DISEÑO DE UN BRAZO A PARTIR DEL PRINCIPIO DE UNA PALA HIDRÁULICA Y MECÁNICA 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 funcionamiento de una pala hidráulica, conocer el principio y funcionamiento funcionamiento de d e una pala mecánica, hacer el diseño de un brazo a partir del principio y funcionamiento funcionamiento de una pala pa la hidráulica y mecánica. La metodología de revisión bibliográfica es del tipo exploratorioexplicativo. Los resultados encontrados son principalmente que: 1) El funcionamiento de las palas hidráulicas comienza con un pistón, el cual bombea el aceite, el cual para la prevención de fallas que ocurren debe ser uno grueso (se propone un SAE 40 o SAE 50), y este circula por todas las tuberías y permite el movimiento, para explicar ello se construyó la maqueta 1. 2) El funcionamiento de las palas mecánicas comienzo con dos engranajes cónicos o cuatro rectos, los cuales transmiten el movimiento, a partir de un empuje inicial, y llevan este movimiento hacia el brazo y todas las articulaciones. Al igual que en caso anterior se recomienda un aceite grueso para disminuir el desgaste. 3) Para el diseño del brazo se utilizaron programas como AutoCAD e inventor.
Diseño de Brazo hidráulico-mecánico, Palas hidráulicas, Palas mecánicas. 1|Página
This investigation is about the application of the operation of the hydraulic and mechanic excavator, which principal objective is to design an arm through the performance of the hydraulic and mechanic excavator, which will be completed by completing the specific objectives, which are: to get know the running of an hydraulic excavator, get know the running of a mechanic excavator and finally, designing the hydraulic-mechanical arm. The methodology applied is bibliographical of the type exploratoryexplanatory. And, the results found are principally p rincipally that: 1) The functioning of the hydraulic excavators starts with a piston, which pumps the oil, which for the prevention of failures should be thick (it is proposed a SAE 40 or SAE 50), and this goes through the pipelines and enable the movement of the articulations, for its explaining has been constructed the first model. 2) The functioning of the mechanic excavators starts with two conic gears or with four spur gears, which ones transmit the movement, generated by a source (generally the motor), to all the articulations. The same as the case before is recommended to use a thick oil to decrease the rust. 3) For the design of the arm where being used programs and Engineering Software such as AutoCAD and Inventor.
Hydraulic and mechanic arm design, hydraulic excavators, mechanic excavators.
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RESUMEN ........................................................................................ 1 PALABRAS CLAVE ........................................................................... 1 ABSTRACT ...................................................................................... 2 KEY WORDS .................................................................................... ........................... ......................................................... 2 ÍNDICE ............................................................................................. 3 I. Cronograma y diagrama d iagrama de grant ................................................ 5 1. II.
Diagrama de d e Grantt............................................................... 5 Marco teórico .......................................................................... 5
1.
La primera pala hidráulica..................................................... 5
2.
Más avances ......................................................................... 6
3.
Pala hidráulica ...................................................................... 6
4.
Funcionamiento Funcionamiento de una pala p ala hidráulica.................................. 7
5.
Partes de d e una excavadora hidráulica ..................................... 7 Componentes específicos: ......................................................... 7
6.
Objetivos de d e diseño y funcionalidad....................................... 7
7.
Fallas en las palas hidráulicas y mecánicas: mecánicas: .......................... 8
III. 1.
Construcción y diseño del proyecto.......................................... 8 MAQUETA 1: BRAZO HIDRÁULICO........................................ 8 Pártes básicas de la maqueta .................................................... 8 Materiales necesarios:............................................................. 10 Herramientas necesarias:........................................................ 10
2.
MAQUETA 2: BRAZO MECÁNICO......................................... 10
3.
DISEÑO DEL BRAZO ........................................................... 11
IV.
Discusión y análisis de resultados .......................................... 13
V.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................... 14
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FIGURA1. Principio de d e la pala mecánica, mediante poleas. ............... 6 FIGURA 2. Funcionamiento Funcionamiento cilindro-pistón de la pala hidráulica. ....... 6 FIGURA 8. Partes de una pala hidráulica .......................................... 7 Figura 16. Piezas maqueta 1. ............................................................ 9 Figura 17. Hombro y codo de la pala hidráulica................................. 9 Figura 18. Muñeca de la pala hidráulica. ........................................... 9 Figura 19. Maqueta 2, vista general. g eneral. ............................................... 10 Figura 20. Movimiento de giro del hombro codo y muñeca de la pala mecánica. ............................................................................................... 10 Figura 21. Maqueta general pala p ala mecánica. .................................... 11 Figura 22. Muñeca de la pala mecánica. ......................................... 11 Figura 23. Brazo robótico, prototipo p rototipo final. ....................................... 12 FIGURA 24. Partes del codo del brazo robotico. ............................. 12 Figura 25. Muñeca del brazo robótico ............................................. 12
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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 - Diseño del brazo Sustentación Fase II Elaboración del informe final Elaboración del paper Elaboración del PPT Sustentación final (Fase III)
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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. Según Ritchiewiki y PaticoJaimes la pala hidráulica documentada más antigua apareció en el año 1882, producida por Sir W.G. Armstrong & Co.
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Fue desde 1900, cuando aparecieron máquinas hidráulicas móviles, así en 1948, Carlo y Mario Bruneri construyó un prototipo con ruedas. 6 años después, SICAM construyó el Yumbo, una excavadora S25 que poseía una cadena montada y ese mismo año se hizo la primera grúa móvil y desde entonces existen dos tipos de máquinas. En 1909 se presentó el primer modelo americano el cual era una máquina de media oscilación que se configuraba como una grúa o coche de la cubierta torre de perforación móvil, construida por construido por el John F. Byers Machine Company. Además, en 1948, el modelo H-2, la primera hydrocrane y fue producido por Milwaukee Hydraulics Corp. La primera excavadora hidráulica, la TU, fue producida en 1951 con la ayuda de Poclain quien introdujo el TY45, la primera máquina giratoria, en 1960. La hidráulica estudia la fuerzas y movimientos que transmiten los líquidos, los cuales transforman la energía mecánica en hidráulica , sin embargo se obtiene energía mecánica como último resultado, entonces aumenta las presiones en los fluidos por medio de circuitos hidráulicos de manera conveniente (Área Tecnología, 2013). 6|Página
En el sitio web más tipos de define a la máquina hidráulica como una máquina de fluido que utiliza las propiedades del fluido. Una excavadora entonces es usada para excavación de rocas y tierra, sin embargo, gracias a sus numerosos accesorios, 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 si el funcionamiento de una pala hidráulica se basa en el principio de pascal el cual enuncia que la presión que se aplica en un punto de un líquido se transmite con igual valor a todos los puntos del líquido, por lo tanto el esfuerzo mecánico producido en el funcionamiento de una pala hidráulica se transmite por medio áreas, fuerza y presión a través de un líquido y se consigue dos cosas importantes: La primera una mayor operabilidad y precisión en los trabajos, y la segunda y más importante es una mayor fuerza en operación a costo de un funcionamiento funcionamiento mecánico constante constante que de hecho ayuda a la operabilidad. Unidad de propulsión, unidad giratoria, g iratoria, estructura manipuladora. manipuladora.
Chasis y tren de rodaje, superestructura, superestructura, cabina. Diseño compacto y peso reducido Gran movilidad y flexibilidad en la operación accionamiento independiente de las orugas. 7|Página
Remontar pendientes de hasta 80%, y operabilidad continua en pendientes de 60%. Velocidades de rotación elevadas Fuerzas de penetración y excavación Versatilidad para orientar el balde en el frente de la excavación Poco espacio para operar, Menor necesidad de empleo de máquinas auxiliares Vida útil media de 25.000 a 35.000 horas
Mecanismos de desgaste Desgaste abrasivo Lubricación de bombas hidráulicas Oxidación del fluido Sobrepresurización Desgaste adhesivo Desgaste por erosión Desgaste por cavitación Desgaste corrosivo Desgaste por fatiga
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. 8|Página
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 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.
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. peq ueñas. 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. a randelas. 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. El brazo mecánico (maqueta 2) tiene la misma forma y apariencia del brazo hidráulico, sin embargo este cumple otros principios de funcionamiento. funcionamiento. Como lo explicado anteriormente en el . La maqueta dos, mostrada en la figura, se explicará a continuación para un mejor entendimiento de la teoría previamente vista.
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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 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 contrario y, finalmente el del costado se encargará de transmitir este movimiento a las pos puntas de la pala. (TodoRobot, 2000) 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 dis eño de las principales piezas y se ha comenzado con el ensamble del codo.
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La figura 24 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.
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. 12 | P á g i n a
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 funcionamiento de la muñeca se le ha atribuido el sistema de engranajes de la muñeca de la pala p ala 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 uno muy frágil, entonces lo recomendad es que su dureza Brinell (HB) oscile entre 100 y 120. 13 | P á g i n a
Se elige una aleación de aluminio porque el aluminio además de tener un peso relativamente bajo para la dureza que presenta es un buen b uen material contra la corrosión, y es más económico que el titanio, el cuál sería el material ideal.
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