Universidad Nacional de TrujilloFacultad de IngenieraIngeniera Mecnica

INDICETTULO1. DESCRPCIN Y CONCEPTOS GENERALES040. Principio de Funcionamiento del Brazo Excavador040. Partes del Brazo Excavador040. Especificaciones Tcnicas JCB 4CX05

1. PLANOS DEL COMPONENTE061. Plano isomtrico 061. Plano vistas 2D 07

1. Anlisis del brazo082. Clculos de Fuerzas y Reacciones080. Clculos de Reacciones090. Clculos de Fuerzas en los Eslabones100. Clculos de Fuerzas Sobre el Brazo14

1. PREPARACION DEL ANALISIS163. Seleccin del Material 163. Configuracin de las sujeciones173. Aplicacin de Cargas Extremas183. Configuracin de Mallado:20

1. RESULTADOS OBTENIDOS224. Mapa de Tensiones 234. Mapa de Deformaciones 254. Mapa de Desplazamientos274. Factor de Seguridad 29

1. CONCLUSIONES30

ANLISIS ESTTICOBRAZO DE RETROEXCAVADORA JCB 4CXEn la JCB 4CX, el proceso de fabricacin se prolong tres aos e implic las pruebas ms exigentes que puedan imaginarse, sometiendo las mquinas a todas las situaciones posibles, bajo todas las condiciones climticas, incluso rticas. Es aquella, que se encuentra despus del bastidor de giro, para RETROEXCAVADORA JCB 4CX.

1. DESCRICION Y CONCEPTOS GENERALES:

1.1 - PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL BRAZO EXCAVADOR::

El movimiento que se imprime sobre el material a recoger o levantar es generado a travs de la cuchara que es la terminacin del brazo excavador; la presin es generada cuando el aceite en la bomba hidrulica se transmite hacia los cilindros, permitiendo laSalida o entrada del vstago, lo que produce el movimiento del brazo para realizar su funcin.Trabajan atacando del nivel del suelo hacia arriba: con el brazo en la posicin correcta cercana a la superficie vertical de la tierra que se va a excavar, se baja el cucharn, se le aplica una fuerza y una tensin para jalar el cucharn hacia arriba. Si la profundidad del corte es la correcta, considerando el tipo de suelo y el tamao del cucharn, ste estar lleno al llegar a la parte superior. Se llegar a una capacidad ptima de corte cuando sellena el cucharn de la mquina en el menor tiempo posible, los valores de las alturas 4 para obtener esta relacin dependen de cada mquina y dependen de su altura y capacidad mecnica.

1.2 - PARTES DEL BRAZO EXCAVADOR:

Cuchara Brazo Pluma Cilindros hidrulicos Base

1.3 - ESPECIFICACIONES TECNICAS JCB 4CX:

Las distancias que puede alcanzar el brazo en las posiciones que se aprecian en laFig.

A. Altura mxima de Excavacin = 2050mmB. Altura mxima de Vaciado = 1350mmC. Profundidad de Excavacin Vertical=1580mmD. Profundidad mxima de Excavacin = 1650mmE. Alcance mximo de Excavacin = 2240mm

La fuerza de excavacin que podr aplicar el Brazo Excavador en las uas de la cuchara ser de 8.3kN.

3. ANALISIS DEL BRAZO :

3.1 CALCULOS DE FUERZAS

Se probaron varias posiciones de trabajo del Brazo Excavador al momento de levantar la carga y se obtuvo la posicin en la que realiza su mayor esfuerzo en el momento de recoger la carga. Se considerar el punto A que es el punto de unin del cilindro hidrulico de la Pluma con el Brazo y un apoyo fijo que ser el punto B que es el punto de unin del Brazo con la Pluma, en esta posicin se realizaron los siguientes clculos:

Las distancias son:

Tambin por diseo tenemos que el ngulo que forma la reaccin RA con la horizontal es de 10 grados en la direccin del cilindro hidrulico de la Pluma.Mediante un anlisis grfico con las direcciones de las fuerzas RA y F podemos obtener el ngulo que forma la fuerza RB con la horizontal:

Para hallar el ngulo que la fuerza RB forma con la horizontal mediante el mtodo grfico es necesario extender las fuerzas externas que actan en el Brazo las cuales por equilibrio debern convergen a un punto comn.Segn este grfico obtenemos que el ngulo que forma la Fuerza RB con la horizontal es de 8 grados.

Entonces los ngulos que forman las reacciones en la unin del brazo con la pluma son:

3.1.1 CALCULOS DE REACCIONES

Aplicando Suma de Momentos en el punto B obtenemos:

Esta reaccin es el resultado de la fuerza que ejerce el pistn hidrulico sobre el brazo para realizar su movimiento.

Por equilibrio:

El resultado obtenido nos indica que el sentido de la reaccin es igual al del dibujo.

No se ha considerado el peso del brazo en el anlisis de fuerzas pues no influye de manera significativa en la reacciones.

3.1.2 CALCULOS DE FUERZAS EN LOS ESLABONES

En la unin del brazo con la cuchara se forma un mecanismo de cuatro eslabones siendo el brazo el eslabn fijo que en este caso es la unin de los puntos GE, los eslabones mviles sern representados por los elementos HG, HD y la cuchara con la unin de los puntos DE adems la fuerza aplicada sobre el mecanismo en el punto H es la fuerza que aplica el pistn hidrulico para realizar el movimiento al recoger la carga que en este caso sera la fuerza HI F . Este mecanismo es el que permitir recoger, alzar y realizar todos los movimientos de la cuchara gracias a la fuerza aplicada por el pistn sobre una de las articulaciones.

En la Figura 2.3 se muestra la equidad entre los componentes de esta unin con los eslabones del mecanismo mencionado:

En este mecanismo encontraremos una serie de ngulos formados por cada eslabn con respecto a la horizontal lo cuyo valor ser necesario hallar para poder descomponer las fuerzas y hacer ms sencillo el clculo.

Hallando :

Hallando :

Hallando :

Hallando la fuerza que ejerce el eslabn HD sobre la cuchara:

El elemento HD tiene una curva suave y en sus extremos se generan reacciones de manera que se trata de una biela, el clculo para hallar esta fuerza se muestra a continuacin:

La direccin del vector es correcta ya que la fuerza hallada resulto positiva y nos indica que el elemento HD se encuentra trabajando a compresin en el momento en el que el brazo aplica su fuerza para la excavacin.

Hallando las fuerzas FHI y FHG :

Por equilibrio = 0 y despejando obtenemos: x F HG F

Por equilibrio reemplazando FHI despejando obtenemos:

Reemplazando obtenemos:

De esto concluimos que el elemento HG trabaja a traccin.

El pistn HI ejerce una fuerza que empujar al pin H para que el brazo pueda moverse.

3.1.3 CALCULOS DE FUERZAS SOBRE EL BRAZO Las fuerzas actantes sobre el brazo provocarn que est sometido a esfuerzo, para lo cual este clculo se realiza para poder comprobar la resistencia de la estructura a estos esfuerzos. Se tiene como incgnita el valor de la fuerza FE y el ngulo que forma con la horizontal.

.De la figura tomamos los siguientes datos:

Se tomar la condicin de equilibrio:

Entonces obtenemos: FE = 3.2kN y forma = 34.7 con la horizontal.

A partir de los datos de la tabla anterior y de las fuerzas ya halladas se obtuvo los diagramas de fuerzas y momentos que actan sobre la estructura:

En estos diagramas se puede apreciar los lugares donde se producir los mximos esfuerzos sobre la estructura en su posicin de mximo esfuerzo.

El Brazo estar conformado por planchas y bloques del material: Acero St 52.

4. PREPARACION PARA EL ANALISIS :

4..1 SELECCIN DEL MATERIAL Para la tener un anlisis esttico del brazo que sea lo ms prximo a la realidad hemos obtenido de pginas web de empresas como CAT , BOTCAT y LIEBHERR EXACAVADORAS el material ms usado en la fabricacin de esta pieza mecnica y hemos encontrado que el material ms usado para esto es el ACERO ESTRUCTURAL ST52 -3 U.

Como el acero ST52_3U , no se encuentra en las libreras de materiales de solidworks , hemos procedido a buscar un material que tenga las mismas caractersticas mecnicas de este acero en las tablas de un importante fabricador y normalizador de aceros para la construccin de maquinaria pesada como es ARCELOR MITTAL y hemos encontrado que el acero ST52-3U es equivalente al acero S355J0 el cual si se encuentra en las libreras de soliword

He aqu las caractersticas mecnicas de acero S355J0

4.2 CONFIGURACIN DE LAS SUJECIONES: Las reacciones y fuerzas externa que actan sobre el brazo de la retroexcavadora son :TABLA DE REACCIONES Y FUERZAS CON SUS RESPECTUVICAS COMPONENTES RECTANGULARES

REACION / FUERZAEJE X ( KN )EJE Y ( KN )

Ra-10.7937.64

Rb14.59-44.97

Fhi37.74

Fhg-11.7227.34

Fe-30.6-21.17

La sujeciones se han utilizado para impedir el movimiento de la estructura a lo largo del eje Z, puesto que le movimiento de la pala solo se produce en el plano XY, as se evitaran desplazamientos en el eje Z y la aparicin de posibles tensiones debido a esto produciendo que los resultados obtenidos no fueran ciertos. Esto se realizara mediante la colocacin de rodillos deslizantes en las caras exteriores de la pieza como se ve en la figura.

4.3 APLICACIN DE CARGAS EXTREMAS: Para aplicar las reacciones Y fuerzas externas que actan en el brazo en SolidWorks se realiza en cargas externas el cual permite aplicar fuerzas, que es lo que se ha utilizado para situar las reacciones y fuerzas .Esta opcin permite elegir sobre que caras de las superficies quieres aplicar la carga, la forma de su distribucin y permite introducir el valor de estas como la direccin y sentido utilizando un plano como referencia. Para nuestro estudio esttico las cargas estas distribuidas a lo largo de las superficies cilndricas donde irn los pasadores, es decir, la distribucin ser total a lo largo de toda la superficie y se ha utilizado el plano horizontal global como referencia para poder poner el valor y su sentido correcto de las reacciones y fuerzas, respecto a los ejes globales.

- Vista en la cual observamos ya todas las reacciones y fuerzas externas k actan sobre el brazo con direccin y sentido ya especificados

4.4 CONFIGURACIN DE MALLADO: Para analizar la estructura por medio de elementos finitos es necesario realizarlo por medio de un mallado de elementos SHELL. En este caso al tratarse de un Conjuntos de bsicamente de placas o planchas metlicas; para esta geometra el software genera automticamente una malla con elementos de vaciado. De los dos tipos de elementos que permite el software (calidad de borrador, alta calidad) el elegido es la Malla de alta calidad para obtener el anlisis por elementos finitos ms completo posible, debido a que hay superficies curvas en los modelos.

En las diferentes opciones de mallado proporcionadas se ha utilizado la densidad de mallado ms fino y adems de estos se ha aumentado el nmero de mnimo de elementos que se utilizan en los crculos a 16, para ello se ha utilizado los parmetros de mallado, esto se ha realizado debido a que las cargas estn aplicadas en as caras o superficies cilndricas donde irn los pasadores de esta manera los resultados obtenidos en la unin de los pasadores con las placas laterales sern valores an ms reales. En esta zona en muy importante tener un mallado fino para ver bien como se distribuyen las tensiones desde los tubos de los pasadores a las placas laterales que son los elementos principales que sustentan cada elemento.

5. RESULTADOS OBTENIDOS:

En esta seccin se mostraran los resultados del comportamiento del brazo e la retroexcavadora para los paramentos de tensiones, desplazamientos deformaciones y factor de seguridad

4.1. MAPA DE TENSIONES:

Segn los resultados del mapa de tensiones muestra como era de suponer que las reas en las cuales podra darse mayor deformacin son en caras cilndricas que se conectan con los cilndricos hidrulicos y con la cuchara u palaCuando observamos el mapa de tensiones pero a escala real vemos que ningn rea lleva ni siquiera a la tercera parte del lmite elstico permisible

4.2. MAPA DE DEFORMACIONES

4.3. MAPA DE DESPLAZAMIENTOS:

4.4 FACTOR DE SEGURIDAD:

6. CONCLUSIONES: Las conclusiones ms resaltantes y claras a las cuales hemos llegado es que el acero ST52_3U es uno de los mejores en su especie pues al ver el brazo en su posicin ms crtica en la que su esfuerzos son las mximos operativamente hablando ningn rea por ms pequea que sea en otras palabras ningn punto en la estructura del brazo sede a una deformacin puesto que las caractersticas del material son muy favorables ante estas ; se podra hacer un nuevo estudio con otro material que tenga propiedades mecnicas ms desfavorables para poder quizs observar una deformacin por la operatividad del brazo mecanice.Tras completar el proceso de anlisis el software ha demostrado que es una herramienta muy til en el diseo de elementos estructurares puesto que permite realizar diseos, anlisis de estos, modificaciones en los diseos inciales con gran facilidad lo que permite un gran ahorro de recursos y por lo tanto econmico.

2 Anlisis Esttico