en volumen. Estas burbujas de gas expandido en la succión de la bomba colapsan en la medida en que la cámara de la bomba está expuesta a la presión del sistema (cavitación gaseosa). El resultado, generación de calor y ruido. Mientras más grandes sean las burbujas, mayores serán los niveles de ruido y calor generados. Si la presión absoluta en la succión de la bomba continúa disminuyendo (mayor vacío), el aceite comienza a cambiar de forma, pasando de líquido a gas – lo que se conoce como cavitación vaporosa. Por estas razones, la condición perfecta para la succión de la bomba es 100% sobrecargada. Esto significa, idealmente, una bomba sobrecargada bajo cualquier condición de operación. Si bien sobrecargar la succión de la bomba no es práctico en la mayoría de las aplicaciones, virtualmente no hay ninguna excusa para no tener una succión inundada. Una succión inundada significa que hay una cabeza de aceite por encima de la bomba, en otras palabras, la bomba está montada de tal manera que su succión está por debajo del nivel mínimo de aceite.
Regular el by-pass, para que funcione a más baja presión. Utilizar un aceite más fluido de manera momentánea o combinar soluciones homogéneas para poder revisar el problema en el sistema general de lubricación Aunque este es un problema que debería ser tratado esencialmente en fallos de bomba utilizar un aceite más viscoso o de índice de viscosidad 25 | P á g i n a
más elevado puede solucionar el problema. Comprobar la estanqueidad de las juntas y la de las válvulas. Si el aparato está provisto de termostato destinado a refrigerar el aceite comprobar que no está averiado o parcialmente bloqueado. Aumentar la cantidad de aceite en el circuito o en todo caso utilizar un deposito mayor a fin de someter el aceite a un trabajo menos continuado es la solución más viable en estos casos.
En estos radica la mayoría de fallas mecánicas y por desgaste ya que son los componentes de trabajo de los circuitos hidráulicos, que se utilizan mediante el caudal de aceite y la presión que proporcionan las bombas. Desarrollan el trabajo a través de un movimiento rectilíneo de avance y retroceso que tiene lugar de forma repentina en las diferentes fases de un ciclo. Verificar fugas internas, los cuales se pueden verificar por reducción en las velocidades de desplazamiento o por perdidas de potencia. Verificar fugas externas, los cuales se pueden detectar por perdidas de fluido en diferentes partes del cilindro, los cuales ocasionan pedidas de velocidad, potencia y consumo de aceite. Verificación visual del estado del vástago (rayas, poros, golpes, corrosión o flexión) Verificar fisuras en el diámetro exterior de la camisa, soldaduras y tapas frontal y posterior. Verificar ruidos (rechinar o tabletear) que se puedan presentar y estos pueden ser generados por desgaste en guías, movimientos forzados por desgaste en anclajes o desalineamientos en estructuras, por rotulas o bujes oxidadas en pivotes; por falta de lubricación o por estar reventadas y por fluidos inadecuados. Cuando se decide bajar el cilindro de la máquina, este se debe desensamblar inspeccionar y repararen un lugar adecuado donde se 26 | P á g i n a
disponga de las herramientas y equipos adecuados (metrología, maquinados, rectificados, procesos de soldadura e información técnica), limpieza y aparatos de ensayos y pruebas, para garantizar en forma total su reparación. La curvatura de las varillas del cilindro puede ser causada por el diámetro de la barra insuficiente, la resistencia del material, el cilindro inadecuada disposición de montaje o una combinación de los tres. Una vez que la varilla se dobla, la carga excesiva se coloca en la junta de vástago que resulta en una falla prematura de la junta. La prueba de Rectitud Rod siempre se debe revisar cuando un cilindro hidráulico
Comprobar éste por si tiene algún resorte roto o en mal estado o la válvula estropeada. A veces con el fin de conservar la maquina es necesario detener el trabajo y reparar el cilindro, en este caso en especial dado que una falla en el cilindro condiciona no solo la parte más importante en la pala en general, sino una sobrecarga y falla en distintos puntos de la misma, por lo que aunque no se tenga un fractura inmediata; un desgaste o ruptura interna invisible son problemas que se pueden dar solo por el fallo de los cilindros. Rectificado o reparaciones de las camisas internamente, manteniéndose dentro del rango de tolerancia de acuerdo a los ajustes dados por los fabricantes. Otras alternativas si el desgaste se sale del estándar son cromar internamente para recuperar medida y al mismo tiempo darle una vida útil mayor que la original Otra alternativa es la fabricación, debido a desgastes demasiado grandes, que se pasen de 0.5mm en diámetro. De acuerdo a los desgastes generados, del pistón y de las tapas se podrían recuperar o dependiendo de su estado se podrían fabricar. Los pivotes u horquillas dependiendo de los desgastes generados se pueden reconstruir o dependiendo de su estado se podrían fabricar. Los sellos se deben cambiar y en lo posible utilizar kits originales, pero si estos no se consiguen existen diferentes alternativas como son: Sellos de marcas reconocidas que se pueden ajustar a los alojamientos originales o también 27 | P á g i n a
se pueden fabricar con proveedores locales. Se da hincapié en la recuperación inmediata del sistema por el hecho de su importancia, así que reemplazar o modificar proponen soluciones viables que a largo plazo representan ganancia.
Un mal estado en los anclajes de los cilindros, son una de las razones más importantes de su ruptura, ya que sin saberlo estamos trabajando con los eje de fuerza cruzado.
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Para entender los contenidos del tema de hidráulica, vamos a montar un brazo o robot hidráulico, poniendo en juego los principios físicos en los que se basan los circuitos hidráulicos utilizados por numerosas máquinas y herramientas. se realizará con madera del tamaño de un folio A4, sobre la base se colocará la parte giratoria del brazo y las jeringas de control, éstas deberán controlar los distintos movimientos del brazo. se realizará en marquetería, las piezas se pegarán mediante silicona termofusible. Para su realización se utilizará la plantilla que se adjunta a la presente guía. formarán el circuito hidráulico, se colocarán en los lugares correctos para que puedan mover el brazo según nuestras necesidades. Se podrán colocar como se crea más conveniente. se podrá realizar de cualquier forma, se exige que sea capaz de coger o agarrar algún objeto y mediante la actuación de las jeringas de control se pueda cambiar de lugar dicho objeto. - para la base giratorio se utilizarán dos discos compactos que tengas en tu casa y que no te sirvan para nada. Se colocarán según fotos adjuntas.
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En la figura 17, podemos ver el montaje de partes del hombre y del codo.
Asimismo, en la figura 18 podemos ver el detalle de la pinza de agarre, el cuál le llamaremos el mecanismo de la muñeca.
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Un plaqué, chapó o marquetería de tamaño A3. Una base de madera de tamaño A4. 1 listón de madera de 21 cm de largo. 8 jeringas de 5 ml. 2 m de tubo de goma flexible de 4 mm (diámetro interior). 2 discos compactos que no te sirvan (CD o DVD). 1 goma elástica. 6 presillas de plástico. 3 escuadras metálicas pequeñas. 3 tornillos de 5 cm de largo y 3 mm de diámetro. 1 tornillo de 7 cm de largo y 3 mm de diámetro. 1 tornillo de 3 cm de largo y 5 mm de diámetro. Tuercas y arandelas. 4 patas de goma. 3 barras de silicona termofusible. Pistola de silicona. Taladro eléctrico. Destornillador. Segueta para cortar madera. Limas y papel de lija. Tijeras.
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El brazo mecánico (maqueta 2) tiene la misma forma y apariencia del brazo hidráulico, sin embargo este cumple otros principios de funcionamiento. Como lo explicado anteriormente en el 17. La maqueta dos, mostrada en la figura, se explicará a continuación para un mejor entendimiento de la teoría previamente vista.
Este, básicamente posee cuatro ejes: base, hombro, codo y muñeca.
En la figura 13, se puede ver el diseño de las rotaciones que deberá realizar la pala mecánica. En estos se ve involucrado principalmente el eje del hombro. El eje del hombro no podrá rotar 360° pero será aproximado a 32 | P á g i n a
un ángulo de 180°. Asimismo será el ángulo de giro que pueda realizar el codo. La muñeca se procederá posteriormente en un diseño aparte, ya que podría complicar el diseño de la maqueta.
Para facilitar el trabajo, se decidió transmitir el movimiento mediante poleas, las cuales, como se muestra en la figura, se encontrará en el eje de accionamiento común, en el eje de hombro, en el eje de codo, y en el eje de muñeca.
La construcción de la muñeca se realizará con tres engranajes cónicos, como se ve en la figura. Uno transmitirá el movimiento que llega a través de las poleas, el que se encuentra en frente rotará en sentido 33 | P á g i n a
contrario y, finalmente el del costado se encargará de transmitir este movimiento a las pos puntas de la pala. (TodoRobot, 2000)
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Se ha procedido con el diseño del brazo en inventor, para el cual se tomará el diseño referencial de la figura posterior. Se ha realizado el diseño de las principales piezas y se ha comenzado con el ensamble del codo.
La figura 17 consiste en los elementos del codo diseñados en inventor que son básicamente dos pistones, uno de los cuales tiene cuatro válvulas a su alrededor para regular el movimiento, el primer cilindro.
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En la figura 25, se observa a muñeca del brazo robótico para la cual se le han adaptado dos pinzas. El diseño de las pinzas aún no se ha fijado, sin embargo, aún no se ha realizado el diseño de los dedos por lo que sólo tiene el movimiento del codo y de la muñeca.
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Se ha adoptado las ventajas del sistema de ambos tipos de pala: hidráulicas y mecánicas. Para el funcionamiento general y el del codo se ha copiado el funcionamiento de las palas hidráulicas. Sin embargo, para el funcionamiento de la muñeca se le ha atribuido el sistema de engranajes de la muñeca de la pala mecánica. En cuánto a los materiales a utilizar se recomienda el aluminio, ya que no es pesado y tiene alto índice de dureza.
Para mejoras del peso y de la dureza se busca una aleación y se recomienda los tres resaltados debido a su elasticidad, ya que el brazo por encontrarse permanentemente expuesto a todo tipo de colisiones debe soportar estas y si buscamos un material muy dúctil, tendremos a su vez
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uno muy frágil, entonces lo recomendad es que su dureza Brinell (HB) oscile entre 100 y 120. Se elige una aleación de aluminio porque el aluminio además de tener un peso relativamente bajo para la dureza que presenta es un buen material contra la corrosión, y es más económico que el titanio, el cuál sería el material ideal. Se logró diseñar un brazo utilizando los principio y el funcionamiento de la pala hidráulica y mecánica. Para ello se analizó, previamente, el funcionamiento de cada una de ellas y para su mejor comprensión se elaboraron dos maquetas. Se ha visto que la construcción de la muñeca mecánica es, más complicada que la hidráulica, por ello se procedió a hacer un diseño de la muñeca del brazo implementando un pistón hidráulico, el cuál actuaría de la misma forma que lo hacen las jeringas en la maqueta 1. Es muy importante el uso de materiales livianos para la construcción del bazo, ya que el peso adicional se verá reflejado en la eficiencia de su trabajo y la economía de su fabricación. Se recomienda materiales livianos como el titanio, o en su defecto aluminio ya que tienen alto índice de dureza para su peso.
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