Material Analisis Fallas Cargador Frontal 994f Caterpillar

PROYECTO “ANALISIS DE LA INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DE CARGADOR FRONTAL CAT 994F, MEDIANTE EL METODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS”

CAD CAE Ingeniería Ltda. Jose López González 02867

APROBACION MEL:

Oficina 201, Antofagasta

FECHA:

REV. REV.

FECHA FECHA

POR POR

REV. REV.

APRO APROBO BO

0

30.09.2010

J.M.S.

H.L.L.

J.C.G.

DESC DESCRI RIPC PCIO ION N Emitido para Comentarios del cliente

Proyecto OTC 048/2010 Análisis de Elementos Finitos Cargador Frontal CAT 994F Minera Escondida Ltda.

Preparado por: Hernán Lobera López Ingeniero Civil Mecánico U.T.F.S.M – Valparaíso CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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INDICE

1. RESUMEN EJECUTIVO Y CONCLUSIONES 2. CARACTERISTICAS DEL EQUIPO DEFINICION DEL PROBLEMA 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4. OBJETIVOS 5. CRITERIOS DE DISEÑO 6. CALCULO MEDIANTE EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS 6.1. Software utilizado para la modelación “SOLIDWORKS” y “COSMOS” 6.2. Tipo de Elemento Finito utilizado para la modelación 6.3. Esfuerzo de Von Mises 6.4. Diagrama de cuerpo libre y casos a analizar 6.5. Enmallado y restricciones 6.6. Resultados de la modelación 6.7. Resumen de los resultados 6.8. Calculo del tiempo de aparición de grietas 7. ANEXOS 7.1. CATALOGO 7.2. RECOMENDACIONES DE ELIMINACION DE CONCENTRADORES 7.3. FACTOR DE SEGURIDAD 7.4. LICENCIA DEL SOTFWARE 7.5. IDENTIFICACION DE PUNTOS CRITICOS.

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1. RESUMEN EJECUTIVO Y CONCLUSIONES

El cargador frontal CAT 994F presenta una serie de fisuras en el pantógrafo o pluma del equipo, es por esto que Minera Escondida Ltda solicita un estudio que identifique los puntos de mayores esfuerzos, específicamente en el pantógrafo y chasis del equipo., con el objeto de identificar las causas de falla del material. El equipo se adquirió el año 2006 y las fisura aparecieron durante un año de operación. El 2010 la aparición de fisuras es a los 6 meses. Se realizo un levantamiento del balde, pantógrafo, cilindros hidráulico, chasis de carga y chasis trasero para realizar la modelación en 3d del equipo. Se determino la fuerza máxima de penetración del equipo al cerro que por catalogo es de 104 [ton]. Luego se determino el peso de la carga sobre el balde que es de 30 [Ton] y la fuerza que ejerce los diferentes componentes sobre el chasis trasero tales como el motor, plataformas, contrapeso, etc. La carga total ejercida sobre el chasis trasero es de 44 [ton]. Para considerar las cargas dinámicas se le agrego un 20% a cada fuerza. La estructura a analizar está compuesto de tres tipos de materiales: ASTM A 572 Gr 50; ASTM A 514 HSL y fierro fundido. Las soldaduras aplicada son dos: Soldadura AWS E 7018 y Soldadura AWS E 10018 en electrodo o alambre tubular. Por lo cual se calculo los esfuerzos máximos en los componentes y los criterios de diseño se comparara según las propiedades mecánicas de cada material mencionado. Las propiedades mecánicas del hierro fundido no se determino con exactitud, se utilizaron valores típicos. Se identifico 4 casos comunes de operación, ver punto 6.4 donde el casos 1 es el más común y el caso 2 es una operación inadecuada del equipo. Los casos 3 y 4 debido al carguío del mineral sobre el balde son operaciones que no presentan problemas estructurales para el equipo ya que se está operando con un factor de seguridad de 5. En todos los casos esfuerzo máximo está debajo del esfuerzo de fluencia de los acero , por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. El mayor esfuerzo es en el bracket (mickey mouse, 204 [MPa]), y esto se produce en el casos 2, que se define como una operación inadecuada, donde la carga se aplica en la mitad del balde, el caso 2 es la operación que más daño produce a la estructura, aunque se está trabajando con un factor de seguridad de 2,4 esfuerzo máximo está debajo del esfuerzo de fluencia del acero, por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Sin embargo el daño de la estructura se debe a una falla por fatiga y este caso solo acelera el tiempo de la aparición de fisura. En una operación normal que es el caso 1, se estima en un año la aparición de fisuras por fatiga. Finalmente se determino cuantitativa y cualitativamente el límite de fatiga de los materiales, que para el pantógrafo fue de 80 [MPa], en el caso 1 y el caso 3 los CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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esfuerzos máximos superan este valor. Esto quiere decir que la falla estructura es por fatiga y principalmente se debe a una operaciones inadecuada. En el caso real (1) igualmente se producirá una falla por fatiga. El anexo 7.6 muestra un resumen de los puntos que fallaran por fatiga y el que se debe considerar en una inspección visual o mantención preventiva. En zonas con concentradores de esfuerzos, tales como soldadura, golpes y entalladuras los esfuerzos se pueden duplicar, por lo que es otra de las principales causas de aparición de fisuras en la estructura. Se recomienda seguir procedimiento del anexo 7.2 para eliminar concentradores de esfuerzos. Con un correcto procedimiento de reparación de soldadura, no debería tener problemas estructurales en un plazo de 1 año. El cilindro hidráulico no presenta problemas estructural, las fallas detectadas se debe a problemas metalúrgicos de colada del material o micro estructura.


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2.- CARACTERISTICAS DEL EQUIPO

Nombre del equipo Modelo Peso total del equipo Carga útil del cucharón Fuerza máxima de penetración

: Cargador Frontal : Caterpillar 994 F : 197 [Ton] : 35 [Ton] (18 [m3]) : 1020 [kN] (104 [Ton])

Figura 1: Componentes del Cargador Frontal Caterpillar 994F CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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Tabla Nº1: Dimensiones y peso de los componentes del Cargador Frontal CAT 994F


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3. DEFINICION DEL PROBLEMA: Actualmente existe un problema estructural, debido

a la aparición de fisuras o fractura del material, esto se presenta generalmente en el pantógrafo, bastidor de carga, bastidor trasero y vástagos del cilindro oleohidráulico Tilt.

Figura 2: Principales fallas (fisuras y fractura del material) del pantógrafo CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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Figura 3: Fisuras en la soldadura del bastidor de carga

Figura 4: Fractura de vástago en el cilindro hidráulico Tilt CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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6.4. Diagrama de cuerpo Libre y casos a analizar

Las siguiente figuras muestra la fuerza de penetración y la fuerza debido a la carga , esto se define como diagrama de cuerpo libre, el cual aplicaremos en la modelación. Fp: Fc:

Fuerza de penetración Fuerza debido a la carga del mineral

= 1020 [kN] = 104.081 [kg] (Anexo 5) = 35 [Ton] (máxima)

Para el análisis se evaluara 4 casos que se describen a continuación:

Caso 1: Penetración del balde en el cerro

Caso 2: Penetración del balde en el cerro

Caso 3: Equipo cargado con el balde en su

Caso 4: Equipo cargado con el balde

con el equipo perpendicular al cerro. La carga es distribuida en forma homogénea en el labio y las puntas del balde, maniobra ideal efectuada por el operador.

mayor altura, en posición para el carguío del camión.

con el equipo inclinado. Equivalente a una densidad diferente en el cerro (roca y tierra) donde la carga distribuida “Fp” se realiza en la mitad del balde.

con el pantógrafo realizando el mayor momento y en movimiento.


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Figura 7: Accidentes o mala operación del equipo no serán considerados en este

estudio ya que el equipo no está diseñado para estos eventos^

Tabla 2: Cargas a aplicar en chasis trasero, 44 Toneladas 4

Bastidor Trasero

1

8.342

8.342

4.1

Contrapeso

1

6.260

6.260

4.2 4.3

Motor Transmisión

1 1

10.000 1.315

10.000 1.315

4.4

Caja transferencia

1

2.360

2.360

4.5 4.6

Radiador Parachoque

1 1

2.132 6.260

2.132 6.260

4.7 4.8

Plataformas Cabina

1 1

2.405 1.950

2.405 1.950

4.9 4.10

Rops Guardabarros

1 1

3.725 975

3.725 975

4.11

Barandas

1

635

635

4.12

Tirantes inclinación

1

1.090

1.090

4.13

Accesorios y Otros

1

4.900

4.900 44.007


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6.6. Resultados de la modelación

Figura 10: Modelación del caso 1, vista superior, esfuerzo máximo 135 [MPa] está debajo del esfuerzo

de fluencia del acero 690 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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Figura 12: Modelación del caso 2, vista superior, esfuerzo máximo 208 [MPa] está debajo del esfuerzo de

fluencia del acero 690 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa] CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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Figura 14: Modelación del caso 3, esfuerzo máximo de 123 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia

del acero 690 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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Figura 24: Modelación del caso 3, balde, esfuerzo máximo 10 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia

del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica.

Figura 25: Modelación del caso 4, balde, esfuerzo máximo 30 [MPa] está debajo del esfuerzo de fluencia

del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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Figura 26: Modelación del caso 1, bastidor de carga, esfuerzo máximo de 119 [MPa] está debajo del

esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa].


esfuerzo de fluencia del acero 345 [MPa], por lo que no existirá ningún tipo de daño por deformación plástica. Las zonas rojas identifican las fallas por fatiga por sobre 80 [MPa]. CAD CAE INGENIERIA LTDA. – J. L. GONZALEZ ESQ. AVDA. ESCONDIDA 2867 OF. 201 - ANTOFAGASTA FONO 791525 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com

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Figura 30: Modelación del caso 1, bastidor de trasero, esfuerzo máximo de 105 [MPa] está debajo del




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ANEXO 7.1 CATALOGO DEL EQUIPO


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Dimensiones Todas las dimensiones son aproximadas.

1 Altura hasta la parte superior de los tubos de escape 2 Altura hasta la parte superior de la estructura ROPS/FOPS 3 Altura hasta la parte superior del capó 4 Altura hasta el centro del eje 5 Espacio libre del parachoques 6 Espacio libre sobre el suelo 7 Alcance a levantamiento/descarga máx. 8 Espacio libre a levantamiento/ descarga máx. 9 Pivote del cucharón a levantamiento máximo 10 Altura total – cucharón levantado 11 Longitud – del eje trasero al parachoques 12 Distancia entre ejes 13 Longitud – Del eje delantero a la punta del cucharón 14 Longitud total

Estándar* Neumáticos 53.5/85-57

Levantamiento alto** Neumáticos 53.5/85-57

Levant. súper alto*** Neumáticos 58/85-57

6.988 mm (22,9 pies)

6.988 mm (22,9 pies)

6.747 mm (22,1 pies)

6.736 mm (22,1 pies) 4.833 mm (15,9 pies) 1.829 mm (6 pies) 1.474 mm (4,8 pies) 811 mm (2,7 pies) 2.309 mm (7,6 pies)

6.736 mm (22,1 pies) 4.833 mm (15,9 pies) 1.829 mm (6 pies) 1.474 mm (4,8 pies) 811 mm (2,7 pies) 2.764 mm (9,1 pies)

6.494 mm (21,3 pies) 4.591 mm (15,1 pies) 1.587 mm (5,2 pies) 1.232 mm (4 pies) 569 mm (1,9 pies) 3.400 mm (11,2 pies)

5.578 mm (18,3 pies) 8.140 mm (26,7 pies) 10.933 mm (35,9 pies) 4.557 mm (15,0 pies) 6.400 mm (21,0 pies)

6.024 mm (19,8 pies) 8.479 mm (27,8 pies) 10.643 mm (34,9 pies) 4.557 mm (15,0 pies) 6.400 mm (21,0 pies)

7.296 mm (23,9 pies) 10.058 mm (33 pies) 14.372 mm (47,2 pies) 4.557 mm (15,0 pies) 6.400 mm (21,0 pies)

5.920 mm (19,4 pies) 16.877 mm (55,4 pies)

6.564 mm (21,5 pies) 17.521 mm (57,5 pies)

8.569 mm (28,1 pies) 19.526 mm (64,1 pies)

* Máquina estándar equipada con cucharón de 5.650 mm (222 pulg) con capacidad de 19 m 3 (24,5 yd3) ** Máquina de levantamiento alto equipada con cucharón de 6.220 mm (245 pulg) con capacidad de 18 m 3 (23,5 yd3) *** Máquina de levantamiento súper alto equipada con cucharón de 6.220 mm (256 pulg) con capacidad de 36 m 3 (47 yd3)

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Cargador de Ruedas 994F especificaciones

Especificaciones de operación – Levantamiento alto Para máquinas equipadas con neumáticos 53.5/85-57, 76 PR L-5 – vea las tablas adicionales para otros tamaños de neumáticos.

Especificaciones de operación – Levantamiento alto Para máquinas equipadas con neumáticos 53.5/85-57, 76 PR L-5 – vea las tablas adicionales para otros tamaños de neumáticos.

Cucharón angosto (5.640 mm/222 pulg)

Capacidad nominal (§) Ancho (§) Capacidad a ras (§)

m3 yd3 mm pies/pulg m3 yd3 mm pies/pulg

Altura de descarga a levantamiento máximo y 45° (§) Alcance en posición de mm levantamiento máximo pies/pulg y descarga de 45° (§) Alcance con los brazos mm de levantamiento en pies/pulg posición horizontal y el cucharón nivelado Profundidad de excavación (§) mm pulg Longitud total (§) mm pies/pulg Altura total con el cucharón mm completamente subido (§) pies/pulg Círculo de giro del cargador mm con el cucharón en la pies/pulg posición de transporte (§) Carga límite de equilibrio estático kg con la máquina recta** (§) lb Carga límite de equilibrio estático, kg a pleno giro de 40º ** (§) lb Fuerza de desprendimiento*** (§) kN lb Peso en orden de trabajo** (§) kg lb

14 18,5 5.640 18' 6" 11 14,4 6.110 20' 0"

Cucharón para roca con cuchilla de pala, con diente y segmento 15 17 19,5 22,5 5.640 5.640 18' 6" 18' 6" 12 14 15,7 18,3 6.110 6.002 20' 0" 19' 8"

19 25 5.640 18' 6" 15 19,6 5.895 19' 4"

Cucharón para carbón (6.200 mm/ Cucharón ancho (6.200 mm/244 pulg) 244 pulg) Cucharón para carbón con cuchilla Cucharón para roca recta con con cuchilla de pala, diente y con diente y segmento segmento 18 19 31 23,5 25 41 6.200 6.200 6.200 20' 4" 20' 4" 20' 4" 14,5 15 27 19 19,6 35,3 6.002 5.902 5.974 19' 8" 19' 4" 19' 7"

2.632 8' 8"

2.632 8' 8"

2.721 8' 11"

2.827 9' 3"

2.721 8' 11"

2.839 9' 4"

2.867 9' 5"

5.556 18' 2"

5.556 18' 2"

5.696 18' 8"

5.846 19' 4"

5.696 18' 8"

5.850 19' 2"

5.819 19' 1"

123 5" 17.396 57' 0" 11.058 36' 3" 12.959 42' 6"

123 5" 17.396 57' 0" 11.058 36' 3" 12.959 42' 6"

123 5" 17.536 57' 6" 11.205 36' 9" 12.993 42' 7"

123 5" 17.686 58' 0" 11.250 36' 11" 13.030 42' 10"

123 5" 17.536 57' 6" 10.960 36' 0" 13.249 43' 6"

123 5" 17.690 58' 0" 10.975 36' 0" 13.285 43' 7"

78 3" 17.622 57' 10" 12.184 40' 0" 13.285 43' 7"

108.695 239.631 93.575 206.297 1.091 245.475 194.634 429.094

108.926 240.140 93.757 206.699 1.091 245.475 194.774 429.403

108.111 238.344 92.914 204.840 1.015 228.375 195.434 430.858

106.543 234.887 91.399 201.500 951 213.793 196.514 433.239

105.978 233.641 90.871 200.336 1.020 229.305 196.734 433.724

104.795 231.033 89.753 197.871 957 215.325 197.464 435.333

107.068 236.044 91.770 202.318 936 210.421 197.904 436.303

(§) Las especificaciones y clasificaciones cumplen todas las normas aplicables estándar recomendados por la Society of Automotive Engineers (Sociedad de Ingenieros Automotrices). La norma SAE J732c rige la capacidad nominal del cargador, indicada en el texto por (§). * Las dimensiones se toman desde la punta de los dientes del cucharón para proporcionar información fiable de espacio libre. La norma SAE especifica el tipo de cuchilla a utilizar. ** La carga límite de equilibrio estático y el peso en orden de trabajo indicados se basan en la configuración estándar de la máquina con neumáticos 53.5/85-57, tanque lleno de combustible, refrigerante y lubricantes. *** Medida 102 mm (4 pulg) detrás de la punta de la cuchilla con pasador de bisagra del cucharón como punto pivote según norma SAE J732c.

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Cambios en las especificaciones de levantamiento alto debido al tamaño de los neumáticos

Cambios en las especificaciones de levantamiento alto debido al tamaño de los neumáticos Cambios dimensionales Altura libre de descarga en la posición de máxima elevación con un ángulo de descarga de 45° Alcance en la posición de máxima elevación con un ángulo de descarga de 45° Alcance con los brazos de elevación y el cucharón horizontales Profundidad de excavación Longitud total Altura total con el cucharón en la posición de máxima elevación Ancho total con neumáticos

mm pulg

50/80-57 –136 –5

52/80-57 –143 –6

55/80R57 –89 –3,5

53.5/85-57 0 0

58/85-57 +17 +0,7

mm pulg

+118 +5

+143 +6

+68 +3

0 0

–15 –0,6

mm pulg

+118 +5

+143 +6

+68 +3

0 0

–15 –0,6

mm pulg mm pulg mm pulg

+136 +5 +90 +4 –136 –5

+143 +6 +94 +4 –143 –6

+89 +4 +59 +2 –89 –4

0 0 0 0 0 0

–17 –0,7 –12 –0,5 +17 +0,7

mm pulg

5.305 209

5.302 209

5.509 217

5.460 214

5.524 217

50/80-57 –3.643 –8.031 –3.217 –7.092 –5.388 –11.878

52/80-57 –2.878 –6.344 –2.541 –5.602 –4.256 –9.383

55/80R57 +43 +95 +38 +84 +64 +141

53.5/85-57 0 0 0 0 0 0

58/85-57 +281 +620 +248 +548 +416 +917

Cambios de peso Carga límite de equilibrio estático con la máquina recta Carga límite de equilibrio estático, a pleno giro de 40º Peso en orden de trabajo

kg lb kg lb kg lb


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ANEXO 7.2. RECOMENDACIONES PARA ELIMINAR CONCENTRADORES DE ESFUERZOS


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ANEXO 7.3. FACTOR DE SEGURIDAD Y CONCENTRADORES DE ESFUERZOS


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Material Analisis Fallas Cargador Frontal 994f Caterpillar

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